Relais

Wat is een relais?

Een relais is een elektrisch bediende schakelaar waarmee een klein stuursignaal, bijvoorbeeld 24 V DC uit een PLC, een aparte stroomkring met een hogere stroom of een andere spanning in- of uitschakelt, terwijl stuurkring en lastkring elektrisch van elkaar gescheiden blijven. In de industriële automatisering is het relais een van de oudste en nog altijd meest gebruikte componenten: als koppelrelais tussen besturing en veld, als tijdrelais, als bewakingsrelais en in gecertificeerde vorm als veiligheidsrelais. Daarnaast leeft het begrip voort in de energietechniek, waar digitale beveiligingsrelais als netwerkapparaten deel uitmaken van het OT-landschap.

🧠 Hoe werkt een relais?

Een elektromechanisch relais bestaat uit vier delen: een spoel, een beweegbaar anker, een terugstelveer en een set contacten.

1. Spoel bekrachtigen - stroom door de spoel maakt een elektromagneet die het anker aantrekt.
2. Contacten omschakelen - het anker duwt de beweegbare contacten om: normaal-open contacten sluiten, normaal-gesloten contacten openen.
3. Afvallen - valt de stuurspanning weg, dan trekt de veer het anker terug en keren de contacten terug naar hun ruststand.

Omdat spoel en contacten alleen mechanisch met elkaar verbonden zijn, ontstaat galvanische scheiding tussen de stuurkring en de lastkring. Daardoor kan een 24 V DC-uitgang veilig een 230 V AC-klep, een magneetventiel of een contactor aansturen, en blijven storingen uit het veld weg van de besturing.

Een relais met twee wisselcontacten heet DPDT. Industriële koppelrelais hebben meestal één of twee wisselcontacten.

🔍 Welke soorten relais bestaan er?

Een halfgeleiderrelais (solid state relay) heeft geen bewegende delen. Een LED in een optocoupler stuurt een halfgeleider aan, wat een vergelijkbare galvanische scheiding geeft als een spoel. Voor wisselspanning schakelen zogeheten zero-cross SSR’s pas in bij de nuldoorgang van de sinus. Dat beperkt storingen en inschakelpieken, maar betekent ook dat het inschakelen tot een halve periode kan duren: 10 ms bij 50 Hz.

Een contactor werkt volgens hetzelfde principe als een relais, maar is gebouwd voor grote lasten zoals motoren, met vonkblussing en meestal alleen maakcontacten. Grofweg spreekt men boven circa 15 A of enkele kilowatts van een contactor in plaats van een relais.

🏭 Waar worden relais in de industrie gebruikt?

• Koppelrelais tussen PLC en veld - een transistoruitgang van een PLC of Remote IO-module levert vaak maar 0,5 A bij 24 V DC. Een smal koppelrelais van 6,2 mm breed schakelt daarmee een last van enkele ampères op 230 V AC en vormt een goedkoop, vervangbaar zekeringpunt: brandt het contact in, dan vervangt u het relais en niet de I/O-kaart.
• Aansturing van actuatoren - kleppen, signaallampen, verwarmingselementen en de spoelen van contactoren in een motorstarter of ster-driehoekschakeling.
• Bedrade logica - in kleine machines of als noodvoorziening wordt logica soms nog met relais opgebouwd. Ladderlogica in een PLC is letterlijk afgeleid van zulke relaisschema’s.
• Veiligheidskringen - noodstop, hekbewaking en lichtschermen lopen via een veiligheidsrelais of een safety-PLC.
• Energievoorziening en motorbeveiliging - beveiligingsrelais in onderstations schakelen bij overstroom of kortsluiting een vermogensschakelaar af. In een MCC beschermen thermische of elektronische overbelastingsrelais de motoren door de contactor te laten afvallen (zie thermische beveiliging).

Relais zitten daardoor in vrijwel elke besturingskast, van een eenvoudige pompsturing tot een procesinstallatie met honderden koppelrelais op DIN-rail.

🔧 Hoe kiest u het juiste relais?

Een relais faalt in de praktijk zelden door de spoel, maar meestal door de contacten. Bij de keuze kijkt u daarom vooral naar de last. Typische waarden voor een industrieel koppelrelais:

Een praktische werkwijze:

1. Bepaal de last - resistief, inductief (spoel, klep), capacitief of lamp. De gebruikscategorieën uit IEC 60947-5-1 helpen: AC-15 voor elektromagnetische wisselspanningslasten, DC-13 voor elektromagneten op gelijkspanning.
2. Controleer DC-schakelvermogen - gelijkstroom dooft geen boog bij een nuldoorgang. Een contact dat 6 A bij 230 V AC haalt, schakelt bij 24 V DC vaak nog maar een fractie daarvan bij een inductieve last.
3. Kies de spoelonderdrukking - een vrijloopdiode over een DC-spoel vangt de inductiespanningspiek op die een PLC-uitgang kan beschadigen, maar vertraagt het afvallen. Waar de reactietijd telt, gebruikt u een diode met zenerdiode of een varistor; bij AC-spoelen een RC-netwerk.
4. Let op kleine signalen - schakelt het contact een ingang van een besturing van enkele milliampères, kies dan een vergulde uitvoering.
5. Beveilig de kring - zet een zekering of installatieautomaat voor de lastkring, afgestemd op de contactbelasting. Overbelasting laat contacten vastlassen.
6. Kies SSR bij veel schakelingen - een verwarmingsregeling die elke seconde schakelt, doet ruim 80.000 schakelingen per dag en slijt een mechanisch contact daardoor binnen enkele dagen. Een SSR houdt dit vol, maar heeft een spanningsval van ruwweg 1 tot 1,5 V en heeft dus koeling nodig.

De relevante normen zijn IEC 61810-1 (algemene eisen elektromechanische relais), IEC 61810-2 (betrouwbaarheid, waaruit B10-waarden volgen), IEC 61810-3 (gedwongen geleide contacten, voorheen EN 50205), IEC 62314 (halfgeleiderrelais) en de IEC 60947-reeks voor schakelmateriaal. Voor de installatie in Nederland gelden daarnaast NEN 1010 en de paneelbouwnorm IEC 61439.

🛡️ Wat is de rol van relais in machineveiligheid?

Een gewoon relais is niet geschikt als enig element in een veiligheidsfunctie. Een contact kan vastlassen, en u ziet dat van buitenaf niet. Daarom werkt functionele veiligheid met relais met gedwongen geleide contacten: de contacten zijn star met elkaar verbonden, zodat bij een vastgelast maakcontact de verbreekcontacten met minimaal 0,5 mm contactafstand open blijven. Het verbreekcontact meldt zo of het maakcontact echt open is.

• Redundantie en bewaking - een veiligheidsrelais gebruikt twee zulke relais in serie en bewaakt ze bij elke start.
• Kwantificering - voor ISO 13849-1 rekent u met de B10D-waarde van het relais of de contactor: het aantal schakelingen waarna 10% gevaarlijk faalt. Als de fabrikant alleen B10 opgeeft, mag u B10D vaak aannemen als twee keer B10.
• Geen SSR voor scheiding - een halfgeleiderrelais heeft lekstroom in de uit-stand en faalt vaak kortgesloten. Voor veilig vrijschakelen, zoals bij Lock-out Tag-out, geldt een mechanische scheiding met zichtbare of gegarandeerde contactafstand.
• Elektrische veiligheid - werk aan relaiskringen in de besturingskast valt onder een werkvergunning en NEN 3140; stuurkringen kunnen ook bij een uitgeschakelde hoofdschakelaar nog onder spanning staan via externe voeding.

Vanaf 20 januari 2027 geldt de Machineverordening, die naast functionele veiligheid ook eisen stelt aan beveiliging tegen manipulatie van de besturing.

🔐 Waarom zijn relais relevant voor OT-security?

Relais spelen in OT-security twee tegengestelde rollen.

Bedrade relais als laatste verdedigingslinie. Een veiligheidskring met relais heeft geen firmware, geen IP-adres en geen protocol. Een aanvaller die de PLC overneemt, kan een bedrade noodstop of een overdrukbeveiliging met relais niet op afstand uitschakelen. Daarom houden ontwerpers volgens defense in depth de laatste veiligheidslaag bij voorkeur hardwired en onafhankelijk van het netwerk.

Digitale beveiligingsrelais als doelwit. In onderstations zijn beveiligingsrelais al decennia digitaal; het eerste commerciële digitale beveiligingsrelais verscheen in 1984. Moderne exemplaren zijn een IED dat via IEC 61850 en GOOSE-berichten communiceert. Bij de stroomstoring in Kyiv op 17 december 2016 bevatte de malware Industroyer een module die Siemens SIPROTEC-beveiligingsrelais via kwetsbaarheid CVE-2015-5374 onbereikbaar kon maken, waarmee de netbeveiliging zelf werd aangevallen. Voor zulke relais gelden dus dezelfde maatregelen als voor andere OT-apparaten: segmentatie, patchbeheer en controle op wie instellingen mag wijzigen.

❓ Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen een relais en een contactor?

Een relais en een contactor werken allebei met een spoel die contacten omschakelt. Een contactor is gebouwd voor grote vermogens zoals motoren, met vonkblussing en meestal alleen maakcontacten, terwijl een relais kleinere stromen en stuursignalen schakelt. Vaak stuurt een relais de spoel van een contactor aan.

Waarom gebruikt u een koppelrelais achter een PLC-uitgang?

Een koppelrelais beschermt de PLC-uitgang en maakt een last met een andere spanning of hogere stroom mogelijk. Het zorgt voor galvanische scheiding tussen besturing en veld, en bij een defect vervangt u een goedkoop insteekrelais in plaats van een I/O-kaart.

Wanneer kiest u een halfgeleiderrelais in plaats van een mechanisch relais?

Een halfgeleiderrelais (SSR) is de betere keuze bij zeer frequent schakelen, zoals een verwarmingsregeling of pulserende klep, omdat het niet slijt. Een SSR is minder geschikt waar overbelasting, warmte of lekstroom een probleem is, en is niet bedoeld voor veilig vrijschakelen.

Wat doet een vrijloopdiode over een relaisspoel?

Een vrijloopdiode vangt de hoge inductiespanning op die ontstaat als de stroom door een DC-relaisspoel wordt onderbroken. Daarmee beschermt de diode de transistoruitgang van de PLC, maar het relais valt wel trager af, wat bij veiligheidsfuncties de reactietijd verlengt.

Wat zijn gedwongen geleide contacten in een relais?

Gedwongen geleide contacten zijn relaiscontacten die mechanisch star met elkaar verbonden zijn, zodat maak- en verbreekcontacten nooit tegelijk gesloten zijn. Daardoor wordt een vastgelast contact zichtbaar, wat ze verplicht maakt in veiligheidsrelais. De eisen staan in IEC 61810-3.

Kan een relais gehackt worden?

Een elektromechanisch relais zelf kan niet gehackt worden, omdat het geen software of netwerkverbinding heeft; de besturing die het relais aanstuurt wel. Digitale beveiligingsrelais in het elektriciteitsnet zijn echter netwerkapparaten en zijn al aangevallen, onder meer door Industroyer in Oekraïne in 2016.

📌 Samengevat

Een relais schakelt met een klein, gescheiden stuursignaal een grotere stroomkring en is daarmee de schakel tussen besturing, veld en veiligheid.

U kiest een relais op basis van de last, het schakelvermogen bij gelijkspanning, de spoelonderdrukking en het aantal schakelingen. Voor veiligheidsfuncties gebruikt u relais met gedwongen geleide contacten in een gecertificeerd veiligheidsrelais. In het OT-landschap is het bedrade relais een betrouwbare laatste beveiligingslaag, terwijl het digitale beveiligingsrelais als netwerkapparaat net zo goed beveiligd moet worden als een PLC.