MID-Ausgangssignale: 4–20 mA, Puls, Modbus und PROFINET richtig auswählen

→ Produktkategorie: MID Magnetisch induktiver Durchflussmessung

 

Magnetisch-induktive Durchflussmesser können wesentlich mehr Informationen liefern als nur den aktuellen Volumenstrom. Moderne MID stellen abhängig von ihrer Ausführung analoge Stromsignale, Puls- oder Frequenzausgänge, Relaiskontakte und digitale Kommunikationsschnittstellen wie HART, Modbus, PROFIBUS oder PROFINET bereit.

Diese Signale sind jedoch nicht beliebig austauschbar. Ein 4–20-mA-Ausgang eignet sich besonders für den kontinuierlichen Momentandurchfluss. Ein Mengensignal lässt sich dagegen häufig zuverlässiger über Impulse oder einen digitalen Summenzähler übertragen. Relaisausgänge sind für Grenzwerte und Statusmeldungen vorgesehen, während Feldbus- und Ethernet-Schnittstellen mehrere Prozess-, Zähler- und Diagnosewerte gleichzeitig übertragen können.

Vor der Bestellung müssen deshalb Messaufgabe, SPS-Eingänge, benötigte Aktualisierungszeit, Summenzähler, Diagnoseanforderungen und vorhandene Netzwerktechnik bekannt sein. Ebenso wichtig sind die elektrische Ausgangsart, Skalierung, Fehlerreaktion und die Frage, ob ein Ausgang aktiv, passiv, potenzialfrei oder als Open Collector ausgeführt ist.

Inhaltsverzeichnis

• Welche Werte kann ein MID ausgeben?
• Ausgangssignale im direkten Vergleich
• 4–20-mA-Ausgang für den Momentandurchfluss
• 4–20 mA mit HART
• Puls- und Frequenzausgang richtig unterscheiden
• Summenzähler und Mengenerfassung
• Relaisausgänge für Grenzwerte und Status
• Modbus RTU und Modbus TCP
• PROFINET für SPS- und Leitsystemintegration
• PROFIBUS und PROFINET nicht verwechseln
• Messbereich und Ausgang richtig skalieren
• Bidirektionalen Durchfluss abbilden
• Fehlersignale und Diagnoseinformationen
• Aktive, passive und potenzialfreie Ausgänge
• Loop-Check und Inbetriebnahme
• Typische Verdrahtungs- und Parametrierfehler
• Praxisbeispiel an einer Kühlwasserleitung
• Ausgangssignal passend zur Anwendung auswählen
• Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?
• Fazit
• Häufige Fragen

Welche Werte kann ein MID ausgeben?

Ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser ermittelt zunächst die mittlere Fließgeschwindigkeit einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit. Aus der Fließgeschwindigkeit und dem freien Rohrquerschnitt berechnet der Messumformer den Volumenstrom.

Je nach Gerät können daraus unterschiedliche Prozesswerte und Zustandsinformationen gebildet werden:

• aktueller Volumenstrom beziehungsweise Momentandurchfluss,
• Fließgeschwindigkeit,
• Vorwärts-, Rückwärts- und Nettomenge,
• Summenzähler oder Chargenmenge,
• Durchflussrichtung,
• Grenzwert- und Schaltzustände,
• Leerrohrmeldung,
• Elektroden-, Leitfähigkeits- oder Geräteinformationen,
• Warnungen und Fehlercodes.

Das geeignete Ausgangssignal hängt davon ab, welcher dieser Werte in der Steuerung benötigt wird. Für eine kontinuierliche Regelung wird typischerweise der Momentandurchfluss übertragen. Für eine Abfüllung oder Verbrauchsabrechnung steht dagegen die über einen Zeitraum aufsummierte Flüssigkeitsmenge im Vordergrund.

Ein einzelner Analogausgang kann nur einen kontinuierlichen Messwert übertragen. Eine digitale Schnittstelle kann dagegen mehrere Messwerte, Summenzähler und Diagnoseinformationen gleichzeitig bereitstellen.

Ausgangssignale im direkten Vergleich

Ausgang	Typische Information	Stärke	Wichtige Einschränkung
4–20 mA	Momentandurchfluss	Robust, einfach und über längere Leitungen nutzbar	Überträgt normalerweise nur einen skalierten Prozesswert
4–20 mA mit HART	Momentandurchfluss plus digitale Parameter und Diagnose	Bestehende Analogschleife kann weiter genutzt werden	Benötigt geeignete Schleifenimpedanz und HART-Kommunikation
Pulsausgang	Definierte Flüssigkeitsmenge je Impuls	Gut für Mengenzählung und Dosierung	Impulswert und maximale Frequenz müssen passen
Frequenzausgang	Frequenz proportional zum Momentandurchfluss	Gute digitale Auflösung des Durchflusswertes	SPS benötigt einen geeigneten Frequenz- oder schnellen Zählereingang
Relaisausgang	Grenzwert, Fehler, Durchflussrichtung oder Leerrohr	Einfacher, häufig potenzialfreier Schaltkontakt	Nicht zur präzisen Übertragung des Durchflusswertes geeignet
Modbus RTU	Mehrere Prozess-, Zähler- und Diagnosewerte	Effiziente RS-485-Kommunikation mit mehreren Teilnehmern	Register, Baudrate, Adresse und Datenformat müssen stimmen
PROFIBUS	Zyklische Prozessdaten und Diagnose	In vielen bestehenden Prozessanlagen verbreitet	Keine Ethernet-Schnittstelle; passende Busvariante erforderlich
PROFINET	Zyklische Prozessdaten, Parameter und Diagnose	Direkte Integration in moderne Ethernet-basierte SPS-Systeme	Netzwerkplanung, GSDML und Gerätekonfiguration erforderlich

Häufig werden mehrere Ausgänge parallel genutzt. So kann der 4–20-mA-Ausgang den Momentandurchfluss übertragen, der Pulsausgang die Gesamtmenge zählen und ein Relaisausgang eine Leerrohr- oder Störmeldung ausgeben.

Bei einer vollständigen Feldbus- oder PROFINET-Anbindung können diese Informationen häufig über eine Schnittstelle übertragen werden. Dennoch kann ein zusätzlicher Analog- oder Relaisausgang als unabhängiges Rückfallsignal sinnvoll sein.

4–20-mA-Ausgang für den Momentandurchfluss

Der 4–20-mA-Ausgang ist in der industriellen Prozessmesstechnik weit verbreitet. Der Messumformer bildet einen konfigurierten Durchflussbereich linear auf den Strombereich ab.

Ein typisches Beispiel ist:

• 4 mA = 0 m³/h,
• 20 mA = 250 m³/h.

Zwischenwerte lassen sich mit folgender Beziehung berechnen:

Durchfluss = unterer Durchflusswert + (Strom − 4 mA) / 16 mA × Messspanne

Bei einer Skalierung von 0 bis 250 m³/h entsprechen 12 mA genau 125 m³/h.

Vorteile des Stromsignals sind:

• einfache Anbindung an analoge SPS-Eingänge,
• geringe Empfindlichkeit gegenüber Spannungsabfällen auf der Leitung,
• eindeutige Erkennung eines Leitungsbruchs gegenüber einem gültigen Nullsignal,
• standardisierte Skalierung,
• gute Eignung für Regelungs- und Überwachungsaufgaben.

Das Stromsignal überträgt jedoch normalerweise nur den Momentandurchfluss. Soll die SPS daraus eine Gesamtmenge berechnen, muss sie den Durchfluss zeitlich integrieren. Dabei können Abtastzeit, Rundung, SPS-Stillstand und Änderungen an der Skalierung zusätzliche Abweichungen verursachen.

Für eine zuverlässige Mengenbilanz ist daher häufig der interne MID-Summenzähler oder ein separater Pulsausgang geeigneter.

4–20 mA mit HART

HART ergänzt das analoge 4–20-mA-Signal durch eine digitale Kommunikation. Der analoge Stromwert bleibt für die SPS oder das Leitsystem erhalten, während überlagert Geräteparameter und zusätzliche Informationen ausgelesen werden können.

Abhängig vom MID können über HART beispielsweise verfügbar sein:

• aktueller Durchflusswert,
• Summenzähler,
• Messbereichsgrenzen,
• Dämpfung und Einheiten,
• Gerätekennzeichnung,
• Warnungen und Diagnoseinformationen,
• Ausgangstest und Parametrierung.

Für eine stabile HART-Kommunikation muss die Stromschleife eine ausreichende Impedanz besitzen. In vielen Anwendungen wird dafür ein Widerstand von ungefähr 250 Ω verwendet. Entscheidend sind jedoch die Vorgaben des Messumformers, Speisetrenners und HART-Kommunikators.

HART ist besonders interessant, wenn eine bestehende 4–20-mA-Infrastruktur beibehalten werden soll, aber zusätzliche Diagnose- und Parametrierfunktionen benötigt werden.

Puls- und Frequenzausgang richtig unterscheiden

Obwohl beide Signale am selben Digitalausgang bereitgestellt werden können, erfüllen Puls- und Frequenzbetrieb unterschiedliche Aufgaben.

Mengenproportionaler Pulsausgang

Bei einem mengenproportionalen Pulsausgang entspricht jeder Ausgangsimpuls einer definierten Flüssigkeitsmenge, beispielsweise:

• 1 Impuls je Liter,
• 10 Impulse je Liter,
• 1 Impuls je 10 Liter,
• 1 Impuls je Kubikmeter.

Die Gesamtmenge ergibt sich aus:

Gesamtmenge = Impulsanzahl × Menge je Impuls

Werden 12.500 Impulse mit einer Skalierung von 10 Litern je Impuls gezählt, beträgt die Gesamtmenge 125.000 Liter beziehungsweise 125 m³.

Frequenzproportionaler Ausgang

Bei einem Frequenzausgang ist die Ausgangsfrequenz proportional zum aktuellen Durchfluss. Beispielsweise können 0 bis 1.000 Hz einem Durchflussbereich von 0 bis 250 m³/h entsprechen.

Die SPS misst dann nicht nur die Anzahl der Impulse, sondern die Impulse pro Zeiteinheit. Dadurch kann sie den Momentandurchfluss digital bestimmen.

Vor der Parametrierung müssen folgende Grenzen geprüft werden:

• maximale Ausgangsfrequenz des MID,
• maximale Eingangsfrequenz der SPS,
• Mindestimpulsbreite,
• Signalart wie Open Collector, PNP, NPN oder aktiv gespeist,
• gewünschte Auflösung bei kleinem Durchfluss.

Eine zu feine Pulsskalierung kann bei hohem Durchfluss die zulässige Frequenz überschreiten. Eine zu grobe Skalierung führt bei kleinem Durchfluss dagegen zu langen Zeitabständen zwischen den Impulsen und einer trägen Anzeige.

Summenzähler und Mengenerfassung

Viele MID führen interne Summenzähler für Vorwärts-, Rückwärts- und Nettodurchfluss. Diese Zähler werden direkt aus dem intern berechneten Durchflusswert gebildet und bleiben abhängig von der Geräteausführung auch bei Kommunikationsunterbrechungen erhalten.

Für die Übertragung der Gesamtmenge bestehen drei typische Möglichkeiten:

• Impulsausgang an einen SPS-Zählereingang,
• direktes Auslesen des internen Totalisators über Modbus, PROFIBUS oder PROFINET,
• Integration des 4–20-mA-Momentanwertes in der SPS.

Das direkte Auslesen eines internen Totalisators oder die Auswertung mengenproportionaler Impulse ist für Verbrauchs- und Chargenmessungen meist belastbarer als eine reine Integration des analogen Stromsignals.

Bei einer SPS-Zählung muss festgelegt werden, wie mit folgenden Situationen umgegangen wird:

• Neustart oder Austausch der SPS,
• Überlauf des Zählerregisters,
• Rückwärtsdurchfluss,
• Rücksetzen des MID-Summenzählers,
• Kommunikationsausfall,
• Änderung des Impulswertes.

Die Impulsskalierung sollte dokumentiert und gegen unbeabsichtigte Änderungen geschützt werden. Wird beispielsweise von „1 Impuls je Liter“ auf „1 Impuls je 10 Liter“ umgestellt, muss auch die SPS-Auswertung angepasst werden.

Relaisausgänge für Grenzwerte und Status

Ein Relaisausgang überträgt keinen kontinuierlichen Messwert. Er öffnet oder schließt einen Kontakt, sobald eine festgelegte Bedingung erfüllt ist.

Typische Funktionen sind:

• Mindest- oder Maximaldurchfluss,
• Durchfluss innerhalb oder außerhalb eines Fensters,
• Durchflussrichtung,
• Leerrohrerkennung,
• Gerätefehler oder Sammelstörung,
• Chargenende,
• Grenzwert des Summenzählers.

Bei einem potenzialfreien Relaiskontakt kann der angeschlossene Stromkreis unabhängig von der Versorgung des MID betrieben werden. Trotzdem müssen Kontaktspannung, Kontaktstrom und Lastart eingehalten werden.

Relaiskontakte sind nicht grundsätzlich für schnelle Zählimpulse geeignet. Mechanischer Verschleiß und begrenzte Schaltfrequenz machen sie vor allem für Status- und Grenzwertmeldungen sinnvoll. Für schnelle Mengenzählung sollte ein dafür vorgesehener elektronischer Pulsausgang verwendet werden.

Für eine störungssichere Meldung kann das Ruhestromprinzip sinnvoll sein. Dabei ist das Relais im fehlerfreien Zustand angezogen. Bei Gerätefehler, Versorgungsausfall oder Leitungsunterbrechung fällt es ab. Ob diese Funktion sicherheitsgerichtet verwendet werden darf, hängt von der vollständigen Anlage und den erforderlichen Zulassungen ab.

Modbus RTU und Modbus TCP

Modbus ermöglicht die digitale Übertragung mehrerer Mess- und Diagnosewerte. Dabei müssen Modbus RTU und Modbus TCP unterschieden werden.

Modbus RTU

Modbus RTU arbeitet typischerweise über eine serielle RS-485-Verbindung. Mehrere Geräte können an einem Bus betrieben und nacheinander von einem Master abgefragt werden.

Für eine funktionierende Verbindung müssen insbesondere übereinstimmen:

• Teilnehmeradresse,
• Baudrate,
• Parität und Stoppbits,
• RS-485-A/B-Polarität,
• Busabschluss und Leitungsführung,
• Registeradressen,
• Datenformat und Byte-Reihenfolge.

Ein Kommunikationsaufbau kann erfolgreich sein, obwohl die SPS anschließend falsche Zahlenwerte anzeigt. Häufig liegt dies an einer falschen Interpretation von 16- oder 32-Bit-Registern, vertauschten Wörtern, einem nicht berücksichtigten Skalierungsfaktor oder einer ungeeigneten Datentypkonvertierung.

Modbus TCP

Modbus TCP verwendet Ethernet. Die Geräte werden über IP-Adressen angesprochen. Die logische Registerstruktur ähnelt Modbus RTU, die physikalische Übertragung und Netzwerkplanung unterscheiden sich jedoch grundlegend.

Modbus eignet sich besonders, wenn mehrere Messwerte und Summenzähler ohne herstellerspezifisch komplexe Busstruktur ausgelesen werden sollen. Die SPS muss die Register jedoch aktiv abfragen. Aktualisierungszeit und Buslast hängen daher vom Polling-Zyklus und von der Teilnehmerzahl ab.

PROFINET für SPS- und Leitsystemintegration

PROFINET ist eine Ethernet-basierte Kommunikationslösung für die industrielle Automatisierung. Im Gegensatz zu einer einfachen Registerabfrage werden die projektierten Prozessdaten zyklisch zwischen MID und Steuerung ausgetauscht.

Abhängig vom Gerät können unter anderem übertragen werden:

• Momentandurchfluss,
• Vorwärts-, Rückwärts- und Nettomenge,
• Durchflussrichtung,
• Geräte- und Prozessstatus,
• Leerrohrmeldung,
• Warnungen und Diagnosecodes.

Für die Einbindung werden typischerweise eine GSDML-Datei und die Gerätekonfiguration im Engineering-System benötigt. Gerätename, IP-Adresse, Datenmodule und Skalierung müssen zur Projektierung passen.

PROFINET bietet Vorteile, wenn:

• mehrere Prozesswerte gleichzeitig benötigt werden,
• eine schnelle zyklische Kommunikation erforderlich ist,
• erweiterte Diagnoseinformationen ausgewertet werden sollen,
• die Anlage bereits eine PROFINET-Infrastruktur besitzt,
• Geräteparameter zentral verwaltet werden sollen.

Die Ethernet-Buchse allein bedeutet nicht automatisch, dass das Gerät PROFINET unterstützt. EtherNet/IP, Modbus TCP, PROFINET und eine reine Web-Schnittstelle verwenden zwar Ethernet als Übertragungsmedium, sind aber unterschiedliche Protokolle.

PROFIBUS und PROFINET nicht verwechseln

PROFIBUS ist ein serielles Feldbussystem, während PROFINET auf Industrial Ethernet basiert. Ein MID mit PROFIBUS PA oder PROFIBUS DP kann deshalb nicht direkt an einen PROFINET-Port angeschlossen werden.

Typische Unterschiede sind:

Merkmal	PROFIBUS	PROFINET
Übertragung	Serieller Feldbus	Industrial Ethernet
Typische Varianten	PROFIBUS DP und PROFIBUS PA	PROFINET IO
Gerätebeschreibung	GSD-Datei	GSDML-Datei
Adressierung	Busadresse	Gerätename und IP-Konfiguration
Typischer Einsatz	Bestehende Feldbus- und Prozessanlagen	Moderne SPS- und Ethernet-Infrastrukturen

Bei einer Modernisierung muss geprüft werden, ob bestehende PROFIBUS-Geräte weiterbetrieben, über ein Gateway eingebunden oder durch PROFINET-fähige Messumformer ersetzt werden sollen.

Messbereich und Ausgang richtig skalieren

Eine ungeeignete Skalierung kann die nutzbare Auflösung erheblich verschlechtern. Wird ein MID beispielsweise für 0 bis 1.000 m³/h skaliert, während der tatsächliche Betrieb nur zwischen 0 und 100 m³/h liegt, nutzt das 4–20-mA-Signal lediglich einen kleinen Teil seiner verfügbaren Spanne.

Der normale Betriebsdurchfluss sollte daher einen ausreichend großen Anteil des konfigurierten Ausgangsbereiches nutzen. Gleichzeitig müssen maximaler Durchfluss, mögliche Spitzen und Überlaufbereiche berücksichtigt werden.

Zu dokumentieren sind:

• unterer und oberer Durchflusswert,
• zugeordnete Strom- oder Frequenzwerte,
• Einheit des Durchflusses,
• Impulswert beziehungsweise K-Faktor,
• Verhalten bei Rückwärtsdurchfluss,
• Unter- und Überbereichsverhalten,
• Fehlerstrom oder Ersatzwert.

Die SPS-Skalierung muss exakt dieselben Werte verwenden. Eine typische Fehlerquelle ist, dass der MID auf 0 bis 250 m³/h eingestellt ist, während der Analogeingang in der SPS noch mit 0 bis 200 m³/h skaliert wird.

Bidirektionalen Durchfluss abbilden

Viele MID können Durchfluss in beiden Richtungen erfassen. Die Ausgabe muss deshalb zur Anwendung passend parametriert werden.

Mögliche Strategien sind:

• 4 mA für maximalen Rückwärtsdurchfluss, 12 mA für Stillstand und 20 mA für maximalen Vorwärtsdurchfluss,
• 4 bis 20 mA ausschließlich für den Betrag des Durchflusses und separates Richtungssignal über Relais oder Digitalausgang,
• getrennte Summenzähler für Vorwärts- und Rückwärtsmenge,
• Übertragung eines vorzeichenbehafteten Wertes über Modbus oder PROFINET.

Welche Variante verfügbar ist, hängt vom Messumformer ab. Bei einem Analogsignal muss die SPS-Logik eindeutig erkennen können, ob ein niedriger Stromwert geringen Vorwärtsdurchfluss oder einen Rückwärtsdurchfluss darstellt.

Digitale Schnittstellen sind bei bidirektionalen Anwendungen häufig einfacher, weil der Durchflusswert mit Vorzeichen sowie getrennte Zähler und Statusinformationen übertragen werden können.

Fehlersignale und Diagnoseinformationen

Ein gültiger Null-Durchfluss und ein Gerätefehler dürfen in der Steuerung nicht gleich aussehen. Dafür bieten die Ausgangsarten unterschiedliche Möglichkeiten.

4–20-mA-Ausgang

Bei einem Analogausgang kann der Messumformer im Fehlerfall einen Strom außerhalb des normalen Messbereiches ausgeben. Häufig werden Werte unterhalb von 4 mA oder oberhalb von 20 mA verwendet. Die konkreten Werte und die Auswahl zwischen unterem und oberem Fehlerstrom sind geräteabhängig.

Die SPS muss den Fehlerbereich ausdrücklich auswerten. Wird jeder Strom unterhalb von 4 mA einfach als null Durchfluss interpretiert, kann ein Leitungsbruch oder Gerätefehler unentdeckt bleiben.

Pulsausgang

Bleiben Impulse aus, kann dies sowohl null Durchfluss als auch einen Fehler, eine unterbrochene Leitung oder eine fehlende Versorgung bedeuten. Ein zusätzlicher Statusausgang oder eine digitale Diagnose ist deshalb sinnvoll.

Relaisausgang

Ein Relais kann als Sammelstörung, Leerrohrmeldung oder Grenzwertkontakt konfiguriert werden. Das Ruhestromprinzip verbessert die Erkennbarkeit von Versorgungsausfällen und Leitungsunterbrechungen.

Digitale Kommunikation

Modbus, PROFIBUS und PROFINET können neben dem Messwert zusätzliche Statusbits und Diagnosecodes übertragen. Die Steuerungssoftware muss diese Informationen jedoch aktiv auswerten. Ein angezeigter Zahlenwert ist nicht automatisch gültig, wenn gleichzeitig ein schlechter Gerätestatus übertragen wird.

Aktive, passive und potenzialfreie Ausgänge

Die Bezeichnung des Signals allein beschreibt noch nicht die elektrische Schaltung. Zwei MID mit einem 4–20-mA-Ausgang können unterschiedlich angeschlossen werden.

Aktiver Stromausgang

Ein aktiver Ausgang stellt den Schleifenstrom mithilfe der Versorgung des MID selbst bereit. Die SPS benötigt einen passiven Analogeingang. Die maximal zulässige Bürde des Ausgangs muss eingehalten werden.

Passiver Stromausgang

Ein passiver Ausgang benötigt eine externe Schleifenspannung. Der Stromkreis besteht aus Spannungsversorgung, MID-Ausgang, Analogeingang und Leitungswiderstand.

Open-Collector- oder Transistorausgang

Ein passiver Pulsausgang schaltet häufig nur einen elektronischen Transistor. Für ein vollständiges Spannungssignal werden eine externe Versorgung und eine geeignete Eingangsbeschaltung benötigt. PNP, NPN, Push-Pull, maximale Spannung und Schaltstrom müssen geprüft werden.

Relaiskontakt

Ein echter Relaiskontakt ist häufig potenzialfrei. Er benötigt keine gemeinsame Masse mit der SPS, besitzt aber eine begrenzte Kontaktbelastbarkeit und Schaltfrequenz.

Vor der Verdrahtung sind daher das elektrische Anschlussbild und nicht nur die Ausgangsbezeichnung zu prüfen.

Loop-Check und Inbetriebnahme

Bei der Inbetriebnahme sollten Sensor, Messumformer, Verdrahtung und SPS-Auswertung getrennt geprüft werden. Ein plausibler Durchflusswert am Display beweist noch nicht, dass der Ausgang korrekt in der Steuerung ankommt.

4–20-mA-Ausgang prüfen

1. Skalierung im MID dokumentieren.
2. Ausgangsart und zulässige Bürde kontrollieren.
3. Stromsignal in Reihe messen.
4. Falls verfügbar, den internen Ausgangstest des MID verwenden.
5. SPS-Anzeige bei 4, 8, 12, 16 und 20 mA kontrollieren.
6. Unter-, Überbereich und Fehlerstrom prüfen.

Für die Prüfung des SPS-Analogeingangs kann der MID-Ausgang abgeklemmt und ein Druck UPS4E Stromschleifen-Kalibrator angeschlossen werden. Der UPS4E gibt definierte Ströme aus und ermöglicht damit eine Prüfung unabhängig vom Durchflussmesser.

Bei einem MID ist der 4–20-mA-Ausgang normalerweise linear zum Volumenstrom. Für den Loop-Check sollten deshalb lineare Stromstufen verwendet werden. Eine Quadratwurzelkennlinie ist nur dann richtig, wenn sie im jeweiligen Messkreis ausdrücklich vorgesehen ist.

Ein Stromkalibrator darf nicht ohne Prüfung parallel zu einem aktiven Stromausgang angeschlossen werden. Für die Simulation wird der MID-Ausgang von der Schleife getrennt und durch den Kalibrator ersetzt.

Pulsausgang prüfen

Für den Pulsausgang können ein interner Ausgangstest oder ein kontrollierter Durchfluss verwendet werden. Dabei sind Impulswert, Signalpegel, Impulsbreite und Zählerstand der SPS zu vergleichen.

Modbus oder PROFINET prüfen

Bei digitalen Schnittstellen müssen neben dem Zahlenwert auch Kommunikation, Gerätestatus, Datenformat und Aktualisierungszeit kontrolliert werden. Ein Stromschleifenkalibrator kann diese Buskommunikation nicht simulieren.

Typische Verdrahtungs- und Parametrierfehler

Momentandurchfluss und Gesamtmenge werden verwechselt

Der 4–20-mA-Ausgang liefert den aktuellen Durchfluss, während die SPS eine Gesamtmenge erwartet. Ohne zeitliche Integration entsteht kein Mengenzähler.

Pulswert wird in der SPS falsch interpretiert

Das MID gibt beispielsweise einen Impuls je zehn Liter aus, die SPS rechnet jedoch mit einem Impuls je Liter. Der Summenzähler weicht dadurch um den Faktor zehn ab.

Normaler Digitaleingang wird für schnelle Impulse verwendet

Die Eingangsfilterung oder SPS-Zykluszeit ist zu langsam. Einzelne Impulse werden nicht erfasst.

Aktiver und passiver Ausgang werden falsch kombiniert

Ein passiver Stromausgang erhält keine Schleifenspannung oder zwei aktive Quellen werden gegeneinander geschaltet.

Open-Collector-Ausgang wird wie ein Relais behandelt

Die erforderliche Versorgung oder Lastbeschaltung fehlt. Am SPS-Eingang entsteht kein definiertes Signal.

Fehlerstrom wird als Prozesswert interpretiert

Ein Strom von beispielsweise weniger als 4 mA wird in der SPS auf null Durchfluss begrenzt, obwohl der MID einen Fehler meldet.

Modbus-Datenwörter sind vertauscht

Die Kommunikation arbeitet, aber der Gleitkommawert wird mit falscher Byte- oder Wortreihenfolge interpretiert.

PROFINET und EtherNet/IP werden gleichgesetzt

Beide verwenden Ethernet, benötigen aber unterschiedliche Geräteoptionen und Projektierungsdateien.

PROFIBUS-Gerät wird an PROFINET angeschlossen

Die mechanische beziehungsweise elektrische Schnittstelle und das Kommunikationsprotokoll sind nicht kompatibel.

Skalierung wurde nur im MID geändert

Nach einer Änderung des Endwertes bleibt die alte Skalierung in der SPS erhalten. Display und Leitsystem zeigen unterschiedliche Durchflusswerte.

Praxisbeispiel: MID an einer Kühlwasserleitung anbinden

In einer Produktionsanlage soll der Kühlwasserstrom einer Maschine überwacht und gleichzeitig die verbrauchte Wassermenge erfasst werden. Der normale Durchfluss liegt zwischen 25 und 120 m³/h. Der MID ist für 0 bis 150 m³/h ausgelegt.

Die Steuerung benötigt drei Informationen:

• Momentandurchfluss für die Prozessanzeige,
• Gesamtmenge für die Verbrauchsauswertung,
• Störmeldung bei Leerrohr oder Gerätefehler.

Der 4–20-mA-Ausgang wird auf 0 bis 150 m³/h skaliert und an einen analogen SPS-Eingang angeschlossen. Bei 12 mA muss die SPS somit 75 m³/h anzeigen.

Der Digitalausgang wird als mengenproportionaler Pulsausgang parametriert. Ein Impuls entspricht 100 Litern. Die SPS zählt die Impulse über einen schnellen Zählereingang und bildet daraus die Gesamtmenge.

Das Relais wird nach dem Ruhestromprinzip als Sammelstörung konfiguriert. Bei fehlerfreiem Betrieb ist der Kontakt angezogen. Bei Leerrohr, Gerätefehler oder Versorgungsausfall fällt er ab.

Während der Inbetriebnahme zeigt das Display des MID 75 m³/h, die SPS jedoch nur 60 m³/h. Die Strommessung ergibt korrekt 12 mA. In der SPS ist der Analogeingang noch auf einen Endwert von 120 m³/h skaliert. Nach der Korrektur auf 150 m³/h stimmen die Werte überein.

Bei der Prüfung des Mengenzählers wird außerdem festgestellt, dass die SPS jeden Impuls als einen Liter bewertet. Nach der Anpassung auf 100 Liter je Impuls entspricht auch der SPS-Summenzähler dem internen Totalisator des MID.

In einer modernisierten Anlagenversion könnten Momentandurchfluss, Summenzähler und Diagnosestatus alternativ gemeinsam über PROFINET übertragen werden. Ob zusätzliche Analog- oder Relaisausgänge weiterhin genutzt werden, hängt von der gewünschten Redundanz ab.

Ausgangssignal passend zur Anwendung auswählen

Für die Auswahl sollten mindestens folgende Fragen beantwortet werden:

• Wird Momentandurchfluss, Gesamtmenge oder beides benötigt?
• Soll der Durchfluss geregelt oder nur überwacht werden?
• Welche analogen und digitalen Eingänge besitzt die SPS?
• Ist ein schneller Zählereingang vorhanden?
• Welche Bus- oder Ethernet-Infrastruktur wird bereits verwendet?
• Werden Diagnose- und Gerätestatuswerte benötigt?
• Muss der MID bei Ausfall der Kommunikation ein unabhängiges Signal liefern?
• Ist bidirektionaler Durchfluss zu erfassen?
• Welche Aktualisierungszeit ist erforderlich?
• Soll der Summenzähler auch bei ausgeschalteter SPS weiterlaufen?
• Welche elektrische Ausgangsart wird benötigt?
• Welche Fehlerreaktion soll die Steuerung erkennen?

Anforderung	Meist geeignete Lösung
Einfacher Momentandurchfluss zur SPS	4–20 mA
Momentandurchfluss plus Parametrierung und Diagnose	4–20 mA mit HART
Verbrauchs- oder Mengenzählung	Mengenproportionaler Pulsausgang oder digitaler Totalisator
Digitaler Momentandurchfluss über Zählereingang	Frequenzausgang
Grenzwert, Leerrohr oder Sammelstörung	Relais- oder Statusausgang
Mehrere Geräte an einer RS-485-Leitung	Modbus RTU
Bestehende PROFIBUS-Prozessanlage	PROFIBUS DP oder PA passend zur Infrastruktur
Moderne Ethernet-basierte SPS-Integration	PROFINET
Mehrere Prozesswerte und umfassende Diagnose	Digitale Feldbus- oder Ethernet-Schnittstelle
Unabhängiges Rückfallsignal zusätzlich zum Bus	PROFINET oder Modbus plus 4–20 mA beziehungsweise Relais

Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?

Magnetisch-induktive Durchflussmesser

Die Kategorie Magnetisch Induktive Durchflussmesser / MID umfasst kompakte und getrennte Systeme für leitfähige Flüssigkeiten.

Abhängig vom Modell stehen 4–20-mA-/HART-Ausgänge, Puls- und Frequenzausgänge, Relaiskontakte, Modbus, PROFIBUS, PROFINET, EtherNet/IP oder IO-Link zur Verfügung. Ausgangsart und Kommunikationsmodul müssen passend zur Steuerung ausgewählt werden.

SITRANS FMT020

Der SITRANS FMT020 ist ein moderner MID-Messumformer für Volumendurchfluss, Fließgeschwindigkeit und elektrische Leitfähigkeit.

Er verfügt über einen Stromausgang, einen Digitalausgang und einen Relaisausgang. Für die digitale Kommunikation sind abhängig von der Ausführung HART, PROFINET, EtherNet/IP und Modbus RTU verfügbar.

Damit eignet sich der FMT020 sowohl für klassische SPS-Anbindungen mit 4–20 mA, Puls und Relais als auch für moderne Ethernet- und Feldbusintegrationen. Bei der Bestellung muss die benötigte Kommunikationsausführung festgelegt werden.

SITRANS MAG 5000 und MAG 6000

Die SITRANS MAG 5000 / MAG 6000 Messumformer bieten in ihrer Grundausführung Analog-, Impuls-/Frequenz- und Relaisausgänge.

Beim MAG 6000 stehen zusätzlich optionale Kommunikationsmodule für HART, FOUNDATION Fieldbus, DeviceNet, Modbus RTU/RS-485 sowie PROFIBUS PA und DP zur Verfügung.

Die Geräte sind besonders relevant bei bestehenden SITRANS-FM-Messstellen und Anlagen, in denen klassische Ausgangssignale oder etablierte Feldbusse weiterverwendet werden sollen.

INDUQ-VMI20

Der INDUQ-VMI20 ist ein kompakter magnetisch-induktiver Durchflusssensor für Wasser und andere leitfähige Flüssigkeiten.

Er besitzt einen konfigurierbaren Pulsausgang.UQ-VMI20 ist ein kompakter magnetisch-indukt Optional steht ein 4–20-mA-Ausgang zur Verfügung. Damit eignet sich das Gerät für kompakte Maschinen- und Anlagenanwendungen, bei denen entweder eine Mengenimpulsfolge oder ein analoger Momentandurchfluss benötigt wird.

Druck UPS4E für den 4–20-mA-Loop-Check

Der Druck UPS4E Stromschleifen-Kalibrator kann Stromsignale von 0 bis 24 mA messen und ausgeben.

Bei der Inbetriebnahme eines MID lässt sich damit der 4–20-mA-Ausgang kontrollieren oder der analoge SPS-Eingang unabhängig vom Durchflussmesser mit definierten Stromwerten prüfen. Zusätzlich stehen eine interne 24-V-Schleifenversorgung, lineare Schrittfolgen und ein integrierter 250-Ω-Widerstand für HART-Anwendungen zur Verfügung.

Der UPS4E prüft ausschließlich die analoge Stromschleife. Für Puls-, Modbus-, PROFIBUS- oder PROFINET-Schnittstellen werden andere Prüf- und Engineering-Werkzeuge benötigt.

Fazit: Das Ausgangssignal muss zur Messaufgabe und zur SPS passen

Der 4–20-mA-Ausgang ist eine robuste Lösung für den kontinuierlichen Momentandurchfluss. Für die zuverlässige Erfassung der Gesamtmenge sind ein mengenproportionaler Pulsausgang oder ein digital ausgelesener MID-Summenzähler häufig besser geeignet.

Relaisausgänge übertragen Grenzwerte, Leerrohrmeldungen oder Gerätestörungen, sind aber nicht für eine präzise Durchflussübertragung vorgesehen. Puls- und Frequenzausgänge müssen hinsichtlich Impulswert, maximaler Frequenz, Signalpegel und SPS-Eingang sorgfältig ausgelegt werden.

Modbus ermöglicht eine vergleichsweise einfache digitale Übertragung mehrerer Register. PROFINET bietet eine tiefe Integration in moderne SPS- und Ethernet-Strukturen mit zyklischen Prozessdaten und erweiterten Diagnosemöglichkeiten. PROFIBUS und PROFINET sind dabei technisch unterschiedliche Systeme.

Unabhängig vom Signal müssen Skalierung, Durchflussrichtung, Fehlerverhalten und elektrische Ausgangsart eindeutig dokumentiert werden. Viele vermeintliche Messfehler entstehen nicht im MID, sondern durch abweichende Skalierungen, ungeeignete Eingänge oder falsch interpretierte Datenformate.

Bei wichtigen Messstellen kann eine Kombination sinnvoll sein: digitale Kommunikation für Prozesswerte und Diagnose, ein unabhängiger 4–20-mA-Ausgang für den Momentandurchfluss und ein Relaiskontakt für die Sammelstörung.

Häufige Fragen zu den Ausgangssignalen eines MID

Welcher MID-Ausgang eignet sich für den Momentandurchfluss?

Für eine einfache SPS-Anbindung ist der 4–20-mA-Ausgang besonders geeignet. Alternativ kann der Momentandurchfluss über einen Frequenzausgang oder eine digitale Schnittstelle wie Modbus oder PROFINET übertragen werden.

Kann die Gesamtmenge über 4–20 mA übertragen werden?

Ein 4–20-mA-Signal bildet normalerweise den aktuellen Durchfluss ab. Die SPS kann daraus eine Menge integrieren, zuverlässiger sind jedoch häufig ein Pulsausgang oder der direkte digitale Zugriff auf den internen Summenzähler.

Was ist der Unterschied zwischen Puls- und Frequenzausgang?

Bei einem Mengensignal entspricht jeder Impuls einer definierten Flüssigkeitsmenge. Bei einem Frequenzausgang ist die Anzahl der Impulse pro Sekunde proportional zum aktuellen Durchfluss.

Kann ein normaler SPS-Digitaleingang Impulse zählen?

Nur wenn Eingangsfilterung und SPS-Zykluszeit für die maximale Impulsfrequenz ausreichen. Bei schnellen Signalen wird ein Hochgeschwindigkeits- oder Zählereingang benötigt.

Wofür wird der Relaisausgang eines MID verwendet?

Typische Anwendungen sind Grenzwerte, Leerrohrmeldung, Durchflussrichtung, Chargenende oder Sammelstörung. Für die kontinuierliche Übertragung des Durchflusswertes ist ein Relais nicht geeignet.

Welche Vorteile bietet HART gegenüber einem normalen 4–20-mA-Ausgang?

Der analoge Durchflusswert bleibt erhalten. Zusätzlich lassen sich Geräteparameter, weitere Prozesswerte und Diagnoseinformationen digital übertragen.

Was ist der Unterschied zwischen Modbus RTU und PROFINET?

Modbus RTU arbeitet typischerweise als serielles RS-485-System mit Registerabfragen. PROFINET ist Ethernet-basiert und überträgt projektierte Prozessdaten zyklisch zwischen Gerät und SPS.

Ist PROFINET dasselbe wie PROFIBUS?

Nein. PROFIBUS ist ein serieller Feldbus. PROFINET basiert auf Industrial Ethernet und benötigt andere Geräteoptionen, Leitungen und Projektierungsdateien.

Wie prüfe ich den 4–20-mA-Ausgang eines MID?

Der Strom kann in Reihe mit einem geeigneten Multimeter oder Stromschleifenkalibrator gemessen werden. Für die Prüfung des SPS-Eingangs wird der MID-Ausgang getrennt und durch eine definierte mA-Quelle wie den Druck UPS4E ersetzt.

Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl?

Benötigt werden Medium, Leitfähigkeit, Rohrnennweite, Durchflussbereich, gewünschte Momentan- und Mengenwerte, SPS-Eingänge, Ausgangssignal, Impulswert, Kommunikationsprotokoll, Fehlerverhalten, Versorgung, elektrische Ausgangsart sowie Anforderungen an Diagnse, Redundanz und Ex-Zulassung.