Anschlussanleitung für 4-20-mA-Drucktransmitter: Erläuterungen zu 2-, 3- und 4-Draht-Anschlüssen

Ein industrieller Drucktransmitter (4–20 mA) nutzt eine Stromschleife, um Druckmesswerte über eine größere Entfernung zu übertragen. Dies wird einem reinen Spannungssignal vorgezogen, um Genauigkeitsverluste zu vermeiden. Stromschleifen unterdrücken elektrische Störungen durch Fabrikmaschinen und ermöglichen so, dass die Leitwarte unabhängig von der Entfernung des Sensors zum Kontrollraum stets saubere Daten erhält.

Wie eine 4-20mA-Stromschleife in der realen Welt funktioniert

Bei der Überwachung des Rohrleitungsdrucks verlaufen die Sensorleitungen häufig an Schweißgeräten und Hochspannungsmotorkabeln vorbei. Wird ein 0,10-V-Signal über diese Distanz gesendet, reduziert der Innenwiderstand der Leitung die Spannung, bevor sie den Kontrollraum erreicht. Daher kann ein Messwert von 5 V beispielsweise als 4,7 V auf dem Display angezeigt werden. Zusätzlich können Magnetfelder in der Nähe statische Aufladungen in die Leitung einspeisen und die Messung verfälschen.

Eine Stromschleife umgeht dieses Problem, indem sie einen präzisen Strom durch den Draht leitet. Dieser kann zwischen 4 mA (Nulldruck) und 2 mA (Vollausschlag) liegen. Da der Strom an jedem Punkt der Schaltung konstant bleibt, liest der Regler unabhängig vom Abstand des Sensors denselben Wert aus.

Sobald Sie diesen Teil verstanden haben, geht es im nächsten Schritt um die korrekte Verkabelung. Ein übersichtlicher Schaltplan für einen 4-20-mA-Drucktransmitter kann Sie vor der Kabelverlegung vor Beschädigungen der Eingangskarte oder Erdschleifen bewahren.

Die Zwei-Draht-Schleife: Strom und Signal auf denselben Leitungen

Eine Zweidraht-Verkabelung ist denkbar einfach. Das gleiche Drahtpaar erfüllt zwei Funktionen: Es versorgt den Sensor mit 24 V Gleichstrom und leitet das 4–20 mA-Signal zurück zum Bedienfeld.

Dieses 2-Draht-4-20mA-Schaltbild zeigt, wie sich das in der Praxis auswirkt.

Die positive Zuleitung vom Netzteil wird direkt an den Pluspol des Sensors angeschlossen. Der negative Anschluss des Sensors wird dann über den Analogeingang der SPS mit Masse verbunden. Da keine zusätzliche Verkabelung erforderlich ist, gilt diese Methode als kostengünstig in der Installation.

Das sind drei Verbindungen am Klemmenblock: der positive Anschluss (V+) der 24V-Versorgung an den positiven Anschluss (L+) des Messumformers, der negative Anschluss (L-) des Messumformers an den positiven Anschluss (AI+) der SPS-Karte und der negative Anschluss (AI-) der SPS-Karte zurück an den gemeinsamen negativen Anschluss (V-) der Versorgung, wodurch der Stromkreis geschlossen wird.

Die 3-Draht- und 4-Draht-Konfigurationen: Umgang mit helleren Displays

Manchmal benötigt ein Sensor mehr Strom, als die üblichen 4 mA liefern können, üblicherweise aufgrund eines hellen Displays oder lokaler Datenverarbeitung im Gerät. In diesem Fall benötigen Sie drei oder vier statt zwei Drähte.

Bei einer 3-Draht-Konfiguration wird eine gemeinsame Masse für Stromversorgung und Signal verwendet. Eine separate Stromversorgungsleitung und eine Masseleitung versorgen das Display und die Elektronik des Sensors mit Strom, während eine dritte Leitung das 4-20-mA-Signal zur SPS führt und dabei dieselbe Masse nutzt, um den Stromkreis zu schließen. Am Klemmenblock: Pluspol der Stromversorgung (V+) an den Stromversorgungseingang (Vcc) des Sensors, Minuspol der Stromversorgung (V-) an die Masse (GND) des Sensors und eine Drahtbrücke von dieser Masse zum negativen Masseanschluss (AI-) der SPS. Das Signal des Sensors wird direkt an den positiven Eingang (AI+) der SPS angeschlossen.

Eine 4-Draht-Konfiguration trennt Stromversorgung und Signal vollständig. Zwei Drähte führen ausschließlich die Stromversorgung (24 V DC oder 110/220 V AC), während die anderen beiden isoliert bleiben und ausschließlich die 4-20-mA-Messung übernehmen. Dadurch werden Spannungsspitzen von der Steuerelektronik ferngehalten. Die externen Versorgungsleitungen werden an die Stromanschlüsse des Sensors angeschlossen, und die Signalanschlüsse + und - des Sensors werden direkt mit den Anschlüssen AI+ und AI- der SPS verbunden, wobei ein sicherer Abstand zu gemeinsamen Masseleitungen der Stromversorgungsseite eingehalten wird.

Die meisten Schleifenprobleme lassen sich auf eine der folgenden Ursachen zurückführen: eine an beiden Enden geerdete Abschirmung anstatt nur an einem, wodurch eine Masseschleife entsteht, die ein sauberes Signal verfälscht; ein Netzteil, das unter Last keine 24 V halten kann, was zu einer Drift der Messwerte führt, die bei 3- und 4-Draht-Sensoren deutlicher wahrnehmbar ist, da die Displays zusätzlichen Strom ziehen; oder eine Fehlanpassung der SPS-Eingangsimpedanz, da die Schleife 250 Ohm erwartet, um sauber in ein für die SPS lesbares Signal umgewandelt zu werden.

Auswahl eines isolierten SPS Analoges I/O-Modul

Wenn eine Regelschleife mit starkem Hintergrundrauschen zu kämpfen hat, ist die analoge Eingangskarte auf der SPS-Seite genauso wichtig wie der Sensor. Einige Punkte sollten vorher überprüft werden.

Die meisten Standardkarten bieten lediglich Gruppenisolation, wodurch sich Masseschleifen zwischen benachbarten Kanälen ausbreiten und Messwerte verfälschen können. Was Sie jedoch benötigen, ist eine Kanal-zu-Kanal-Isolation mit einer Nennspannung von mindestens 500 V AC oder 700 V DC, damit Spannungsspitzen an einem Sensor nicht in das restliche Netzwerk gelangen. 

Prüfen Sie, ob die Eingangsimpedanz der Karte tatsächlich 250 Ohm beträgt, da diese für die saubere Umwandlung eines 4–20-mA-Signals in den 1–5-V-Bereich erforderlich ist, den die SPS intern verarbeitet. Dimensionieren Sie die Kanalanzahl entsprechend der zukünftigen Anforderungen des Panels, nicht nur für den aktuellen Stand: Eine isolierte 8-Kanal-Karte, wie beispielsweise eine Siemens SIMATIC S7-1200 Mit einem SM 1231 oder einem Mitsubishi MELSEC-F Modul bleibt Platz für die spätere Integration von Sensoren, ohne dass jetzt Schienenplatz beansprucht wird.

Autonics PSAN Drucksensoren

NennstromverbrauchMax. 50 mA, Max. 75 mA
Betriebsspannung12–24 V Gleichstrom
Ansprechzeit: 2,5 ms, 5 ms, 100 ms, 500 ms, 1000 ms
Luftfeuchtigkeitsbereich: 30 bis 80% RH

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