Hutschienen-Messumformer verbinden Sensoren, elektrische Messgrößen und Steuerungen miteinander. Sie wandeln beispielsweise ein Pt100-Signal, eine Thermospannung, einen Gleichstrom oder eine Gleichspannung in ein standardisiertes Ausgangssignal wie 4–20 mA oder 0–10 V um.
Im Schaltschrank wirkt ein Messumformer auf den ersten Blick wie ein einfaches Zwischenmodul: Eingang anschließen, 24 V DC anlegen und Ausgang mit der SPS verbinden. In der Praxis entstehen jedoch viele Fehler durch eine ungeeignete Geräteausführung, vertauschte Klemmen, falsche Polarität, unpassende aktive und passive Stromsignale oder eine fehlerhafte Skalierung.
Zusätzlich muss geklärt werden, ob der Messumformer nur wandeln oder auch galvanisch trennen, einen Feldtransmitter versorgen, ein Signal vervielfachen oder Grenzwerte überwachen soll. Erst wenn Eingang, Ausgang, Hilfsenergie und Steuerung als vollständige Messkette betrachtet werden, funktioniert die Signalübertragung zuverlässig.
Inhaltsverzeichnis
- Welche Aufgabe erfüllt ein Hutschienen-Messumformer?
- Messumformer, Signalwandler und Trennverstärker unterscheiden
- Eingangssignal eindeutig festlegen
- Ausgangssignal passend zur SPS auswählen
- 24-V-DC-Versorgung richtig planen
- 2-, 3- und 4-Leiter-Technik unterscheiden
- Aktive und passive Stromsignale richtig zuordnen
- Klemmenplan systematisch lesen
- Eingang und Ausgang richtig skalieren
- Bürde und verfügbare Schleifenspannung prüfen
- Wann galvanische Trennung sinnvoll ist
- Schirmung, Masse und Potenzialausgleich planen
- Pt100 und Widerstandssensoren anschließen
- Thermoelemente und mV-Signale anschließen
- Strom- und Spannungseingänge unterscheiden
- Signalverdopplung und mehrere Ausgänge
- Messumformer parametrieren
- Inbetriebnahme Schritt für Schritt
- 4–20-mA-Messkette prüfen
- Typische Verdrahtungs- und Auswahlfehler
- Praxisbeispiel: Pt100-Signal für eine SPS aufbereiten
- Dokumentation im Schaltschrank
- Benötigte Angaben für die Geräteauswahl
- Welche Produkte eignen sich?
- Fazit
- Häufige Fragen
Welche Aufgabe erfüllt ein Hutschienen-Messumformer?
Ein Messumformer nimmt ein Eingangssignal auf, verarbeitet es und stellt ein definiertes Ausgangssignal bereit. Das Eingangssignal kann direkt von einem Sensor oder von einem vorgeschalteten Messgerät stammen.
Typische Eingänge sind:
- Pt100 und Pt1000,
- Thermoelemente,
- Widerstand und Potentiometer,
- mV-Signale,
- 0–10 V oder andere Gleichspannungen,
- 0–20 mA und 4–20 mA,
- Wechselstrom und Wechselspannung,
- Frequenz- und Impulssignale.
Typische Ausgänge sind:
- 4–20 mA,
- 0–20 mA,
- 0–10 V,
- 2–10 V,
- Relais- oder Transistorausgänge,
- digitale Kommunikationssignale.
Der Messumformer kann zusätzlich eine oder mehrere der folgenden Aufgaben übernehmen:
- Skalierung des Messbereichs,
- Linearisierung eines Sensorsignals,
- galvanische Trennung,
- Versorgung eines 2-Leiter-Transmitters,
- Filterung und Dämpfung,
- Überwachung von Sensorbruch und Kurzschluss,
- Signalverdopplung,
- Grenzwertbildung.
Für die Geräteauswahl reicht die Angabe „Messumformer für 4–20 mA“ deshalb nicht aus. Eingang, Ausgang, Versorgung, Trennung und gewünschte Zusatzfunktionen müssen vollständig beschrieben werden.
Messumformer, Signalwandler und Trennverstärker unterscheiden
Die Begriffe werden im Alltag häufig überschneidend verwendet. Ihre Hauptaufgaben unterscheiden sich jedoch.
| Geräteart | Hauptaufgabe | Beispiel |
|---|---|---|
| Messumformer | Erfasst oder verarbeitet eine Messgröße und erzeugt ein Normsignal | Pt100 auf 4–20 mA |
| Signalwandler | Wandelt ein elektrisches Signalformat in ein anderes um | 0–10 V auf 4–20 mA |
| Trennverstärker | Überträgt ein Signal mit galvanischer Trennung | 4–20 mA auf galvanisch getrennte 4–20 mA |
| Speisetrenner | Versorgt einen Feldtransmitter und trennt dessen Signal galvanisch | 2-Leiter-Drucktransmitter an SPS |
| Signalverteiler | Erzeugt mehrere voneinander getrennte Ausgangssignale | Ein 4–20-mA-Eingang auf zwei 4–20-mA-Ausgänge |
| Grenzwertschalter | Vergleicht den Messwert mit einem Grenzwert | Relais schaltet bei mehr als 15 mA |
Ein Gerät kann mehrere dieser Funktionen kombinieren. Ein universeller Messumformer kann beispielsweise ein Pt100-Signal erfassen, linearisieren, galvanisch trennen und als 4–20 mA ausgeben.
Trotzdem sollte vor der Bestellung immer geklärt werden, welche Funktionen in der konkreten Ausführung tatsächlich enthalten sind. Nicht jeder Messumformer besitzt automatisch eine galvanische Trennung oder eine Transmitterspeisung.
Eingangssignal eindeutig festlegen
Die Eingangsart bestimmt, wie der Messumformer verdrahtet und parametriert werden muss.
Vor der Auswahl sind mindestens folgende Angaben erforderlich:
- Signalart,
- unterer und oberer Eingangswert,
- aktive oder passive Quelle,
- Gleich- oder Wechselgröße,
- Sensoranschluss in 2-, 3- oder 4-Leiter-Technik,
- Signalrichtung unidirektional oder bidirektional,
- erforderliche Linearisierung,
- möglicher Fehler- oder Übersteuerungsbereich.
Die Bezeichnungen allein reichen häufig nicht aus. Ein Eingang „Spannung“ kann beispielsweise für 0–10 V, ±10 V, 0–60 mV oder mehrere umschaltbare Bereiche ausgelegt sein.
Bei einem Stromeingang muss zusätzlich geklärt werden, ob das vorgeschaltete Gerät den Strom selbst liefert oder eine externe Schleifenversorgung benötigt.
Bei Temperatursensoren sind Sensortyp, Leiterzahl und Messbereich entscheidend. Ein Pt100 und ein Thermoelement liefern grundsätzlich unterschiedliche Signale und dürfen nicht an denselben Eingang angeschlossen werden, sofern das Gerät nicht entsprechend umkonfiguriert wurde.
Ausgangssignal passend zur SPS auswählen
Der Ausgang des Messumformers muss elektrisch und funktional zum nachgeschalteten Eingang passen.
Typische Kombinationen sind:
- 4–20-mA-Ausgang auf passiven SPS-Stromeingang,
- passiver 4–20-mA-Ausgang mit externer Schleifenversorgung,
- 0–10-V-Ausgang auf hochohmigen Spannungseingang,
- Relaisausgang auf digitalen SPS-Eingang,
- Impulsausgang auf schnellen Zählereingang.
Ein 4–20-mA-Ausgang ist häufig sinnvoll bei:
- längeren Leitungswegen,
- industrieller Störumgebung,
- dezentralen Schaltschränken,
- vorhandenen Stromeingängen,
- gewünschter Erkennung von Leitungsunterbrechungen.
Ein 0–10-V-Ausgang kann sinnvoll sein bei:
- kurzen Leitungen innerhalb eines Schaltschrankes,
- vorhandenen Spannungseingängen,
- gemeinsamem und stabilem Bezugspotenzial,
- klassischer Gebäude- oder Maschinenautomation.
Die SPS muss auf genau dieselbe Signalart eingestellt sein. Ein 4–20-mA-Ausgang an einem 0–10-V-Eingang liefert keinen korrekt auswertbaren Messwert.
24-V-DC-Versorgung richtig planen
Viele Hutschienen-Messumformer werden mit 24 V DC versorgt. Je nach Gerät kann der zulässige Bereich jedoch beispielsweise deutlich unter oder über 24 V liegen. Maßgeblich ist immer die konkrete Geräteausführung.
Bei der Versorgung sind zu prüfen:
- zulässiger Spannungsbereich,
- Polarität,
- Leistungsaufnahme je Modul,
- Gesamtleistung des Netzteils,
- Einschaltstrom mehrerer Module,
- Absicherung und Leitungsquerschnitt,
- Spannungsabfall in langen Versorgungsketten,
- Verhalten bei Unterspannung,
- erforderliche Redundanz.
Das Netzteil sollte nicht dauerhaft an seiner Leistungsgrenze betrieben werden. Neben den Messumformern müssen auch SPS, Relais, Sensoren, Ventile und weitere 24-V-Verbraucher berücksichtigt werden.
Besonders bei einer Durchverdrahtung von Modul zu Modul kann am Ende der Klemmenreihe eine geringere Spannung anliegen als direkt am Netzteil. Die tatsächliche Versorgung sollte deshalb unter Betriebsbedingungen an den Geräteklemmen gemessen werden.
Eine gemeinsame 24-V-Versorgung bedeutet nicht automatisch, dass alle Signale dasselbe Potenzial verwenden dürfen. Galvanisch getrennte Ein- und Ausgänge können trotz gemeinsamer Hilfsenergie elektrisch voneinander isoliert sein.
2-, 3- und 4-Leiter-Technik unterscheiden
2-Leiter-Technik
Bei einem 2-Leiter-Transmitter erfolgen Versorgung und Signalübertragung über dieselben beiden Leiter. Der Messstrom liegt typischerweise zwischen 4 und 20 mA.
Die Stromschleife besteht beispielsweise aus:
24-V-Versorgung → Transmitter → Analogeingang → Rückleiter
Der Transmitter regelt seinen Strom entsprechend dem Messwert. Die Versorgungsspannung muss für den Transmitter, den Analogeingang und alle Leitungswiderstände ausreichen.
3-Leiter-Technik
Bei einem 3-Leiter-Gerät werden Versorgung und Signal teilweise über einen gemeinsamen Bezug geführt.
Typische Anschlüsse sind:
- +24 V,
- 0 V,
- Signalausgang.
Das Bezugspotenzial von Sensor, Messumformer und SPS muss korrekt verbunden sein. Potenzialunterschiede oder falsch geführte Rückleiter können zu Messfehlern führen.
4-Leiter-Technik
Ein 4-Leiter-Gerät besitzt eine separate Versorgung und einen getrennten Signalausgang.
Typisch sind:
- zwei Anschlüsse für die Hilfsenergie,
- zwei Anschlüsse für das Ausgangssignal.
Der Signalausgang kann aktiv oder passiv und galvanisch getrennt oder nicht getrennt sein. Die Leiterzahl allein beantwortet diese Fragen nicht vollständig.
Aktive und passive Stromsignale richtig zuordnen
Die Begriffe aktiv und passiv führen bei 4–20-mA-Schleifen besonders häufig zu Verdrahtungsfehlern.
Aktiver Stromausgang
Ein aktiver Ausgang stellt den Messstrom selbst bereit. Er wird normalerweise mit einem passiven Stromeingang verbunden.
Passiver Stromausgang
Ein passiver Ausgang regelt den Strom, benötigt dafür aber eine externe Schleifenspannung. Er wird mit einer geeigneten Versorgung und einem passiven Eingang in Reihe geschaltet.
Aktiver Stromeingang
Ein aktiver Eingang kann eine Speisespannung für einen 2-Leiter-Transmitter bereitstellen. Die genaue Funktion wird häufig als Transmitterspeisung oder Loop Power bezeichnet.
Passiver Stromeingang
Ein passiver Eingang misst den anliegenden Schleifenstrom, stellt jedoch keine Versorgung für das Feldgerät bereit.
| Quelle | Eingang | Bewertung |
|---|---|---|
| Aktiver Stromausgang | Passiver Stromeingang | Typische geeignete Kombination |
| Passiver Stromausgang | Passiveingang mit externer Versorgung | Geeignet bei korrekter Reihenschaltung |
| Passiver 2-Leiter-Transmitter | Aktiver Speiseeingang | Geeignet, wenn Spannung und Bürde passen |
| Aktiver Stromausgang | Aktiver Stromeingang | Kann zu gegeneinander arbeitenden Spannungsquellen führen |
| Passiver Ausgang | Passiver Eingang ohne Versorgung | Kein funktionsfähiger Stromkreis |
Da Hersteller die Begriffe teilweise unterschiedlich verwenden, muss der Klemmen- und Anschlussplan des konkreten Geräts geprüft werden.
Klemmenplan systematisch lesen
Vor dem Anschluss sollte der Klemmenplan in vier Funktionsbereiche aufgeteilt werden:
- Hilfsenergie,
- Eingang,
- Ausgang,
- optionale Kommunikations- oder Serviceanschlüsse.
Eine typische Klemmenbelegung könnte beispielsweise lauten:
| Klemme | Funktion |
|---|---|
| 1 | Versorgung +24 V DC |
| 2 | Versorgung 0 V |
| 3 | Eingang + |
| 4 | Eingang − |
| 5 | Ausgang + |
| 6 | Ausgang − |
Diese Belegung ist nur ein Beispiel. Bei realen Geräten können die Klemmen vollständig anders angeordnet sein.
Vor dem Einschalten sollte kontrolliert werden:
- Stimmen Gerätenummer und Klemmenplan überein?
- Ist die bestellte Variante für 24 V DC ausgelegt?
- Sind Eingang und Ausgang nicht vertauscht?
- Ist die Polarität korrekt?
- Ist der Stromkreis vollständig geschlossen?
- Ist der SPS-Eingang auf die richtige Signalart eingestellt?
- Sind unbenutzte Klemmen frei von Drahtbrücken?
- Sind Aderendhülsen und Leiterquerschnitt geeignet?
Bei universellen Geräten sollte zusätzlich geprüft werden, ob die Anschlussklemmen abhängig von der eingestellten Eingangsart unterschiedliche Funktionen besitzen.
Eingang und Ausgang richtig skalieren
Der Messumformer bildet den Eingangsmessbereich auf den Ausgangsmessbereich ab.
Beispiel:
- Eingang: 0–10 V,
- Ausgang: 4–20 mA.
| Eingang | Ausgang | Skalenwert |
|---|---|---|
| 0 V | 4 mA | 0 % |
| 2,5 V | 8 mA | 25 % |
| 5 V | 12 mA | 50 % |
| 7,5 V | 16 mA | 75 % |
| 10 V | 20 mA | 100 % |
Bei einem Temperaturmessumformer könnte die Skalierung lauten:
- Pt100-Messbereich: −50 bis +150 °C,
- Ausgang: 4–20 mA.
Dann entsprechen:
- −50 °C: 4 mA,
- +50 °C: 12 mA,
- +150 °C: 20 mA.
Die SPS muss exakt denselben physikalischen Messbereich verwenden. Wird der Messumformer auf −50 bis +150 °C eingestellt, die SPS aber auf 0 bis 200 °C skaliert, ist das elektrische Signal korrekt und der angezeigte Temperaturwert trotzdem falsch.
Typische Skalierungsfehler sind:
- 4–20 mA und 0–20 mA verwechselt,
- Messbereichsanfang falsch eingetragen,
- Ein- und Ausgang invertiert,
- Einheit °C und °F verwechselt,
- unipolaren und bipolaren Bereich verwechselt,
- Messbereich im Gerät geändert, aber SPS nicht angepasst,
- zweifache Skalierung in mehreren Softwareebenen.
Bürde und verfügbare Schleifenspannung prüfen
Ein Stromausgang benötigt genügend Spannung, um den gewünschten Strom durch alle in Reihe liegenden Widerstände treiben zu können.
Zur gesamten Bürde gehören beispielsweise:
- Eingangswiderstand der SPS,
- Leitungswiderstand,
- Trennverstärker,
- Anzeige- oder Registriergeräte,
- Überspannungsschutz,
- Prüfwiderstände.
Der Spannungsbedarf an einer ohmschen Bürde ergibt sich aus:
U = I × R
Beispiel mit einem SPS-Eingang von 250 Ω:
20 mA × 250 Ω = 5 V
Zusätzlich benötigt der Messumformer eine eigene Mindestbetriebsspannung. Die Versorgung muss daher größer sein als die Summe aller notwendigen Spannungsabfälle.
Ist die verfügbare Spannung zu niedrig, zeigt sich der Fehler häufig erst im oberen Messbereich:
- 4 mA funktionieren,
- 12 mA funktionieren noch,
- 20 mA werden nicht erreicht,
- der Ausgang bleibt beispielsweise bei 17 oder 18 mA stehen.
Eine zusätzliche Reihenschaltung mehrerer SPS-Eingänge ist deshalb nur zulässig, wenn Gesamtbürde und Potenzialverhältnisse geprüft wurden.
Wann galvanische Trennung sinnvoll ist
Eine galvanische Trennung verhindert eine direkte leitende Verbindung zwischen zwei Stromkreisen. Das Signal wird intern beispielsweise magnetisch, optisch oder kapazitiv übertragen.
Sie ist besonders sinnvoll bei:
- unterschiedlichen Erdpotenzialen,
- langen Leitungen zwischen Gebäudeteilen,
- Masseschleifen,
- Störungen durch Frequenzumrichter oder Motoren,
- Messungen an höheren elektrischen Potenzialen,
- Schutz einer SPS-Eingangskarte,
- Trennung mehrerer Signalausgänge,
- Vermeidung gegenseitiger Beeinflussung.
Je nach Gerät kann eine Trennung bestehen zwischen:
- Eingang und Ausgang,
- Versorgung und Eingang,
- Versorgung und Ausgang,
- allen drei Bereichen.
Eine vollständige 3-Wege-Trennung ist nicht mit jeder Geräteausführung gegeben. Auch die zulässige Prüf- und Arbeitsspannung der Trennung muss zur Anwendung passen.
Galvanische Trennung ersetzt keine fachgerechte Erdung, Schirmung oder Überspannungsschutzplanung. Sie ist ein Teil des gesamten EMV- und Potenzialkonzepts.
Schirmung, Masse und Potenzialausgleich planen
Analoge Signalleitungen sollten getrennt von leistungsführenden Leitungen verlegt werden. Besonders kritisch sind Leitungen zu:
- Motoren,
- Frequenzumrichtern,
- Schützen und Magnetventilen,
- Heizungen,
- Transformatoren,
- geschalteten Netzteilen.
Für empfindliche Sensor- und mV-Signale sind verdrillte und geschirmte Leitungen häufig sinnvoll.
Bei der Schirmung muss ein einheitliches Anlagenkonzept verwendet werden. Eine unkontrollierte beidseitige Schirmerdung kann bei Potenzialunterschieden Ausgleichsströme verursachen. Eine ausschließlich einseitige Schirmung kann bei hohen Frequenzen wiederum weniger wirksam sein.
Die geeignete Lösung hängt unter anderem ab von:
- Signalart,
- Leitungslänge,
- Frequenzbereich der Störungen,
- Potenzialausgleich des Gebäudes,
- Herstellervorgaben,
- EMV-Konzept des Schaltschrankes.
Schirm, Signalmasse und Schutzleiter dürfen nicht willkürlich miteinander verbunden werden. Ihre Funktionen müssen im Stromlaufplan eindeutig unterschieden sein.
Pt100 und Widerstandssensoren anschließen
Ein Pt100 verändert seinen elektrischen Widerstand abhängig von der Temperatur. Der Messumformer speist den Sensor mit einem kleinen Messstrom und berechnet daraus die Temperatur.
2-Leiter-Anschluss
Beim 2-Leiter-Anschluss wird der Widerstand der Anschlussleitungen mitgemessen. Bei langen Leitungen kann dadurch ein relevanter Temperaturfehler entstehen.
3-Leiter-Anschluss
Die 3-Leiter-Schaltung kompensiert den Leitungswiderstand weitgehend, wenn die beteiligten Leiter ähnliche Widerstände besitzen. Sie ist in industriellen Anwendungen sehr verbreitet.
4-Leiter-Anschluss
Die 4-Leiter-Schaltung ermöglicht die genaueste Kompensation des Leitungswiderstands und wird häufig bei hohen Genauigkeitsanforderungen eingesetzt.
| Anschlussart | Vorteil | Zu beachten |
|---|---|---|
| 2-Leiter | Geringster Verdrahtungsaufwand | Leitungswiderstand beeinflusst den Messwert |
| 3-Leiter | Gute Kompensation bei üblichen Industrieanwendungen | Leiterwiderstände sollten möglichst gleich sein |
| 4-Leiter | Beste Leitungswiderstandskompensation | Höherer Anschluss- und Kabelaufwand |
Bei universellen Temperaturmessumformern muss die Leiterzahl zusätzlich in der Parametrierung eingestellt werden. Eine Brücke, die für einen 2-Leiter-Anschluss erforderlich ist, darf nicht ungeprüft bei einer 3- oder 4-Leiter-Schaltung eingesetzt werden.
Thermoelemente und mV-Signale anschließen
Thermoelemente erzeugen eine kleine temperaturabhängige Thermospannung. Diese liegt häufig im Millivoltbereich und ist entsprechend störanfällig.
Zu beachten sind:
- richtiger Thermoelementtyp,
- korrekte Polarität,
- passende Ausgleichs- oder Thermoleitung,
- Kaltstellenkompensation,
- keine ungeeigneten Übergangsmetalle,
- Abschirmung und Leitungsführung,
- Sensorbruchüberwachung.
Ein Thermoelement Typ K darf nicht als Typ J parametriert werden. Beide liefern unterschiedliche Thermospannungen und Kennlinien.
Bei vertauschter Polarität bewegt sich der angezeigte Wert häufig in die falsche Richtung oder wird bei steigender Temperatur unplausibel niedrig.
Da die Signalspannung sehr klein ist, sollten Thermoelementleitungen nicht parallel zu Motor- oder Schützleitungen verlegt werden.
Strom- und Spannungseingänge unterscheiden
Ein Eingang für 0–10 V besitzt normalerweise einen hohen Eingangswiderstand. Ein 4–20-mA-Eingang arbeitet dagegen mit einem definierten Messwiderstand oder einer entsprechenden Strommessschaltung.
Werden beide Signalarten verwechselt, entstehen unplausible Werte oder eine Überlastung des Ausgangs.
Bei universellen Eingängen erfolgt die Auswahl häufig über:
- DIP-Schalter,
- Steckbrücken,
- Tasten und Display,
- PC-Software,
- Programmieradapter,
- NFC oder eine andere Serviceschnittstelle.
Eine reine Softwareänderung reicht nicht immer aus. Manche Geräte verlangen zusätzlich eine andere Klemmenbelegung oder Schalterstellung.
Nach jeder Umstellung sollte geprüft werden:
- Ist der Eingang elektrisch passend beschaltet?
- Ist der Messbereich korrekt?
- Ist das Ausgangssignal weiterhin richtig zugeordnet?
- Wurde die SPS-Skalierung angepasst?
Signalverdopplung und mehrere Ausgänge
Ein Sensorsignal soll häufig gleichzeitig an mehrere Systeme übertragen werden, beispielsweise:
- SPS,
- lokale Anzeige,
- Datenlogger,
- Sicherungs- oder Überwachungssystem,
- Gebäudeleittechnik.
Ein 4–20-mA-Signal darf nicht beliebig parallel auf mehrere Stromeingänge verteilt werden. Die Stromaufteilung wäre nicht definiert.
Eine Reihenschaltung mehrerer Eingänge kann prinzipiell möglich sein, erhöht jedoch:
- die Gesamtbürde,
- das Risiko von Potenzialproblemen,
- die Abhängigkeit der Geräte voneinander,
- den Diagnoseaufwand.
Für mehrere unabhängige Systeme ist ein Signalverteiler mit galvanisch getrennten Ausgängen häufig die bessere Lösung.
Dabei muss festgelegt werden:
- Anzahl der Ausgänge,
- aktive oder passive Ausgänge,
- galvanische Trennung untereinander,
- Fehlerverhalten bei Ausfall eines Ausgangs,
- Genauigkeit jedes Ausgangskanals.
Messumformer parametrieren
Universelle Messumformer werden häufig nicht mit einem festen Messbereich geliefert, sondern müssen für die Anwendung konfiguriert werden.
Typische Parameter sind:
- Eingangsart,
- unterer und oberer Messbereich,
- Ausgangssignal,
- Signalrichtung,
- Filterzeit,
- Sensorbruchverhalten,
- Ausgang bei Über- oder Unterschreitung,
- Leiterzahl bei Widerstandssensoren,
- Einheit,
- Nullpunkt- oder Offsetkorrektur.
Eine starke Filterung beruhigt den Ausgang, verzögert aber schnelle Messwertänderungen. Sie sollte daher an die Prozessdynamik angepasst werden.
Ein definiertes Fehlerverhalten kann beispielsweise vorsehen:
- Ausgang unterhalb des normalen Messbereichs bei Sensorbruch,
- Ausgang oberhalb des normalen Messbereichs bei Übersteuerung,
- Halten des letzten gültigen Werts,
- Ausgabe eines festen Ersatzwerts.
Das Fehlerverhalten des Messumformers und die Auswertung in der SPS müssen zusammenpassen. Ein Fehlerstrom ist wirkungslos, wenn die Steuerung ihn als normalen Prozesswert interpretiert.
Inbetriebnahme Schritt für Schritt
- Geräteausführung prüfen: Bestellcode, Eingang, Ausgang und Versorgung mit der Planung vergleichen.
- Spannungsfrei kontrollieren: Klemmen, Brücken, DIP-Schalter und Leiterbelegung prüfen.
- Parametrierung dokumentieren: Eingangstyp, Messbereich, Ausgang und Fehlerverhalten festhalten.
- Versorgung einschalten: Spannung und Polarität direkt am Gerät messen.
- Statusanzeige prüfen: Betriebs-, Fehler- und Kommunikationsanzeigen bewerten.
- Eingang simulieren: Einen bekannten Eingangswert einspeisen oder einen geeigneten Sensorwiderstand anschließen.
- Ausgang messen: Zugehörigen Strom- oder Spannungswert kontrollieren.
- SPS-Anzeige vergleichen: Elektrisches Ausgangssignal und dargestellten Prozesswert gegenüberstellen.
- Mehrere Punkte prüfen: Messbereichsanfang, Mittelpunkt und Messbereichsende testen.
- Fehlerzustand prüfen: Sensorbruch oder Eingangsausfall kontrolliert simulieren.
- Einstellungen sichern: Parametrierung und Stromlaufplan aktualisieren.
Für eine bessere Beurteilung sollten nicht nur 0 und 100 %, sondern mindestens drei bis fünf Punkte geprüft werden. Dadurch lassen sich Skalierungs-, Linearitäts- und Anschlussfehler leichter unterscheiden.
4–20-mA-Messkette prüfen
Eine 4–20-mA-Messkette sollte in einzelne Abschnitte aufgeteilt werden:
- Sensor oder Signalquelle,
- Eingang des Messumformers,
- Signalwandlung,
- Ausgang des Messumformers,
- Verkabelung,
- SPS-Analogeingang,
- Skalierung und Anzeige.
Mit einem Stromschleifen-Kalibrator können definierte Werte in den SPS-Eingang eingespeist werden.
Typische Prüfpunkte sind:
| Stromwert | Prozentwert | Prüfzweck |
|---|---|---|
| 4 mA | 0 % | Messbereichsanfang und Nullskalierung |
| 8 mA | 25 % | Unterer Zwischenpunkt |
| 12 mA | 50 % | Messbereichsmitte |
| 16 mA | 75 % | Oberer Zwischenpunkt |
| 20 mA | 100 % | Messbereichsende |
Zeigt die SPS bei simulierten Stromwerten korrekt an, sind Eingangskarte und Skalierung grundsätzlich plausibel. Anschließend wird der tatsächliche Messumformerausgang geprüft.
Der UPS4E Stromschleifen-Kalibrator kann mA-Signale messen, ausgeben und bei Bedarf eine passive Stromschleife mit 24 V versorgen.
Eine reine Stromsimulation prüft jedoch nicht den Sensor oder den Eingang des Messumformers. Soll die vollständige Kette bewertet werden, muss auch das reale Sensorsignal oder eine passende Sensorsimulation eingespeist werden.
Typische Verdrahtungs- und Auswahlfehler
Eingang und Ausgang werden vertauscht
Das Feldsignal liegt an den Ausgangsklemmen an, während die SPS mit dem Eingang verbunden ist. Der Messkreis funktioniert nicht.
Die Polarität der 24-V-Versorgung ist falsch
Das Modul bleibt ohne Funktion oder wird abhängig von seiner Schutzbeschaltung belastet.
Aktiver Ausgang und aktiver Eingang werden verbunden
Zwei Speisespannungen arbeiten gegeneinander. Das Signal ist unplausibel oder der Stromkreis wird überlastet.
Eine passive Schleife besitzt keine Versorgung
Es fließt kein Strom, obwohl Messumformer und SPS grundsätzlich funktionsfähig sind.
4–20 mA und 0–20 mA werden verwechselt
Der Messbereichsanfang wird in der SPS falsch dargestellt.
Der Messumformer ist korrekt, aber die SPS falsch skaliert
Das elektrische Signal stimmt, der angezeigte Prozesswert ist dennoch falsch.
Die Gesamtbürde ist zu hoch
Der Ausgang erreicht besonders am oberen Messbereichsende keine 20 mA.
Die galvanische Trennung wird vorausgesetzt, aber nicht geprüft
Potenzialunterschiede und Masseschleifen bleiben bestehen.
Pt100-Leiterzahl ist falsch eingestellt
Leitungswiderstand oder eine fehlende Brücke verursacht eine deutliche Messabweichung.
Thermoelementtyp oder Polarität ist falsch
Die Temperaturanzeige ist unplausibel oder bewegt sich in die falsche Richtung.
Der Schirm wird ohne einheitliches Konzept angeschlossen
Ausgleichsströme oder hochfrequente Störungen beeinflussen das Messsignal.
Eine zu starke Filterung wird gewählt
Schnelle Prozessänderungen erreichen die SPS deutlich verzögert.
Die Parametrierung wird nicht dokumentiert
Nach einem Austausch lässt sich der ursprüngliche Messbereich nicht sicher rekonstruieren.
Praxisbeispiel: Pt100-Signal für eine SPS aufbereiten
In einer bestehenden Maschine soll die Temperatur eines Hydrauliktanks erfasst werden. Im Tank ist ein Pt100 in 3-Leiter-Technik installiert. Die neue SPS besitzt jedoch nur einen 4–20-mA-Eingang.
Der vorgesehene Temperaturbereich beträgt 0 bis 100 °C. Eingesetzt wird ein Hutschienen-Temperaturmessumformer mit:
- Pt100-Eingang in 3-Leiter-Technik,
- Messbereich 0 bis 100 °C,
- Ausgang 4–20 mA,
- Versorgung 24 V DC,
- galvanischer Trennung zwischen Sensor und Ausgang.
Die Verdrahtung wird in drei Bereiche aufgeteilt:
- Pt100-Leitungen zum Messeingang,
- 24-V-Hilfsenergie zum Messumformer,
- 4–20-mA-Ausgang zur SPS.
Während der Inbetriebnahme wird der Pt100 zunächst durch einen geeigneten Widerstandssimulator ersetzt.
Geprüft werden drei Punkte:
| Simulierte Temperatur | Erwarteter Ausgang | Erwartete SPS-Anzeige |
|---|---|---|
| 0 °C | 4 mA | 0 °C |
| 50 °C | 12 mA | 50 °C |
| 100 °C | 20 mA | 100 °C |
Der Messumformerausgang liefert die erwarteten Stromwerte. Die SPS zeigt bei 12 mA jedoch 60 °C statt 50 °C an.
Die Kontrolle ergibt, dass der SPS-Kanal auf −20 bis +140 °C skaliert wurde. Nach der Korrektur auf 0 bis 100 °C stimmen Stromwert und Temperaturanzeige überein.
Anschließend wird der reale Pt100 wieder angeschlossen. Die Temperatur wird zusätzlich mit einem geeigneten Referenzgerät verglichen.
Das Beispiel zeigt, dass Sensor, Messumformer und SPS getrennt geprüft werden sollten. Ein korrektes 4–20-mA-Signal beweist nicht automatisch, dass die Skalierung in der Steuerung stimmt.
Dokumentation im Schaltschrank
Eine vollständige Dokumentation erleichtert Inbetriebnahme, Wartung und späteren Austausch.
Festgehalten werden sollten:
- Hersteller und Typ des Messumformers,
- Artikel- oder Bestellnummer,
- Versorgungsspannung,
- Eingangssignal und Messbereich,
- Sensorart und Leiterzahl,
- Ausgangssignal und Skalierung,
- aktive oder passive Signalart,
- Klemmenbelegung,
- galvanische Trennung,
- Filter- und Fehlerparameter,
- SPS-Kanal und SPS-Skalierung,
- Prüfpunkte und tatsächliche Messwerte,
- Datum der Inbetriebnahme.
Die Parametrierdatei sollte zusammen mit Stromlaufplan, SPS-Programm und Gerätedokumentation gespeichert werden.
Zusätzlich ist eine eindeutige Betriebsmittelkennzeichnung im Schaltschrank sinnvoll. Dadurch kann ein Servicetechniker den Messumformer schnell dem zugehörigen Sensor und SPS-Kanal zuordnen.
Benötigte Angaben für die Geräteauswahl
Für die Auswahl eines Hutschienen-Messumformers werden mindestens folgende Angaben benötigt:
- Messgröße beziehungsweise Sensorart,
- genauer Eingangssignalbereich,
- 2-, 3- oder 4-Leiter-Anschluss,
- aktives oder passives Eingangssignal,
- gewünschtes Ausgangssignal,
- aktiver oder passiver Ausgang,
- unterer und oberer Skalierungswert,
- verfügbare Hilfsenergie,
- maximale Bürde,
- erforderliche galvanische Trennung,
- Anzahl der Ausgangskanäle,
- gewünschte Genauigkeit,
- erforderliche Reaktionszeit,
- Fehlerverhalten bei Sensorbruch,
- Umgebungstemperatur,
- verfügbarer Platz auf der Hutschiene,
- erforderliche Zulassungen,
- Parametrierung über Schalter, Software oder Schnittstelle,
- Anforderungen an Dokumentation und Kalibrierung.
Eine aussagekräftige Anfrage könnte beispielsweise lauten:
Hutschienen-Temperaturmessumformer für Pt100 in 3-Leiter-Technik, Messbereich −50 bis +150 °C, Ausgang 4–20 mA aktiv, Versorgung 24 V DC, galvanische 3-Wege-Trennung, Sensorbruchausgabe oberhalb von 20 mA, Genauigkeit höchstens 0,2 % der Spanne und Montage auf 35-mm-Hutschiene.
Welche Produkte eignen sich?
Messumformer
Die Kategorie Messumformer umfasst unterschiedliche Geräte zur Erfassung, Wandlung und Aufbereitung elektrischer und sensorischer Eingangssignale.
Das Sortiment ist unter anderem in folgende Anwendungsbereiche gegliedert:
- Wechselstrom-Messumformer,
- Wechselspannungs-Messumformer,
- Gleichstrom-Messumformer,
- Gleichspannungs-Messumformer,
- Leistungsmessumformer,
- Temperatur-DIN-Schienen-Messumformer,
- Temperatur-Kopftransmitter,
- Universalmessumformer.
Je nach Ausführung stehen feste oder parametrierbare Messbereiche, unterschiedliche Hilfsenergien, galvanische Trennung und normierte Ausgangssignale zur Verfügung.
Temperatur-DIN-Schienen-Messumformer
Temperaturmessumformer für die Hutschiene wandeln beispielsweise Signale von Pt100-, Pt1000- oder Thermoelementfühlern in ein standardisiertes Ausgangssignal um.
Je nach Gerät können verfügbar sein:
- universelle Sensoreingänge,
- 2-, 3- und 4-Leiter-Anschluss,
- Sensorbruch- und Kurzschlusserkennung,
- 4–20-mA- oder 0–10-V-Ausgang,
- galvanische Trennung,
- freie Messbereichsparametrierung,
- Linearisierung unterschiedlicher Sensortypen.
Messgeräte für den Schaltschrankbau
Die Kategorie Messgeräte für den Schaltschrankbau enthält neben Messumformern auch Signalkonverter, Trennverstärker, digitale und analoge Einbaumessgeräte, Stromwandler, Energiezähler und Modbus-I/O-Komponenten.
Dadurch können Messumformer passend mit Anzeigen, SPS-Schnittstellen, Stromwandlern oder weiteren Schaltschrankkomponenten kombiniert werden.
UPS4E Stromschleifen-Kalibrator
Der UPS4E Stromschleifen-Kalibrator unterstützt die Inbetriebnahme und Fehlersuche an Messumformern mit Stromsignalen.
Er ermöglicht unter anderem:
- Messung von mA-Signalen,
- Ausgabe und Simulation definierter Stromwerte,
- Prüfung aktiver und passiver Stromschleifen,
- integrierte 24-V-Schleifenversorgung,
- Step- und Rampenprüfungen,
- Spannungsmessung,
- Prüfung von SPS-Analogeingängen,
- Dokumentation von Messwerten.
Damit lassen sich Messumformerausgang, Verdrahtung, SPS-Eingang und Skalierung gezielt voneinander trennen und prüfen.
Fazit: Eingang, Ausgang und Versorgung immer als vollständige Messkette betrachten
Ein Hutschienen-Messumformer funktioniert nur dann zuverlässig, wenn Eingangssignal, Ausgangssignal, Hilfsenergie und nachgeschalteter Eingang elektrisch zusammenpassen.
Besonders wichtig ist die Unterscheidung zwischen aktiven und passiven 4–20-mA-Signalen. Ein passiver Ausgang benötigt eine Schleifenspannung, während ein aktiver Ausgang den Messstrom selbst bereitstellt.
Bei 24-V-DC-Versorgungen müssen Polarität, zulässiger Spannungsbereich, Leistungsreserve und Spannungsabfall berücksichtigt werden. Eine vorhandene 24-V-Schiene ist nicht automatisch für jedes Modul ausreichend.
Galvanische Trennung kann Potenzialunterschiede und Masseschleifen vermeiden. Sie muss jedoch anhand der konkreten Geräteausführung geprüft werden und ersetzt kein vollständiges Erdungs-, Schirmungs- und EMV-Konzept.
Die Skalierung muss im Messumformer und in der SPS identisch hinterlegt sein. Ein elektrisch korrektes 4–20-mA-Signal kann sonst zu einem falschen Prozesswert führen.
Bei der Inbetriebnahme sollten mehrere definierte Eingangs- und Ausgangspunkte geprüft werden. Durch die getrennte Prüfung von Sensor, Messumformer, Verkabelung und SPS lässt sich ein Fehler schneller lokalisieren.
Häufige Fragen zu Hutschienen-Messumformern
Wofür wird ein Hutschienen-Messumformer verwendet?
Er wandelt ein Sensor- oder Messsignal in ein standardisiertes Ausgangssignal um, das von einer SPS, Anzeige oder einem Leitsystem verarbeitet werden kann.
Benötigt jeder Messumformer 24 V DC?
Nein. 24 V DC ist sehr verbreitet, aber je nach Gerät sind andere Gleich- oder Wechselspannungen möglich. Der zulässige Bereich muss anhand der konkreten Ausführung geprüft werden.
Was ist der Unterschied zwischen einem aktiven und passiven 4–20-mA-Ausgang?
Ein aktiver Ausgang liefert den Schleifenstrom selbst. Ein passiver Ausgang benötigt eine externe Schleifenspannung.
Warum zeigt die SPS trotz korrektem Ausgangsstrom einen falschen Wert?
Häufig ist die SPS auf einen anderen Messbereich oder auf 0–20 mA statt 4–20 mA skaliert.
Wann ist eine galvanische Trennung erforderlich?
Sie ist besonders sinnvoll bei Potenzialunterschieden, Masseschleifen, langen Leitungen, störbehafteten Anlagenbereichen oder wenn Feld- und Steuerungsebene elektrisch getrennt werden sollen.
Kann ein 4–20-mA-Ausgang parallel an zwei SPS-Eingänge angeschlossen werden?
Eine beliebige Parallelschaltung ist nicht zulässig. Für mehrere unabhängige Ausgänge sollte ein geeigneter Signalverteiler verwendet werden.
Warum erreicht der Messumformer keine 20 mA?
Mögliche Ursachen sind eine zu hohe Gesamtbürde, zu niedrige Versorgungsspannung, falsche Skalierung oder eine Begrenzung des Eingangssignals.
Wie prüft man einen Hutschienen-Messumformer?
Es werden definierte Eingangswerte eingespeist und die zugehörigen Ausgangswerte gemessen. Zusätzlich wird geprüft, ob die SPS den Ausgang korrekt skaliert.
Kann der UPS4E einen Pt100-Eingang simulieren?
Nein. Der UPS4E ist für Stromschleifen und elektrische Prozesssignale ausgelegt. Für Pt100-, Thermoelement- oder Widerstandssignale ist ein geeigneter Temperatursimulator erforderlich.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl?
Benötigt werden Eingangssignal, Messbereich, Sensoranschluss, Ausgangssignal, aktive oder passive Signalart, Versorgung, Bürde, galvanische Trennung, Genauigkeit, Reaktionszeit, Hutschienenplatz und gewünschte Parametrierung.