Analoge Messwerterfassung — Lösungen rund um die Steuerung Wie sich Verfälschungen analoger Signale vermeiden lassen

Die Anforderungen an eine sichere und wirtschaftliche Signalanpassung sind vielfältig und verlangen nach entsprechenden Lösungen. Genau hier liegt die Stärke der Analogtechnik, die seit Jahren erfolgreich etwa in der Fabrikautomation, Prozesstechnik und Anlagentechnik eingesetzt wird. Denn mittels analoger Messwerterfassung lassen sich Herstellungskosten senken und die Verfügbarkeit der Maschinen und Anlagen erhöhen.

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WAGO GmbH & Co. KG

Ein grundlegender Aspekt für den Erfolg der Analogtechnik ist die galvanische Trennung. Analoge Normsignale mit Stromsignalen von 0 bis 20 mA und 4 bis 20 mA sowie insbesondere Spannungssignale von 0 bis 10 V sind bei der Übertragung in industriellen Umgebungen besonders störanfällig. Hier können zahlreiche Probleme auftreten, die den idealen Prozessablauf hemmen oder sogar verhindern. Deshalb ist es notwendig die Verfälschungen der analogen Signale durch externe Störgrößen zu vermeiden.

Um diesen Problemstellungen wirksame Lösungen entgegenzuhalten, werden Trennverstärker eingesetzt, die den Prozess sicherer gestalten und gleichzeitig die Übertragungsqualität und damit die Güte des Regelkreises verbessern. Genau für diese Aufgaben hat Wago die JUMPFLEX-Messumformer und -Trennverstärker der Serie 857 entwickelt. Die Trennverstärker verfügen dazu über vier grundsätzliche Funktionen: Signalumsetzung, Signalverstärkung, Signalfilterung und Signaltrennung.

Signalumsetzung

Die Signalumsetzung wird notwendig, wenn sich beispielsweise das vom Messaufnehmer bereitgestellte Signal von der Steuerung nicht verarbeiten lässt. Der Trennverstärker wandelt dann das Sensor-Signal in ein für die Steuerung lesbares Signal um. Eine typische Applikation stellt den Anwender vor die folgende Aufgabe: Der eingebaute Sensor liefert ein Signal von 4 bis 20 mA, die Steuerung benötigt jedoch ein 0 bis 10V-Signal. Ein Trennverstärker kann dieses Problem lösen, indem er eine proportionale Signalumsetzung von 4 bis 20 mA auf 0 bis 10 V realisiert.

Signalverstärkung und Signalfilterung

Müssen lange Leitungswege überbrückt oder große Bürden getrieben werden, ist es notwendig, eine Signalverstärkung zu realisieren. Der Trennverstärker benötigt nur eine geringe Eingangsleistung und stellt ausgangsseitig eine große Leistung zur Verfügung. Das bietet dem Anwender den großen Vorteil, nicht ortsgebunden zu sein und den Messumformer sowohl am Anfang des Messkreises einzusetzen — und durch die große Ausgangsleistung das Signal entsprechend zu verstärken — als auch am Ende der Leitung, durch die geringe Eingangsleistung zur Signalauffrischung zu benutzen.

Gerade bei diesen Applikationen mit langen Leitungsstrecken oder in rauer Umgebung muss mit induktiven oder kapazitiven Störungen im Messkreis gerechnet werden. In einem solchen Fall sorgt die galvanische Trennung für eine sichere Signalübertragung zwischen Feld und Steuerung. Das zu verarbeitende, jedoch mit Störungen behaftete Signal, wird durch die Signalfilterung mit einem internen Filter im Eingang des JUMPFLEX-Trennverstärkers von den Störungen befreit und an die überlagerte Steuerung weitergegeben. Dabei ist es unerheblich, in welchen Frequenzbereichen (z.B. bei Frequenzumrichter-Betrieb) sich die eingekoppelten Signale befinden. Die Trennverstärker verfügen über — per DIP-Schalter umschaltbare — Tiefpassfilter, die auftretende Störungen sicher herausfiltern.

Signaltrennung

Die Hauptursache für Verfälschungen analoger Signale sind auftretende Potenzialdifferenzen. Mit zunehmender Länge der Übertragungsstrecke steigt der Erdwiderstand. So können Unterschiede von bis zu 200 V entstehen. Die Signaltrennung schützt gegen Auswirkungen dieser Erdschleifen, denn ein JUMPFLEX-Trennverstärker (z.B. 857-400) kann die Entstehung einer Erdstromschleife durch die Funktion der galvanischen Trennung verhindern.

Die Erdstromschleifen können bei Signalen mit Massebezug Verfälschungen verursachen, da bestimmte Teile des Signals nicht über die Analogstrecke, sondern über die Erde übertragen werden. Somit kommt es zu einer fehlerhaften Auswertung des Signals. Die galvanische Trennung des Eingangskreises zum Ausgangskreis bricht diese Erdschleife auf und ermöglicht eine einwandfreie Signalübertragung. Es werden auch kleinere Überspannungen mit geringerem Energieniveau, die beispielsweise durch Schalthandlungen auftreten könnten, sicher abgeleitet. Zusätzlich wird die ausgangsseitig nachgeschaltete Steuerung durch die galvanische Trennung geschützt.

Eine weitere Ursache für Potentialdifferenzen sind verkettete Messkreise, bei denen die Bezugsspannung durch das Zusammenschalten mehrerer Signalkreise angehoben wird. Durch den Einsatz von Trennverstärkern wird dieses Problem behoben, da deren galvanische Trennung den Einfluss der unterschiedlichen Bezugsspannungen beseitigt.

Die JUMPFLEX-Messumformer der Serie 857 bieten gerade in dieser Hinsicht einen soliden Beitrag zur Anlagensicherheit, indem eine galvanische 3-Wege-Trennung zwischen Eingangs-, Ausgangs- und Versorgungsspannung mit Prüfspannungen von 2,5 kV realisiert wird.

Neben der reinen Analogverarbeitung werden häufig auch Temperatursignale verarbeitet, die bei JUMPFLEX ebenfalls mit 2,5 kV galvanisch getrennt werden. Gleichzeitig lässt sich eine Anpassung des Eingangs-Messbereiches von beispielsweise –50 bis +300°C auf das für die SPS-Steuerung lesbare Normsignal von beispielsweise 4 bis 20 mA umsetzen. Die Art des verwendeten Sensors und der benötigte Messbereich spielen hier zunächst keine Rolle. Diese Werte sind abhängig von der jeweiligen Applikation schnell und einfach per DIP-Schalter (oder bei einigen Geräten zusätzlich komfortabel per Software) konfigurierbar, um eine optimale Abbildung des zu erfassenden Prozesses zu gewährleisten.

Auf einen Blick

Die analoge Messumformung optimiert den Signalweg zwischen einer Steuerung und den darum verteilten Sensoren und Aktoren. Mit JUMPFLEX-Messumformern von Wago werden Aufgaben wie Wandeln, Verstärken, Filtern und Trennen einfach und wirtschaftlich gelöst. Dabei ist es unerheblich, ob Informationen in binärer, analoger oder serieller Form übertragen werden. Die gesamte Bandbreite an Anwendungen rund um die Steuerung wird komplett abgedeckt. Innovative Lösungen für sämtliche Applikationen sollen sich auch in Zukunft durch intelligente, kostenoptimierte und präzise analoge Messumformer weiter ausbauen lassen.

Christoph Heidenreich, Leitung Produktmanagement Interfacetechnik, Wago

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