Temperaturschalter an SPS anschließen: PNP und Schaltlogik richtig verstehen

→ Produktkategorie: Temperaturmesstechnik

 

Ein elektronischer Temperaturschalter zeigt am Display beispielsweise korrekt 72 °C an, doch der SPS-Eingang bleibt dauerhaft auf 0. In einem anderen Fall funktioniert der Eingang grundsätzlich, schaltet aber genau umgekehrt zur gewünschten Logik. Häufig liegt dann kein Defekt des Temperaturschalters vor. Ursache sind vielmehr ein nicht passender PNP-/NPN-Ausgang, eine falsche Bezugsspannung, eine ungeeignete NO-/NC-Parametrierung oder eine fehlerhafte Anschlussbelegung.

Bei elektronischen Temperaturschaltern muss deshalb zwischen mehreren Funktionen unterschieden werden. Der Sensor erfasst zunächst die Temperatur. Die Elektronik vergleicht diesen Wert anschließend mit dem eingestellten Schaltpunkt und steuert daraus einen Transistorausgang. Zusätzlich können je nach Gerät ein zweiter Schaltausgang, ein analoges 4 … 20 mA– beziehungsweise 0 … 10 V-Signal oder eine digitale Schnittstelle wie IO-Link zur Verfügung stehen.

Für einen zuverlässigen Anschluss an eine SPS müssen Versorgungsspannung, PNP- oder NPN-Schaltprinzip, gemeinsame Bezugsspannung, SPS-Eingangstyp, Schaltlogik, Hysterese und zulässiger Laststrom gemeinsam betrachtet werden.

Passende Lösungen finden Sie bei ICS Schneider unter Temperaturmesstechnik sowie speziell unter Temperaturschalter und Thermostate.

Für industrielle Maschinen- und Hydraulikanwendungen bietet ICS Schneider beispielsweise den WIKA TSD-30 elektronischen Temperaturschalter mit Anzeige an. Je nach Ausführung stehen PNP- beziehungsweise optional NPN-Schaltausgänge, ein Analogsignal und IO-Link zur Verfügung.

Was ein elektronischer Temperaturschalter eigentlich schaltet

Ein elektronischer Temperaturschalter kombiniert mehrere Funktionen in einem Gerät.

Typischerweise besteht die Messkette aus:

Temperaturfühler → Messelektronik → Grenzwertauswertung → Transistorausgang → SPS

Der eigentliche Temperatursensor kann beispielsweise ein:

Pt1000

sein.

Die Elektronik berechnet aus dem Sensorsignal die aktuelle Temperatur und vergleicht sie mit den parametrierten Schaltpunkten.

Aus diesem Vergleich entsteht ein digitales Ausgangssignal.

Der Ausgang ist häufig kein potentialfreier Kontakt

Das ist einer der wichtigsten Unterschiede zu klassischen mechanischen Thermostaten.

Ein mechanischer Temperaturschalter kann beispielsweise einen echten:

potentialfreien Wechselkontakt

besitzen.

Ein elektronischer PNP- oder NPN-Ausgang ist dagegen ein Halbleiterausgang und benötigt eine Spannungsversorgung.

Die Anschlusslogik muss deshalb zur SPS passen.

Wie ein PNP-Ausgang funktioniert

Ein PNP-Schaltausgang schaltet im aktiven Zustand die positive Versorgungsspannung auf den Signalausgang.

Vereinfacht:

PNP aktiv → Ausgang ≈ +U

Bei einer typischen 24-V-Steuerspannung bedeutet dies:

Temperaturschalter schaltet → SPS-Eingang erhält positives Signal

Der Strom fließt vereinfacht:

+24 V → Sensorelektronik → PNP-Ausgang → SPS-Digitaleingang → 0 V

PNP wird deshalb auch als sourcing bezeichnet

Der Sensor stellt dem Eingang im eingeschalteten Zustand einen positiven Strom zur Verfügung.

Der zugehörige SPS-Eingang muss elektrisch dazu passen.

In vielen industriellen 24-V-DC-Anlagen werden PNP-Sensoren verwendet. Das bedeutet jedoch nicht, dass jeder SPS-Eingang automatisch für jede PNP-Schaltung geeignet ist.

Entscheidend ist immer die Eingangsbeschaltung des konkreten SPS-Moduls.

Wie ein NPN-Ausgang funktioniert

Ein NPN-Ausgang arbeitet in umgekehrter Richtung.

Im aktiven Zustand verbindet der Transistorausgang das Signal näherungsweise mit:

0 V

Der Sensor zieht den Strom also gegen Masse.

Vereinfacht:

NPN aktiv → Ausgang wird gegen 0 V geschaltet

Der Stromweg kann beispielsweise lauten:

+24 V → SPS-Eingang beziehungsweise Last → NPN-Ausgang → 0 V

NPN wird häufig als sinking bezeichnet

Der Ausgang nimmt den Strom auf beziehungsweise führt ihn gegen 0 V ab.

Die SPS muss dementsprechend beschaltet sein.

Ein PNP-Sensor kann deshalb nicht einfach durch einen NPN-Sensor ersetzt werden, ohne die Eingangsschaltung zu prüfen.

PNP und NPN direkt vergleichen

Eigenschaft	PNP	NPN
Aktiver Ausgang	schaltet positive Versorgung	schaltet gegen 0 V
Englische Bezeichnung	sourcing output	sinking output
Typischer Signalzustand bei 24-V-System	annähernd +24 V	annähernd 0 V
Benötigte SPS-Eingangsbeschaltung	für stromliefernden Sensor geeignet	für stromsenkenden Sensor geeignet
Häufige Anwendung	europäischer Maschinen- und Anlagenbau	anwendungs- und marktbezogen ebenfalls verbreitet

PNP und NPN beschreiben die elektrische Ausgangsschaltung. Sie sagen noch nichts darüber aus, ob der Ausgang als Schließer oder Öffner arbeitet.

Diese beiden Eigenschaften müssen getrennt betrachtet werden.

PNP-Temperaturschalter an eine SPS anschließen

Bei einer typischen 24-V-DC-Anwendung wird ein PNP-Temperaturschalter folgendermaßen eingebunden:

U+ Sensor → +24 V DC

U- Sensor → 0 V

PNP-Schaltausgang → SPS-Digitaleingang

Bezug des SPS-Eingangs → 0 V

Beispiel

Der Temperaturschalter überwacht die Öltemperatur eines Hydraulikaggregats.

Der Schaltpunkt ist auf:

80 °C

eingestellt.

Steigt die Temperatur über den Schaltpunkt, wird der PNP-Ausgang aktiv.

Am SPS-Eingang liegt damit ein HIGH-Signal an.

Die SPS kann anschließend beispielsweise:

• eine Warnmeldung erzeugen,
• einen Lüfter einschalten,
• die Maschinenleistung reduzieren,
• eine Prozessfreigabe zurücknehmen.

Die konkrete Pinbelegung muss immer zur Geräteausführung passen

Beim WIKA TSD-30 sind unterschiedliche Ausgangskonfigurationen erhältlich.

Bei einer 4-poligen M12-Ausführung mit einem Schaltausgang und Analogsignal kann beispielsweise gelten:

Funktion	Pin
U+	1
U-	3
SP1	4
Analogsignal S+	2

Bei einer 5-poligen Ausführung mit zwei Schaltausgängen und Analogsignal kann beispielsweise gelten:

Funktion	Pin
U+	1
U-	3
SP1	4
SP2	2
Analogsignal S+	5

Diese Belegung darf nicht pauschal auf andere Temperaturschalter oder andere TSD-30-Ausgangsvarianten übertragen werden. Vor dem Anschluss muss die konkrete Gerätekennzeichnung beziehungsweise Betriebsanleitung geprüft werden.

Warum 0 V als gemeinsame Referenz wichtig ist

Ein häufiger Fehler tritt auf, wenn Temperaturschalter und SPS zwar beide mit 24 V versorgt werden, aber keine geeignete gemeinsame Bezugsspannung besitzen.

Der SPS-Eingang bewertet keine abstrakte Spannung, sondern eine Spannung zwischen zwei definierten Potenzialen.

Bei einer typischen nicht galvanisch getrennten PNP-Schaltung müssen deshalb:

0 V des Sensors

und:

0 V der SPS-Eingangsversorgung

elektrisch korrekt miteinander verbunden sein.

Typisches Fehlerbild

Mit einem Multimeter werden am Sensorausgang beispielsweise:

23,8 V

gemessen.

Der SPS-Eingang bleibt trotzdem inaktiv.

Mögliche Ursache:

Die Messung erfolgte gegen die Sensorversorgung, während der SPS-Eingang eine andere Bezugsspannung verwendet.

Bei galvanischer Trennung gelten andere Bedingungen

Besitzt das Eingangsmodul eine galvanisch getrennte Eingangsschaltung, muss die Verdrahtung entsprechend der SPS-Dokumentation aufgebaut werden.

Deshalb sollte nicht allein nach Kabelfarben verdrahtet werden.

Schließer und Öffner bei elektronischen Schaltern verstehen

Zusätzlich zu PNP oder NPN wird häufig die Schaltfunktion eingestellt.

Typische Begriffe sind:

NO = Normally Open = Schließer

und:

NC = Normally Closed = Öffner

Bei elektronischen Ausgängen handelt es sich nicht zwangsläufig um mechanische Kontakte

Die Bezeichnungen beschreiben die gewünschte Ausgangslogik.

Beispiel Schließer

Ein Temperaturschalter soll bei Überschreiten von:

80 °C

eine Warnmeldung einschalten.

Unterhalb des Schaltpunkts:

Ausgang inaktiv

Oberhalb des Schaltpunkts:

Ausgang aktiv

Dies entspricht einer typischen Schließerlogik für einen Hochtemperaturalarm.

Beispiel Öffner

Bei einer Öffnerlogik kann der Ausgang im normalen Betriebsbereich aktiv sein und beim Erreichen der Schaltbedingung deaktiviert werden.

Das kann für bestimmte Diagnosekonzepte interessant sein.

Allerdings darf eine elektronische NC-Parametrierung nicht automatisch mit einer vollständig drahtbruchsicheren Sicherheitsfunktion gleichgesetzt werden.

Schaltpunkt und Hysterese richtig einstellen

Ohne Hysterese könnte ein Temperaturschalter unmittelbar am Grenzwert ständig ein- und ausschalten.

Angenommen, der Sollwert beträgt:

80 °C

und der Prozess schwankt zwischen:

79,9 °C

und:

80,1 °C

Ohne ausreichende Hysterese könnte der Ausgang laufend seinen Zustand wechseln.

Eine Hysterese definiert zwei unterschiedliche Umschaltpunkte

Beispielsweise:

Schaltpunkt SP = 80 °C

Rückschaltpunkt RP = 75 °C

Die Hysterese beträgt damit:

H = SP - RP

H = 5 K

Der Alarm wird bei steigender Temperatur bei 80 °C aktiv und erst wieder zurückgesetzt, wenn die Temperatur auf 75 °C gefallen ist.

Die Hysterese muss zum Prozess passen

Eine zu kleine Hysterese kann zu häufigen Schaltvorgängen führen.

Eine zu große Hysterese kann dagegen dazu führen, dass ein:

• Lüfter,
• Kühler,
• Heizer,
• Alarm

unnötig lange aktiv bleibt.

Fensterfunktion für Temperaturbereiche verwenden

Viele elektronische Temperaturschalter können nicht nur einen einzelnen Grenzwert überwachen.

Eine Fensterfunktion ermöglicht die Bewertung eines zulässigen Temperaturbereichs.

Beispielsweise:

60 … 80 °C = zulässiger Bereich

Damit können zwei Grenzen in einer logischen Funktion kombiniert werden

Je nach Parametrierung kann der Ausgang:

• innerhalb des Fensters aktiv sein,
• außerhalb des Fensters aktiv sein.

Das ist beispielsweise interessant für:

• Prozessfreigaben,
• Temperiergeräte,
• Kühlkreisläufe,
• Schmierölanlagen,
• Werkzeugmaschinen.

Beim WIKA TSD-30 sind Schaltpunkt, Öffner-/Schließerfunktion sowie Fenster- und Hysteresefunktion parametrierbar.

Zulässigen Schaltstrom richtig bewerten

Der maximale Schaltstrom des Temperaturschalters gibt an, welchen Ausgangsstrom der Transistorausgang maximal führen darf.

Dieser Wert ist nicht mit:

• Stromaufnahme des Sensors,
• maximaler Strombelastbarkeit der Versorgung,
• Stromaufnahme des SPS-Eingangs

gleichzusetzen.

Ein SPS-Digitaleingang benötigt normalerweise nur einen vergleichsweise kleinen Strom

Damit liegt die Belastung eines elektronischen Schaltausgangs bei direkter Verbindung mit einem SPS-Eingang häufig deutlich unter dessen maximal zulässigem Schaltstrom.

Anders sieht es beim direkten Schalten einer Last aus

Beispielsweise bei:

• Relais,
• Magnetventil,
• Signalleuchte,
• kleinem Schütz,
• Summer.

Hier muss der tatsächliche Laststrom geprüft werden.

Entscheidend ist nicht nur der stationäre Nennstrom. Auch Einschaltstrom und Abschaltverhalten können relevant sein.

Beim WIKA TSD-30

beträgt der maximal zulässige Schaltstrom ohne IO-Link:

250 mA

Bei IO-Link gelten abweichende Grenzen:

SP1: max. 100 mA

SP2: max. 250 mA

Die Schaltspannung liegt dabei konstruktionsbedingt etwas unterhalb der Versorgungsspannung.

Die Angabe 250 mA bedeutet nicht, dass jede beliebige 24-V-Last mit einem Nennstrom unter 250 mA automatisch direkt geschaltet werden sollte.

Relais und Magnetventile nicht ungeprüft direkt schalten

Induktive Lasten besitzen beim Abschalten eine Besonderheit.

In Spulen von:

• Relais,
• Schützen,
• Magnetventilen

ist Energie im Magnetfeld gespeichert.

Wird der Strom plötzlich unterbrochen, kann eine hohe Gegenspannung entstehen.

Die Ausgangsstufe muss vor dieser Spannung geschützt werden

Je nach Last und Schaltung kommen beispielsweise infrage:

• Freilaufdiode bei DC-Spulen,
• geeignete Schutzbeschaltung,
• Koppelrelais,
• separater Transistortreiber.

Welche Schutzmaßnahme zulässig ist, hängt von Sensor, Last und gewünschter Abschaltzeit ab.

Für eine SPS ist häufig die sauberere Lösung

den Temperaturschalter ausschließlich als Informationssignal einzulesen:

Temperaturschalter → SPS-Digitaleingang

und die eigentliche Leistungslast anschließend über einen geeigneten SPS-Ausgang beziehungsweise ein entsprechendes Koppelglied zu schalten.

Dadurch bleiben Mess- und Leistungsstromkreis sauber getrennt.

Schaltausgang und Analogausgang gleichzeitig nutzen

Ein elektronischer Temperaturschalter kann je nach Ausführung zusätzlich zum digitalen Grenzwertsignal einen kontinuierlichen Analogwert bereitstellen.

Beim WIKA TSD-30 stehen abhängig von der Konfiguration beispielsweise zur Verfügung:

• ein PNP-Schaltausgang + 4 … 20 mA,
• ein PNP-Schaltausgang + 0 … 10 V,
• zwei PNP-Schaltausgänge,
• zwei PNP-Schaltausgänge + 4 … 20 mA,
• zwei PNP-Schaltausgänge + 0 … 10 V.

NPN-Ausführungen sind ebenfalls möglich.

Dadurch kann die SPS zwei unterschiedliche Informationen erhalten

Beispielsweise:

SP1 → Hochtemperaturalarm

und gleichzeitig:

4 … 20 mA → aktuelle Temperatur

Die SPS kann damit den analogen Temperaturtrend aufzeichnen und den digitalen Schaltausgang zusätzlich als unabhängigen Prozessgrenzwert verwenden.

4–20 mA an der SPS richtig skalieren

Wird zusätzlich ein Stromsignal verwendet, muss die SPS wissen, welcher Temperaturbereich den:

4 … 20 mA

zugeordnet ist.

Beispiel

Angenommen:

4 mA = 0 °C

20 mA = 100 °C

Dann gilt vereinfacht:

T = (I - 4 mA) / 16 mA × 100 °C

Bei:

I = 12 mA

ergibt sich:

T = 50 °C

Der Analogwert und der Schaltausgang erfüllen unterschiedliche Aufgaben

Das Analogsignal liefert kontinuierlich die Prozessgröße.

Der PNP-Ausgang liefert dagegen lediglich einen digitalen Zustand:

0 oder 1

Die beiden Signale sollten deshalb in der SPS auch getrennt dokumentiert werden.

IO-Link als Alternative zur klassischen Verdrahtung

IO-Link ermöglicht eine digitale Kommunikation zwischen Sensor und IO-Link-Master.

Zusätzlich zum Prozesswert können dabei abhängig vom Gerät unter anderem:

• Parameter,
• Schaltpunkte,
• Diagnosedaten,
• Geräteinformationen

übertragen werden.

Vorteil bei Gerätetausch

In entsprechend aufgebauten Systemen können Sensorparameter zentral verwaltet und einem Ersatzgerät wieder zugewiesen werden.

Das kann Inbetriebnahme und Service vereinfachen.

Beim TSD-30

ist IO-Link Revision 1.1 optional verfügbar.

Bei der IO-Link-Ausführung ist:

SP1 immer PNP

und für SP1 gilt ein gegenüber der Standardausführung reduzierter maximaler Schaltstrom.

Diese Besonderheit muss bei der Planung berücksichtigt werden.

Warum die SPS schneller sein kann als die Temperaturmessung

Ein SPS-Digitaleingang kann innerhalb von Millisekunden reagieren.

Das bedeutet jedoch nicht, dass eine reale Temperaturänderung ebenso schnell am Temperaturschalter ankommt.

Die Gesamtreaktionszeit besteht vereinfacht aus:

thermischer Wärmeübergang + Sensorreaktion + Elektronikauswertung + SPS-Eingang + SPS-Programm

Bei einer Temperaturmessung dominiert häufig die thermische Seite

Relevant sind unter anderem:

• Fühlerdurchmesser,
• Eintauchtiefe,
• Strömungsgeschwindigkeit des Mediums,
• Schutzrohr,
• Wärmeübergang,
• Temperaturdifferenz.

Für den WIKA TSD-30 werden für den Fühler Ansprechzeiten von:

T05 < 5 s

und:

T09 < 10 s

unter den definierten Prüfbedingungen angegeben.

In der realen Anlage kann die gesamte Temperaturreaktion je nach Einbausituation davon abweichen.

Einbauposition und Eintauchtiefe berücksichtigen

Ein elektrisch korrekt angeschlossener Temperaturschalter kann trotzdem eine falsche oder verzögerte Temperatur erfassen.

Zu geringe Eintauchtiefe

führt dazu, dass Wärme über:

• Prozessanschluss,
• Rohrwand,
• Gehäuse,
• Umgebung

abgeführt beziehungsweise eingetragen werden kann.

Der Sensor misst dann nicht ausschließlich die tatsächliche Mediumtemperatur.

Besonders kritisch sind große Temperaturunterschiede

Beispielsweise:

Medium = 120 °C

Umgebung = 20 °C

Bei ungünstiger Montage kann über den Prozessanschluss ein erheblicher Wärmefluss entstehen.

Der erreichbare Messfehler hängt deshalb nicht nur von der elektrischen Sensorgenauigkeit ab.

Messgenauigkeit des Sensorelements und Genauigkeit der realen Messstelle sind nicht dasselbe.

Prozess- und Umgebungstemperatur unterscheiden

Ein Temperatursensor kann für eine vergleichsweise hohe Mediumtemperatur vorgesehen sein, während seine Elektronik nur eine deutlich niedrigere Umgebungstemperatur verträgt.

Diese beiden Angaben dürfen nicht verwechselt werden.

Beim TSD-30

stehen abhängig von der Ausführung Temperaturmessbereiche bis:

0 … +150 °C

zur Verfügung.

Für bestimmte hohe Messstofftemperaturen gelten jedoch zusätzliche Einbau- und Umgebungseinschränkungen.

Bei Messstofftemperaturen über:

80 °C

ist nach Herstellerangabe insbesondere sicherzustellen, dass die zulässige Gehäusetemperatur nicht überschritten wird.

Damit kann beispielsweise ein geeigneter längerer Fühler oder eine entsprechende thermische Entkopplung erforderlich werden.

M12-Anschluss, Leitungen und EMV

Elektronische Temperaturschalter werden häufig über M12-Steckverbinder angeschlossen.

Das vereinfacht die Montage, schützt aber nicht automatisch vor Verdrahtungsfehlern.

Vor dem Anschluss prüfen

• Polzahl des Steckers,
• Pinbelegung,
• Ausgangsvariante,
• Versorgungsspannung,
• PNP oder NPN,
• Analogsignal,
• Leitungsbelegung des Gegensteckers.

Kabelfarbe allein ist keine ausreichende Dokumentation

Bei standardisierten Sensorkabeln werden häufig bestimmte Farben verwendet. Bei vorkonfektionierten oder kundenspezifischen Leitungen kann die Belegung jedoch abweichen.

Maßgebend sind deshalb:

Pinbelegung des Geräts + Belegung des verwendeten Kabels

EMV berücksichtigen

Temperaturschalter befinden sich häufig in Maschinen mit:

• Frequenzumrichtern,
• Motorleitungen,
• Schützen,
• Magnetventilen,
• hohen Schaltströmen.

Signal- und Versorgungsleitungen sollten entsprechend der Anlagen- und Herstelleranforderungen verlegt werden.

Schaltausgang systematisch diagnostizieren

Wenn der SPS-Eingang nicht wie erwartet reagiert, sollte nicht sofort der Sensor ausgetauscht werden.

Eine systematische Prüfung ist meist schneller.

1. Versorgungsspannung prüfen

Direkt am Sensor messen:

U+ gegen U-

Die Spannung muss innerhalb der zulässigen Gerätespezifikation liegen.

2. Aktuelle Temperatur prüfen

Zeigt das Gerät eine plausible Temperatur an?

Wenn bereits die Temperaturanzeige falsch ist, liegt das Problem wahrscheinlich nicht allein beim Schaltausgang.

3. Schaltpunkt prüfen

Beispielsweise:

SP1 = 80 °C

RP1 = 75 °C

4. Schaltlogik prüfen

Ist der Ausgang als:

NO

oder:

NC

parametriert?

5. PNP/NPN prüfen

Passt der Ausgang zum verwendeten SPS-Eingang?

6. Ausgangsspannung messen

Bei einem PNP-Ausgang kann zwischen:

SP und 0 V

gemessen werden.

Der Ausgang sollte seinen elektrischen Zustand entsprechend der Schaltbedingung verändern.

7. SPS-Eingang separat prüfen

Wenn zulässig und entsprechend der SPS-Dokumentation, kann geprüft werden, ob das Eingangsmodul auf ein definiertes Testsignal reagiert.

8. SPS-Software prüfen

Der physikalische Eingang kann korrekt arbeiten, während:

• falsche Eingangsadresse,
• invertierte Softwarelogik,
• Filterzeit,
• Programmverriegelung

die gewünschte Funktion verhindern.

Typische Fehler beim Anschluss an eine SPS

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Temperaturanzeige korrekt, SPS-Eingang immer 0	PNP/NPN nicht passend oder fehlende Bezugsspannung	Ausgangstyp und 0-V-Verbindung prüfen
SPS-Eingang immer 1	Öffnerlogik statt Schließer parametriert	NO-/NC-Funktion kontrollieren
Ausgang schaltet ständig ein und aus	Hysterese zu klein	Schalt- und Rückschaltpunkt prüfen
Ausgang schaltet bei falscher Temperatur	Schaltpunkt oder Einheit falsch parametriert	SP/RP und °C/°F kontrollieren
Sensor funktioniert ohne Last, mit Relais jedoch nicht zuverlässig	Laststrom oder induktive Abschaltspannung	Lastdaten und Schutzbeschaltung prüfen
Schaltausgang funktioniert, Analogwert nicht	Falscher Pin oder falsche SPS-Eingangskonfiguration	S+ und AI-Schaltungsart prüfen
Analogwert stimmt, Digitalausgang nicht	Falscher Schaltmodus	PNP/NPN, NO/NC, Fenster und Hysterese prüfen
Schaltpunkt wird deutlich verzögert erreicht	Thermische Ansprechzeit oder ungeeignete Montage	Eintauchtiefe und Wärmeübergang prüfen
Temperatur dauerhaft zu niedrig	Wärmeableitung über Prozessanschluss	Fühlerlänge und Einbauposition prüfen
Anzeige wird bei heißem Prozess unplausibel	Elektronik thermisch überlastet	Umgebung und Gehäusetemperatur prüfen
SPS meldet sporadisch falsche Zustände	EMV, Leitungsführung oder instabile Versorgung	Versorgung und Verkabelung untersuchen
Nach Sensortausch falsche Funktion	Andere Ausgangs- oder Pinvariante	Bestellcode und Anschlussplan vergleichen

Praxisbeispiel: Hochtemperaturalarm bei 80 °C

Ein Hydraulikaggregat soll bei zu hoher Öltemperatur einen Alarm an die SPS melden.

Verwendet wird ein elektronischer Temperaturschalter mit PNP-Ausgang.

Anforderung

Alarm einschalten bei:

80 °C

Alarm zurücksetzen bei:

75 °C

Versorgung:

24 V DC

Parametrierung

Der Schaltpunkt wird auf:

SP1 = 80 °C

gesetzt.

Der Rückschaltpunkt wird auf:

RP1 = 75 °C

gesetzt.

Der Ausgang wird für diese Anwendung als:

Schließer / NO

parametriert.

Elektrische Funktion

Bei:

T < 80 °C

bleibt der Ausgang zunächst inaktiv.

Bei steigender Temperatur und:

T ≥ 80 °C

wird der PNP-Ausgang aktiv und legt ein positives Signal auf den SPS-Digitaleingang.

Die SPS erkennt:

DI = 1

und setzt den Alarm.

Temperatur fällt anschließend

Bei:

79 °C

bleibt der Alarm aufgrund der Hysterese weiterhin aktiv.

Erst bei:

T ≤ 75 °C

wird der Ausgang zurückgesetzt.

Warum das sinnvoll ist

Ohne diese Hysterese könnte ein Prozess, der um 80 °C pendelt, den Eingang mehrfach pro Minute ein- und ausschalten.

Zusätzlicher Analogwert

Besitzt der Temperaturschalter zusätzlich:

4 … 20 mA

kann die SPS gleichzeitig die tatsächliche Temperatur aufzeichnen.

Damit stehen zwei Informationen zur Verfügung:

digital: Grenzwert überschritten ja/nein

analog: tatsächliche Temperatur

Prozessschaltung und Sicherheitsfunktion unterscheiden

Ein elektronischer Temperaturschalter kann für:

• Prozesssteuerung,
• Warnmeldung,
• Lüftersteuerung,
• Maschinenüberwachung,
• Diagnose

eingesetzt werden.

Das bedeutet jedoch nicht automatisch, dass damit eine erforderliche sicherheitsgerichtete Temperaturbegrenzung erfüllt ist.

Ein SPS-Eingang mit normalem PNP-Sensor ist nicht automatisch eine Sicherheitsfunktion

Bei Anwendungen, bei denen eine gefährliche Übertemperatur sicher abgeschaltet werden muss, können abhängig von der Risikobeurteilung beispielsweise erforderlich sein:

• Sicherheitstemperaturbegrenzer,
• unabhängiger Temperatursensor,
• sicherheitsgerichtete Steuerung,
• geeignete Relais beziehungsweise Abschaltkette.

Prozessüberwachung und sicherheitstechnische Temperaturbegrenzung müssen deshalb getrennt bewertet werden.

Temperaturschalter systematisch in Betrieb nehmen

1. Messaufgabe definieren: Anzeige, Alarm, Regelung oder Abschaltung festlegen.
2. Temperaturbereich bestimmen: Normal-, Minimal- und Maximaltemperatur erfassen.
3. Sensor auswählen: Prozessanschluss, Fühlerlänge und Mediumverträglichkeit festlegen.
4. Versorgung prüfen: Zulässige Versorgungsspannung mit der Anlage vergleichen.
5. Ausgangstyp festlegen: PNP oder NPN entsprechend dem SPS-Eingang auswählen.
6. Ausgangsanzahl bestimmen: Ein oder zwei Schaltpunkte festlegen.
7. Analogsignal prüfen: Bei Bedarf 4–20 mA oder 0–10 V vorsehen.
8. Pinbelegung kontrollieren: Konkrete Geräteausführung und Anschlussleitung vergleichen.
9. Bezugspotenzial prüfen: Sensor und SPS elektrisch korrekt miteinander verbinden.
10. NO-/NC-Funktion einstellen: Gewünschtes Verhalten eindeutig definieren.
11. Schaltpunkt einstellen: Temperaturgrenze festlegen.
12. Hysterese einstellen: Ständiges Umschalten am Grenzwert vermeiden.
13. Schaltstrom prüfen: SPS-Eingang beziehungsweise angeschlossene Last bewerten.
14. Induktive Lasten berücksichtigen: Gegebenenfalls geeignete Schutzbeschaltung oder Koppelrelais verwenden.
15. Einbau kontrollieren: Eintauchtiefe und thermische Randbedingungen prüfen.
16. Funktionstest durchführen: Temperatur kontrolliert über den Schaltpunkt führen.
17. Rückschaltpunkt testen: Hysterese ebenfalls verifizieren.
18. SPS-Status vergleichen: Lokalen Ausgangszustand und Eingangsanzeige gegenüberstellen.
19. Analogausgang prüfen: Falls vorhanden, Skalierung bei mehreren Temperaturen kontrollieren.
20. Parameter dokumentieren: SP, RP, NO/NC, PNP/NPN, Pinbelegung und SPS-Adresse festhalten.

WIKA TSD-30 bei ICS Schneider

Der WIKA TSD-30 ist ein elektronischer Temperaturschalter mit integrierter Anzeige für industrielle Anwendungen.

Typische Einsatzgebiete sind:

• Werkzeugmaschinen,
• Hydraulikaggregate,
• Kühl- und Schmiersysteme,
• allgemeiner Maschinenbau.

Ausgangsvarianten

Je nach Ausführung stehen unter anderem zur Verfügung:

• ein PNP-Schaltausgang + 4 … 20 mA,
• ein PNP-Schaltausgang + 0 … 10 V,
• zwei PNP-Schaltausgänge,
• zwei PNP-Schaltausgänge + 4 … 20 mA,
• zwei PNP-Schaltausgänge + 0 … 10 V,
• optional NPN anstelle PNP,
• optional IO-Link 1.1.

Schaltfunktionen

Die Schaltschwellen können individuell eingestellt werden.

Zur Verfügung stehen unter anderem:

• Schließer,
• Öffner,
• Fensterfunktion,
• Hysteresefunktion.

Versorgung

WIKA nennt eine Hilfsenergie von:

DC 15 … 35 V

Schaltstrom

Ohne IO-Link:

max. 250 mA

Mit IO-Link:

SP1 max. 100 mA

SP2 max. 250 mA

Analogausgang

Für die Ausführung mit:

4 … 20 mA

nennt WIKA eine maximal zulässige Bürde von:

≤ 0,5 kΩ

Beim:

0 … 10 V

Ausgang beträgt die erforderliche Last:

> 10 kΩ

Temperaturmessung

Abhängig von der Ausführung stehen unter anderem Messbereiche von:

-20 … +80 °C

-20 … +120 °C

und:

0 … +150 °C

zur Verfügung.

Für die erweiterten Temperaturbereiche gelten zusätzliche Bedingungen für Prozessanschluss und Einbau.

Temperaturfühler

Der TSD-30 verwendet einen:

Pt1000

nach IEC 60751.

Anzeige und Bedienung

Das Gerät besitzt eine:

• 4-stellige 14-Segment-LED-Anzeige,
• Ziffernhöhe von 9 mm,
• 3-Tasten-Bedienung,
• drehbare Anzeige beziehungsweise Gehäuseausrichtung.

Prozessbedingungen

WIKA nennt abhängig von der Prozessanschlussausführung einen statischen Betriebsdruck bis:

150 bar

Bei Verwendung bestimmter Klemmverschraubungen gilt eine reduzierte Druckgrenze.

Schutzart

Bei korrekt gestecktem Gegenstecker entsprechender Schutzart werden:

IP65 und IP67

angegeben.

Warum der TSD-30 für SPS-Anwendungen interessant ist

Der Sensor kann Grenzwertüberwachung und kontinuierliche Temperaturmessung in einem Gerät kombinieren.

Eine typische Anwendung kann deshalb beispielsweise lauten:

SP1 → Warnung

SP2 → Abschaltanforderung

4 … 20 mA → kontinuierlicher Temperaturwert

Welche Funktionen tatsächlich genutzt werden können, hängt von der bestellten Ausgangsvariante ab.

Fazit

Der Anschluss eines elektronischen Temperaturschalters an eine SPS ist grundsätzlich einfach, sofern Ausgangsprinzip und SPS-Eingang zueinander passen. Viele Probleme entstehen jedoch dadurch, dass mehrere voneinander unabhängige Eigenschaften miteinander verwechselt werden.

PNP und NPN beschreiben die elektrische Richtung des Ausgangs

Ein PNP-Ausgang liefert im aktiven Zustand ein positives Signal. Ein NPN-Ausgang zieht den Signalpfad gegen 0 V.

NO und NC bestimmen dagegen die Schaltlogik

Ein PNP-Ausgang kann je nach Gerät sowohl als Schließer als auch als Öffner parametriert werden.

Hysterese verhindert unnötiges Takten

Ein definierter Unterschied zwischen Schalt- und Rückschaltpunkt verhindert, dass der Ausgang bei kleinen Temperaturschwankungen ständig seinen Zustand wechselt.

Der maximale Schaltstrom muss zur Last passen

Bei einem SPS-Digitaleingang ist die Belastung normalerweise gering. Relais, Magnetventile oder andere Lasten müssen dagegen einschließlich ihrer dynamischen Eigenschaften geprüft werden.

Analogsignal und Schaltausgang können unterschiedliche Aufgaben übernehmen

Ein 4 … 20 mA-Signal liefert den kontinuierlichen Temperaturwert, während ein PNP-Ausgang einen unmittelbar parametrierten Grenzzustand überträgt.

Die thermische Einbausituation bleibt entscheidend

Auch eine elektrisch perfekte SPS-Anbindung liefert keine korrekte Prozessinformation, wenn der Temperaturfühler zu kurz ist, Wärme über den Anschluss ableitet oder die Elektronik unzulässig heiß wird.

Für die Praxis gilt

Temperaturbereich bestimmen → geeignete Fühlerlänge und Prozessanschluss auswählen → PNP oder NPN passend zum SPS-Eingang festlegen → Versorgung und Bezugspotenzial prüfen → konkrete M12-Pinbelegung kontrollieren → NO-/NC-Logik definieren → Schalt- und Rückschaltpunkt einstellen → maximalen Laststrom prüfen → gegebenenfalls Analogausgang oder IO-Link konfigurieren → thermische Einbaubedingungen kontrollieren → Ausgang mit realer Temperaturänderung testen → SPS-Signal und lokalen Gerätezustand vergleichen → Parameter dokumentieren.

FAQ: Elektronischen Temperaturschalter an eine SPS anschließen

Wie schließe ich einen PNP-Temperaturschalter an eine SPS an?

Typischerweise wird U+ mit der positiven Versorgung, U- mit 0 V und der PNP-Schaltausgang mit einem geeigneten SPS-Digitaleingang verbunden. Der genaue Anschluss hängt vom Sensor und Eingangsmodul ab.

Was bedeutet PNP bei einem Temperaturschalter?

Ein PNP-Ausgang schaltet im aktiven Zustand die positive Versorgungsspannung beziehungsweise ein positives Signal auf den Ausgang.

Was bedeutet NPN bei einem Temperaturschalter?

Ein NPN-Ausgang schaltet den Ausgang im aktiven Zustand gegen 0 V und arbeitet damit stromsenkend.

Was ist der Unterschied zwischen PNP und NPN?

PNP-Ausgänge liefern Strom zur Last beziehungsweise zum Eingang, während NPN-Ausgänge den Strom gegen 0 V ableiten. Die Eingangsschaltung der SPS muss zum jeweiligen Prinzip passen.

Ist PNP dasselbe wie Schließer?

Nein. PNP beschreibt die elektrische Ausgangsschaltung. Schließer beziehungsweise NO beschreibt die logische Schaltfunktion. Ein PNP-Ausgang kann je nach Gerät als NO oder NC parametriert werden.

Was bedeutet NO?

NO steht für Normally Open beziehungsweise Schließer. Bei einem elektronischen Temperaturschalter beschreibt dies die logische Ausgangsfunktion und nicht zwingend einen mechanischen Kontakt.

Was bedeutet NC?

NC steht für Normally Closed beziehungsweise Öffner. Der Ausgang arbeitet gegenüber der Schließerfunktion logisch invertiert.

Warum zeigt meine SPS bei einem PNP-Sensor kein Signal?

Mögliche Ursachen sind ein nicht passender SPS-Eingang, fehlende gemeinsame Bezugsspannung, falsche Pinbelegung, eine falsche NO-/NC-Einstellung oder ein noch nicht erreichter Schaltpunkt.

Benötigen Sensor und SPS dieselben 0 V?

Bei einer typischen nicht galvanisch getrennten 24-V-Schaltung benötigen Sensor und SPS-Eingang eine korrekt definierte gemeinsame Bezugsspannung. Bei galvanisch getrennten Eingängen muss die Herstellerbeschaltung beachtet werden.

Kann ich einen PNP-Sensor gegen einen NPN-Sensor austauschen?

Nicht ohne Prüfung. Die SPS-Eingangsschaltung und Verdrahtung müssen zum jeweiligen Ausgangsprinzip passen.

Was ist die Hysterese eines Temperaturschalters?

Die Hysterese ist der Abstand zwischen Schaltpunkt und Rückschaltpunkt. Sie verhindert häufiges Umschalten bei kleinen Temperaturschwankungen um den Grenzwert.

Was ist der Unterschied zwischen Schaltpunkt und Rückschaltpunkt?

Der Schaltpunkt definiert die Temperatur, bei der der Ausgang seinen Zustand ändert. Der Rückschaltpunkt definiert die Temperatur, bei der er wieder in den Ausgangszustand zurückkehrt.

Was bedeutet Fensterfunktion?

Mit einer Fensterfunktion kann ein definierter Temperaturbereich überwacht werden. Der Ausgang kann abhängig von der Parametrierung innerhalb oder außerhalb dieses Bereichs aktiv sein.

Kann ein elektronischer Temperaturschalter direkt ein Relais schalten?

Nur wenn Ausgangsstrom, Einschaltstrom und induktives Abschaltverhalten innerhalb der zulässigen Grenzen liegen und eine geeignete Schutzbeschaltung vorgesehen ist. Häufig ist ein SPS-Eingang oder Koppelrelais die robustere Lösung.

Warum ist der maximale Schaltstrom wichtig?

Wird der zulässige Ausgangsstrom überschritten, kann der Transistorausgang überlastet oder beschädigt werden.

Wie hoch ist der maximale Schaltstrom des WIKA TSD-30?

Ohne IO-Link nennt WIKA maximal 250 mA. Bei IO-Link beträgt der maximale Schaltstrom für SP1 100 mA und für SP2 250 mA.

Welche Versorgungsspannung benötigt der WIKA TSD-30?

WIKA nennt eine Versorgung von DC 15 … 35 V.

Hat der WIKA TSD-30 einen PNP-Ausgang?

Ja. Verschiedene Ausführungen besitzen einen oder zwei PNP-Schaltausgänge. Optional sind auch NPN-Ausführungen erhältlich.

Kann der TSD-30 zwei Schaltpunkte überwachen?

Ja. Entsprechende Geräteausführungen besitzen zwei individuell einstellbare Schaltausgänge SP1 und SP2.

Kann der TSD-30 zusätzlich 4–20 mA ausgeben?

Ja. Es stehen Ausführungen mit einem beziehungsweise zwei Schaltausgängen und zusätzlichem 4 … 20 mA-Analogsignal zur Verfügung.

Kann der TSD-30 0–10 V ausgeben?

Ja. Entsprechende Ausgangsvarianten mit 0 … 10 V sind verfügbar.

Hat der WIKA TSD-30 IO-Link?

IO-Link Revision 1.1 ist optional verfügbar.

Welche Bürde ist beim 4–20-mA-Ausgang des TSD-30 zulässig?

WIKA nennt für das Analogsignal 4 … 20 mA eine maximale Bürde von 0,5 kΩ.

Was ist SP1?

SP1 bezeichnet den ersten Schaltausgang beziehungsweise Schaltpunkt des elektronischen Temperaturschalters.

Was ist SP2?

SP2 bezeichnet einen optionalen zweiten Schaltausgang, der unabhängig von SP1 parametriert werden kann.

Welche Pinbelegung besitzt der TSD-30 mit einem Schaltausgang und 4–20 mA?

Bei einer entsprechenden 4-poligen M12-Ausführung gilt U+ auf Pin 1, U- auf Pin 3, SP1 auf Pin 4 und S+ auf Pin 2. Die konkrete Geräteausführung muss vor der Verdrahtung geprüft werden.

Welche Pinbelegung besitzt der TSD-30 mit zwei Schaltausgängen und Analogsignal?

Bei einer entsprechenden 5-poligen M12-Ausführung gilt U+ auf Pin 1, U- auf Pin 3, SP1 auf Pin 4, SP2 auf Pin 2 und S+ auf Pin 5. Maßgebend ist immer die Dokumentation der konkreten Ausführung.

Warum stimmt die Temperatur trotz korrekter elektrischer Verdrahtung nicht?

Eine ungeeignete Eintauchtiefe, Wärmeleitung über den Prozessanschluss, geringe Strömung oder starke Temperaturgradienten können die reale Messung beeinflussen.

Wie schnell reagiert ein Temperaturschalter?

Die Gesamtreaktion hängt stark vom Fühler und Einbau ab. Für den TSD-30 nennt WIKA unter definierten Bedingungen unter anderem T05 < 5 s und T09 < 10 s.

Warum ist eine lange Fühlerlänge manchmal notwendig?

Eine ausreichende Eintauchtiefe reduziert den Einfluss der Umgebung und des Prozessanschlusses und verbessert die thermische Ankopplung an das Medium.

Kann ich einen Temperaturschalter in ein Schutzrohr einbauen?

Das ist abhängig von der Ausführung möglich, beeinflusst jedoch die thermische Ansprechzeit. Schutzrohr, Fühlerdurchmesser und Wärmeübergang müssen gemeinsam betrachtet werden.

Kann der SPS-Schaltpunkt statt im Sensor programmiert werden?

Ja. Wird ein kontinuierlicher Analog- oder Digitalwert übertragen, kann die SPS eigene Grenzwerte bilden. Ein separater Sensorschaltausgang kann trotzdem zusätzlich verwendet werden.

Ist ein elektronischer Temperaturschalter automatisch ein Sicherheitstemperaturbegrenzer?

Nein. Eine normale Prozessmessung beziehungsweise ein Standard-Schaltausgang erfüllt nicht automatisch die Anforderungen einer sicherheitsgerichteten Temperaturbegrenzung.

Wie prüfe ich einen Temperaturschalter bei der Inbetriebnahme?

Versorgung, Temperaturanzeige, Pinbelegung, PNP-/NPN-Ausgang, NO-/NC-Logik, Schaltpunkt, Rückschaltpunkt und SPS-Eingang sollten nacheinander geprüft werden. Anschließend sollte der Schaltvorgang durch eine reale oder geeignete simulierte Temperaturänderung verifiziert werden.

Wo finde ich den WIKA TSD-30 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter WIKA TSD-30 bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Temperaturschalter?

Eine Übersicht finden Sie unter Temperaturschalter und Thermostate bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Temperaturmesstechnik?

Eine Übersicht finden Sie unter Temperaturmesstechnik bei ICS Schneider.