Im Gegensatz zu diskreten/digitalen (Ein/Aus) Schaltkreisen variieren analoge Signale über einen Spannungs- oder Strombereich. Wie würde sich die Verdrahtung ändern, wenn wir den Schalter durch einen Füllstandstransmitter ersetzen würden, wenn wir dasselbe Gefäß wie im Beispiel der digitalen Verdrahtung verwenden?
Verdrahtungstechniken für analoge SPS-Signale
Die folgende Abbildung zeigt dieselbe Leistungsschaltertafel, die jetzt jedoch eine Gleichstromversorgung versorgt.
Die Stromversorgung könnte sich in einem eigenen Schrank oder im Rangierverteiler befinden. In jedem Fall wird der Gleichstrom im Rangierverteiler verteilt. Eine einzelne Sicherung könnte mehrere Schaltkreise versorgen, oder jeder Schaltkreis könnte abgesichert sein.
Der Transmitter wird an seinem Pluspol mit +24 VDC versorgt. Das 4–20 mA-Stromsignal wird vom (-)-Anschluss des Transmitters zur SPS geleitet.
Die Verkabelung ist verdrillt und geschirmt. Das Signalkabel ist mit der Transmitternummer nummeriert, und die Drähte im Inneren sind nummeriert, um Informationen zur Stromquelle bereitzustellen.
Die Abschirmung wird im Rangierfeld abgeschlossen, wo alle Abschirmungen gesammelt und an einer Erdungsklemme angeschlossen werden, die vom Schrank isoliert ist. Hinweis: Es sollte darauf geachtet werden, dass die Abschirmung nur an einer Stelle geerdet wird.
Abschirmungen, die an mehr als einer Stelle geerdet sind, können große Rauschspitzen in das Signal einspeisen. Dieser Zustand wird als Erdschleife bezeichnet und kann sehr schwer zu isolieren sein, da das Problem nur zeitweise auftritt.
Eine „ruhige“ Erdung sollte verwendet werden, um alle Abschirmungen an einem Punkt zu erden. Eine ruhige Erdung ist entweder an eine dedizierte Erdungstriade oder an den Mittelabgriff eines Trenntransformators angeschlossen.
Eine rauschende Erdung wäre eine, die physisch weit vom Transformator entfernt ist und Motoren, Lichter oder andere rauschende Gegenstände versorgt. Das ist der grundlegende analoge Zweidraht-Eingangsschaltkreis.
Im Folgenden finden Sie einige spezifische Informationen zu den verschiedenen analogen Möglichkeiten:
a. Schaltkreisschutz (Sicherung)
Analoge Schaltkreise haben immer Niederspannung, normalerweise 24 VDC. Aus diesem Grund ist es nicht erforderlich, einzelne analoge Schaltkreise zum Schutz des Personals zu sichern. Außerdem verfügen die meisten analogen E/A-Module über integrierte Strombegrenzungsschaltkreise.
Eine Sicherung ist zum Schutz der Module also im Allgemeinen nicht erforderlich. Wenn diese beiden Bedingungen erfüllt sind – und der Entwickler sollte dies beim Hersteller bestätigen –, kann auf eine punktweise Sicherung verzichtet werden, falls gewünscht.
Wenn ein Entwickler Geld sparen möchte, indem er nicht jeden Punkt sichert, sollte er die Schaltungen in Schadensbegrenzungszonen gruppieren.
Wenn es beispielsweise ein Pumpenpaar, eine Primär- und eine Ersatzschaltung gibt, sollten die Instrumente für beide in separaten Sicherungsgruppen angeordnet sein, um zu verhindern, dass eine einzige durchgebrannte Sicherung beide ausschaltet. Weitere Informationen finden Sie im Index unter „E/A-Partitionierung“.
b. Störfestigkeit
Analoge Schaltkreise sind anfällig für elektronisches Rauschen. Wenn beispielsweise ein analoges Kabel neben dem Hochspannungskabel eines Motors liegt, fungiert das analoge Signalkabel als Antenne und nimmt das magnetisch gekoppelte Rauschen auf, das vom Motor erzeugt wird.
Es gibt noch andere Rauschquellen, wie z. B. die Hochfrequenzstrahlung (RF) eines Walkie-Talkies. Rauschen auf einem analogen Signalkabel kann zu Fehlern beim Ablesen des Signalwerts führen, was wiederum eine Vielzahl von Problemen im Steuerungssystem verursachen kann.
Einige Möglichkeiten zur Rauschminderung sind:
• Twisted-Pair-Kabel:
Elektronisches Rauschen kann durch die Verwendung von Twisted-Pair-Kabeln stark reduziert werden. Die meisten Instrumente verwenden zwei Drähte zur Signalübertragung. Der Strom fließt in einem Draht zum Gerät und im anderen vom Gerät zurück.
Wenn diese Drähte verdrillt sind, ist das induzierte Rauschen in jedem Draht nahezu gleich.
Die Stärke des induzierten Stromflusses ist in jedem Leiter identisch, aber er fließt in entgegengesetzte Richtungen, wodurch der Großteil des Rauschens aufgehoben wird.
• Abschirmung:
Eine weitere Verbesserung der Rauschunterdrückung ist die Abschirmung, d. h. die Verwendung eines geerdeten Geflechts oder einer Folienabschirmung um die Leiter. Wie bereits erwähnt, sollte die Abschirmung nie an mehr als einer Stelle geerdet werden, um Erdschleifen zu vermeiden.
Die meisten Gerätehersteller empfehlen, die Abschirmung am Feldgerät zu erden. Ein besserer Ort hierfür ist jedoch das Rangierfeld.
Die Erdungen lassen sich leichter überprüfen und verwalten, wenn sie sich an einer Stelle befinden. Außerdem ist es möglich, an diesem Punkt eine gute Erdung sicherzustellen.
• Leitung:
Eine letzte Verbesserung der Rauschunterdrückung ist eine geerdete metallische Leitung. Dies ist selten erforderlich, außer bei Datenkommunikationskabeln und besonders kritischen Schaltkreisen.
c. Widerstandstemperaturdetektor (RTD)
Ein RTD besteht aus einem speziellen Stück Draht, dessen elektrischer Widerstand sich auf vorhersehbare Weise ändert, wenn der Draht unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt wird.
Das Material der Wahl ist heute 100-Ohm-Platin, obwohl manchmal auch andere Arten wie 10-Ohm-Kupfer verwendet werden. Für den Platin-RTD gilt die Nennleistung für 100 Ohm bei 0ºC.
Widerstandsänderungen mit der Temperatur sind sehr gering und verursachen Spannungsschwankungen im Millivoltbereich.
RTDs sind an eine Wheatstone-Brückenschaltung angeschlossen, die auf den RTD abgestimmt ist. Diese Abstimmung erfolgt jedoch auf dem Prüfstand.
Was ist mit der Feldumgebung? Wir haben bereits die Leitungsdämpfungsschwierigkeiten besprochen, die Millivoltsignalen innewohnen (Kapitel 4). Dieses Problem wird in der RTD-Schaltung durch die Verwendung von einem oder zwei Sensoreingängen überwunden.
Diese Eingänge helfen, die Auswirkungen von Kupferverlusten aufgrund langer Leitungen und Temperaturschwankungen entlang dieser zu negieren und sind zusätzliche Drähte, die in das RTD-Kabel aufgenommen werden müssen, daher die Begriffe Dreidraht- und Vierdraht-RTDs.
d. Thermoelement
Wie wir besprochen haben, nutzt ein Thermoelement die elektromotorische Kraft (EMK), die durch Temperaturänderungen entsteht, die zwei ungleiche Metalle beeinflussen, die zusammen laminiert wurden.
Diese EMF manifestiert sich als Millivolt-Signal (DC). Wenn bestimmte Kombinationen dieser ungleichen Metalle verbunden werden, ergibt sich eine vorhersagbare Kurve von Temperatur zu Spannung, wenn sich die Temperatur an der Verbindungsstelle ändert.
Das Signal wird am offenen Ende der beiden Drähte gemessen und eine Millivolt-pro-Grad-Skala wird verwendet, um die Spannung in technische Einheiten umzurechnen.
Ein Thermoelement ist also ein Zweidrahtgerät. Es ist anfällig für abgestrahltes und induziertes Rauschen und wird daher normalerweise in einem abgeschirmten Kabel untergebracht, wenn es über eine sehr lange Distanz verlängert wird. Das Thermoelementsignal ist auch anfällig für Verschlechterungen durch Leitungsverlust, daher ist es wünschenswert, die Kabellänge zu minimieren.
Außerdem ist es wichtig, das richtige Verlängerungskabel zu verwenden. Ein Thermoelement wird normalerweise mit einer kurzen Pigtail-Verbindung geliefert, an die ein Verlängerungskabel angeschlossen werden muss. Wenn ein anderes Kabelmaterial, wie z. B. Kupfer, verwendet wird, um das Signal an die SPS zu verlängern, entsteht eine falsche „kalte Verbindung“, die eine umgekehrte elektromotorische Kraft verursacht, die das Signal teilweise aufhebt.
Daher sollte das richtige Verlängerungskabel verwendet werden, oder es muss ein Gerät namens Kaltstellenkompensator oder Eispunktreferenz zwischen der Kupferverdrahtung und der Thermoelementverdrahtung installiert werden.
Thermoelement-E/A-Module verfügen bereits über eine integrierte Kaltstellenkompensation, daher ist die Verwendung des richtigen Thermoelement-Verlängerungskabels erforderlich.
Bestimmte Thermoelementtypen weisen unterschiedliche Temperatureigenschaften auf. Ein Thermoelement vom Typ J wird durch die Verbindung eines Eisendrahts mit einem Konstantandraht gebildet.
Diese Konfiguration ergibt eine relativ lineare Kurve zwischen 0 und 750ºC.8 Ein Thermoelement vom Typ K besteht aus einem Nickel-Chrom-Draht, der mit einem Nickel-Aluminium-Draht verbunden ist, der manchmal auch Chromel/Alumel genannt wird.
Das Thermoelement vom Typ K deckt einen nutzbaren Temperaturbereich von -200 bis 1250ºC ab. Andere Kombinationen ergeben andere Reaktionskurven.
e. 0–10 Millivolt (mV) Analog
Analogsignale wurden zuerst durch Spannungsmodulation erzeugt. Früher erzeugte ein Sender ein schwaches Signal, das erfasst und dann gefiltert und verstärkt werden musste, damit es zum Bewegen eines Stifts auf einem Schreiber oder einer Nadel auf einem Messgerät verwendet werden konnte. Die Achillesferse des Millivoltsignals ist seine Anfälligkeit für elektrisches Rauschen.
Dieses Problem des Signal-Rausch-Verhältnisses wird mit der Kabellänge größer. Der Sender musste sich also in unmittelbarer Nähe des Anzeigegeräts oder Rekorders befinden.
Heutzutage werden Millivoltsignale im Großen und Ganzen an Wandler weitergeleitet, die das kleine Signal in einen Strom oder in andere Medien (wie digitale Datenwerte) umwandeln, die weniger anfällig für Rauschen und Dezibelverluste (dB) sind, bevor sie die Nähe des Sensorelements verlassen. Einige Rekorder und Datenerfassungssysteme arbeiten jedoch immer noch mit dem Millivoltsignal.
f. 4–20 Milliampere (mA) Analog
Das Bestreben, die Leitungsdämpfungsmängel des Millivoltsignals zu überwinden, führte zur Entwicklung der 4–20 mA-Stromschleife.
Aufgrund der stark verbesserten Leistung wurde diese Methode zur Übertragung analoger Signale schnell zum Industriestandard. Die meisten Feldinstrumente auf dem Markt haben ein Sensorelement (Sensor) und ein Übertragungselement.
Der Sender ist auf den Sensor abgestimmt, der jede Art von Signal von frequenzmoduliertem Analogsignal bis zu Millivolt-Gleichstrom liefern kann.
Unabhängig von der Signalform interpretiert der Sender es und wandelt es in einen Ausgangsstrom zwischen 4 und 20 mA um, der innerhalb dieses Bereichs in der Größe proportional zum Eingang ist. Der Prozess der Abstimmung des Ausgangs auf den Eingang wird als Skalierung bezeichnet.
Somit wird der Sender zu einer sogenannten variablen Stromquelle. So wie eine Batterie als Spannungsquelle versucht, eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten, unabhängig von der Menge der angelegten Last, versucht die Stromquelle, einen konstanten Strom (für ein gegebenes Eingangssignal) aufrechtzuerhalten, unabhängig von der Last.
Da der Strom an allen Punkten eines Reihenschaltkreises gleich ist, wird das Problem der Kabellänge – wie bereits als Problem mit dem Millivoltsignal erwähnt – aufgehoben.
Natürlich kann die Fähigkeit des Geräts, einen konstanten Strom durch einen Schaltkreis zu zwingen, überwunden werden, wenn genügend Last angelegt wird. Daher muss der Entwickler wissen, wie viel Energie die Stromquelle erzeugen kann.
Im Allgemeinen können heutige Instrumente 20 mA bei einem Stromkreiswiderstand von 1000 Ohm aufrechterhalten. Da ein typisches Instrument nicht mehr als 250 Ohm Eingangswiderstand hat, ist es möglich, mehrere Instrumente von einer einzigen Stromquelle aus zu versorgen, ohne dass ein Isolator erforderlich ist.
Beispielsweise sollte ein einzelner Sender in der Lage sein, sein Signal an eine SPS, einen Diagrammschreiber und einen Summierer zu einem Preis von 750 Ohm zuzüglich des Leitungswiderstands zu übermitteln. Dies sollte immer noch im Komfortbereich eines typischen Senders liegen.
Hinweis: Es gibt immer noch Instrumente mit 600 Ohm-Bewertungen auf dem Markt, daher sollte der Entwickler immer prüfen, wann immer ein komplexer Stromkreis in Betracht gezogen wird.
Um die dem Stromkreis zur Verfügung stehende Energie zu bestimmen, muss der Entwickler in der Lage sein, den Anbieter dieser Energie zu identifizieren. Diese Aufgabe ist manchmal nicht so einfach, wie sie erscheinen mag, und die Antwort auf die Frage hat große Auswirkungen auf die Verdrahtung des Stromkreises.
Es gibt zwei Haupttypen analoger Stromkreise, wie aus der Sicht des Senders beschrieben. Transmitter mit zwei Drähten gelten als passive Geräte, die Strom aufnehmen, während Transmitter mit vier Drähten aktive Geräte sind, die Strom liefern.
Die folgende Abbildung zeigt drei Temperaturtransmitter, die jeweils an unterschiedliche E/A-Punkte auf demselben SPS-Modul angeschlossen sind.
Ein Transmitter wird direkt mit Strom versorgt (d. h. vier Drähte), während die anderen indirekt mit Strom versorgt werden (d. h. zwei Drähte). Jeder Transmitter ist an ein Steuergerät angeschlossen – in diesem Fall an einen SPS-Eingang.
Aus Sicht der SPS sind alle 4–20 mA-Stromeingänge eigentlich Spannungseingänge. Widerstände, entweder vom Benutzer bereitgestellte externe, wie hier gezeigt, oder interne, werden verwendet, um den Strom in eine Spannung umzuwandeln.
Die Computerpunkte selbst sind eigentlich hochohmige Voltmeter, die ihnen eine hervorragende Isolierung von den Feldgeräten bieten und die zusätzliche Belastung des Eingangskreises minimieren.
Die E/A-Punkte auf der SPS werden mit interner Stromversorgung für jeden Punkt angezeigt, sodass das Modul die Spannungsquelle für die Schleife sein kann.
Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Erläuterung der Unterschiede zwischen Zweidraht- und Vierdrahtgeräten:
1. Vierdrahtschaltung
Wie unten zu sehen ist, ist ein Vierdrahtsender ein Sender, der die Energie liefert, um die Schleife mit Strom zu versorgen und das strommodulierte Signal zu erzeugen.
Die meisten Füllstandssender sind beispielsweise Vierdrahtgeräte. Vierdrahtgeräte haben immer zusätzlich zu den Signalanschlüssen Stromanschlüsse. Doch nicht alle derartigen mit Strom versorgten Sender sind Vierdrahtgeräte.
Wenn der Ausgang eines mit Strom versorgten Senders als passiv gekennzeichnet ist, kann das Gerät vom Standpunkt des Signalkreises aus als Zweidrahtgerät behandelt werden.
Die meisten Aufzeichnungsgeräte werden extern mit Strom versorgt, sind aber im Stromkreis passiv. In diesen Fällen ist die externe Stromversorgung nur für die interne Elektronik des Geräts bestimmt.
Der Signalkreis ist von dieser Stromquelle isoliert. Beachten Sie, dass der im unteren Stromkreis gezeigte Rekorder ein mit Strom versorgtes, passives Gerät ist.
2. Zweidrahtschaltung
Ein Zweidrahtgerät wird als schleifengespeist bezeichnet. Das heißt, das Gerät funktioniert, indem es die Energie absorbiert, die es zum Generieren des Signals aus der Stromschleife benötigt.
Dies wird auch als „Stromsenke“ bezeichnet. Diese Nomenklatur kann etwas verwirrend sein, da ein stromsenkender Sender immer noch die Signalquelle für den Schaltkreis ist. Die Stromversorgung für die Stromschleife erfolgt woanders.
Ein als Zweidrahtsender klassifizierter Sender muss in Bezug auf den Stromfluss normalerweise das erste Gerät im Schaltkreis sein.
Mit anderen Worten muss der Pluspol des Senders direkt mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden sein. Die Spannungsquelle ist normalerweise eine 24-VDC-Stromversorgung.
(a) Zweidrahtstromkreise mit eigenständiger Stromversorgung
In Bezug auf die obige Abbildung zeigt SPS-E/A-Punkt 2 einen Zweidrahtstromkreis mit einer externen Gleichstromversorgung.
Beachten Sie, dass die Drähte (polaritätsmäßig) an der SPS gerollt werden müssen, damit die richtige Polarität über den E/A-Punkt vorhanden ist.
Das liegt daran, dass der Stromfluss im Vergleich zum vorherigen Beispiel nun umgekehrt ist, da der Sender die erste Last in der Schleife werden muss und nicht die Energiequelle für die Schleife sein darf.
(b) Zweidrahtschaltungen mit interner SPS-Stromversorgung
Die meisten heutigen SPS-Systeme können den Schleifenstrom selbst erzeugen, indem sie einfach den Pluspol des Senders mit einem anderen Anschluss an der SPS verbinden.
Der Minuspol des Senders wird dann mit der Plusseite des E/A-Punkts verbunden und die Minusseite des E/A-Punkts wird mit dem DC-Masseanschluss des SPS-Systems überbrückt.
Dies ist im Beispiel E/A-Punkt 3 dargestellt. In diesem Beispiel wurde der Schleife ein Rekorder hinzugefügt.