Analoge Spannungssignale von 0 bis 10 V sind im Maschinenbau, in der Gebäudeautomation, in HLK-Anlagen und im Schaltschrankbau weiterhin weit verbreitet. Sie übertragen beispielsweise Sollwerte für Frequenzumrichter, Stellbefehle für Ventilantriebe, Messwerte von Druck-, Temperatur- oder Feuchtesensoren sowie Positions- und Füllstandsinformationen an eine SPS, einen Regler oder eine Anzeige.
Kommt es zu einem unplausiblen Messwert, stellt sich in der Praxis schnell die Frage, ob der Sensor, die Verdrahtung, die Spannungsversorgung, der Analogeingang oder lediglich die Skalierung im SPS-Programm fehlerhaft ist. Mit einem geeigneten Prozesssignalkalibrator lässt sich ein definiertes 0–10-V-Signal direkt am Analogeingang vorgeben. Dadurch kann die komplette Verarbeitung vom Anschluss im Schaltschrank bis zur Anzeige im Leitsystem kontrolliert werden.
Die Prüfung ist grundsätzlich einfach, erfordert aber ein klares Verständnis des Signalprinzips. Ein Spannungssignal benötigt immer ein gemeinsames Bezugspotenzial. Außerdem beeinflussen Eingangsimpedanz, Leitungswiderstand, Potenzialunterschiede, Erdung und parallel angeschlossene Verbraucher den Messwert. 0–10 V darf deshalb nicht wie eine 4–20-mA-Stromschleife behandelt werden.
Dieser Beitrag erklärt, wie sich ein 0–10-V-Signal fachgerecht simulieren lässt, welche Unterschiede zwischen 0–10 V und 2–10 V bestehen, wie SPS-Skalierungen geprüft werden und wie sich typische Fehler im Schaltschrank systematisch eingrenzen lassen.
Inhaltsverzeichnis
- Wie ein 0–10-V-Signal funktioniert
- Wo 0–10-V-Signale eingesetzt werden
- Was bedeutet 0–10 V simulieren?
- Warum das Bezugspotenzial entscheidend ist
- Eingangsimpedanz und Belastung der Signalquelle
- 0–10 V und 2–10 V richtig unterscheiden
- 0–10 V und 4–20 mA im Vergleich
- Sensorversorgung und Ausgangssignal nicht verwechseln
- Prüfablauf für einen SPS-Analogeingang
- SPS-Skalierung richtig kontrollieren
- 0–10-V-Messumformer prüfen
- Anzeigen, Regler und Frequenzumrichter testen
- Typische Fehler bei 0–10-V-Signalen
- Schirmung, Erdung und Leitungsführung
- Praxisbeispiel: SPS zeigt trotz 5 V einen falschen Wert
- Prüfergebnisse sinnvoll dokumentieren
- Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?
- Fazit
- Häufige Fragen zur Simulation von 0–10-V-Signalen
Wie ein 0–10-V-Signal funktioniert
Bei einem 0–10-V-Signal wird der Mess- oder Stellbereich durch eine Gleichspannung dargestellt. 0 V entsprechen üblicherweise dem unteren Bereichsende und 10 V dem oberen Bereichsende. Ein Signal von 5 V repräsentiert bei einer linearen Skalierung 50 Prozent des eingestellten Bereichs.
Ein Drucksensor mit einem Messbereich von 0 bis 10 bar kann beispielsweise 0 V bei 0 bar und 10 V bei 10 bar ausgeben. Bei 5 V müsste die SPS dann ungefähr 5 bar anzeigen. Ein Stellventil mit einem 0–10-V-Eingang könnte bei 5 V entsprechend auf 50 Prozent des definierten Stellbereichs fahren.
Das Spannungssignal wird immer zwischen zwei Leitern gemessen: dem Signalausgang und dem zugehörigen Bezugspotenzial. Dieses Bezugspotenzial wird je nach Hersteller als GND, COM, M, 0 V, Analog Ground oder Signal Ground bezeichnet. Ohne eine korrekte Verbindung zum Bezugspotenzial kann der Empfänger die Signalspannung nicht eindeutig auswerten.
Das Ausgangssignal darf nicht mit der Versorgungsspannung des Sensors verwechselt werden. Ein 0–10-V-Sensor wird häufig separat mit 24 V DC versorgt und stellt an einem weiteren Anschluss das analoge Ausgangssignal bereit. Es handelt sich dann typischerweise um einen Drei- oder Vierleiteranschluss.
Die genaue Anschlussbelegung muss immer aus dem Datenblatt des Sensors oder Messumformers übernommen werden. Gleiche Aderfarben oder identische Klemmenbezeichnungen dürfen nicht pauschal vorausgesetzt werden.
Wo 0–10-V-Signale eingesetzt werden
Spannungssignale werden besonders häufig innerhalb von Maschinen, Schaltschränken und Gebäuden eingesetzt. Dort sind die Leitungslängen meist begrenzt und die Umgebungsbedingungen lassen sich durch eine geeignete Leitungsführung und Erdung beherrschen.
Typische Anwendungen sind Sollwertvorgaben für Frequenzumrichter, Drehzahlregler und Leistungssteller. Auch Ventilantriebe, Klappensteller, Heizungsregler und Komponenten der Gebäudeautomation verwenden häufig 0–10 V oder 2–10 V.
Messumformer für Temperatur, Druck, Luftqualität, Feuchte, Füllstand, Position oder Differenzdruck können ebenfalls einen Spannungsausgang besitzen. Die SPS verarbeitet das Signal über eine analoge Eingangskarte und rechnet die Spannung in die eigentliche Prozessgröße um.
Ein 0–10-V-Signal kann dabei entweder einen Messwert übertragen oder einen Sollwert vorgeben. Für die elektrische Prüfung macht dies zunächst keinen Unterschied. Die betriebliche Wirkung kann jedoch erheblich sein: Während ein simulierter Sensormesswert lediglich eine Anzeige verändert, kann ein simuliertes Sollwertsignal einen Motor, ein Ventil oder eine andere Maschinenfunktion ansteuern.
Vor einer Simulation muss daher eindeutig geklärt werden, welche Reaktion das angeschlossene System auslösen kann. Gegebenenfalls sind Antriebe zu entkoppeln, Freigaben zu sperren oder die Steuerung in einen sicheren Prüfmodus zu versetzen.
Was bedeutet 0–10 V simulieren?
Beim Simulieren eines 0–10-V-Signals erzeugt ein Kalibrator eine definierte Gleichspannung und speist diese anstelle des ursprünglichen Sensors oder Sollwertgebers in den Analogeingang ein. Der Kalibrator übernimmt damit vorübergehend die Funktion der Signalquelle.
Der Sensor wird für die Prüfung normalerweise elektrisch vom Eingang getrennt. Anschließend werden der positive Ausgang des Kalibrators mit dem Signaleingang und der negative Ausgang mit dem zugehörigen Bezugspotenzial verbunden.
Danach werden mehrere definierte Spannungswerte eingestellt. Sinnvoll sind mindestens der untere Wert, die Bereichsmitte und der obere Wert. Für eine genauere Prüfung können zusätzlich 25- und 75-Prozent-Punkte verwendet werden.
| Prüfpunkt | Signal bei 0–10 V | Erwarteter Anteil des Messbereichs |
|---|---|---|
| Unterer Bereichspunkt | 0,00 V | 0 % |
| 25-Prozent-Punkt | 2,50 V | 25 % |
| Bereichsmitte | 5,00 V | 50 % |
| 75-Prozent-Punkt | 7,50 V | 75 % |
| Oberer Bereichspunkt | 10,00 V | 100 % |
Stimmen die Anzeige und der Rohwert der SPS an allen Punkten, ist der Analogeingang einschließlich Skalierung grundsätzlich plausibel. Weicht die Anzeige bereits bei einem direkt eingespeisten Kalibratorsignal ab, liegt der Fehler nicht beim abgetrennten Sensor, sondern wahrscheinlich im Eingang, in der Verdrahtung zwischen Prüfstelle und Eingang oder in der Softwarekonfiguration.
Eine Simulation ersetzt keine vollständige Kalibrierung des ursprünglichen Sensors. Sie prüft zunächst die elektrische Signalkette ab dem Einspeisepunkt. Soll die gesamte Messkette bewertet werden, muss zusätzlich die eigentliche physikalische Messgröße am Sensor erzeugt und mit einer geeigneten Referenz gemessen werden.
Warum das Bezugspotenzial entscheidend ist
Ein Spannungswert existiert immer zwischen zwei elektrischen Potenzialen. Ein Analogeingang kann 5 V nur dann korrekt erfassen, wenn sowohl das Signal als auch das dazugehörige Bezugspotenzial angeschlossen sind.
In einer SPS gibt es je nach Eingangskarte gemeinsame Masseanschlüsse für mehrere Kanäle oder getrennte Bezugspotenziale für einzelne Kanäle beziehungsweise Kanalgruppen. Werden die falschen Klemmen verwendet, kann das Signal zu niedrig, zu hoch, instabil oder vollständig ohne Funktion sein.
Besonders kritisch sind Potenzialunterschiede zwischen Sensorversorgung, SPS-Masse und geerdeten Anlagenteilen. Ein Sensor kann gegenüber seiner lokalen Masse korrekt 5 V ausgeben, während am SPS-Eingang aufgrund eines verschobenen Bezugspotenzials ein anderer Wert anliegt.
Bei der Fehlersuche sollte die Spannung deshalb nicht nur direkt am Sensor, sondern zusätzlich zwischen dem Signaleingang und der tatsächlichen Bezugsklemme des Analogeingangs gemessen werden. Erst dieser Wert entspricht der Spannung, welche die SPS tatsächlich verarbeitet.
Ein Prozesssignalkalibrator kann je nach Aufbau galvanisch von anderen Stromkreisen getrennt sein oder einen Bezug über angeschlossene Geräte erhalten. Vor der Verbindung muss geprüft werden, ob unerwünschte Erd- oder Masseverbindungen entstehen können. Das gilt besonders, wenn gleichzeitig ein Netzteil, ein PC, ein Oszilloskop oder ein geerdetes Messgerät angeschlossen ist.
Eingangsimpedanz und Belastung der Signalquelle
Ein Spannungsausgang kann nur einen begrenzten Strom liefern. Der Eingang eines angeschlossenen Gerätes muss deshalb ausreichend hochohmig sein. Je kleiner die Eingangsimpedanz, desto höher ist der Strom, den die Signalquelle bei derselben Spannung liefern muss.
Der Zusammenhang ergibt sich aus dem ohmschen Gesetz:
I = U / R
Bei einem Eingangswiderstand von 100 kΩ fließen bei 10 V beispielsweise nur 0,1 mA. Bei 10 kΩ beträgt der Strom dagegen bereits 1 mA. Werden mehrere Eingänge parallel angeschlossen, verringert sich der Gesamtwiderstand und die erforderliche Ausgangsleistung steigt.
Kann die Signalquelle den benötigten Strom nicht liefern, bricht die Ausgangsspannung ein. Der Kalibrator zeigt möglicherweise einen eingestellten Wert von 10 V an, während am angeschlossenen Eingang tatsächlich nur 8 oder 9 V anliegen.
Der C.A 1631 ist für die Ausgabe von Gleichspannung bis 20 V vorgesehen. Für den Spannungsausgang ist ein maximaler Ausgangsstrom zu beachten. Vor der Prüfung sollte deshalb kontrolliert werden, ob die Eingangsimpedanz des Analogeingangs und eventuell parallel angeschlossener Anzeigen, Regler oder Datenlogger zur Belastbarkeit des Kalibrators passen.
Bei mehreren parallelen Empfängern sollte möglichst jeder Eingang einzeln geprüft werden. Dadurch lässt sich erkennen, ob ein bestimmtes Gerät die Signalleitung zu stark belastet oder ob die Gesamtschaltung außerhalb der zulässigen Ausgangslast liegt.
0–10 V und 2–10 V richtig unterscheiden
0–10 V und 2–10 V verwenden dieselbe maximale Spannung, besitzen aber unterschiedliche untere Bereichspunkte. Bei 0–10 V entsprechen 0 V dem Messbereichsanfang. Bei 2–10 V entsprechen üblicherweise 2 V dem unteren und 10 V dem oberen Bereichsende.
| Prüfpunkt | 0–10 V | 2–10 V |
|---|---|---|
| 0 % | 0,00 V | 2,00 V |
| 25 % | 2,50 V | 4,00 V |
| 50 % | 5,00 V | 6,00 V |
| 75 % | 7,50 V | 8,00 V |
| 100 % | 10,00 V | 10,00 V |
Der erhöhte Nullpunkt eines 2–10-V-Signals kann zur Plausibilitätsüberwachung verwendet werden. Ein Wert deutlich unterhalb von 2 V kann beispielsweise auf eine fehlende Versorgung, eine Leitungsunterbrechung oder einen fehlerhaften Ausgang hindeuten. Ob die Steuerung einen solchen Zustand tatsächlich als Fehler erkennt, hängt jedoch von der Programmierung und der Konfiguration des Analogeingangs ab.
Wird ein 2–10-V-Geber irrtümlich als 0–10 V skaliert, zeigt die SPS bereits bei 2 V einen Wert von 20 Prozent an. Umgekehrt kann eine für 2–10 V konfigurierte SPS bei einem tatsächlichen 0–10-V-Signal negative, begrenzte oder fehlerhafte Werte erzeugen.
Vor der Prüfung muss daher nicht nur der maximale Spannungswert bekannt sein. Entscheidend ist die vollständige Signaldefinition einschließlich unterem Bereichswert, oberem Bereichswert und zugehöriger Prozessgröße.
0–10 V und 4–20 mA im Vergleich
0–10 V und 4–20 mA sind analoge Standardsignale, funktionieren elektrisch jedoch unterschiedlich. Beim Spannungssignal wertet der Empfänger die Spannung zwischen Signal und Bezugspotenzial aus. Bei der Stromschleife wird der durch die gesamte Reihenschaltung fließende Strom gemessen.
| Eigenschaft | 0–10 V | 4–20 mA |
|---|---|---|
| Übertragene Größe | Gleichspannung | Gleichstrom |
| Typischer Anschluss | Signal und Bezugspotenzial, häufig mit separater Versorgung | Stromschleife mit in Reihe geschalteten Komponenten |
| Unterer Bereichswert | 0 V oder beispielsweise 2 V | Üblicherweise 4 mA |
| Einfluss von Leitungswiderständen | Kann bei belasteten Quellen und Masseverschiebungen relevant sein | Innerhalb der verfügbaren Schleifenspannung meist geringer Einfluss auf den Strom |
| Verhalten bei Leitungsbruch | 0 V kann zugleich ein gültiger Messwert sein | 0 mA liegt deutlich unter dem regulären Messbereich |
| Parallelschaltung von Empfängern | Grundsätzlich möglich, Belastung der Quelle beachten | Empfänger werden in der Regel nicht parallel in dieselbe Stromschleife geschaltet |
Bei längeren Leitungen, großen Anlagen und störbehafteten Industrieumgebungen wird häufig 4–20 mA bevorzugt. Innerhalb von Maschinen, Schaltschränken und Gebäudeautomationssystemen ist 0–10 V dennoch sehr verbreitet und technisch sinnvoll, wenn Bezugspotenzial, Leitungsführung und Eingangsimpedanz korrekt ausgelegt sind.
Ein häufiger Fehler bei der Prüfung besteht darin, einen Stromsimulator direkt an einen Spannungseingang anzuschließen oder einen Spannungskalibrator in eine 4–20-mA-Schleife einzuspeisen. Vor der Verbindung muss die Eingangskonfiguration deshalb eindeutig geprüft werden.
Sensorversorgung und Ausgangssignal nicht verwechseln
Viele 0–10-V-Messumformer benötigen eine separate Versorgungsspannung, häufig aus dem 24-V-DC-Netz des Schaltschranks. Die Versorgung wird an Plus und 0 V angeschlossen. Das 0–10-V-Ausgangssignal liegt an einer weiteren Klemme gegenüber dem gemeinsamen oder separaten Signalbezug an.
Ein Kalibrator, der 0–10 V ausgibt, ersetzt bei der Prüfung des Analogeingangs lediglich den Signalausgang. Er versorgt nicht automatisch den abgetrennten Messumformer. Soll der Messumformer selbst geprüft werden, muss dessen Versorgung weiterhin vorhanden und korrekt sein.
Vor einer Messung sollten daher drei Größen getrennt betrachtet werden:
- Versorgungsspannung des Messumformers
- Ausgangsspannung des Messumformers
- Spannung, die tatsächlich am Analogeingang ankommt
Liegt die Versorgungsspannung nicht an, kann ein vollständig intakter Sensor kein gültiges Ausgangssignal liefern. Liegt am Sensor ein korrektes Signal an, aber nicht an der SPS, befindet sich der Fehler wahrscheinlich in der Leitung, einer Klemme, einem Trennverstärker, einem Umschalter oder dem Bezugspotenzial.
Einige Messumformer besitzen galvanisch getrennte Ein- und Ausgänge. Andere verwenden eine gemeinsame Masse für Versorgung und Signal. Die Verdrahtung darf deshalb nicht allein anhand einer allgemeinen Drei- oder Vierleiterdarstellung vorgenommen werden.
Prüfablauf für einen SPS-Analogeingang
Vor Beginn der Prüfung muss geklärt werden, welche Prozessreaktionen durch das simulierte Signal ausgelöst werden können. Automatische Regelungen, Grenzwertmeldungen, Verriegelungen und Antriebe sind entsprechend dem Anlagenkonzept in einen sicheren Zustand zu versetzen.
Anschließend wird anhand der Schaltungsunterlagen kontrolliert, ob es sich tatsächlich um einen Spannungseingang handelt. Viele SPS-Eingangsmodule lassen sich per Verdrahtung, Steckbrücke oder Software zwischen Spannung und Strom umschalten. Eine falsche Konfiguration kann das Prüfergebnis verfälschen oder zu einer unzulässigen Belastung führen.
Der ursprüngliche Signalgeber wird elektrisch vom Analogeingang getrennt. Dadurch wird verhindert, dass zwei aktive Spannungsausgänge gegeneinander arbeiten. Ein Kalibrator darf nicht einfach parallel zu einem weiterhin aktiven Sensor geschaltet werden.
Der positive Spannungsausgang des Kalibrators wird mit dem Signaleingang verbunden. Der negative Ausgang wird an das für diesen Kanal vorgesehene Bezugspotenzial angeschlossen. Danach wird zunächst ein niedriger und sicherer Prüfwert eingestellt.
Nach einer Plausibilitätskontrolle können die festgelegten Prüfpunkte nacheinander angefahren werden. Zu jedem Punkt werden der ausgegebene Spannungswert, der SPS-Rohwert, der skalierte Prozesswert und gegebenenfalls die Anzeige im Leitsystem dokumentiert.
Für eine Prüfung der Linearität sollten die Punkte sowohl aufsteigend als auch absteigend angefahren werden. Dadurch lassen sich softwareseitige Begrenzungen, Filterungen oder eine unerwartete Hysterese in nachgeschalteten Anzeigen und Reglern erkennen.
Nach Abschluss der Simulation wird der Kalibrator entfernt, die ursprüngliche Verdrahtung wiederhergestellt und die Anlage kontrolliert in den Betriebszustand zurückgeführt. Vor der Freigabe sollte der reale Sensorwert auf Plausibilität geprüft werden.
SPS-Skalierung richtig kontrollieren
Der Analogeingang wandelt die anliegende Spannung zunächst in einen digitalen Rohwert um. Dieser Rohwert wird im SPS-Programm oder in der Parametrierung des Moduls auf die physikalische Prozessgröße skaliert.
Ein 0–10-V-Signal kann beispielsweise 0 bis 100 Prozent, 0 bis 10 bar, −50 bis +50 °C oder 0 bis 2.000 U/min darstellen. Die elektrische Spannung allein sagt daher noch nichts über die gewünschte Einheit aus.
Für eine lineare Skalierung kann der erwartete Prozesswert vereinfacht berechnet werden:
Prozesswert = unterer Messwert + Signalanteil × Messspanne
Ein Druckmessumformer mit 0–10 V und einem Messbereich von 0 bis 16 bar muss bei 5 V ungefähr 8 bar anzeigen. Ein Temperatursensor mit 0–10 V für −20 bis +80 °C muss bei 5 V dagegen etwa +30 °C anzeigen, da die gesamte Messspanne 100 °C beträgt.
| Simuliertes Signal | Erwarteter Wert bei 0–16 bar | Erwarteter Wert bei −20 bis +80 °C |
|---|---|---|
| 0,00 V | 0 bar | −20 °C |
| 2,50 V | 4 bar | 5 °C |
| 5,00 V | 8 bar | 30 °C |
| 7,50 V | 12 bar | 55 °C |
| 10,00 V | 16 bar | 80 °C |
Zeigt die SPS bei 5 V genau die Bereichsmitte, aber an den Endpunkten falsche Werte, sind häufig die oberen oder unteren Skalierungsgrenzen falsch eingetragen. Ist die Abweichung über den gesamten Bereich konstant, kann ein Offsetfehler vorliegen.
Bei einer proportional zunehmenden Abweichung ist eher ein falscher Verstärkungsfaktor, ein nicht passender Eingangstyp oder eine falsche Messspanne wahrscheinlich. Springende Rohwerte weisen dagegen eher auf Kontaktprobleme, Störeinflüsse, ein instabiles Bezugspotenzial oder eine ungeeignete Filtereinstellung hin.
0–10-V-Messumformer prüfen
Bei der Prüfung eines Messumformers sind Eingangsseite und Ausgangsseite getrennt zu betrachten. Ein Temperaturmessumformer kann beispielsweise einen Pt100-Widerstand aufnehmen und daraus 0–10 V erzeugen. Ein Druckmessumformer verarbeitet dagegen ein mechanisches Drucksignal.
Zunächst wird die Versorgungsspannung des Messumformers geprüft. Danach wird am Ausgang gemessen, ob die erwartete Spannung vorhanden ist. Dabei muss die Spannung zwischen dem Signalausgang und dem dafür vorgesehenen Signalbezug gemessen werden.
Um den Messumformer vollständig zu prüfen, muss an seiner Eingangsseite eine bekannte Referenzgröße vorgegeben werden. Bei einem Temperaturmessumformer kann dies ein Widerstands- oder Temperatursimulator sein. Bei einem Druckmessumformer wird eine geeignete Druckquelle mit Referenzdruckmessgerät benötigt.
Die Simulation von 0–10 V am SPS-Eingang prüft lediglich die nachgeschaltete Verarbeitung. Sie belegt nicht, dass der Messumformer seine Eingangsgröße korrekt in das Spannungssignal umsetzt.
Bei der Fehlersuche ist eine Aufteilung der Messkette daher besonders wirkungsvoll:
- Physikalische Messgröße am Sensor prüfen
- Ausgangssignal direkt am Messumformer prüfen
- Signal am Eingang des Schaltschranks prüfen
- Signal direkt an der SPS-Klemme prüfen
- Rohwert und skalierte Anzeige vergleichen
Auf diese Weise lässt sich der Fehlerabschnitt deutlich schneller bestimmen als durch den vorsorglichen Austausch einzelner Komponenten.
Anzeigen, Regler und Frequenzumrichter testen
Neben SPS-Analogeingängen lassen sich auch Digitalanzeigen, Prozessregler, Stellungsregler und Frequenzumrichter mit einem definierten Spannungssignal prüfen. Voraussetzung ist, dass der betreffende Eingang tatsächlich für 0–10 V beziehungsweise den gewünschten Spannungsbereich konfiguriert ist.
Bei einer Digitalanzeige wird kontrolliert, ob die elektrische Eingangsspannung korrekt in den eingestellten Anzeigebereich umgerechnet wird. Bei einem Regler kann zusätzlich geprüft werden, ob Grenzwerte, Relaisausgänge und Regelparameter bei den vorgesehenen Eingangswerten reagieren.
Bei einem Frequenzumrichter kann ein simuliertes Spannungssignal die Sollfrequenz oder Drehzahl verändern. Hier sind besondere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich. Der Motor darf nur dann angesteuert werden, wenn der Prüfaufbau, die Maschine und der Gefahrenbereich dies zulassen.
Viele Frequenzumrichter besitzen zusätzlich eine interne 10-V-Hilfsspannung für ein Sollwertpotentiometer. Diese Klemme ist eine Versorgungsausgabe und nicht mit dem Analogeingang zu verwechseln. Der Kalibrator wird an den eigentlichen Spannungseingang und dessen Bezugsklemme angeschlossen.
Ein direktes Verbinden des Kalibratorausgangs mit einer fremden 10-V-Versorgung kann zwei aktive Spannungsquellen gegeneinander schalten. Die Anschlussbezeichnungen und die Schaltung müssen deshalb vor der Prüfung eindeutig geklärt werden.
Typische Fehler bei 0–10-V-Signalen
Fehler in einer Spannungssignalkette lassen sich häufig anhand ihres Verhaltens eingrenzen. Ein dauerhaftes Signal von 0 V kann durch einen fehlenden Sensorausgang, eine unterbrochene Signalleitung, eine fehlende Versorgung oder ein nicht verbundenes Bezugspotenzial verursacht werden.
Ein zu niedriger Messwert kann auf eine überlastete Signalquelle, mehrere parallel angeschlossene Eingänge, einen zu niedrigen Eingangswiderstand oder einen Spannungsabfall durch ungeeignete Verbindungen hinweisen. Auch eine falsche 2–10-V- beziehungsweise 0–10-V-Skalierung ist möglich.
| Fehlerbild | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| SPS zeigt dauerhaft 0 | Signal unterbrochen, Sensor ohne Versorgung, Bezugspotenzial fehlt | Versorgung, Signal und COM-Verbindung getrennt messen |
| Signal ist deutlich zu niedrig | Quelle überlastet, Eingang zu niederohmig, Parallelverbraucher | Spannung unbelastet und unter Last vergleichen |
| Signal schwankt stark | Lose Klemme, EMV-Einstreuung, instabile Masse, ungeeignete Filterung | Klemmen, Leitungsführung, Schirmung und Rohwert prüfen |
| Anzeige beginnt bei 20 % | 2–10-V-Signal als 0–10 V skaliert | Signaldefinition von Geber und SPS vergleichen |
| Bereichsmitte stimmt, Endwerte nicht | Falsche Skalierungsgrenzen oder Begrenzungsfunktion | Rohwert und Softwareparameter kontrollieren |
| Signal stimmt am Sensor, aber nicht an der SPS | Leitungsfehler, falsches Bezugspotenzial, Trennverstärker oder Klemme | Spannung abschnittsweise entlang der Signalkette messen |
| Kalibrator erreicht 10 V nicht | Ausgangslast zu hoch oder zwei Quellen parallel verbunden | Empfänger einzeln anschließen und Sensor vollständig abtrennen |
Wird am SPS-Eingang ein korrektes Kalibratorsignal eingespeist und trotzdem ein falscher Rohwert angezeigt, sollten Eingangstyp, Kanalparametrierung und Moduldiagnose kontrolliert werden. Einige Karten besitzen unterschiedliche Klemmen für Strom- und Spannungseingänge oder benötigen eine softwareseitige Auswahl des Messbereichs.
Bleibt der SPS-Wert bei verschiedenen simulierten Spannungen unverändert, kann der falsche Kanal beobachtet, die Eingangskarte deaktiviert oder eine Ersatzwertfunktion aktiv sein. Auch softwareseitige Filter, Handbetriebswerte oder überschreibende Variablen müssen berücksichtigt werden.
Schirmung, Erdung und Leitungsführung
0–10-V-Signale sollten getrennt von Motorleitungen, Frequenzumrichterausgängen, Schützspulen und anderen stark störenden Leitungen geführt werden. Parallele Leitungsführung über längere Strecken kann Störspannungen einkoppeln.
Für empfindliche Analogsignale werden häufig geschirmte und paarweise verseilte Leitungen verwendet. Wie der Schirm angeschlossen wird, hängt vom Anlagenkonzept, der Leitungslänge, dem Frequenzbereich der Störung und der Potenzialausgleichssituation ab.
Eine pauschale Aussage, der Schirm müsse immer nur einseitig oder immer beidseitig aufgelegt werden, ist nicht für jede Anlage richtig. Maßgeblich sind die Vorgaben der Komponentenhersteller und das EMV- sowie Erdungskonzept der Maschine.
Der Signalschirm ist nicht automatisch der elektrische Rückleiter des 0–10-V-Signals. Das Bezugspotenzial muss über den dafür vorgesehenen Leiter geführt werden. Wird der Schirm als Signalmasse verwendet, können Störströme und Potenzialausgleichsströme den Messwert beeinflussen.
Auch schlecht ausgeführte Klemmstellen können problematisch sein. Übergangswiderstände allein verursachen bei hochohmigen Eingängen meist nur geringe statische Spannungsabfälle, können aber durch Korrosion, Vibration oder intermittierende Kontakte zu springenden Messwerten führen.
Praxisbeispiel: SPS zeigt trotz 5 V einen falschen Wert
In einer Lüftungsanlage liefert ein Differenzdruckmessumformer ein 0–10-V-Signal für einen Messbereich von 0 bis 500 Pa. Die Gebäudeleittechnik zeigt dauerhaft etwa 150 Pa an, obwohl mit einem Handmessgerät ein deutlich höherer Differenzdruck festgestellt wird.
Zunächst wird die Versorgung des Messumformers kontrolliert. Zwischen den Versorgungsklemmen liegen stabile 24 V DC an. Direkt am Signalausgang des Messumformers werden 5,0 V gegenüber seiner 0-V-Klemme gemessen. Dies müsste bei linearer Skalierung ungefähr 250 Pa entsprechen.
An der SPS-Klemme werden ebenfalls etwa 5,0 V gemessen. Damit sind Sensorversorgung, Ausgang und Leitung zunächst plausibel. Die Anzeige von 150 Pa kann nicht durch einen einfachen Spannungsverlust erklärt werden.
Der Messumformer wird vom Analogeingang getrennt und ein Prozesssignalkalibrator angeschlossen. Bei 0 V zeigt die SPS 0 Pa, bei 5 V etwa 150 Pa und bei 10 V ungefähr 300 Pa. Die elektrische Verarbeitung ist linear, verwendet jedoch offensichtlich eine falsche obere Skalierungsgrenze.
In der SPS-Konfiguration ist ein Messbereich von 0 bis 300 Pa hinterlegt. Der Messumformer war bei einem früheren Austausch gegen eine Ausführung mit 0 bis 500 Pa ersetzt worden, ohne die Softwareparameter anzupassen.
Nach der Korrektur zeigt die SPS bei 5 V ungefähr 250 Pa und bei 10 V 500 Pa an. Anschließend wird der reale Messumformer wieder angeschlossen und die Anzeige unter Betriebsbedingungen geprüft.
Das Beispiel zeigt, dass ein scheinbar falscher Sensorwert nicht zwangsläufig durch einen defekten Sensor verursacht wird. Die Simulation definierter Spannungswerte trennt die Sensorseite von der SPS-Verarbeitung und macht Skalierungsfehler unmittelbar sichtbar.
Prüfergebnisse sinnvoll dokumentieren
Eine nachvollziehbare Dokumentation sollte nicht nur festhalten, dass der Analogeingang „funktioniert“. Sinnvoll sind Angaben zum geprüften Kanal, Signalbereich, zugehörigen Messbereich, verwendeten Kalibrator und den einzelnen Prüfpunkten.
Zu jedem Prüfpunkt können Sollspannung, tatsächlich ausgegebene Spannung, SPS-Rohwert, angezeigter Prozesswert und zulässige Abweichung dokumentiert werden. Bei sicherheits- oder qualitätsrelevanten Anwendungen sind zusätzlich Datum, Prüfer, Geräteidentifikation und Kalibrierstatus des Referenzgerätes festzuhalten.
Wird nur ein Teil der Messkette geprüft, sollte dies eindeutig beschrieben werden. Eine elektrische Simulation am SPS-Eingang ist keine vollständige Kalibrierung des Sensors und keine Bestätigung der mechanischen oder physikalischen Messstelle.
Bei wiederkehrenden Prüfungen helfen identische Prüfpunkte dabei, Veränderungen über die Zeit zu erkennen. Auffällige Abweichungen können dadurch frühzeitig einem Analogeingang, Messumformer oder einer Leitungsverbindung zugeordnet werden.
Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?
Für die Simulation von 0–10-V-, 2–10-V- und weiteren analogen Spannungssignalen eignet sich der C.A 1631 Kalibrator für Prozesssignale. Das Gerät kann Gleichspannungen messen und ausgeben und lässt sich dadurch sowohl zur Simulation eines Spannungssignals als auch zur Kontrolle vorhandener Sensorsignale verwenden.
Mit seinem Spannungsbereich bis 20 V deckt der C.A 1631 typische Signale wie 0–10 V, 2–10 V, 0–5 V und 1–5 V ab. Für die Prüfung wird der Kalibrator anstelle des Sensors direkt mit dem Analogeingang verbunden.
Bei der Spannungsausgabe muss die zulässige Belastung des Kalibrators berücksichtigt werden. Besonders bei niedrigen Eingangsimpedanzen, parallel angeschlossenen Empfängern oder fehlerhaften Verdrahtungen kann die tatsächliche Ausgangsspannung vom eingestellten Wert abweichen. Die Eignung sollte deshalb anhand der Eingangsdaten der angeschlossenen Geräte geprüft werden.
Der C.A 1631 kann zusätzlich Stromsignale messen und ausgeben. Damit eignet er sich auch für Serviceeinsätze, bei denen sowohl 0–10-V- als auch 4–20-mA-Signale vorkommen. Vor jeder Verbindung muss der richtige Betriebsmodus gewählt werden, da Spannungs- und Stromsignale unterschiedlich angeschlossen werden.
Weitere Geräte zur Erzeugung und Prüfung elektrischer Prozesssignale finden sich in der Kategorie Simulatoren. Abhängig von der Anwendung können neben Spannung und Strom auch Widerstandsthermometer, Thermoelemente, Frequenz, Impulse oder andere Sensorsignale simuliert werden.
Für Anwendungen, die ausschließlich auf 4–20-mA-Stromschleifen ausgerichtet sind, kann der UPS4E Stromschleifen-Kalibrator eine passende Alternative oder Ergänzung sein. Er ist auf Stromschleifen, Transmitterspeisung und Loop-Checks ausgelegt.
Der UPS4E ist jedoch nicht das Hauptgerät für die Simulation von 0–10-V-Signalen. Für einen echten Spannungsausgang ist ein Prozesskalibrator wie der C.A 1631 erforderlich.
ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auswahl des passenden Kalibrators anhand der benötigten Signalarten, Spannungs- und Strombereiche, Genauigkeitsanforderungen, Eingangslasten und der geplanten Prüfaufgabe.
Fazit: Mit einem definierten Spannungssignal lässt sich die Fehlerursache schnell eingrenzen
Ein 0–10-V-Signal lässt sich mit einem geeigneten Prozesssignalkalibrator direkt am Analogeingang simulieren. Dadurch kann geprüft werden, ob SPS, Anzeige, Regler oder Frequenzumrichter den vorgegebenen Spannungswert korrekt erfassen und skalieren.
Für eine zuverlässige Prüfung müssen Signal und Bezugspotenzial richtig angeschlossen sein. Zusätzlich sind Eingangsimpedanz, Belastbarkeit der Signalquelle, Sensorversorgung und mögliche Parallelverbraucher zu berücksichtigen.
0–10 V darf nicht mit 2–10 V oder 4–20 mA verwechselt werden. Schon eine falsche Definition des unteren Bereichspunktes führt zu erheblichen Skalierungsfehlern, obwohl Sensor und Analogeingang elektrisch einwandfrei arbeiten.
Der C.A 1631 eignet sich besonders für Service, Inbetriebnahme und Fehlersuche, weil er Gleichspannungs- und Stromsignale messen und ausgeben kann. Damit lassen sich unterschiedliche analoge Schnittstellen im Schaltschrank mit einem kompakten Prozesskalibrator prüfen.
Die Simulation kontrolliert jedoch nur den Abschnitt der Messkette ab dem Einspeisepunkt. Für eine vollständige Bewertung muss auch der ursprüngliche Sensor oder Messumformer mit der tatsächlichen physikalischen Eingangsgröße geprüft werden.
Häufige Fragen zur Simulation von 0–10-V-Signalen
Wie kann ich ein 0–10-V-Signal simulieren?
Der ursprüngliche Signalgeber wird vom Analogeingang getrennt. Anschließend wird ein Prozesssignalkalibrator mit seinem positiven Ausgang an den Signaleingang und mit dem negativen Ausgang an das zugehörige Bezugspotenzial angeschlossen. Danach werden definierte Spannungswerte zwischen 0 und 10 V ausgegeben.
Welche Spannungswerte sollte ich bei der Prüfung verwenden?
Mindestens 0 V, 5 V und 10 V sollten geprüft werden. Für eine genauere Mehrpunktprüfung sind zusätzlich 2,5 V und 7,5 V sinnvoll. Bei 2–10-V-Signalen lauten die entsprechenden Punkte 2 V, 4 V, 6 V, 8 V und 10 V.
Kann ich den Kalibrator parallel zum Sensor anschließen?
Bei zwei aktiven Spannungsausgängen ist das nicht zulässig. Sensor und Kalibrator könnten gegeneinander arbeiten. Der Sensor sollte für die Simulation normalerweise vollständig vom Analogeingang getrennt werden.
Warum benötigt ein 0–10-V-Signal ein Bezugspotenzial?
Eine Spannung wird immer zwischen zwei Punkten gemessen. Der Analogeingang benötigt deshalb neben dem Signalleiter eine eindeutige Bezugsklemme wie COM, M oder 0 V.
Ist 0 V immer ein Fehler?
Nein. Bei einem echten 0–10-V-Signal kann 0 V ein gültiger unterer Messwert sein. Gleichzeitig kann 0 V auch durch eine Leitungsunterbrechung oder eine fehlende Sensorversorgung entstehen. Ohne zusätzliche Diagnose lässt sich beides nicht immer unterscheiden.
Was ist der Unterschied zwischen 0–10 V und 2–10 V?
Bei 0–10 V entspricht 0 V dem unteren Bereichsende. Bei 2–10 V entspricht der untere Bereichswert 2 V. Die SPS-Skalierung muss genau zur Ausgangskennlinie des Signalgebers passen.
Warum zeigt ein 2–10-V-Sensor bei 2 V bereits 20 Prozent an?
In diesem Fall ist der Eingang wahrscheinlich fälschlicherweise als 0–10 V skaliert. Bei einer korrekten 2–10-V-Skalierung müssen 2 V dem Prozesswert von 0 Prozent entsprechen.
Kann ein Multimeter ein 0–10-V-Signal simulieren?
Ein normales Multimeter kann eine Spannung üblicherweise nur messen, aber nicht als präzise einstellbares Prozesssignal ausgeben. Für die Simulation wird ein Spannungs- oder Prozesssignalkalibrator benötigt.
Kann ich ein Labornetzteil als 0–10-V-Simulator verwenden?
Technisch kann ein geeignet eingestelltes Labornetzteil eine Spannung bereitstellen. Für Arbeiten an Prozesssignalen ist ein Kalibrator jedoch meist besser geeignet, weil er fein einstellbar, tragbar und für entsprechende Prüfaufgaben ausgelegt ist. Erdbezug, Strombegrenzung und mögliche Überspannungen eines Labornetzteils müssen besonders beachtet werden.
Warum erreicht der Kalibrator unter Last keine 10 V?
Möglicherweise ist der angeschlossene Eingang zu niederohmig oder es sind mehrere Verbraucher parallel verbunden. Auch eine fehlerhafte Verdrahtung oder ein weiterhin angeschlossener aktiver Sensor kann die Ausgangsspannung belasten.
Was bedeutet Eingangsimpedanz?
Die Eingangsimpedanz beschreibt, wie stark der Analogeingang die Signalquelle elektrisch belastet. Eine hohe Eingangsimpedanz benötigt nur einen kleinen Strom und ist für ein Spannungssignal in der Regel günstig.
Kann ich mehrere Analogeingänge mit einem 0–10-V-Signal versorgen?
Eine Parallelschaltung kann grundsätzlich möglich sein, wenn alle Eingänge dasselbe Bezugspotenzial verwenden und die Signalquelle den resultierenden Gesamtstrom liefern kann. Die Eingangsimpedanzen und Herstellerangaben müssen geprüft werden.
Wie prüfe ich, ob der Sensor oder die SPS fehlerhaft ist?
Zunächst wird das Sensorsignal direkt gemessen. Anschließend wird der Sensor vom Eingang getrennt und ein definiertes Kalibratorsignal eingespeist. Reagiert die SPS korrekt, liegt der Fehler wahrscheinlich auf der Sensorseite. Reagiert sie falsch, sind Eingang, Verdrahtung oder Skalierung zu untersuchen.
Wie prüfe ich einen 0–10-V-Messumformer vollständig?
Am Eingang des Messumformers muss eine bekannte physikalische oder elektrische Referenzgröße erzeugt werden. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal gemessen. Die reine Simulation am SPS-Eingang prüft den Messumformer selbst nicht.
Warum stimmt das Signal am Sensor, aber nicht an der SPS?
Mögliche Ursachen sind eine unterbrochene Leitung, eine schlechte Klemmstelle, ein falsches Bezugspotenzial, ein zwischengeschalteter Trennverstärker oder eine Belastung durch weitere angeschlossene Geräte.
Kann ein Potenzialunterschied den Messwert verändern?
Ja. Wenn Sensor und SPS unterschiedliche Bezugspotenziale besitzen, kann sich die tatsächlich am Eingang gemessene Spannung verschieben. Deshalb sollte direkt zwischen Signaleingang und zugehöriger COM-Klemme gemessen werden.
Muss der Leitungsschirm mit 0 V verbunden werden?
Nicht automatisch. Der Schirm dient der Störunterdrückung und ist nicht grundsätzlich der Signalrückleiter. Die Auflegung muss entsprechend dem EMV- und Erdungskonzept sowie den Herstellerangaben erfolgen.
Wie erkenne ich eine falsche SPS-Skalierung?
Mit definierten Prüfpunkten lässt sich die Skalierung kontrollieren. Bei 0–10 V muss 5 V genau der Mitte der programmierten Prozessspanne entsprechen. Stimmen Rohwert und Spannung, aber nicht der angezeigte Prozesswert, liegt wahrscheinlich ein Skalierungsfehler vor.
Kann ich mit dem C.A 1631 auch 2–10 V simulieren?
Ja. Da der C.A 1631 Gleichspannungen bis 20 V ausgeben kann, lassen sich auch 2–10-V-, 1–5-V- und andere typische Spannungssignale einstellen.
Kann der C.A 1631 auch 4–20 mA prüfen?
Ja. Das Gerät kann neben Gleichspannung auch Prozessströme messen und ausgeben. Vor dem Anschluss muss jedoch der richtige Betriebsmodus gewählt und die Schaltung entsprechend dem Stromsignal aufgebaut werden.
Ist der UPS4E für 0–10-V-Signale geeignet?
Der UPS4E ist in erster Linie für 4–20-mA-Stromschleifen vorgesehen. Für die Erzeugung eines echten 0–10-V-Spannungssignals ist ein Prozesssignalkalibrator wie der C.A 1631 besser geeignet.
Kann durch die Simulation eine Maschine anlaufen?
Ja. Wenn das Spannungssignal als Sollwert oder Freigabe verarbeitet wird, kann die Simulation Antriebe, Ventile oder andere Funktionen auslösen. Vor der Prüfung muss die Anlage deshalb in einen sicheren Zustand gebracht werden.
Welche Angaben werden für die Auswahl eines Signalkalibrators benötigt?
Wichtig sind die benötigten Signalarten, Spannungs- und Strombereiche, gewünschte Mess- und Ausgabegenauigkeit, erforderliche Ausgangsbelastbarkeit, Art der angeschlossenen Eingänge und zusätzliche Funktionen wie Schleifenversorgung oder Prozentdarstellung.