Spínacím obvodům na bázi reléové techniky přichází konkurence v polovodičové spínací technice. Obě techniky mají svoje výhody, ale i nevýhody a v blízké budoucnosti mohou oba principy vedle sebe vzájemně existovat.

Optimální volba vhodného sytému je závislá na konkrétní aplikaci.

Klasická reléová technika v důsledku odděleného potenciálu a relativně vysokým spínaným proudům má standardní uplatnění, například jako spínací relé v oblasti řízení technologických procesů, kde není požadována výrazně rychlá reakce. Důvěra v tuto techniku je dána velkým počtem spolehlivých nasazení, která pro jejich dlouhodobé využití v provozu vytváří vysokou úroveň spolehlivosti.
Polovodičová technika v důsledku své kompaktní velikosti, stability a dlouhé životnosti zaznamenává v posledních letech velký vzrůst. Jako příklad je možné poukázat na řadu bezpečnostních polovodičových modulů systému MINOS firmy Zander Aachen, který se vyznačuje kompaktní formou a splňuje nejvyšší normy a standardy pro nasazení ve strojírenství a průmyslových provozech.
Také kombinace obou technik zaznamenává nárůst. V této oblasti nabízí firma Zander Aachen i další bezpečnostní prvky, například bezpečnostní časová relé SCB kombinující konfigurovatelné reléové kontakty a polovodičové bezpečnostní výstupy, nebo plně konfigurovatelný bezpečnostní systém TALOS, využívající polovodičovou techniku ve spojení s možným rozšířením pomocí reléových expandérů.

Klasická bezpečnostní relé

Jak vypadá, nám dobře známé, bezpečnostní relé pro nouzové zastavení? Zapojení je realizováno na bázi elektromechanické reléové techniky s použitím nuceně vedených kontaktů. Nebezpečné poruchy, jako například svaření kontaktů nebo mechanická poškození, jsou okamžitě rozpoznány a v důsledku toho je zablokován bezpečný stav, který tímto neumožní opětovné spuštění. Funkce klasických bezpečnostních přístrojů jsou vždy zpravidla stejné. Jestliže je typicky dvoukanálový bezpečnostní okruh uzavřen a tlačítko START aktivováno, budou nuceně vedené kontakty redundantních relé K1 a K2 pomocí interní logiky sepnuty (viz obr. 1). V případě aktivace ovladače nouzového zastavení se kontakty rozepnou, aby mohl být ovládaný stroj bezpečně zastaven. Nuceně vedené kontakty zajišťují, že případná porucha nevede ke ztrátě bezpečnostní funkce a každá chyba je rozpoznána prostřednictvím samočinného cyklického sledování stavu při pozdějším vypnutí a opětovném zapnutí.
Kromě rozpoznání poruchy na vstupních obvodech, jako je např. zkrat na bezpečnostním okruhu, nebo pouze částečné rozepnutí (u 2-kanálových okruhů), je důležité rozpoznání poruchy na připojených výstupních členech nebo rozšiřovacích kontaktních modulech, např. když dojde ke slepení kontaktů u jednoho z dvojice připojených stykačů. Zde se používá tzv. kontrola zpětné vazby (EDM - external device monitoring) pomocí typicky rozpínacích kontaktů nebo výstupů s podobnou funkční logikou.
Tímto bezpečnostní relé nesplňuje pouze funkci bezpečného odpojení, ale navíc také kontrolu vlastních bezpečnostních vstupních prvků senzoriky, a tak funguje jako centrální prvek bezpečnostních funkcí.
Vedle vyhodnocování a kontroly ovladačů nouzového zastavení, spínačů ochranných dveří nebo světelných závor existují také spínací přístroje pro zvláštní požadavky, například relé pro dvouruční ovládání, která mají uplatnění pro průmyslové lisy, nebo bezpečnostní časová relé, která se používají pro doběhové stroje.

Zhodnocení klasických bezpečnostních relé

Bezpečnostní elektromechanická relé se vyznačují potenciálně oddělenými výstupy a konstrukcí s vyššími spínanými výkony. Umístění vlastních relátek v redundantních obvodech na plošné spoje se jeví pro koncové uživatele relativně bezproblémové, a tím mohou být snadno integrovány do elektronických obvodů bezpečnostních modulů. Při proudových nebo napěťových špičkách vykazují poměrně vysokou odolnost a obecně vysokou stálost. Mimo to umožňují spínání relativně vysokých proudů při napětí do 250 V AC. Stav sepnutí je často obyčejným pohledem rozpoznatelný a zřetelně se projevuje akustickým klapnutím.
Na druhé straně mohou být tyto prvky v důsledku mechanické zástavby hodnoceny jako velikostně rozměrné přístroje, na trhu jsou například i moduly se zástavbovou šířkou 90 mm. Mimo to jsou obecně relé pracující na základě mechanického principu ještě vystavena určitému mechanickému i elektrickému opotřebení, navíc reagující citlivěji na otřesy a vibrace. Z důvodu delších reakčních časů, až v desítkách milisekund, se pak tato relé řadí do kategorie relativně pomalých spínacích systémů.

Bezpečnostní logika s polovodičovými spínacími obvody

Bezpečnostní moduly na bázi polovodičové techniky často používají logické obvody jak na vstupní, tak na výstupní části. Na vstupním bezpečnostním okruhu pak používají, podobně jako některá klasická bezpečnostní relé, obvody pro detekci zkratů a dalších poruch, které v případě vzniku takové situace zajistí okamžité odpojení výstupu a uvedou modul do bezpečného stavu. Na výstupu jsou to pak aktivní prvky s triaky a MOSFET tranzistory, které zastupují funkci relé.
Největší výzvou je schopnost monitorování stavu spínacích obvodů během provozu, stejně jako u bezpečnostních relé s nuceně vedenými kontakty a redundantní architekturou. Integrované výstupní obvody, které přebírají funkci sledování připojených výstupních akčních členů, tzv. aktorů, jsou realizovány cyklickým spouštěním těchto výstupů prostřednictvím kontroly funkčnosti před každým novým startem. Polovodičová relé s bezpečnostními funkcemi se také používají tam, kde není možné z důvodů zvýšených požadavků na úsporu místa použít klasická bezpečnostní relé.

Zhodnocení polovodičových bezpečnostních obvodů

Velkou výhodou polovodičových bezpečnostních obvodů je rychlé spínání bez mechanického opotřebení. Tato technika odpovídá bezpečnostním standardům (PLr, SILCL; dle norem ČSN EN ISO 13849-1 a ČSN EN 62061) nezávisle na počtu spínacích cyklů. Nasazení v oblasti zvýšených požadavků na časté spínání, jako např. časté otevírání ochranných dveří, může být úspěšně realizováno pomocí této techniky. Kromě toho se spínací doby polovodičových bezpečnostních obvodů pohybují v mikrosekundách, což je řádově nižší hodnota než u klasických reléových obvodů. Navíc jsou tyto obvody bez mechanických dílů několikanásobně méně citlivé k mechanickým šokům. Dále je možné u těchto obvodů realizovat odpovídající kompaktní design, který v důsledku malých rozměrů přináší uživatelům výhody ve snížení montážního prostoru, a tím i snížení požadavků na oteplení.
U polovodičových bezpečnostních obvodů je nutné zohlednit menší výstupní proudy, než které mohou spínat kontakty relé. Ve srovnání s klasickými bezpečnostními relé mohou potom pracovat s menšími minimálními výstupními zátěžemi a mohou být úspěšně použity například pro ovládání bezpečnostních PLC vstupů, kde nejsou pro spolehlivé spínání minimální zátěže mezní minimální hodnoty požadovány. Mimo to jsou tyto obvody napájeny jen stejnosměrným napětím, to zase může omezovat oblast použití.

Použití spolehlivých polovodičových bezpečnostních modulů

V bezpečnostních modulech nové řady MINOS firmy Zander Aachen je nasazena popsaná polovodičová bezpečnostní technika. Proto je nutno na tyto moduly nahlížet z pohledu jejich vlastností, které je odlišují od klasických bezpečnostních relé:

• Prakticky neomezená životnost z důvodu nulového mechanického opotřebení
• Vysoká mechanická stabilita (odolnost vůči rázům a vibracím) rozšiřuje jejich použitelnost v provozu
• Jedinečná kompaktní zástavba zaujímá přibližně třetinu zabudovaného prostoru v porovnání s klasickými bezpečnostními relé (šířka 6,2 mm, místo 22,5)
• Integrovaná LED signalizace pro ucelenou diagnostiku stavů a chyb, která zvyšuje použitelnost tohoto zařízení

Tyto vlastnosti umožňují využití polovodičových bezpečnostních modulů v mnoha bezpečnostních aplikacích, kde se používají klasická relé, ale se všemi výše uvedenými výhodami. Tak je možno monitorovat tlačítka nouzového zastavení, stav bezpečnostních spínačů ochranných krytů a rovněž lze sledovat i stav bezpečnostních světelných závor a podobných ochranných zařízení.
Polovodičové bezpečnostní moduly MINOS mají řadu variant. Kromě vlastního zapojení se liší jednotlivé typy podle možností připojení (použití šroubových nebo pružinových připojovacích svorek). Pro ovládání citlivých bezpečnostních výstupních členů ( aktorů ) jsou k dispozici speciální varianty dosahující nižší úrovně PL d, které vycházejí z možnosti realizace ovládání bezpečnostních výstupů bez využití pokročilého testování pomocí testovacích pulzů. Toto řešení je vhodné pro ovládání např. některých citlivých bezpečnostních vstupů pro funkci bezpečného zastavení pohonu.