Ein Drucktransmitter liefert normalerweise ein stabiles 4…20-mA-Signal, trotzdem schwankt der zugehörige Analogwert in der SPS. Ein zweiter Sensor zeigt ebenfalls sporadische Sprünge und beim Schalten eines Magnetventils treten für kurze Zeit sogar Kommunikationsfehler auf. Weil mehrere Komponenten gleichzeitig betroffen sind, liegt die Vermutung nahe, dass nicht unbedingt die einzelnen Sensoren selbst die Ursache sind.
Als erster Schritt wird deshalb die gemeinsame 24-V-Versorgung mit einem Multimeter geprüft. Das Messgerät zeigt beispielsweise 24,1 V DC. Dieser Wert sieht vollkommen unauffällig aus und liegt genau in dem Bereich, den man von einer industriellen 24-V-Versorgung erwarten würde. Trotzdem kann die Stromversorgung weiterhin Teil des Problems sein.
Der Grund liegt in der Art der Messung. Ein digitales Multimeter eignet sich sehr gut, um den Gleichspannungspegel und langsame Änderungen zu kontrollieren. Kurze Spannungseinbrüche von wenigen Millisekunden, hochfrequente Schaltspitzen oder die tatsächliche Signalform einer Restwelligkeit können jedoch je nach Messgerät, Messbereich und Bandbreite weitgehend verborgen bleiben. Auch eine zusätzliche AC-Messung liefert zwar einen wichtigen Hinweis, zeigt aber nicht, wann die Störung auftritt und wie sie zeitlich aussieht.
Für eine systematische Fehlersuche muss deshalb unterschieden werden, ob die 24-V-Gleichspannung langsam schwankt, eine periodische Restwelligkeit vorhanden ist, hochfrequente Störimpulse auftreten oder die Versorgung nur beim Einschalten bestimmter Verbraucher kurzzeitig einbricht. Ebenso wichtig ist die 0-V-Seite der Versorgung. Fließen Lastströme von Magnetventilen, Relais oder anderen Verbrauchern über denselben Rückleiter wie empfindliche Sensorsignale, kann sich das lokale Bezugspotential verschieben, obwohl direkt am Netzteil weiterhin perfekte 24 V gemessen werden.
Hinzu kommen mögliche EMV-Einkopplungen und Fehler durch den Messaufbau selbst. Gerade bei sehr kleinen Ripple-Spannungen kann beispielsweise eine lange Masseleitung des Oszilloskoptastkopfes Störungen aufnehmen und auf dem Bildschirm ein Signal erzeugen, das gar nicht in dieser Form auf der Versorgung vorhanden ist.
Eine stabile Anzeige von 24,0 V beziehungsweise 24,1 V am Multimeter beweist deshalb noch nicht, dass die Versorgung für empfindliche Sensoren, Analogsignale und SPS-Baugruppen ausreichend störungsarm ist. Entscheidend ist, wie sich die Spannung direkt am betroffenen Verbraucher über die Zeit und insbesondere im Moment der Anlagenstörung verhält.
Was bedeutet Restwelligkeit bei einer 24-V-Versorgung?
Ein industrielles Netzteil soll aus seiner Eingangsspannung eine möglichst konstante Gleichspannung erzeugen. Im idealen Fall würde am Ausgang dauerhaft exakt 24,000 V DC anliegen. Eine solche vollständig konstante Gleichspannung gibt es bei einem realen Netzteil jedoch nicht. Der eigentlichen Gleichspannung sind immer kleine zeitabhängige Spannungsanteile überlagert.
Vereinfacht lässt sich die Ausgangsspannung als u(t) = UDC + uAC(t) beschreiben. UDC ist dabei der gewünschte Gleichspannungsanteil, während uAC(t) die zeitabhängigen Wechsel- und Störanteile beschreibt.
Ein periodischer beziehungsweise annähernd periodischer Wechselanteil wird häufig als Restwelligkeit oder Ripple bezeichnet. Bei einem Schaltnetzteil hängt dessen charakteristische Frequenz unter anderem vom Schaltungsprinzip, der Schaltfrequenz und dem Regelverhalten des Netzteils ab. Zusätzlich zur eigentlichen Restwelligkeit können jedoch deutlich schnellere Schaltspitzen, Schwingungspakete oder impulsartige Störungen auftreten.
Genau diese Unterscheidung ist für die Fehlersuche wichtig. Eine Versorgung kann einen sehr kleinen periodischen Ripple besitzen und trotzdem beim Einschalten einer Last kurzzeitig stark einbrechen. Umgekehrt kann der Gleichspannungspegel vollkommen stabil bleiben, während hochfrequente Impulse in empfindliche Sensor- oder Kommunikationskreise einkoppeln.
Ripple, Rauschen und Spannungseinbrüche unterscheiden
Die Begriffe Ripple und Noise werden in Datenblättern nicht bei jedem Hersteller exakt gleich verwendet. Für die praktische Diagnose ist es deshalb sinnvoll, die verschiedenen Störformen zunächst anhand ihres zeitlichen Verhaltens zu unterscheiden.
| Störform | Typisches Verhalten | Mögliche Ursache | Mögliche Auswirkung |
|---|---|---|---|
| Restwelligkeit / Ripple | periodische oder annähernd periodische Schwankung | Gleichrichtung, Schaltfrequenz, Regelverhalten des Netzteils | überlagerter Wechselanteil auf 24 V DC |
| High-Frequency Noise | kurze hochfrequente Spitzen oder Schwingungspakete | Schaltvorgänge, Leistungshalbleiter, induktive Lasten, EMV-Einkopplung | Störungen von Sensoren, Elektronik oder Kommunikation |
| Dynamischer Spannungseinbruch | kurzer Abfall des gesamten DC-Pegels | hoher Einschaltstrom, Netzteilbegrenzung, Leitungsverluste | Reset, Kommunikationsfehler oder falscher Analogwert |
| 0-V-Verschiebung | Bezugspotential verändert sich lastabhängig | gemeinsamer Rückleiter und dessen Leitungswiderstand | Messwertverschiebung trotz stabiler Netzteilspannung |
Für einen Vergleich mit einer Datenblattangabe muss außerdem geprüft werden, was der Hersteller konkret unter Bezeichnungen wie Ripple, Ripple & Noise oder Residual Ripple versteht. Neben dem Zahlenwert sind insbesondere die angegebene Frequenzbandbreite und der vorgeschriebene Messaufbau relevant.
Was kann ein Multimeter erkennen?
Das Multimeter bleibt für die Fehlersuche ein sehr sinnvoller erster Prüfschritt. Zunächst wird die DC-Spannung direkt am Netzteilausgang kontrolliert. Ein Wert von beispielsweise 24,08 V DC bestätigt, dass der statische Ausgangspegel grundsätzlich plausibel ist. Anschließend sollte dieselbe Messung möglichst direkt am kritischsten Verbraucher wiederholt werden.
Dadurch lassen sich eine grundsätzlich falsch eingestellte Ausgangsspannung, große statische Leitungsverluste, dauerhaft abgesenkte Spannung durch Überlastung oder problematische Klemmenverbindungen vergleichsweise schnell erkennen. Zeigt das Netzteil 24,1 V und am Sensor kommen nur 21,8 V an, muss zunächst kein hochfrequentes Rippleproblem gesucht werden. Dann liegt bereits ein deutlicher statischer Spannungsabfall vor.
Viele Multimeter ermöglichen zusätzlich eine Wechselspannungsmessung auf der 24-V-Schiene. Ein angezeigter Wert von beispielsweise 35 mV AC kann einen ersten Hinweis auf einen vorhandenen Wechselanteil liefern. Dieser Wert darf jedoch nicht ohne Weiteres mit einer Datenblattangabe von beispielsweise 35 mV Spitze-Spitze verglichen werden. Abhängig vom Messgerät wird ein Effektivwert innerhalb einer bestimmten Frequenzbandbreite bestimmt, während der Hersteller des Netzteils möglicherweise einen Spitze-Spitze-Wert unter völlig anderen Messbedingungen spezifiziert.
| Messaufgabe | Digitalmultimeter | Oszilloskop |
|---|---|---|
| Statischer 24-V-Pegel | sehr gut geeignet | ebenfalls möglich |
| Langsamer Spannungsabfall | gut erkennbar | sehr gut darstellbar |
| AC-Effektivwert | je nach Gerät möglich | aus Signalverlauf bestimmbar |
| Spitze-Spitze-Wert | normalerweise nicht direkt | direkt sichtbar |
| Einbruch über wenige Millisekunden | kann verborgen bleiben | mit geeignetem Trigger gut erfassbar |
| Hochfrequente Schaltspitze | häufig nicht sichtbar | zeitlicher Verlauf sichtbar |
| Korrelation mit Sensorsignal | nur eingeschränkt | mit mehreren Kanälen direkt vergleichbar |
Ein AC-Wert von 30 mV RMS und eine Störspannung von 30 mV Spitze-Spitze beschreiben deshalb nicht denselben Signalpegel.
Warum das Oszilloskop für die Fehlersuche entscheidend ist
Der wesentliche Vorteil eines Oszilloskops besteht darin, dass nicht nur ein Zahlenwert, sondern der tatsächliche Spannungsverlauf über die Zeit sichtbar wird. Damit lässt sich erkennen, ob eine Störung regelmäßig, sporadisch, impulsartig, lastabhängig oder unmittelbar mit einem bestimmten Maschinenereignis verbunden ist.
Besonders aussagekräftig ist eine Zweikanalmessung. Auf dem ersten Kanal kann beispielsweise die 24-V-Sensorversorgung beobachtet werden, während der zweite Kanal gleichzeitig ein analoges Sensorsignal erfasst. Tritt auf der Versorgung exakt in dem Moment ein Spannungseinbruch auf, in dem auch das Sensorsignal springt, entsteht ein wesentlich stärkerer Hinweis auf einen kausalen Zusammenhang als bei zwei unabhängig voneinander aufgenommenen Multimetermessungen.
Alternativ können zwei unterschiedliche Versorgungspunkte miteinander verglichen werden. So lässt sich beispielsweise gleichzeitig beobachten, wie sich die Spannung direkt am Netzteil und direkt am Sensor während desselben Schaltvorgangs verhält.
AC-Kopplung richtig verwenden
Bei einer Ripple-Messung liegt häufig ein sehr kleines Störsignal auf einer vergleichsweise großen Gleichspannung. Eine Versorgung kann beispielsweise aus 24 V DC + 80 mV Ripple bestehen. Bei normaler DC-Kopplung muss das Oszilloskop den gesamten 24-V-Pegel und gleichzeitig den nur wenige Millivolt großen Wechselanteil darstellen. Dadurch ist die vertikale Darstellung des Ripple-Signals möglicherweise ungünstig.
Mit AC-Kopplung wird der Gleichspannungsanteil am Eingang blockiert. Auf dem Bildschirm bleibt im Wesentlichen der zeitabhängige Wechselanteil übrig. Dadurch kann beispielsweise eine vertikale Empfindlichkeit von 20 oder 50 mV pro Division verwendet werden, ohne dass der 24-V-Gleichspannungsanteil die Darstellung dominiert.
AC-Kopplung ist jedoch nicht für jede Störung die richtige Einstellung. Sie besitzt selbst eine untere Grenzfrequenz und kann langsame Änderungen verfälschen oder weitgehend ausblenden. Soll beispielsweise ein mehrere zehn oder hundert Millisekunden dauernder Spannungseinbruch untersucht werden, kann eine zusätzliche Messung mit DC-Kopplung notwendig sein.
Für eine vollständige Fehlersuche sind deshalb häufig beide Betrachtungen sinnvoll: AC-Kopplung zur detaillierten Analyse kleiner überlagerter Störanteile und DC-Kopplung zur Beobachtung des tatsächlichen Versorgungsspannungsverlaufs.
Tastkopf und Masseführung richtig anschließen
Bei kleinen Ripple- und Noise-Spannungen beeinflusst der Messaufbau das Ergebnis wesentlich. Ein klassischer Tastkopf mit einer langen Masseleitung bildet zusammen mit der Messspitze eine relativ große Leiterschleife. Diese Schleife kann elektromagnetische Störungen aus der Umgebung aufnehmen.
Das Oszilloskop zeigt dann möglicherweise nicht ausschließlich die tatsächliche Ausgangsstörung des Netzteils, sondern zusätzlich eine vom Messaufbau eingefangene Störung. Gerade in einem Schaltschrank mit Frequenzumrichtern, Schützen, Motorleitungen und schnell schaltenden Leistungshalbleitern kann dieser Unterschied erheblich sein.
Für eine belastbare Ripple-Messung sollten Mess- und Rückleitung deshalb möglichst kurz geführt und direkt am gleichen Versorgungspunkt angeschlossen werden. Große Schleifen sind zu vermeiden. Bei dafür geeigneten Tastköpfen kann eine kurze Massefeder anstelle der langen Masseleitung die Einkopplung deutlich reduzieren. Bei differenziellen Leitungen ist eine enge beziehungsweise verdrillte Führung ebenfalls vorteilhaft.
Ebenso wichtig ist die eindeutige Definition des Messortes. Eine Messung unmittelbar an den Ausgangsklemmen des Netzteils beschreibt ausschließlich die dort vorhandene Spannung. Am Ende einer langen Sensorleitung kann aufgrund von Leitungsverlusten, Rückleiterströmen und eingekoppelten Störungen ein deutlich anderes Signal vorhanden sein.
Messbandbreite und Datenblatt vergleichen
Die gemessene Störspannung hängt direkt von der betrachteten Frequenzbandbreite ab. Je größer die Messbandbreite ist, desto mehr hochfrequente Signalanteile können in das Messergebnis einfließen. Eine Messung mit 20 MHz Bandbreite kann deshalb einen deutlich kleineren Spitze-Spitze-Wert ergeben als dieselbe Messung mit 100 MHz Bandbreite.
Viele Hersteller geben ihre Ripple- und Noise-Werte deshalb nur unter definierten Bedingungen an. Wird beispielsweise eine Messbandbreite von 20 MHz vorgeschrieben, sollte beim Datenblattvergleich möglichst dieselbe Bandbreite verwendet werden. Besitzt das Oszilloskop eine entsprechende 20-MHz-Bandbreitenbegrenzung, kann diese Funktion hierfür sinnvoll sein.
Für eine allgemeine Fehlersuche im Schaltschrank kann dagegen bewusst eine größere Bandbreite verwendet werden. Dadurch werden möglicherweise sehr schnelle Störspitzen sichtbar, die zwar nicht Bestandteil der standardisierten Netzteilspezifikation sind, aber trotzdem Sensoren, digitale Kommunikation oder andere elektronische Komponenten beeinflussen können.
Restwelligkeit unter realer Last messen
Ein Netzteil sollte nicht ausschließlich im Leerlauf bewertet werden. Ausgangsspannung, Regelverhalten und Störanteile können sich mit der tatsächlichen Belastung verändern. Deshalb ist insbesondere der Betriebszustand interessant, in dem die Anlagenstörung tatsächlich auftritt.
Ein Schaltnetzteil kann beispielsweise im Stillstand der Maschine eine vollkommen unauffällige Ausgangsspannung liefern. Werden anschließend mehrere Ventile, Schütze, HMI-Komponenten oder dezentrale I/O-Baugruppen gleichzeitig aktiviert, steigt der Strombedarf sprunghaft an. Erst unter diesen Bedingungen kann ein kurzer Spannungseinbruch sichtbar werden.
Für eine aussagekräftige Diagnose sollte deshalb nicht nur bei minimaler Last gemessen werden. Vergleichsmessungen im normalen Maschinenbetrieb, bei hoher Dauerlast und insbesondere beim maximalen dynamischen Lastwechsel zeigen wesentlich besser, ob die Stromversorgung ausreichend dimensioniert ist und ob die nachgelagerte Verdrahtung den Strom ohne problematische Spannungsabfälle übertragen kann.
Spannungseinbrüche bei Lastsprüngen erkennen
Nicht jede Störung auf einer 24-V-Schiene ist klassische Restwelligkeit. Gerade in Maschinen und Schaltschränken sind kurze dynamische Spannungseinbrüche häufig relevanter. Die Versorgung kann beispielsweise dauerhaft bei 24,2 V liegen und beim Einschalten mehrerer Verbraucher für nur 3 ms auf 18,5 V absinken. Anschließend steigt sie sofort wieder auf 24,2 V.
Ein gewöhnliches Multimeter kann einen solchen Vorgang vollständig übersehen. Seine Anzeige bleibt möglicherweise scheinbar unverändert bei etwa 24 V. Mit einem Oszilloskop kann dagegen gezielt auf den Spannungseinbruch oder auf das zugehörige Schaltsignal getriggert werden.
Ursachen können ein zu knapp dimensioniertes Netzteil, hohe Einschaltströme, das Ansprechen einer Strombegrenzung, lange beziehungsweise zu klein dimensionierte Versorgungsleitungen oder erhöhte Übergangswiderstände an Klemmen sein. Ebenfalls kritisch ist eine gemeinsame Versorgung stark dynamischer Leistungslasten und empfindlicher Sensor- beziehungsweise Steuerungselektronik.
Am Netzteil und am Verbraucher messen
Eine der wichtigsten Vergleichsmessungen besteht darin, die Versorgung unmittelbar am Netzteilausgang und anschließend direkt am betroffenen Verbraucher zu untersuchen. Dadurch lässt sich relativ schnell feststellen, ob die Störung bereits von der Quelle erzeugt wird oder erst auf dem Weg zum Sensor beziehungsweise SPS-Modul entsteht.
| Messbeobachtung | Wahrscheinlicher Suchbereich | Typische weitere Prüfung |
|---|---|---|
| Störung bereits am Netzteilausgang | Netzteil, Eingangsspannung oder Belastung | Lastzustand, Dimensionierung und thermische Bedingungen prüfen |
| Netzteil sauber, Sensorversorgung gestört | 24-V-Verteilung und Verdrahtung | Leitungen, Klemmen, Sicherungen und Steckverbinder prüfen |
| +24 V scheinbar stabil, Analogsignal springt trotzdem | 0-V-Rückleiter beziehungsweise Bezugspotential | Potentialdifferenz zwischen Sensor-0-V und SPS-Bezug messen |
| Störung nur beim Schalten bestimmter Verbraucher | Lastsprung oder EMV-Einkopplung | zeitgleich auf Schaltvorgang triggern |
| Störung nur am entfernten Verbraucher | Leitungsverlust oder gemeinsame Rückleitung | Spannung gleichzeitig an Quelle und Verbraucher vergleichen |
Die Aussage „das Netzteil liefert saubere 24 V“ ist deshalb nur dann wirklich aussagekräftig, wenn zusätzlich bekannt ist, welche Spannung direkt am empfindlichen Verbraucher ankommt.
Warum die 0-V-Leitung selbst Störungen verursachen kann
Bei einer 24-V-Stromversorgung wird in der Fehlersuche häufig hauptsächlich die positive Leitung betrachtet. Für Sensor- und Analogsignale ist jedoch auch der 0-V-Rückleiter entscheidend. Jeder Leiter besitzt einen endlichen Widerstand. Fließt durch einen gemeinsamen Rückleiter zusätzlicher Laststrom, entsteht deshalb nach U = R × I ein zusätzlicher Spannungsabfall.
Besitzt ein gemeinsam genutzter Leitungsabschnitt einschließlich seiner Klemmen beispielsweise einen Widerstand von 0,08 Ω und steigt der Strom beim Einschalten eines Magnetventils um 2 A, verändert sich das lokale Potential um 0,08 Ω × 2 A = 0,16 V. Direkt am Netzteil können währenddessen weiterhin vollkommen stabile 24 V vorhanden sein.
Für einen Sensor oder einen SPS-Analogeingang sind 160 mV Potentialverschiebung jedoch keineswegs automatisch unbedeutend. Besonders bei Spannungssignalen kann daraus direkt eine Messwertabweichung entstehen. Der Effekt wird je nach Betrachtungsweise als Masseversatz, Ground Shift oder Common-Impedance Coupling bezeichnet.
Deshalb sollte bei unerklärlichen Analogwertschwankungen nicht nur die Spannung zwischen +24 V und 0 V gemessen werden. Ebenso aufschlussreich kann eine Messung zwischen dem lokalen 0-V-Punkt des Sensors und dem Bezugspotential des SPS-Eingangs sein.
Schwankende SPS-Analogwerte richtig eingrenzen
Wenn ein Analogwert in der SPS sporadisch springt, sollte der angeschlossene Sensor nicht automatisch als erstes Bauteil ausgetauscht werden. Sinnvoller ist es, die Messkette schrittweise von der Versorgung bis zum SPS-Eingang zu betrachten.
Zunächst wird geprüft, ob die Versorgung direkt am Netzteil stabil ist. Anschließend erfolgt dieselbe Messung unmittelbar am Sensor. Danach wird kontrolliert, ob zwischen Sensor-0-V und dem Bezugspotential der SPS eine relevante Potentialdifferenz entsteht. Erst danach wird das eigentliche Analogsignal direkt am Sensor und anschließend am SPS-Eingang verglichen.
Besonders wertvoll ist die zeitliche Korrelation. Tritt der Analogwertsprung immer exakt beim Einschalten eines Magnetventils, eines Schützes oder eines anderen Verbrauchers auf, sollte dieses Ereignis gezielt als Trigger für die Oszilloskopmessung verwendet werden.
Mit zwei geeigneten Messkanälen können beispielsweise gleichzeitig die Sensorversorgung und das Analogsignal beobachtet werden. Alternativ kann ein Kanal die Versorgung und ein zweiter Kanal eine relevante Potentialdifferenz innerhalb der 0-V-Struktur erfassen, sofern das Eingangskonzept des verwendeten Messgerätes diese Messung sicher zulässt.
4…20 mA und 0…10 V im Vergleich
Strom- und Spannungssignale reagieren unterschiedlich auf Störungen innerhalb der Versorgung und Verdrahtung. Ein 4…20-mA-Transmitter überträgt die Messinformation als Schleifenstrom und ist dadurch gegenüber bestimmten Spannungsabfällen robuster als ein direkt übertragenes Spannungssignal. Vollkommen unabhängig von der Versorgung ist jedoch auch ein Stromsignal nicht.
Der Transmitter benötigt eine Mindestbetriebsspannung. Zusätzlich müssen Spannungsabfälle an Leitungen, Messwiderständen, Trennmodulen und SPS-Eingängen berücksichtigt werden. Vereinfacht muss deshalb UVersorgung ≥ UTransmitter,min + I × RSchleife erfüllt bleiben. Fällt die Versorgung während eines Lastsprungs weit genug ab, kann auch ein 4…20-mA-Transmitter seinen zulässigen Betriebsbereich verlassen.
Bei einem 0…10-V-Signal wird die Messinformation dagegen direkt als Potentialdifferenz übertragen. Bereits eine Störung von 100 mV entspricht dabei 1 % des gesamten 10-V-Messbereichs. Potentialverschiebungen zwischen Sensor und SPS können daher unmittelbar als Messfehler erscheinen.
| Eigenschaft | 4…20 mA | 0…10 V |
|---|---|---|
| Übertragene Messgröße | Strom | Spannung |
| Empfindlichkeit gegenüber Leitungsabfall | vergleichsweise robust, solange genügend Schleifenspannung vorhanden ist | Spannungsabfälle beziehungsweise Potentialunterschiede wirken direkt |
| Einfluss eines 100-mV-Masseversatzes | abhängig von Schleifen- und Eingangskonzept | bei 0…10 V bereits 1 % des Messbereichs |
| Versorgungseinbruch | kritisch, wenn Mindest-Schleifenspannung unterschritten wird | kann Versorgung und Bezugspotential unmittelbar verändern |
| Fehlersuche | Versorgung, Schleifenstrom und Spannungsreserve prüfen | Signalspannung und 0-V-Potentiale getrennt prüfen |
Magnetventile, Relais und Schütze als Störquelle
Magnetventile, Relais, Schütze und andere elektromagnetische Aktoren sind induktive Lasten. Besonders beim Abschalten kann die in ihrer Induktivität gespeicherte Energie zu hohen Spannungsspitzen führen. Ohne geeignete Schutzbeschaltung können diese Störungen über die Versorgung, gemeinsame Rückleiter sowie kapazitive oder induktive Kopplung in empfindliche Sensor- und SPS-Kreise gelangen.
Auf dem Oszilloskop erscheint eine solche Störung häufig als kurzer hochfrequenter Impuls oder als gedämpftes Schwingungspaket. Dadurch lässt sich auch unterscheiden, ob eine vermeintliche „Netzteilwelligkeit“ tatsächlich intern vom Netzteil erzeugt wird oder von einer angeschlossenen Last in die 24-V-Schiene zurückgekoppelt wird.
Zusätzlich kann bereits der Einschaltstrom eines Aktors einen kurzzeitigen Spannungseinbruch verursachen. Bei der Fehlersuche müssen deshalb Einschalt- und Ausschaltvorgang getrennt betrachtet werden. Die passende Schutzbeschaltung richtet sich nach Last, Schaltart, Betriebsspannung und den Anforderungen der Anwendung.
Geerdete und potentialfreie Messungen unterscheiden
Beim Einsatz eines klassischen Tischoszilloskops muss die Potentialstruktur der Anlage bekannt sein. Bei vielen netzbetriebenen Geräten ist die Masse der BNC-Eingänge beziehungsweise der normalen Tastköpfe mit dem Schutzleiter verbunden. Die Masseklemme darf deshalb nicht beliebig an einen vermeintlichen Bezugspunkt der Anlage angeschlossen werden.
Liegt dieser Punkt gegenüber Schutzleiter auf einem anderen Potential, kann durch die Messverbindung ein Kurzschluss entstehen. Gleichzeitig kann die Anlage durch die zusätzliche Erdverbindung verändert werden. Im ungünstigen Fall können sowohl das Messgerät als auch die zu prüfende Elektronik beschädigt werden.
Für Messungen an nicht eindeutig erdbezogenen beziehungsweise potentialfreien Punkten müssen deshalb je nach Aufgabe geeignete galvanisch isolierte Eingänge, Differenztastköpfe oder andere ausdrücklich für die entsprechende Potentialdifferenz freigegebene Messverfahren verwendet werden.
Der Schutzleiter eines Tischoszilloskops darf niemals entfernt werden, um einen scheinbar potentialfreien Eingang zu erzeugen.
Praxisbeispiel: Analogwert schwankt beim Schalten eines Ventils
Eine SPS erfasst den Messwert eines Drucktransmitters über ein 4…20-mA-Signal. Im normalen Maschinenbetrieb bleibt der angezeigte Druck stabil. Immer wenn ein bestimmtes 24-V-Magnetventil eingeschaltet wird, springt der SPS-Wert jedoch für kurze Zeit.
Die erste Prüfung erfolgt mit dem Multimeter direkt am Netzteil. Dort werden stabile 24,2 V DC gemessen. Ein offensichtlicher Fehler ist zunächst nicht vorhanden. Anschließend wird die 24-V-Schiene mit dem Oszilloskop untersucht. Im statischen Betrieb zeigt sich lediglich eine kleine und unauffällige Restwelligkeit.
Nun wird die Messung auf den Schaltvorgang des Magnetventils synchronisiert. Dabei wird sichtbar, dass die Versorgung beim Einschalten für kurze Zeit absinkt. Gleichzeitig erscheint eine kurze hochfrequente Störung. Eine zweite Messung direkt an den Versorgungsklemmen des Drucktransmitters zeigt, dass der Einbruch dort stärker ausgeprägt ist als unmittelbar am Netzteil.
Damit ist klar, dass nicht allein das Regelverhalten des Netzteils die Ursache sein kann. Die Verdrahtung wird genauer untersucht. Sensor und Magnetventil verwenden teilweise denselben 0-V-Rückleiter. Durch den zusätzlichen Ventilstrom entsteht in diesem Leitungsabschnitt ein kurzzeitiger Spannungsabfall und damit eine Verschiebung des Bezugspotentials.
Die Sensorversorgung wird anschließend über eine geeignet getrennte Leitungsführung mit dem zentralen 24-V-/0-V-Verteilungspunkt verbunden. Zusätzlich erhält die induktive Last die für die Anwendung vorgesehene Schutzbeschaltung. Bei der Wiederholungsmessung ist der Spannungseinbruch unmittelbar am Sensor deutlich reduziert und der SPS-Analogwert bleibt stabil.
Das Beispiel zeigt sehr deutlich, weshalb ein schwankender Analogwert nicht automatisch einen defekten Sensor bedeutet. Ebenso beweist eine stabile Messung von 24,2 V direkt am Netzteil noch nicht, dass die Versorgung am Sensor im kritischen Moment tatsächlich störungsfrei ist.
Systematischer Prüfablauf
- DC-Ausgangsspannung zunächst direkt am Netzteil und anschließend unmittelbar am betroffenen Sensor oder SPS-Modul prüfen.
- Messung genau unter dem Betriebszustand wiederholen, in dem die Störung auftritt.
- AC-Anteil mit einem geeigneten Multimeter zunächst orientierend bestimmen und für Signalform, Spitzen und kurze Einbrüche anschließend ein Oszilloskop verwenden.
- Bei kleinen Ripple-Signalen gegebenenfalls AC-Kopplung nutzen, langsame Spannungseinbrüche jedoch zusätzlich mit DC-Kopplung untersuchen.
- Mess- und Masseleitungen möglichst kurz halten und die verwendete Messbandbreite an Prüfaufgabe beziehungsweise Datenblattbedingung anpassen.
- Netzteilausgang und Spannung direkt am Verbraucher zeitgleich oder unter identischen Bedingungen vergleichen.
- Gemeinsame 0-V-Leitungen auf dynamische Spannungsabfälle beziehungsweise Potentialverschiebungen prüfen.
- Sensor- oder SPS-Signal zeitlich mit dem Versorgungsspannungsverlauf und auffälligen Maschinenereignissen vergleichen.
- Induktive Verbraucher sowie deren Schutzbeschaltung und die räumliche Führung von Signal-, Motor- und Leistungskabeln prüfen.
- Bei nicht eindeutig erdbezogenen Messpunkten ausschließlich geeignete isolierte oder differenzielle Messtechnik verwenden.
Häufige Messfehler
- Nur die DC-Anzeige des Multimeters betrachten: Kurze Spannungseinbrüche und hochfrequente Störungen können dabei verborgen bleiben.
- AC-Multimeterwert direkt mit einer mVpp-Datenblattangabe vergleichen: Effektivwert und Spitze-Spitze-Wert sind unterschiedliche Größen.
- Nur im Leerlauf messen: Die Störung kann erst bei hoher oder dynamischer Belastung auftreten.
- Nur direkt am Netzteil messen: Leitungs-, Klemmen- und Rückleiterprobleme bis zum Verbraucher werden dadurch nicht erkannt.
- Eine lange Masseleitung am Oszilloskop verwenden: Die entstehende Messschleife kann zusätzliche elektromagnetische Störungen einkoppeln.
- Immer die maximale Oszilloskopbandbreite verwenden: Für einen Datenblattvergleich müssen die vom Hersteller definierten Messbedingungen berücksichtigt werden.
- Nur die +24-V-Leitung betrachten: Ein dynamischer Spannungsabfall auf dem 0-V-Rückleiter kann ebenso relevante Messfehler erzeugen.
- Jede Störung dem Netzteil zuschreiben: Relais, Magnetventile, Motorsteuerungen und Umrichter können Störungen in die gemeinsame Versorgung zurückkoppeln.
- AC-Kopplung für jede Störung verwenden: Langsame Einbrüche können dadurch abgeschwächt oder ausgeblendet werden.
- Oszilloskopmasse ohne Prüfung anschließen: Bei erdbezogenen Eingängen kann dadurch eine unbeabsichtigte Erd- oder Kurzschlussverbindung entstehen.
- Den Sensor sofort austauschen: Versorgung, 0-V-Bezug, Analogsignal und SPS-Eingang sollten zunächst getrennt überprüft werden.
- Schirm, 0 V und PE gleichsetzen: Diese Leiter erfüllen unterschiedliche Aufgaben und müssen entsprechend dem Anlagenkonzept angeschlossen werden.
Passende Messgeräte und Stromversorgungen
Für die Analyse von Restwelligkeit, schnellen Spannungseinbrüchen und impulsartigen Störungen eignet sich beispielsweise das CA 942 HANDSCOPE. Das tragbare Messgerät kombiniert ein 40-MHz-Oszilloskop mit zwei isolierten Messkanälen, einer Abtastrate von bis zu 2 GS/s und einer integrierten Multimeterfunktion.
Die zwei Messkanäle sind insbesondere für die hier beschriebene Fehlersuche interessant. Damit können beispielsweise Versorgungsspannung und Sensorsignal gleichzeitig beobachtet oder zwei unterschiedliche Punkte der 24-V-Verteilung zeitlich miteinander verglichen werden. Die tragbare Bauform eignet sich außerdem für Service- und Instandhaltungsarbeiten direkt an Maschinen und Schaltschränken.
Weitere Geräte zur zeitabhängigen Signalanalyse finden Sie unter Oszilloskope bei ICS Schneider. Für die erste Spannungs-, Strom- und Widerstandsprüfung stehen zusätzlich digitale Multimeter zur Verfügung.
Passende industrielle Netzteile, DC/DC-Wandler und weitere Versorgungskomponenten finden Sie unter Stromversorgung bei ICS Schneider. Weitere Prüf- und Diagnosegeräte für Inbetriebnahme, Schaltschrankbau und Fehlersuche finden Sie unter Messgeräte für den Schaltschrankbau.
Fazit
Eine gemessene Gleichspannung von etwa 24 V reicht nicht aus, um die Qualität einer industriellen Stromversorgung vollständig zu beurteilen. Auf der Gleichspannung können periodische Restwelligkeit, hochfrequente Schaltspitzen und kurze dynamische Spannungseinbrüche liegen, die mit einer normalen DC-Multimetermessung nicht oder nur unvollständig sichtbar werden.
Das Multimeter bleibt trotzdem der richtige Ausgangspunkt. Es zeigt, ob der grundsätzliche DC-Pegel stimmt und ob bereits statische Spannungsabfälle vorhanden sind. Für die detaillierte Untersuchung des zeitlichen Verlaufs wird anschließend ein Oszilloskop benötigt. Dadurch lässt sich insbesondere feststellen, ob die Störung genau in dem Moment auftritt, in dem ein Sensorwert springt, ein Magnetventil schaltet oder ein Kommunikationsfehler entsteht.
Die Qualität der Messung hängt dabei wesentlich vom Messaufbau ab. Kurze Tastkopfverbindungen, eine passende Bandbreite und die richtige Wahl zwischen AC- und DC-Kopplung verhindern Fehlinterpretationen. Ebenso wichtig ist der Messort. Eine saubere Spannung direkt am Netzteil sagt wenig darüber aus, welche Spannung nach mehreren Metern Leitung und gemeinsamen Rückleitern tatsächlich am Sensor anliegt.
Bei schwankenden SPS-Analogwerten müssen deshalb nicht nur das Netzteil und der Sensor untersucht werden. Lastsprünge, Übergangswiderstände, gemeinsame 0-V-Pfade, induktive Verbraucher und EMV-Einkopplungen können genauso relevant sein. Besonders bei 0…10-V-Signalen kann bereits eine kleine Potentialverschiebung deutlich im Messwert sichtbar werden. Ein 4…20-mA-Signal ist gegenüber bestimmten Einflüssen robuster, benötigt aber weiterhin ausreichend Schleifenspannung.
Die entscheidende Diagnosefrage lautet daher nicht: „Sind 24 V vorhanden?“, sondern: „Wie verhalten sich Versorgung und Bezugspotential direkt am betroffenen Verbraucher über die Zeit und exakt in dem Moment, in dem die Anlagenstörung auftritt?“
FAQ: Restwelligkeit einer 24-V-Versorgung messen
Was ist Restwelligkeit bei einem 24-V-Netzteil?
Restwelligkeit ist ein kleiner zeitabhängiger Spannungsanteil, der der eigentlichen 24-V-Gleichspannung überlagert ist. Bei Schaltnetzteilen hängt seine charakteristische Form unter anderem vom Schalt- und Regelprinzip des Netzteils ab. Zusätzlich können hochfrequente Störspitzen auftreten, die von der eigentlichen periodischen Restwelligkeit unterschieden werden sollten.
Kann ich die Restwelligkeit mit einem Multimeter messen?
Ein geeignetes Multimeter kann im AC-Messbereich einen ersten Hinweis auf einen vorhandenen Wechselspannungsanteil geben. Es zeigt jedoch nicht den tatsächlichen Signalverlauf und kann kurze Spannungsspitzen oder Einbrüche übersehen. Für eine detaillierte Analyse ist deshalb ein Oszilloskop wesentlich aussagekräftiger.
Warum zeigt mein Multimeter 24 V, obwohl die SPS Störungen hat?
Ein Multimeter erfasst die Spannung über eine bestimmte Messzeit und Bandbreite. Ein nur wenige Millisekunden dauernder Einbruch kann deshalb in der Anzeige nicht sichtbar werden. Zusätzlich kann die Versorgung direkt am Netzteil stabil sein, während unmittelbar am Sensor oder SPS-Modul aufgrund von Leitungsverlusten beziehungsweise Rückleiterströmen ein anderer Spannungsverlauf vorhanden ist.
Wie messe ich Ripple mit dem Oszilloskop?
Gemessen wird zwischen +24 V und 0 V direkt am relevanten Messpunkt. Für kleine Wechselanteile kann AC-Kopplung hilfreich sein, weil dadurch der große Gleichspannungsanteil ausgeblendet wird. Mess- und Rückleitung sollten möglichst kurz sein und die verwendete Bandbreite muss zur Messaufgabe beziehungsweise zur Datenblattvorgabe passen.
Was bedeutet mVpp?
mVpp beziehungsweise mV peak-to-peak beschreibt die Differenz zwischen dem höchsten und niedrigsten Momentanwert einer Spannung. Ein Spitze-Spitze-Wert darf nicht direkt mit einem RMS- beziehungsweise Effektivwert eines Multimeters gleichgesetzt werden.
Warum sollte die Restwelligkeit unter Last gemessen werden?
Regelverhalten und Ausgangsspannung eines Netzteils können sich mit der Belastung verändern. Zusätzlich können Verbraucher beim Ein- oder Ausschalten kurze Lastsprünge erzeugen. Besonders aussagekräftig ist deshalb eine Messung genau in dem Maschinenzustand, in dem die Störung tatsächlich beobachtet wird.
Kann ein Magnetventil die 24-V-Schiene stören?
Ja. Beim Einschalten kann der zusätzliche Strombedarf einen kurzen Spannungseinbruch verursachen. Beim Abschalten einer induktiven Last können außerdem hohe Spannungsspitzen entstehen. Geeignete Schutzbeschaltung und eine saubere Leitungsführung sind deshalb wichtige Bestandteile des Anlagenkonzeptes.
Kann eine schlechte 0-V-Leitung den SPS-Analogwert beeinflussen?
Ja. Fließen Sensor- und Lastströme über einen gemeinsamen Rückleiter, erzeugt dessen elektrischer Widerstand einen lastabhängigen Spannungsabfall. Dadurch können sich die lokalen Bezugspotentiale von Sensor und SPS gegeneinander verschieben, obwohl das Netzteil selbst weiterhin stabile 24 V liefert.
Sind 4…20-mA-Signale unempfindlich gegenüber Versorgungsschwankungen?
Sie sind gegenüber bestimmten Leitungs- und Potentialeinflüssen robuster als direkt übertragene Spannungssignale. Der Transmitter benötigt jedoch weiterhin eine ausreichende Versorgungsspannung. Fällt die verfügbare Schleifenspannung unter den erforderlichen Wert, kann auch ein 4…20-mA-Signal gestört werden.
Warum kann ein 0…10-V-Signal besonders empfindlich sein?
Bei einem Spannungssignal wird die Messinformation unmittelbar als Potentialdifferenz übertragen. Eine zusätzliche Verschiebung von beispielsweise 100 mV entspricht bei einem 0…10-V-Signal bereits 1 % des gesamten Messbereichs. Gemeinsame Rückleiter und Potentialunterschiede sind deshalb besonders kritisch.
Wann sollte ich AC- und wann DC-Kopplung verwenden?
AC-Kopplung eignet sich gut, um kleine hochfrequente beziehungsweise periodische Störanteile auf einer großen Gleichspannung sichtbar zu machen. Für langsamere Spannungseinbrüche, Startvorgänge und die tatsächliche Veränderung des DC-Pegels sollte dagegen zusätzlich mit DC-Kopplung gemessen werden.
Kann ich die Masseklemme eines Tischoszilloskops einfach an 0 V anschließen?
Nur wenn eindeutig geklärt ist, dass dies mit der Erdungs- und Potentialstruktur der Anlage sowie dem Eingangskonzept des Oszilloskops zulässig ist. Bei vielen Tischoszilloskopen ist die Tastkopfmasse mit Schutzleiter verbunden. Für potentialfreie oder differenzielle Messungen sind entsprechend geeignete isolierte Eingänge beziehungsweise Differenztastköpfe erforderlich.
Was sollte ich zuerst prüfen, wenn ein SPS-Analogwert schwankt?
Zunächst sollte die Versorgung direkt am Netzteil und anschließend unmittelbar am Sensor beziehungsweise SPS-Modul geprüft werden. Danach werden die 0-V-Bezugspotentiale, das eigentliche Analogsignal und die zeitliche Korrelation mit schaltenden Verbrauchern untersucht. Dadurch lässt sich wesentlich gezielter feststellen, ob Sensor, Versorgung, Verdrahtung oder EMV-Einflüsse die eigentliche Ursache sind.