Monitoring

V monitorovacích systémech je nutné sdílení naměřených dat, abychom mohli reagovat na rychlé změny v dané aplikaci. Na trhu je mnoho monitorovacích jednotek, které umožňují měřit jakékoli fyzikální veličiny. Když potřebujeme naměřené hodnoty sdílet s ostatními zařízeními nebo systémy třetích stran, potřebujeme univerzální protokol, například MQTT. Ten v poslední době integruje většina výrobců pokročilých IoT zařízení i aplikací, protože si uvědomují jeho silné stránky. Výhody si ukážeme na zařízení Poseidon2/Damocles2 a také na Raspberry Pi.

Rodina Poseidon2 - umožňuje nejen měřit teplotu, vlhkost, intenzitu světla, ale umožňuje detekci zaplavení či nepřítomnost vody, měření proudění vzduchu (průvanu) a další. Dokáže posílat informační emaily, odesílat naměřené hodnoty do počítače nebo na speciální internetový server SensDesk, kde jsou data zobrazeny v přehledných grafech a tím přístupná z libovolného počítače, tabletu či mobilního telefonu přes internet (např. WiFi internet).

Rodina Damocles2 disponuje mnoha digitálními vstupy (například verze 2404 má 24 vstupů) pro připojení bezpotenciálových detektorů. Všechny DI vstupy jsou vybaveny čítačem S0 pulzů s pamětí pro připojení měřičů (např. vodoměr, plynoměr, elektroměr atd.). Digitální vstupy mohou monitorovat otevření/zavření dveří nebo oken. Taková otevřená dvířka v mrazícím boxu dokáží napáchat nemalé problémy. Pokud použijme výstup z detektoru pohybu, získáme navíc bezpečnostní systém, který nás upozorní na nezvané návštěvníky. Zabudovaný čítač impulsů pomůže získat přehled o celkové spotřebě energií monitorovaného objektu.

 

Obě rodiny umožňují sdílení svých naměřených hodnot pomocí protokolu MQTT. Kompatibilita s MQTT umožňuje připojení do IoT Hub, MS Azure, AWS IoT, Bluemix Internet of Things a dalších cloudových služeb nebo do zařízení, systémů 3.stran.

MQTT: základní myšlenka

V IoT systémech by snímače neměly určovat, co kdo má udělat. Snímače jsou od toho, aby výsledky své práce posílali do centrálního místa, a tím mají splněno. O víc se nestarají. Ti, kteří tyto zprávy potřebují se přihlásí k jejich odběru a po vyhodnocení na ně nějakým způsobem reagují. Může se přidat další vrstva, kde například relé reaguje na pokyny vypni/zapni. Vypínač informuje o tom, že byl stisknut nebo snímač teploty informuje o tom, kolik teploty naměřil a centrální místo tyto informace rozešle příslušným odběratelům. Tím lze jednoduše reagovat na změnu požadavků dané aplikace a doplnit různé funkce, jako například sepnutí relé se zpožděním nebo přemapování fyzických zařízení tak, aby logicky fungovaly lépe.

 

Historie MQTT

Na počátku se vymýšlelo, který protokol použít pro komunikaci a bylo zvolen zcela jednomyslně protokol HTTP. Všichni ho znají a je rozšířen do celého světa. Postupem času se ukázalo, že HTTP má pro využití v internetu věcí mnoho nevýhod. Komunikace je hodně upovídaná a jeho implementace není jednoduchá. HTTP protokol je založen na principu „dotaz-odpověď “. Takže pro komunikaci typu „server posílá “ je potřeba řešit různé finty typu long polling, heartbeat, použít HTTP/2 apod. Nemá vyřešené různé úrovně QoS a pro dvě zařízení s protokolem HTTP je vždy nutné mít nějakou serverovou aplikaci, která jim umožní vzájemnou komunikaci, protože samotný HTTP server nedokáže sám data předávat mezi klienty.  Proto vznikla jeho binární podoba CoAP, která zjednoduší implementaci v MCU. Sníží množství přenášených dat, protože textové hlavičky byli nahrazeny binárními příznaky. S volitelnými doplňky ale CoAP opět nabobtnala, čímž hlavní výhoda zmizela.

Proto vznikl protkol MQTT (dříve: Message Queuing Telemetry Transport, dnes MQ Telemetry Transport), který je jednoduchý a nenáročný pro předávání zpráv mezi klienty prostřednictvím centrálního bodu – brokeru. Díky této nenáročnosti a jednoduchosti je snadno implementovatelný i do zařízení s „malými“ procesory a poměrně rychle se rozšířil. Navržen byl v IBM, dnes za ním stojí Eclipse foundation a před nedávnem proběhla standardizace OASIS.

MQTT je ve svém principu založen na předávání zpráv mezi klienty prostřednictvím centrálního serveru – MQTT brokeru, který se stará o výměnu zpráv. Přenos zpráv probíhá pomocí TCP a používá strukturu Publisher – Subscribers. Zprávy jsou tříděny do tzv. témat (topic) a zařízení buď publikuje v daném tématu (publish), to znamená, že posílá data do MQTT brokeru nebo je přihlášeno k odběru daných témat (subscribe).

Teoreticky každý klient může být současně publisher i subscriber, ale dost často bývají tyto funkce rozděleny. Publisher obvykle reprezentuje nějaký snímač či měřící jednotku, která vysílá naměřeného hodnoty na MQTT broker, zatímco subscriber obvykle tvoří nějaká řídící jednotka, která hodnoty odebírá (přijímá) a dále s nimi pracuje nebo je zobrazuje.

Obsah zprávy

Samotný obsah zpráv není nijak definovaný. Jsou jím prostě nějaká binární data, která mají být přenesena. Nejčastěji se používá formát (způsob zápisu) dat JSON (JavaScript Object Notation), BSON (Binary JSON) nebo textové zprávy. Ale v zásadě to mohou být data libovolného formátu, protože MQTT broker tyto data nijak nezpracovává, jen je přeposílá. Záleží tak čistě jen na příjemci dat (subscriberu), aby je "pochopil". Velikost zprávy je v aktuální verzi protokolu omezena na necelých 256 MB, ale vzhledem k zaměření na "Internet of Things" bývá většina zpráv mnohem menší.  MQTT minimalizuje množství přenášených dat, což byl od začátku cíl. Přidává jen minimum servisních dat.  Proto se velmi hodí pro přenos jen občasných, na rychlost přenosu méně náročných informací a hodnot, což je právě ideální pro účel IoT.

Přenosový model

Protokol MQTT sám o sobě popisuje jen samotný popis struktury přenášených zpráv, ale nedefinuje způsob přenosu. K tomu využívá běžný TCP/IP protokol, tedy prakticky využívá běžnou lokální LAN ethernetovou i globální WAN internetovou síť. MQTT protokol tvoří tak pouze tzv. aplikační vrstvu OSI modelu. Protože MQTT protokol má velmi jednoduchou strukturu a využívá běžné ethernetové komunikační rozhraní, je snadno implementovatelný i do zařízení s „malými“ procesory a rychle se rozšiřuje. Ze stejného důvodu se začíná i rychle implementovat a rozšiřovat v průmyslu, protože implementace MQTT do firmwaru PLC, které již obsahují TCP/IP rozhraní (Ethernet s RJ-45 konektorem), je poměrně jednoduchá a není nutné nijak modifikovat hardware CPU jednotky. 

V souvislosti se samotným přenosem zpráv pak MQTT protokol definuje tři úrovně potvrzování zpráv QoS (Quality of Service):

• Nejnižší "QoS 0" znamená, že zpráva je odeslána bez potvrzení a není zaručeno její doručení (at-most-once).
• Prostřední úroveň "QoS 1" říká, že zpráva je doručena alespoň jednou (at least once).
• Nejvyšší úroveň "QoS 2" znamená, že každá zpráva je doručena právě jednou (exactly once).

Klient však nemusí podporovat všechny tři uvedené úrovně QoS, protože samotný MQTT protokol to nepožaduje. 

Bezpečnost

Protokol MQTT sám o sobě žádné zabezpečení nevynucuje ani nevyžaduje, stejně jako u ostatní IP komunikace. Je jen na každém klientovi nebo správci zařízeních, zda využijí nějaké šifrování či ne. Pozornost je tak potřeba věnovat veřejně dostupným brokerům a aplikacím, zejména z podezřelých nebo neznámých zdrojů. Pokud data svěříme veřejnému brokeru, neexistuje žádná účinná kontrola nad tím, kolik dalších brokerů se k nim třeba i dočasně připojuje.

V uzavřených sítích nebo IT systémech, je bezpečnost řádně ošetřena. Pro zabezpečení přenášeného obsahu dává MQTT na výběr několik možností. Každá komunikace mezi klientem a brokerem začíná přihlášením klienta (režim "CONNECT"). V přihlašovací sekvenci se využívá identifikace každého klienta pomocí "ClientID" a pak volitelně i pomocí uživatelského jména "Username" a hesla "Password". Pokud nám to dovolují možnosti klienta, je vhodné nastavit "ClientID" jako jednoduchý řetězec, který jej co nejlépe identifikuje a přispívá k lepší orientaci v síti.

MQTT díky podpoře SSL/TLS umožňuje přihlášení pomocí klientského SSL certifikátu. Podporovány jsou protokoly TLS v1.2, v1.1 nebo v1.0 s x509 certifikáty. Je důležité si uvědomit, že protokol MQTT je čistě textový, a proto bez použití SSL/TLS bude komunikace zcela nešifrovaná (nebezpečí se týká hlavně přenášeného hesla).

Podle požadované úrovně šifrování komunikace pak MQTT protokol předepisuje následující TCP kanály:

• 1883 = MQTT nešifrovaný přenos (unencrypted) - základní a nejběžnější MQTT komunikační kanál, kde komunikace je zcela nešifrovaná (nebezpečí se týká hlavně přenášeného hesla). Po tomto kanálu by tak neměla zasílat žádná citlivá data.
• 8883 = MQTT šifrovaný přenos (encrypted) - narozdíl od kanálu 1883 jsou data zde šifrována SSL/TLS protokolem a navázání komunikace tak vyžaduje podporu klienta.
• 8884 = MQTT šifrovaný přenos (encrypted) + certifikát klienta (client certificate) - toto je speciální a nejvyšší úroveň zajištění MQTT komunikace, protože nejen, že jsou data opět šifrována protokolem SSL/TLS, ale klient musí poskytnout i certifikát o autenticitě vydávaný brokerem. Tento kanál však zatím podporuje jen málo veřejných brokerů (např. Mosquitto - server "test.mosquitto.org").

Nastavení MQTT jednoduše

Zařízení Poseidon2 a Damocles2 (link is external) mají tento protokol již implementovaný a jeho nastavení nevyžaduje žádné programátorské zkušenosti. Stačí jen zapnout podporu MQTT protokolu v zařízení, nastavit IP adresu MQTT brokeru, jméno, heslo a vybrat příslušné připojené senzory, které chceme, aby publikovali do daného MQTT brokeru. Z předešlého popisu již víme, že je nutné vybrat topic, ve kterém budeme publikovat, a ze kterého pak můžeme na druhé straně odebírat tyto zprávy. Pro výběr MQTT brokeru můžeme zvolit z https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/public_brokers (link is external). Komunikaci lze jedním kliknutím zabezpečit pomocí SSL.

Sdílení dat s ostatními zařízeními a systémy

Jak již bylo napsáno, díky MQTT lze data posílat do IoT Hub, MS Azure, AWS IoT, Bluemix Internet of Things a dalších cloudových uložišť. Nastavení zvládne i laik a jeho popis naleznete rovněž v samostatném článku.

MQTT zajisti i interoperabilitu jinak zcela odlišných zařízení. Protokol MQTT je tak masivně rozšířen, že existuje mnoho knihoven, které usnadňují implementaci do procesorů. Například Digikey nabízí návod jak MQTT implementovat do Raspberry PI 3 s ESP8266. Kombinací produktů HW Group s Raspberry získáte efektivní systém, kde Poseidon2 a Damocles2 se postarají o přenos dat ze senzorů do brokeru a Raspberry si tyto hodnoty přečte, vyhodnotí a provede příslušnou akci.  Tím získáte profesionální řešení na straně měření a můžete se věnovat jen aplikační části.

Podpora ovládání výstupu pomocí podmínky v Sensdesku

Push protocol	Controled	Poseidon2 3268	Poseidon2 4002	Poseidon2 3468	Damocles2 MINI	Damocles2 1208	Damocles2 2404	Ares12	SD-2xOUT	IP WatchDog2 Lite	IP WatchDog2 Industrial
Controling
Poseidon2 3266
Poseidon2 3268
Poseidon2 4002
Poseidon2 3468
Damocles2 MINI
Damocles2 1208
Damocles2 2404
Ares12
SD-2x1Wire
HWg-PWRxx
SD-2xIn
SD-WLD
HWg-STE Plus
STE2
HWg-WLD
WLD2
IP WatchDog Lite
IP WatchDog Industrial

Rychlost reakce sepnutí relé výstupu

Všechny produkty připojené do portálu SensDesk komunikují nejméně jednou za 15 minut. To šetří síťový provoz (a peníze u GSM komunikace), ale znamená to dobu potřebnou k sepnutí relé výstupu až 0,1 až 15 minut. To je nepraktické a proto je nyní možné aktivovat z web rozhraní portálu SensDesk pro každý produkt s DO výstupy nastavení CheckPeriod (funkce CheckPush) .

Funkce CheckPeriod zajistí zkrácení doby reakce, po které se přepne relé výstup ve vzdáleném zařízení na 0,1 až 60 sekund.

Jaké výstupy lze ovládat?

DO výstupy v jednotkách Poseidon2, Damocles2 nebo jiných zařízeních mohou být vázány na lokální podmínku. Výstup může být ovládán lokální funkcí "Termostat" (spínání chladícího ventilátoru při teplotě vyšší než 30°C). Takový DO výstup nelze vzdáleně ovládat (read only).

Z portálu SensDesk lze ovládat pouze výstupy nastavené v manuálním režimu (nejsou na ně aplikovány žádné podmínky a triggery).

Vytvoření podmínky pro ovládání výstupu je nyní v Sensdesku ve vývojové fázi, díky čemuž je založení podmínky mírně nekomfortní, protože uživatel musí znát SensDesk ID výstupu který chce ovládat.  To v současné chvíli zjistí nejsnáze v URL adrese daného výstupu:

Vlastní vytvoření podmínky se provádí v editaci senzoru, na kterém má být výstup závislí. Otevřeme si nejprve příslušný senzor, přepneme se do editace senzoru a v sekci Email & SMS alerts vyhledáme položku Simple set output alarm. Zde do pole Recipient zapíšeme ID výstupu který chceme ovládat.

Podmínka je platná ihned po uložení tlačítkem Save:

V případě že senzor kdykoliv od této chvíle přejde do stavu Alarm, sepne se vzdálený kontakt a naopak přejde-li do stavu Normal, vzdálený kontakt se rozepne. Ztráta komunikace se senzorem se vyhodnocuje jako stav Alarm a vzdálený výstup se sepne.

Mazání této podmínky se provádí opět na stránce editace senzoru zaškrtnutím políčka Delete u příslušného pravidla, které chceme odstranit a opět potvrdíme stiskem tlačítka Save.

Předpokládaný rozvoj této funkcionality zahrnuje aplikaci JavaScriptového výběrového menu aby nebo třeba před vytvořením podmínky zjišťovat ID výstupu který chceme ovládat a opakované nastavování stavu výstupu po celou dobu trvání platnosti podmínky.

CheckPeriod: Zkrácení periody reakce výstupu

Pro zrychlení reakce výstupů v zařízení na požadavky od SensDesku byla zavedena funkce CheckPush, která se zapína volbou aktivovat CheckPeriod, která je nastavena na 60s. Použití této zrychlené komunikace se nastavuje v nastavení každého zařízení zvlášť na SensDesku. Check period se uplatňuje výhradně na výstupy a její aplikování na zařízení neurychlí periodu odesílání hodnot senzorů nebo vstupů!

Nově jsou 2 možnosti jak soubor values.xml získat:

1. Na adrese http://sensdesk.com/sensdesk/team/TEAM_ID/values.xml po přihlášení uživatelským jménem a heslem
2. Na adrese http://sensdesk.com/sensdesk/values.xml?values_xml_key=YOUR_VALUE.XML_KEY

V obou případech je pro získání souboru values.xml důležitá stránka /sensdesk/team/ID na kterou se dostanete z hlavního menu pomocí záložky Teams.

• TEAM_ID naleznete v adresním řádku
• YOUR_VALUE.XML_KEY naleznete vypsaný na řádku values.xml key

Změna formátu XML

V sekci <Agent> je nově přítomen tag <Team> identifikující Team kterému Values.xml náleží.

A relay is generally characterized by its rated coil voltage for operating the contacts, and the maximum switching voltage and current that the contacts are designed for and guaranteed by the manufacturer (in terms of the minimum number of switching cycles).

If the relay is already built into a device, such as a programmable control unit, we are mainly interested in the maximum switching voltage and current of the outputs (contacts). However, there is usually a mention that these values are given for a resistive load. This is a well-intended warning from the manufacturer to prevent contact destruction.

Contact load

The effects occurring at a relay contact depend greatly on the size and type of the load, the current, the contact size and material, the operate time and the contact bounce. 
For DC loads, the maximum switching current is usually lower than for AC loads. While AC current periodically drops to zero, DC current does not; therefore, in the DC case, any electrical arc ignited when the contacts are pulled apart is very difficult to suppress. The arc discharge lasts longer in a DC circuit compared to an AC circuit. Hence it is important to distinguish in the datasheet between the maximum switching load specifications for DC loads and for AC loads.

In addition to the rated load voltage and current (i.e. steady-state values), the relay lifetime is also greatly influenced by the inrush current and switch-off spikes that occur when the load is connected/switched on or disconnected/switched off. For capacitive and inductive loads, these can be orders of magnitude higher than the rated values, and an undersized relay or a lack of the appropriate limiting circuitry can easily result in destroyed contacts.   

Switching a resistive load

When a purely resistive load is connected to the relay output, the entire allowed range of voltage and current can be used without any problems. A resistive load is defined as a device with its inrush and switch-off currents equal to the steady-state values. That is, a load whose electrical resistance is always the same and does not change in time; therefore, the current is also constant from the switch-on moment to the switch-off moment.

Usually, only resistors – purely resistive components designed for this particular purpose – exhibit this behavior. However, even devices that do not exhibit a constant resistance can be regarded as resistive loads, provided that their resistance only changes slowly with time.

Devices that mostly behave as resistive loads include:

• Incandescent bulbs
• Various LED lights
• Heating elements
• Voltage inputs of measuring instruments (multimeters, oscilloscopes, PLCs etc.)

The above examples of resistive loads do not necessarily exhibit a truly constant electrical resistance (it may change somewhat over time); however, if the relay contacts are appropriately oversized (approximately 2x to 4x), they do not usually cause any problems or contact damage.

Switching a capacitive load

 In contrast to a resistive load, the situation is entirely different with a capacitive load. When a capacitive load is connected to a power source, it starts to draw a very large current that quickly decreases. Therefore, when a capacitive load is switched on, there is a large inrush current that can significantly exceed the maximum allowed switching current of the relay contacts. When the capacity of the load is completely discharged, this inrush current is only limited by the parasitic resistance between the contact and the capacitive load. As the load charges, the current decreases.

For the relay, the switch-on moment is the biggest problem: the contacts carry the highest current and can be even welded together if this current exceeds the allowed maximum even for a short time. Remember that in a circuit with a capacitor, the inrush current can be 20x to 40x higher than the steady-state current.

The significance of inrush currents can be demonstrated by the “Inrush current” values in the technical specifications of switching power supplies or other appliances. Even with a small switching power supply or power converter (e.g. with an output power around 30W), the inrush current can reach tens of amps (32A is no exception). This kind of current can be drawn by a completely discharged (that is, disconnected for a long time) power supply for up to 100ms after being powered on. Since the current quickly drops to the rated value afterwards, the inrush current is not significant from the long-term perspective. However, its effect can be observed when a switching power supply (or a device containing one) is connected to an undersized circuit breaker: when the device is turned on, the circuit breaker may often trip. It is also common to observe the inrush current effects as sparks (sometimes quite prominent) when a switching power supply that has been disconnected for a long time is plugged in to an electrical outlet.

Ideally, the maximum switching current of the relay contacts (or any switches in general) should be close to the specified inrush current, or the inrush current should be limited.

Examples of devices that behave as a capacitive load:

• Switching power supplies – the higher the power output, the higher is usually the inrush current
• Long transmission lines or cables – due to the parasitic capacities between the wires in cables longer than about 10m
• Various voltage filters – e.g. loudspeaker crossovers
• The inrush current of capacitive loads can be reduced by connecting various elements in series with the load:

Connecting a resistor / NTC thermistor: the inrush current is reduced thanks to the voltage drop at this element (the voltage at the capacitive load increases gradually, not suddenly). However, there are additional losses in the steady state.
Connecting a choke (inductor): the inrush current is compensated (reduced) and, at the same time, there are no big steady-state losses (the choke exhibits only a small wire resistance).

Switching an inductive load

The biggest “enemy” of a common relay is an inductive load, such as a solenoid or an electromagnet. Its behavior is the most damaging, capable of completely destroying (welding or burning) the relay contacts. It behaves in the opposite way compared to a capacitive load. The switch-on effects are not a problem; the current increases gradually up to the rated current specified for the component (during this time, the inductive load behaves as a choke).

However, the problems come when the relay contacts open and the inductive load is disconnected. Due to the underlying physics principle, the inductive load tends to maintain the same current that was flowing through it before the disconnection. To this end, a voltage of the magnitude and polarity necessary to maintain this current is temporarily induced at the terminals of the inductive load.

Therefore, when an inductive load is switched off, there is a voltage spike that can damage the load itself (winding insulation) as well as the contacts of the disconnecting relay. The voltage spike is influenced by the inductance (the higher the inductance, the higher the voltage spike) as well as the switch-off time and method. The switch-off spike is the highest when a device is quickly electronically disconnected (snap-action) and there is no spike-limiting circuitry. The effect is especially adverse in case of high inductances, higher supply voltages and higher duty cycles (the ratio of electromagnet on-time to the cycle period). In practice, voltages of up to 30x the rated supply voltage (or switched voltage) are common.

When the inductive load is snap-action disconnected by opening relay contacts, the lack of limiting circuitry can lead to generated voltages of hundreds of volts, able to ignite an electric arc between the contacts. This is a “reliable” way to damage or even permanently destroy the contacts.

Examples of devices that behave as inductive loads:

• Solenoids / electromagnetic valves
• Electromagnets
• Electromotors
• Transformers
• Fans
• Relay coils

Surges can be limited by connecting various electrical components in parallel to the inductive load in order to shunt the switch-off spike voltage generated at the inductive load (coil) terminals:

• A diode and a resistor (for DC circuits) – the diode as well as the resistor need to be sized according to the switching frequency, spike voltage and the load input power. The diode breakdown voltage must be higher than the circuit supply voltage, and the maximum forward current must be higher than the current through the load (inductor) when switched on.
• A “spark quenching capacitor” (for AC circuits) – a RC circuit connected in parallel to the contact, where R = RL a C = L/RL2
• A circuit with two Zener diodes or a transil – the Zener diodes or the transil clamp the spike voltage to the specified threshold voltage. A disadvantage is that in case of overload, they fail and remain permanently open, shunting the load.
• A varistor circuit – a voltage-dependent resistor connected in parallel to the load and satisfying the condition 2 < Umax/Uj < 4 (where Umax is the varistor voltage, Uj is the supply voltage).

Various ways to protect relay contacts from the effects of switching an inductive load – from left to right: a diode, a spark quench capacitor, Zener diodes or a transil, a varistor.

Conclusion

The conclusion is that a switched load does not always follow the rated current and voltage specifications. These are only valid for resistive loads / appliances, which, in practice, are the exception rather than the norm. Therefore, the relay (or other) contacts should be always adequately oversized (with respect to the switched voltage and expected current), and the load should be equipped with additional circuitry depending on its behavior – that is, whether the load is generally capacitive (filters, switching power supplies) or inductive (solenoids and electromagnets). For some devices, the specifications indicate the maximum contact load as “Maximum switching current 16 (4) A, 250 V~”. In this case, 16A is valid for a resistive load, 4A for an inductive load.

If the capacitive or inductive load lacks the appropriate limiting circuitry, it can easily damage or destroy the relay as well as the control device where the relay is integrated – sensor, PLC, remotely controlled unit, etc.

Relé obvykle charakterizuje hodnota spínacího napětí, které způsobí sepnutí/přepnutí výstupních kontaktů a pak maximální možné spínané el. napětí a proud, na které jsou kontakty dimenzované a výrobce garantuje pro ně definovanou životnost (minimální počet přepnutí).

Pokud je relé již zabudované a součástí nějakého zařízení, jako například nějaké ovládací jednotky či programovatelného automatu, zajímají nás pak hlavně výstupní hodnoty maximálního spínanatelného napětí a proudu. Obvykle však tyto hodnoty ještě doplňuje informace, že hodnoty platí pouze pro odporovou zátěž. To je od výrobce zařízení dobře míněné upozornění, jak se k výstupům chovat a jak si nezpůsobit jejich zničení.

Zátěž kontaktu

Jevy na kontaktu relé se velmi liší v závislosti na velikosti a charakteru zátěže, na proudu, na materiálu a velikosti kontaktu, na rychlosti sepnutí a na odskoku kontaktu při spínání. 
U tzv. stejnosměrných zátěží (napájení stejnosměrným napětím) bývá povolená hodnota proudu pro sepnutí kontaktu menší než u tzv. střídavé zátěže (napájení střídavým napětím). Zatímco střídavý proud se periodicky snižuje na nulu, stejnosměrný proud nikoli, takže u stejnosměrného proudu se oblouk zapálený při vypnutí kontaktu jen stěží dá uhasit, na rozdíl od střídavého proudu. Doba trvání obloukového výboje je u stejnosměrného obvodu delší než u střídavého obvodu. Je tedy důležité rozlišovat rozdíl mezi maximální spínací zátěží uváděný v datasheetu výrobce pro střídavé a stejnosměrné zátěže.

Mimo tzv. jmenovité hodnoty el. napětí a proudu spínané zátěže (tj. hodnoty v ustáleném stavu)  jsou pro životnost relé neméně důležité i hodnoty náběhového a vypínacího proudu vznikající při sepnutí/připojení, resp. při odepnutí/odpojení zátěže. Ty mohou být zvláště u kapacitních a indukčních zátěží i mnohonásobně větší než  jmenovité hodnoty a tedy při špatně dimenzovaném relé či chybném elektrické ošetření spínané zátěže může snadno dojít k poškození či zničení kontaktů.   

Spínání odporové zátěže

Pokud je na výstup relé připojená čistá odporová zátěž, lze opravdu bez problémů využít celý definovaný napěťový a proudový rozsah. Odporovou zátěží se rozumí takové zařízení, jehož hodnoty náběhového a vypínacího proudu  jsou rovny hodnotám v ustáleném stavu. Tedy zátěž, která při připojení elektrického napětí klade el. proudu celou dobu stejný el. odpor, tedy že se jeho hodnota v čase nijak nemění a tedy se nijak nemění ani hodnota el. proudu v čase od sepnutí relé až po jeho rozepnutí.

Takovou vlastnost však obvykle mají jen čistě odporové součástky "rezistory", které jsou za tímto účelem přímo vyráběny. Nicméně mezi odporové zátěže lze započítat i zařízení, které sice nemají el. odpor po celou dobou konstatní, ale jeho změna v čase je poměrně malá.

Mezi zařízení, které se převážně chovají jako odporové zátěže, lze zahrnout:

• žárovky,
• různá LED světla,
• topná tělesa,
• napěťové vstupy měřících zařízení (multimetry, osciloskopy. PLC atd).

Uvedené příklady odporových zátěží sice nemusí mít zcela konstantní el. odpor (s časem se o něco mění), nicméně při vhodném předimenzování spínacích kontaktů relé (na cca 2-4x větší hodnoty) obvykle nezpůsobují problémy a poškození kontaktů.

Spínání kapacitní zátěže

 Narozdíl od odporové zátěže je v případě kapacitní zátěže situace zcela odlišná. Kapacitní zátěž se vyznačuje tím, že v okamžiku sepnutí el. napětí začne odebírat velmi vysokou hodnotu el. proudu, která se následně s časem rychle klesá. V momentě sepnutí kapacitní zátěže tak vzniká velký proudový náraz, který může i mnohonásobně překročit povolený limit el. proudu kontaktů relé. Velikost tohoto proudu je totiž v případě úplného vybití kapacity v době sepnutí úměrná pouze hodnotě parazitního el. odporu, který je připojen mezi kontaktem relé a kapacitní zátěží. Postupně s časem, jak se vstupní kapacita připojeného zařízení nabíjí, pak el. proud postupně klesá.

Z pohledu relé je tak problematický právě okamžik sepnutí, kdy jsou jeho kontakty zatěžovány největší hodnotou el. proudu a v tomto okamžiku může dojít až ke slepení / spečení kontaktů relé, pokud hodnota el. proudu, byť jen na okamžik, výrazně překročí max. povolené hodnoty. V obvodech s kondenzátorem totiž může být náběhový proud 20 až 40-krát vyšší než v ustáleném stavu.

To, že nabíjecí náběhové proudy nejsou "žádná sranda", ukazují například el. specifikace spínaných zdrojů nebo i některých spotřebičů v údaji "Inrush current" (náběhový proud). Ten i v případě malých spínaných el. zdrojů či měničů (s výkonem např. 30 W) může být i několik desítek ampér (běžný údaj bývá až 32 A)! Ano, jde tu právě o hodnotu el. proudu, který zcela vybitý (dlouho odpojený) zdroj může odebírat po dobu až cca 100 ms po připojení. Protože následně proud rychle klesne na jmenovitou hodnotu, není náběhový proud v dlouhodobém časovém měřítku nijak patrný. Nicméně jeho účinek můžete prakticky pocítit, pokud takový spínaný zdroj nebo zařízení, které jej obsahuje, připojíte na příliš malý jistič, který se pak může při zapnutí zařízení odpojovat ("vypadávat"). V běžné praxi je možné účinky náběhového proudu dobře vidět u připojování dlouho vypnutých (vybitých) spínaných napájecích zdrojů do elektrické zásuvky, kdy v momentě zasunutí zástrčky do zásuvky často objeví i velmi výrazně zajiskření.

Ideální je tedy volit maximální zátěžový proud kontaktů relé (nebo obecně spínačů) blížící se uváděnému náběhovému proudu (Inrush current) nebo provést snížení náběhového proudu.

Příklady zařízení chovající se jako výrazná kapacitní zátěž:

• Spínané napájecí zdroje - čím má zdroje větší výkon, tím obvykle má i větší náběhový proud.
• Dlouhá přenosová vedení nebo kabely - zde se projevuje parazitní kapacita mezi vodiči při kabelech delších než cca 10 m.
• Různé napěťové filtry - například reproduktorové výhybky.
• Snížení velikosti náběhového proudu kapacitních zátěží je možno vytvořit použitím různých zapojením elektrických prvků sériově s kapacitní zátěží:

Zapojením rezistoru / NTC termistoru  - jejich el. odpor omezuje náběhový proud úbytkem napětí (napětí na svorkách kapacitní zátěže roste postupně - ne skokem). Nevýhodou jsou nežádoucí přídavné ztráty v ustáleném stavu.
Zapojení s tlumivkou (cívkou) - kompenzuje (snižuje) náběhový proud a zároveň následně v ustáleném stavu již nevytváří velké nežádoucí el. ztráty (tlumivka vykazuje jen nízký el. odpor vodiče).

Spínání indukční zátěže

Největším nepřítelem takového běžného relé však obecně bývá indukční zátěž - například solenoid či elektromagnet. Je totiž svým chováním nejvíce zrádná a nejsnadněji může kompletně zničit (zpéct/opálit) spínané kontakty relé. Chová se totiž přesně opačně než kapacitní zátěž. Tedy nijak nevadí její účinky během spínání relé, kdy z fyzikálního principu funkce el. proud nabíhá postupně od malých hodnot až definovaného jmenovitého proudu , který je uveden na součástce (cívka / indukční zátěž se v tomto momentě chová jako tlumivka).

Problém nastává naopak při odpojování indukční zátěže, tedy při rozpojování kontaktů relé. Z principu své fyzikální funkce (zpětné elektromotorické síle), chce indukční zátěž zachovat hodnotu el. proudu, kterou jí procházel před rozepnutím. Za tímto účelem generuje indukční zátěž na svých svorkách dočasně el. napětí takové hodnoty a polarity, aby směr i velikost proudu byl zachován.

Indukčnost cívky u elektromagnetických přístrojů se tak nepříznivě projeví při jejich vypínání vznikem přepětí, které může značně namáhat jak izolaci vinutí samotné zátěže, tak i kontakty vypínacího zařízení, tedy v našem případě kontaktů relé. Na vznik přepětí má vliv indukčnost cívky (s rostoucí indukčností přepětí roste), rychlost a způsob odpojení. Nejvíce se přepětí zvýší u rychle elektronicky odpínaných přístrojů – mžikové odpojení, pokud indukční zátěž neobsahuje ochranný prvek proti přepětí. Zvláště nepříznivě se projevuje u větších indukčností, vyšším napájecím napětí a vyšší hodnotě relativního zatěžovatele (poměr doby, po kterou je elektromagnet zapnut během jednoho cyklu a doby jednoho pracovního cyklu). V praxi bývá obvyklé se může  při vypínání indukční zátěže vytvořit přepětí až 30-ti násobné hodnoty jmenovitého napájecího / spínaného napětí.

Tedy pokud dojde k mžikovému odpojení indukční zátěže oddálením kontaktů relé, elektricky neošetřená indukční zátěž může vygenerovat napětí i mnoho stovek voltů, které pak následně v mezeře oddalujících se kontaktů může zapálit a vytáhnout obloukový výboj. Ten pak kontakty relé "spolehlivě" poškodí nebo v horším případě trvale zničí.

Příklady zařízení, které se mohou chovat se jako výrazná induktivní zátěž:

• Solenoidové / elektromagnetické ventily
• Elektromagnety
• Elektromotory
• Transformátory
• Větráky
• Ovládací cívky relé

Ochranu proti přepětí je možno vytvořit použitím různých způsobů zapojením elektrických prvků paralelně s indukční zátěží, které odvedou (zkratují) přepětí vzniklé na kontaktech indukční zátěže / cívky po jejím odpojení od napětí:

• Zapojení s diodou a odporem (pro stejnosměrné napájení) - výkonově je nutné dimenzovat diodu i odpor dle četnosti spínání, velikosti přepětí a odpínaného příkonu. Závěrné napětí diody musí být větší než napájecí napětí obvodu, maximální propustný proud diody musí být větší než proud který teče při sepnutí zátěží (cívkou).
• Zapojení tzv. zhášecího kondenzátoru (pro střídavé napájení) - připojení RC členu paralelně ke spínacímu kontaktu, kde R = RL a C = L/RL2
• Zapojení se dvěma zenerovými diodami nebo transilem - zenerovy diody nebo transil omezují přepětí od určitého udávaného prahového napětí. Nevýhodou je, že při výkonovém přetížení s následkem destrukce dochází k trvalému vedení, tzn. dochází k přemostění zátěže.
• Zapojení s varistorem -  varistor připojený paralelně k zátěži musí vyhovovat podmínce 2 < Umax/Uj < 4 (Umax je napětí varistoru, Uj je napájecí napětí obvodu).

Možné řešení ochrany kontaktu relé před účinky indukční zátěže - zleva: diodou, zhášecím kondezátorem, zenerovými diodami či transilem, varistorem.

Závěr

Závěr tedy je, že ne za všech okolností vykazuje připojovaná či odpojovaná zátěž u nich uváděné jmenovité hodnoty el. proudu a napětí. To bohužel platí jen u ideálních čistě odporových zátěží / zařízení, což je bohužel v praxi stav spíše výjimečný. Vždy je tedy obecně vhodné nejen spínací kontakty relé dostatečně předimenzovat (s ohledem na spínané napětí i přepokládaný spínaný el. proud), ale případně spínanou zátěž/zařízení vhodně ošetřit zapojením přídavných prvků podle toho, jak se převážně chová, tedy zda spíše jako kondenzátor (např. různé filtry či spínané zdroje/měniče) nebo spíše jako cívka (např. solenoidy a elektromagnety). U některých zařízení se lze v tomto směru setkat s udáním maximálního zatížení kontaktů ve formátu "maximální spínaný proud 16 (4) A, 250 V~", kde 16 A znamená pro odporovou zátěž, zatímco 4 A pro indukční zátěž.

Pokud se pomocí relé spínaná kapacitní nebo indukční zátěž není vhodně ošetřena, může snadno poškodit nebo i zničit relé a tím tedy i poškodí ovládací zařízení, které má relé v sobě integrované (např. senzor, PLC, vzdáleně ovládaná spínací jednotka atd.).

Můžete-li se připojit k zařízení přes WWW rozhraní, naleznete na záložce System tlačítko Default či Reset to Default, Load default apod.

Pomocí HWg Config (HWg-SMS-GW3, HWg-SH4, HWg-STE, HWg-STE PoE, HWg-STE Push, HWg-STE Push PoE, HWg-STE Plus, HWg-STE Plus PoE, STE2, IP Watchdog2 Lite, IP Watchdog2 Industrial)

Pomocí HWg-Config lze resetovat zařízení pouze 60s od jejich zapnutí/restartu. Mimo tuto dobu je volba resetu neaktivní.

• Odpojte zařízení, které je určené k resetu od napájení a znovu ho k němu připojte.
• Spusťte HWg Config a dejte vyhledat zařízení (příznak zda je možno zařízení vyresetovat se načítá pouze při vyhledání, takže pokud vyhledáte zařízení dříve než ho restartujete, zůstane volba neaktivní)
• Poklepejte na zařízení a otevřete detail jeho nastavení. Stiskněte tlačítko Load to Default
  Nebo
• Vyberte zařízení, které chcete resetovat a pravým tlačítkem otevřete kontextové menu. Vyberte položku Load to Default

Pomocí spínače DIP (Poseidon, Poseidon2 and Damocles2)

• Odpojte zařízení které je určené k resetu od napájení a znovu ho k němu připojte.
• V době do 30s po znovu připojení změňte 6x stav DIP 1 – Setup (3x po sobě ho zapněte a vypněte)

Pomocí spínače DIP (IP WatchDog Lite, IP WatchDog HWg-WR02a)

• Odpojte zařízení které je určené k resetu od napájení a znovu ho k němu připojte.
  V době do 30s po znovu připojení změňte 6x stav DIP 2 – Safe (3x po sobě ho zapněte a vypněte). 

Pomocí tlačítka reset (STE2 Units)

• Odpojte zařízení které je určené k resetu od napájení
• Stiskněte tlačítko Reset a znovu připojte napájení. Tlačítko držte další 3 vteřiny.

Pomocí tlačítka reset (HWg-PWRx Units)

• Stiskněte tlačítko Reset (bude třeba propíchnout krycí fólii) a držte tlačítko na 10 sekund.

Pomocí zkratovací propojky (Units HWg-STE, HWg-STE PoE, HWg-STE Push, HWg-STE Push PoE, HWg-STE Plus, HWg-STE Plus Poe)

• Odpojte zařízení které je určené k resetu od napájení

• Otevřete krabičku a zkratujte zkratovací propojku

• Připojte napájení a vyčkejte cca 15s. Nyní propojku odstraňte.

• Odpojte zařízení od napájení a znovu ho k němu připojte.