Die Unverzichtbaren  Trennschaltverstärker und Messumformer für Punkt-zu-Punkt-Anwendungen

Mit der überarbeiteten Gerätefamilie MACX Analog Ex, VIP I/O-Marshalling, Mini Analog Pro und den neuen Komponenten der Baureihe Mini Analog Pro mit Eigensicherheit und funktionaler Sicherheit (SIL3 1oo1) stellt Phoenix Contact hier ein umfassendes Programm an Trennschaltverstärkern und Messumformern zur Verfügung. Bei der Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung von Messumformern werden die einzelnen Komponenten direkt miteinander gekoppelt, ohne dass ein Ethernet- oder Feldbussystem zum Einsatz kommt. Jeder Messumformer ist also separat mit den entsprechenden Sensoren und Aktoren zu verbinden. Selbst im Zeitalter von Industrie 4.0 findet neben den Punkt-zu-Bus- und Bus-zu-Bus-Lösungen weiterhin eine Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung Anwendung, um Si­gnale in der Mess-, Steuer- und Regeltechnik zu übertragen, zu wandeln und zu verstärken. Mit der Hart-Technologie lassen sich zusätzliche Informationen aus den Feldgeräten über die 4…20mA-Leitung abrufen und an die Steuerung weiterleiten.

Die Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung zeichnet sich durch verschiedene Vorteile aus. Da keine Bussysteme benötigt werden, erweist sich die Umsetzung der Verdrahtung als unkompliziert. Weiter lassen sich bei Änderungen oder Erweiterungen des Systems einzelne Komponenten problemlos hinzufügen oder entfernen, ohne dass dies Auswirkungen auf andere Teile des Systems hat. Zudem ist die Fehlersuche und Wartung im Vergleich zu Punkt-zu-Bus- oder Bus-zu-Bus-Applikationen einfach. Und zuallerletzt weist die Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung eine geringere Störanfälligkeit und weniger Ausfälle auf, weil die Komponenten direkt miteinander gekoppelt sind.

Als nachteilig zeigt sich die Verdrahtung, denn jedes Gerät muss an die Steuerung angeschlossen werden. Dieser negative Aspekt lässt sich durch die Verwendung des Termination Carriers von Phoenix Contact eliminieren. Über ein Stammkabel des Modulträgers zur SPS kann der Anwender bis zu 32 Signale an die Steuerung anbinden.

Das Funktionsspektrum

Wie bereits beschrieben, besteht die wesentliche Aufgabe der Trennschaltverstärker und Messumformer darin, elektrische Signale sicher zu isolieren, zu filtern, zu verstärken und umzuwandeln. Im Detail handelt es sich um folgende Funktionen:

Signalverstärkung

Eine Signalverstärkung wird immer dann benötigt, wenn ein Signal zu schwach ist und von der angekoppelten Auswerteeinheit nur verfälscht oder gedämpft registriert
werden kann.

Ein Beispiel: Ohne den Verstärker wäre die am Messsignalgeber angebundene Last/Bürde mit 320 Ohm höher als seine zulässige Höchstlast von 300 Ohm. Der Messsignalgeber kann diese Bürde nicht treiben, das Messsignal würde verfälscht. Durch das Einfügen eines Verstärkers beträgt die an den Messsignalgeber angeschlossene Last mit 70 Ohm weniger als seine zulässige Höchstlast von 300 Ohm. Der Eingangswiderstand der Auswerteeinheit von 300 Ohm belastet den Verstärkerausgang ebenfalls nicht, da er eine Bürde von bis zu 500 Ohm treiben kann. Das Messsignal wird nicht verfälscht.

Konvertierung in ein Normsignal

Analoge Sensorsignale lassen sich in einem Interface-Baustein je nach Messaufgabe in eines der Normsignale wandeln. Dabei muss das Ergebnis der Umsetzung proportional zum erfassten Eingangswert sein, um die Messung nicht zu verzerren. Der Sensor oder Transmitter liefert beispielsweise ein 4…20mA-Normsignal. Die Auswerteeinheit erfordert jedoch ein 0…10V-Signal. Der zwischen den Transmitter und die Auswerteeinheit geschaltete Normsignalwandler nimmt die notwendige Anpassung vor.

Filterung

In den Leitungen zur Messwertübertragung können Störspannungen auftreten, zum Beispiel durch elektromagnetische Induktion oder die Einwirkung hochfrequenter Signale, wie sie etwa von Frequenzumrichtern in industriellen Umgebungen erzeugt werden. Die Störungen erweisen sich als besonders ausgeprägt, sofern Spannungssignale betroffen sind. Ein Beispiel: Der Trennverstärker mit Filterfunktion erkennt und unterdrückt Störspannungen in einem weiten Frequenzspektrum. Darüber hinaus ist es hilfreich, verdrillte oder geschirmte Leitungen einzusetzen. Verdrillte Leitungen unterstützen bei der Verringerung der induzierten Störspannung. Durch geschirmte Leitungen werden elektrische Felder zusätzlich reflektiert und absorbiert. Zur weiteren Vorbeugung gegen die genannten Störungen sollte die Umsetzung eines Spannungssignals in ein Stromsignal erfolgen.

Galvanische Trennung

Eine galvanisch getrennte Signalverbindung wird als potentialfreie Verbindung bezeichnet, weil über sie keine Ausgleichsströme zwischen den Potentialunterschieden fließen. Die galvanische Trennung der Feld- und Steuerstromkreise hat sich in der Anlagen- und Prozessindustrie als Standard etabliert. Beispiel: Der Transmitter und die Auswerteeinheit sind geerdet, weisen allerdings unterschiedliche Erdpotentiale auf. Ein Ausgleichsstrom Ig fließt durch die entstandene Erdstromschleife und verfälscht somit das Messsignal I1. Nach dem Einfügen eines galvanischen Signaltrenners – beispielsweise eines Übertragers – in die Anschlussleitungen für das Messsignal fließt kein Ausgleichsstrom Ig mehr. Erfasst wird das mit dem Messsignal I1 identische I2.

Leitungsüberwachung

Die Leitungsüberwachung ist als zusätzliche Funktion in viele Interface-Bausteine integriert. Eine nähere Spezifikation der Überwachungsfunktion auf Leitungsunterbrechung und Kurzschluss findet sich in den Namur-Empfehlungen NE 21 der Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie. Die Grafik zeigt schematisch, wie eine Leitungsüberwachung auf dem gesamten Signalübertragungsweg vom Sensor bis zur Auswerteeinheit genutzt wird. Dabei sorgt der 400…2kΩ-Widerstand für einen Maximalstrom bei geschlossenem Schalter, der kleiner als der Kurzschlussstrom ist. Der 10kΩ-Widerstand stellt einen Ruhestrom bei geöffnetem Schalter sicher. Bei einem Leitungsbruch beläuft sich der Strom auf null.

Die Anwendungsbereiche

In welchen Applikationen werden die beschriebenen Aufgaben nun benötigt? Tatsächlich gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in den verschiedenen industriellen Bereichen – von der Chemie-, Öl- und Gasindustrie über die Infrastruktur und die Zementindustrie bis zum Maschinenbau und den erneuerbaren Energien. Zu den erneuerbaren Energien zählen die Wind- und Solarenergie-Branche sowie die immer wichtiger werdende Herstellung von Wasserstoff.

Industrielle Prozesssteuerung

Trennschaltverstärker und Messumformer sind oftmals in industriellen Applikationen zu finden, wo sie die analogen Signale der Sensoren oder Messgeräte isolieren, wandeln und verstärken. Dies erlaubt eine präzise und zuverlässige Überwachung und Steuerung von Prozessen.

Energie-Monitoring

Die Geräte werden auch zur Energieüberwachung verwendet. Durch die Isolierung und Verstärkung der elektrischen Signale von Strom- und Spannungssensoren lässt sich der Energieverbrauch in Gebäuden und industriellen Anlagen genau messen und kontrollieren.

Monitoring von Prozessgrößen

Ein weiterer Einsatzbereich der Trennschaltverstärker und Messumformer besteht in der Überwachung der Sensorsignale für die Temperatur, Feuchtigkeit sowie den Druck und die Drehzahl. Auf diese Weise ist eine exakte Kontrolle der Prozesse möglich.

Das umfassende Portfolio der Geräteserie MACX Analog, das nahezu sämtliche Anwendungsgebiete abdeckt, entspricht ferner dem neusten Normenstand im Hinblick auf den Explosionsschutz mit ATEX- und vielen internationalen Zulassungen – zum Beispiel IECEX, KC-S, UL, Inmetro, CCC oder UKCA – sowie Zertifizierungen für die funktionale Sicherheit (SIL, PL) und den maritimen Bereich (DNV). Ergänzt wird das Produktspektrum durch die Baureihe Mini Analog Pro, die jetzt ebenfalls mit der Zündschutzart Ex i und funktionaler Sicherheit bis SIL3 1oo1 erhältlich ist. Phoenix Contact bietet somit für fast alle Punkt-zu-Punkt-Anwendungen die passenden Trennverstärker- und Messumformer-Lösungen.