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) | Сопротив- ление 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) | Сопротив- ление контакта | Размеры, мм | Объем, см3 | Удельная мощность коммутации, ватт/см3 | КПД% | Требует охлаждения? |
| S202SE1 | 15 мА (ток входа) | 8 А | 8 А | 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 cosφ 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.
