Главная
страница 1
правильный выбор реле для интерфейсов промышленной автоматики
Промышленной автоматике требуются реле, то есть дистанционные переключатели с гальванической развязкой входа и выхода. Реле должны коммутировать разнообразные нагрузки, начиная от аналоговых цепей и заканчивая киловаттами в системах управления промышленными процессами. У инженеров есть выбор между электромагнитным и твердотельным реле, а предпочтение отдается на основании опыта при наличии модных тенденций.

Исторически электромагнитные реле появились первыми и эволюционировали более 40 лет до открытия полупроводников. В середине 60-х полупроводниковые (они же твердотельные, Solid-State Relays, SSR) реле стали конкурировать с традиционными, но эволюция электромагнитных реле не остановилась. К началу XXI века выбор в пользу полупроводниковых реле почти гарантирован, когда речь идет о коммутации слабых сигналов в телефонии, но для управления "типично промышленными" нагрузками достоинства полупроводников уже не столь очевидны.

Целью статьи является сравнение нескольких важных показателей качества для электромагнитных и твердотельных реле. Для промышленной автоматики важны качественные показатели, габариты и цена, поэтому при разработке дискретных интерфейсов обязательно надо правильно подобрать подходящий ключ, то есть реле. Будем помнить, что "…поступающего правильно ожидает награда только в конце его пути" (Махабхарата).
В промышленной автоматике реле можно найти на каждом шагу, несмотря на то, что типовым узлом автоматики стали программируемые контроллеры, а потому эпоха релейной автоматики подошла к концу. Но реле незаменимы для управления нагрузками, поэтому в интерфейсных платах контроллеров в качестве мощных дискретных ключей применяют и электромагнитные, и полупроводниковые реле. От интерфейсных реле требуется способность коммутации нагрузок на переменном и постоянном токе напряжением от 12 до 220 VAC/DC при силе тока от единиц миллиампер до 10-15 А. Конструктивно реле должны впаиваться в печатную плату и занимать на ней как можно меньше места. В одном интерфейсном модуле иногда ставят 16-32 реле, набирая их группами по 8 штук, согласно байтовой структуре бинарной логики. Вот, собственно, и вся постановка задачи, для решения которой надо ответственно подойти к выбору реле.
Для сравнения столь разных по принципу действия устройств, как электромеханическое и твердотельное реле, необходимо задаться универсальными и удобными для инженеров характеристиками реле. Посмотрим на следующие четыре параметра, перечисленных в порядке их важности для разработчика интерфейсов промышленной автоматики.


Параметр

Что означает и почему важен для инженера

Удельная мощность коммутации

Pу = Pк / Vреле [ватт/см3]; Pк - коммутируемая мощность, Vреле - объем корпуса реле (включая радиатор охлаждения для SSR)



Определяет габариты будущего устройства, потому что коммутируемая мощность и количество управляемых устройств строго указаны в техническом задании, а объем оборудования напрямую зависит от удельной мощности коммутации каждого реле

Сопротивление контакта и потери на контактном элементе

при номинальном токе коммутации [Ом или W потерь]



Габариты оборудования и способность коммутационных элементов работать без принудительного охлаждения в заданном диапазоне температур окружающей среды. Для промышленной автоматики характерна работа при температуре до +50…70 С. Если включенное реле греется, то это вносит дополнительный перегрев как самого реле, так и окружающей техники

КПД = (Pк - W потерь) / Pк [%]

Экономический фактор. При низком КПД и мощных нагрузках требуются устройства охлаждения и увеличиваются размеры корпусов оборудования

Мощность управления

Pупр [W], мощность, необходимая для включения реле



С выхода микропроцессора невозможно отнять большую мощность для включения коммутационного элемента. Чем меньше мощность на управляющем входе, тем проще сопряжение с электроникой

Эти параметры достоверно отражают качество мощного реле и не зависят от его принципа работы. Заранее полагаем, что читатель уже встречался как с хорошими, так и с ненадежными компонентами, поэтому проблемы сравнительной надежности мы здесь обсуждать не будем.


Перед написанием статьи для проведения испытаний были подобраны несколько типов электромагнитных и полупроводниковых реле. Критерием отбора служили высокое качество, низкая цена и доступность для российских разработчиков (хорошие, но недоступные реле неинтересны для инженера и его снабженца, да и кто выдержит срок поставки в 15 недель?). Всем поставленным требованиям отвечают электромагнитные реле фирмы RELPOL и твердотельные реле уверенно присутствующей на российском рынке фирмы SHARP (симисторные реле). Эти реле допускают пайку в печатную плату и отвечают всем требованиям промышленных стандартов. Конечно, интересно было бы протестировать более широкий набор реле, но предлагаемый метод анализа прост и инженер сам может подвергнуть анализу все интересующие его реле.

Посмотрим в таблицы. Все каталожные параметры уже внесены и нужные данные рассчитаны, так что анализ будет прост, как никогда.




Электромагнитные реле RELPOL

Тип реле

Мощность цепи управления

Ток контакта (коммутации)

Сопротивление контакта

Размеры, мм

Объем, см3

Удельная мощность коммутации, ватт/см3

КПД%

Требует

охлаждения?



RM96

0,2 W

8 А

менее 5 мОм - новое, порядка 50 мОм в конце эксплуатации

28х10х16

4,5

390

99,9

нет

RM85

0,4 W

16 А

29х13х16

6

590

99,9

нет




Полупроводниковые реле SHARP (активный элемент - симистор)

Тип реле

Мощность цепи

управления



Ток контакта (коммутации)

Сопротивление

контакта


Размеры, мм

Объем, см3

Удельная мощность коммутации, ватт/см3

КПД%

Требует

охлаждения?



S202SE1

15 мА

(ток входа)



8 А

1,7 V - напряжение падения на открытом ключе

18х25х6

2,7

60 (с учетом объема радиатора охлаждения)




да, радиатор площадью не менее 50 см2

Приведенные параметры необходимы для системной оценки и предварительного выбора реле, но для полной проработки проекта инженеру будет нужна дополнительная информация. Следующая таблица - перечень достоинств и недостатков. На основе их сравнения можно уже сделать обоснованный вывод по применимости в интерфейсах твердотельных или электромагнитных реле. Этот вывод приходится делать и с точки зрения техники, и с точки зрения экономики (заказчик, увы, морально несовершенен и все время норовит спросить "а сколько такое стоит?"). Напомним, что мы интересуемся реле для промышленной автоматики, так что разработчиков космической техники просим творчески адаптировать наши выводы для своих условий работы.







Электромагнитные реле

Полупроводниковые реле

Удельная

мощность


коммутации

Предельно высокая, намного лучше, чем у полупроводниковых реле. Например, для реле RM85 получается более 700 W/см3

Само реле SSR может быть маленьким, но радиатор для охлаждения все равно требуется. При применении радиаторов удельная мощность не бывает более 20 W/см3. Габаритные размеры SSR оказываются большими! Для SSR стандарта SHARP, коммутирующего 220 VAC/5A, удельная мощность получается менее 40-60 W/см3

Сопротивление

контакта и потери на контактном элементе



Минимальные, в большинстве случаев потерями можно пренебречь. При коммутации тока 16 А на катушке и контактах реле в целом выделяется не более 2,5 W тепла

Потери большие, симисторное реле рассеивает 1,5 W на 1 ампер коммутируемого тока (например: 5 А в нагрузке  7,5 W потерь, 16 А в нагрузке  24 W потерь)

КПД

Очень высокий, охлаждение реле можно не предусматривать. Высокий КПД дает возможность надежной работы реле при температуре среды до +70-80 С

Например: ток нагрузки 8 А, напряжение 220 VAC, итого мощность коммутации - 1760 W. Потери: (см. выше) - 12 W, КПД = 99,3%, но надо обязательно отвести от корпуса реле 12 W. Тепловые потери к тому же сильно ограничивают температурный диапазон работы SSR!

Мощность

управления



На уровне 0,2 … 0,7 W, что равнозначно току управления в пределах 8 … 30 мА

Ток управления (включения) не более 15-20 мА

Габаритные

размеры


Очень малые, на печатной плате электромагнитные реле занимают минимум места

Габариты SSR сами по себе маленькие, но при коммутации токов свыше 1,5-2 А требуются просторные корпуса для улучшения охлаждения. Радиаторы для охлаждения SSR затрудняют размещение этих реле на печатных платах

Необходимость

охлаждения



Отсутствует! В настоящее время доступны электромагнитные реле RM85, работающие при токе контактов до 16 А при температуре воздуха до +105 С, есть и дешевые реле для работы при + 125 С (для духовок и сушильных шкафов)

При коммутации тока более 1,5 А требуется принимать меры по охлаждению SSR. При нагреве SSR свыше +50 С их коммутационная способность снижается на 10-15% на каждые 10 С перегрева

Устойчивость к

коротким замыканиям в нагрузке



Без проблем, реле RM96 с контактами на 8 А устойчиво к перегрузкам по току до 100 А при длительности перегрузки 100-150 мс

Хорошая, но надо помнить, что для SSR нормируются импульсные перегрузки по току длительностью 40 мс (2 периода сети)

Возможность

коммутации AC/DC или напряжений

любой полярности


Контакт реле коммутирует одинаково хорошо AC и DC, но есть ограничения по токам разрыва при коммутации высоковольтных (> 60 VDC) нагрузок на DC

SSR не коммутируют постоянный ток, для этих целей необходимы транзисторы или PhotoMOS реле, но там есть неприятная проблема с высокой ценой

Возможность

коммутации малых токов (1…10 мА)



Без проблем, правда, с некоторыми ограничениями при токах менее 5 мА, хотя реле с позолоченными контактами стоит недорого

Большинство SSR не гарантируют уверенной работы с нагрузками менее 10-15 мА. Внимательно ознакомьтесь с каталогом!

Коммутация нагрузки в "0" сетевого напряжения (полезно для емкостных нагрузок и ламп накаливания)

Не предусмотрена (хотя есть простые и надежные схемы для синхронизации включения и выключения реле в моменты перехода сетевого напряжения через "0")

Без проблем! Это - так называемые Zero Crossing SSR, ZCSSR (но помним, что коммерческие дешевые ZCSSR считают "0" в сети уровень напряжения 20-30 V)

Коммутация

индуктивных нагрузок и электромоторов



Нагрузочная способность быстро падает с ростом cos нагрузки. Реле с контактами 8 А при напряжении 220 VAC способно включать и выключать электродвигатели мощностью не более 150…300 VA

SSR хорошо коммутируют электромоторы, но при этом их рабочий ток падает до 30% от номинального (написанного на корпусе реле) - это следствие перегрузок при включении моторов

Чувствительность к скорости нарастания тока в нагрузке

Отсутствует!

Имеется, при высокой скорости нарастания тока SSR и особенно ZCSSR может самопроизвольно переключаться (выключаться), создавая большие помехи и неустойчивость в работе. Здесь помогают защитные RC-цепочки

Экономическая эффективность

Очень высокая, для реле RM96 менее 0,001 USD/kW коммутируемой мощности

У самого SSR высокая (порядка 0,005 USD/kW), но радиатор охлаждения и занимаемое в корпусе прибора место стоят денег

Первоначальные

затраты


Низкие, реле стоит дешево, места на плате занимает мало, радиатора охлаждения не требует

SSR дороже и требует более внимательной конструктивной проработки как печатной платы, так и всего проекта в целом (объем корпуса, температурный режим окружающих компонентов и т.д.)

Обслуживание и старение

Гарантированный заводом ресурс RM96 составляет 300000 коммутаций при токе 8 А, типовое значение: 500000 коммутаций. Но эффект износа есть, что важно для оборудования, планируемого для работы более 15 лет

Формально старения параметров SSR нет. Для коммерческих SSR в пластиковых корпусах время жизни составляет 15-25 лет, далее сильно деградирует пластиковый корпус и падает надежность (учтем, что SSR постоянно работает при перегреве корпуса свыше 70 С).

Частота

переключений



Есть сложности! При высокой частоте переключений ускоряется износ механики реле

Нет никаких проблем! Этот параметр - решающий для тех, кому требуется коммутировать нагрузки чаще 1 раза в 5-10 секунд

Необходимость защиты контактов

RC-цепочка или VRC-цепочка, установленные параллельно нагрузке или контактам реле, существенно повышают ресурс при работе с индуктивными нагрузками

SSR требует тщательной защиты от импульсных перенапряжений. Обычно для этих целей применяются варисторы или RC-цепочки

Бесшумность

Щелчок при включении реле хотя и слабый, но слышимый

Полностью бесшумная работа, иногда имеет решающую роль при выборе реле (например, оборудование для больниц)

Теперь разработчик может однозначно и без посторонней помощи подобрать реле для своей разработки. Инженерия - это искусство технического компромисса между требованиями заказчика и ценой изделия. Тем, кто овладел этим компромиссом, достается премия в виде гонорара, признательности заказчика и эффективно работающего изделия. Кроме того, моральный подъем при виде исправно работающего оборудования побуждает инженера на новые свершения, а его заказчиков - на новые замыслы ("…но главной твоей наградой будет исполненный долг и признательность людей" - "Махабхарата").


Авторы статьи желают всем инженерам творческих и производственных успехов, а если у читателей все же появятся вопросы по применению реле в интерфейсах промышленной автоматики, то мы готовы помочь вам. Пишите, мы попробуем подсказать правильное решение.


Смотрите также:
Правильный выбор реле для интерфейсов промышленной автоматики
119.55kb.
1 стр.
Начало /пускозащитные реле для холодильников/ Реле рт-10 Реле пуско-защитное рт-10 2а
15.22kb.
1 стр.
Программа обслуживания york
649.91kb.
4 стр.
Особенности монтажа и эксплуатации реле-регуляторов
24.64kb.
1 стр.
§10. Уровни промышленной автоматики. Общая структура современной промышленной автоматизации и асу тп
89.09kb.
1 стр.
Реле токовое дифференциальное с торможением дзт-11
40.39kb.
1 стр.
Лекция «Мир и наши дети»
45.31kb.
1 стр.
Двухканальное реле времени рэв-201 Назначение
46.47kb.
1 стр.
Однофазные реле напряжения рн-111
214.79kb.
1 стр.
Техническое задание на загрузчик файлов для веб-интерфейсов на основе платформы Java и языка Javascript
48.69kb.
1 стр.
Выбор профессии – одно из наиболее серьезных, самых важных жизненных решений. Сделав выбор, мы не только определяем основное занятие на всю жизнь, но и часто определяем этим свой круг общения, стиль жизни, а иногда и судьбу
10.16kb.
1 стр.
3. комплектность в комплект поставки входят: реле протока flu 25 (1 шт), пластинки (ламели) различной длины для труб 1” – 8” (4 шт), паспорт (1 экз) упаковка и транспортировка
76.75kb.
1 стр.