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Verfügbarkeit von Schaltrelais. Die Anwendung entscheidet!


Um die Zuverlässigkeit von Systemen zu bestimmen, werden für die Komponenten Angaben zur Zuverlässigkeit bzw. zum Ausfallverhalten benötigt.
Gewünscht wird vielfach die Angabe einer MTBF (Mean Time Between Failures, mittlere Betriebsdauer zwischen zwei Ausfällen, DIN 40041), wie für Geräte üblich. Neu hinzu gekommen sind, neben den bekannten Anforderungsklassen AK und Steuerungskategorien SK, die SILx für elektronische, sicherheitsgerichtete Komplettsysteme (Safety Integrated Level – SIL 1 bis SIL 4; IEC / DIN EN 61508-x).

Für elektromechanische Bauelemente ist diese Form der Beschreibung jedoch nicht möglich. Der Ausfall wird durch eine Bean-spruchung, die Verschleiß bewirkt, verursacht.
Bei elektromechanischen Relais baut sich Verschleiß über die Anzahl der Schaltspiele auf, aber nicht in direkter Abhängigkeit von ihrer Einsatzdauer. Sind ausreichend Angaben zur Beanspruchung im Einsatzfall bekannt, lässt sich eine voraussichtlich ausfallfreie Einsatzdauer bestimmen. Ein wesentlicher Teil der hierfür erforderlichen Angaben ist seitens des Projekteurs des Systems zur Verfügung zu stellen. Nur er kennt den Einsatzfall mit seiner spezifischen Beanspruchung.
Die bestimmende Ursache ist der Verschleiß an den Kontaktstücken. Er ist abhängig von der Wirkung der tatsächlichen Beanspruchung, d. h. von deren Intensität und Häufigkeit.

Da die Wirkung der mechanischen Beanspruchung in der Regel wesentlich geringer als die Kontaktbeanspruchung durch die geschaltete Last (elektr. Lebensdauer) ist, wird sie nachfolgend nicht betrachtet.






Lösungsansatz: Unter der Vorgabe, dass der Verschleiß der Kontaktstücke die Lebensdauer bestimmt, lässt sich eine einfache Betrachtung anstellen:
Die Wirkung der Beanspruchung ist nur von kurzer zeitlicher Dauer und tritt beim Einschalt- und Ausschaltvorgang auf. Für die Bestimmung der Zeit eines fehlerfreien Betriebs ist maßgebend, in welchen zeitlichen Abständen die Beanspruchungen (Schaltvorgänge) erfolgen.
Die zu erwartende störungsfreie Einsatzdauer (Zeit bis zum ersten Ausfall – TTF), Zeitabschnitt ohne konstante Ausfallrate, ist damit eine Zeit, die sich erst aus dem speziellen Einsatzfall, aus der Funktion des Systems über die Beanspruchung ergibt. Die elektrische Lebensdauer ist in diesem Zusammenhang die entscheidende Kenngröße.
Der erforderliche zeitliche Bezug, d.h. die mögliche ausfallfreie Einsatzdauer, ergibt sich erst, wenn die zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen Schaltvorgängen einbezogen werden.
Die ausfallfreie Einsatzdauer ist nicht abhängig von der Anzahl der beteiligten Relais. Dabei ist unterstellt, dass die elektrische Lebensdauer an einer Anzahl von Relais repräsentativ ermittelt wurde.

Beispiel: Für eine bestimmte Kontaktbelastung wurde eine elektrische Lebensdauer von >3x106 Schaltspielen ermittelt. Bei etwa 100 Schaltspielen pro Einsatztag ergibt sich ein möglicher ausfallfreier Einsatz von >3x106-2 Tagen.
Dies entspräche bei jährlich 365 Einsatztagen mehr als 80 Jahre ausfallfreier Betrieb (oder 120 Jahre bei 250 Tagen/ Jahr). Selbst bei 1.000 Schaltspielen pro Tag (>3x106-3) sind es über 8 bzw. 12 Jahre.

Man verfügt mit der möglichen ausfallfreien Einsatzdauer über eine verwertbare Zeit, in der keine Ausfälle zu erwarten sind. Bezogen auf die bekannte „Badewannenkurve“ ist diese Gesamtzeit erreicht, wenn mit dem ansteigenden Kurvenabschnitt die Spätausfallphase beginnt.


Zusammenfassung:
Die Ermittlung der möglichen ausfallfreien Einsatzdauer setzt die genaue Kenntnis der Beanspruchung und deren Häufigkeit voraus. Diese hat der Anwender bzw. Projekteur zu benennen. Die elektrische Lebensdauer muss repräsentativ gewählt sein.
Mit diesen Vorgaben lässt sich eine mögliche ausfallfreie Ein-satzdauer bestimmen und die geforderten Angaben für Geräte oder komplette Systeme ermitteln. Typische Skalierungen, wie MTBF, SIL, AK oder SK sind auf elektromechanische Relais nicht anwendbar.

Eberhard Kirsch

Im Web publiziert - 10/2002

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