Trennverstärker und Messumformer platzsparend integrieren Digitale Kommunikation trifft analoge Signalverarbeitung

Wenn es um die Planung, Installation und Wartung von Schaltanlagen geht, präferieren die Anwender seit Jahrzehnten die 4...20-mA-Technik. Instandhalter schwören auf die etablierte Technologie, weil sich die Fehlersuche in 4...20-mA-Stromschleifen einfach gestaltet und ohne besonderes Equipment möglich ist. Des Weiteren wird auf dem Markt fast jede Art von Sensorik mit integriertem 4...20-mA-Transmitter angeboten.

In der Mess-, Steuer- und Regeltechnik (MSR-Technik) setzt sich ein Regelkreis wie folgt zusammen: Die im Feld befindliche Sensorik nimmt eine physikalische Größe auf und wandelt diese in ein analoges, elektrisches Signal, das wiederum von der zentralen Steuereinheit im Schaltschrank verarbeitet und abschließend an die Aktorik weitergeleitet wird. Als Bindeglied zwischen Feldsensorik und Leitebene fungieren Trennverstärker und Messumformer. Diese Geräte kommen insbesondere dort zum Einsatz, wo mit Potentialunterschieden zu rechnen ist, die zum Beispiel aufgrund räumlich weit verteilter Anlagenteile entstehen. Trennverstärker und Mess­umformer werden darüber hinaus zur Konvertierung in ein für die Eingangskarten erforderliches Eingangssignal verwendet. Ein typisches Beispiel ist die Erfassung von Temperaturen durch Widerstandsthermometer.

Die zentrale Steuereinheit bilden in der Regel speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) oder Prozessleitsysteme (PLS). Allerdings fügen die Anwender gerade bei größeren, räumlich verteilten Anlagen vor der eigentlichen Steuerungsebene eine sogenannte IO-Ebene ein. Diese sammelt die Feldsignale und sendet sie gebündelt über ein digitales Kommunikationsprotokoll – beispielsweise Profinet, Modbus RTU/TCP oder Ethernet/IP – an die Steuerung. Daher erweist sich der anfangs beschriebene Aufbau in der Realität häufig als weitaus komplexer.

Verzicht auf Interface-Module keine Lösung

Um das Signal eines Messpunkts in diesem Umfeld an die Steuerung zu übertragen, bedarf es also eines erheblichen Verdrahtungsaufwands. Zunächst gilt es, die Signalleitungen der Feldgeräte an die Eingänge der Trennverstärker anzuschließen. Danach werden vom Ausgang des Trennverstärkers zwei Leitungen zur IO-Ebene verlegt. In Summe ergeben sich nur für diese Signalkette somit acht Anschlusspunkte. Wird das Szenario nun auf umfangreiche und deshalb komplexe Systeme mit einer Vielzahl von Feldgeräten skaliert, verdeutlicht sich die Problematik: Der Anwender sieht sich sowohl mit einem erhöhten Kosten- und Zeitaufwand als auch mit einer nicht zu unterschätzenden Fehleranfälligkeit konfrontiert. Außerdem muss er noch eine Busleitung von der IO-Ebene bis zur eigentlichen Steuerung ziehen, in der dann die Signalverarbeitung erfolgt.

Neben dem großen Verdrahtungsaufwand wird ein weiterer Nachteil dieses Aufbaus deutlich: der hohe Platzbedarf. Aufgrund der Interface-Technik und der IO-Ebene für beispielsweise acht Signale muss der Anwender vor der Steuerung üblicherweise etwa 15 cm zusätzlichen Raum auf der Hutschiene einplanen. Vor diesem Hintergrund und wegen der höheren Initialkosten wird daher heute in zahlreichen Applikationen auf die Nutzung von Interface-Modulen verzichtet.

Die daraus resultierende Platzersparnis relativiert sich jedoch schnell, denn es müssen signalspezifische IO-Karten angeschafft werden. Ferner reduziert sich die Flexibilität bei einer Änderung des Aufbaus und dessen Instandhaltung. Als weiterer Nachteil ist die fehlende galvanische Trennung pro Kanal anzuführen. Die Eingänge der Baugruppe können folglich durch äußere Stör- und Einflussgrößen beeinträchtigt werden.

Installation und Service deutlich vereinfacht

Wie lassen sich also die Vorteile der klassischen analogen Verarbeitung von Messsignalen mit denen der digitalen Kommunikation anwendergerecht, galvanisch getrennt und platzsparend kombinieren? Die kompakten Trennverstärker Mini Analog Pro mit Bus- und Netzwerkanbindung werden dieser Herausforderung gerecht. Die 2014 von Phoenix Contact vorgestellte Produktfamilie weist unter anderem eine hohe Benutzerfreundlichkeit auf. Eine frontale Ausrichtung aller Anschlusspunkte sowie die patentierte steckbare Anschlusstechnik Fastcon Pro sind nur einige Aspekte, die zu einer einfachen und schnellen Installation beitragen.

Die unterbrechungsfreie Strommessung im laufenden Betrieb unterstützt darüber hinaus den zeitsparenden Serviceeinsatz vor Ort. Gleiches gilt für die großzügigen Beschriftungsflächen und Statusanzeige-LEDs am Gerät, das trotzdem lediglich 6,2 mm schmal ist. Sämtliche Module der Produktfamilie Mini Analog Pro sind funktional für die klassische Art der Signalverarbeitung konzipiert: Ein analoges Eingangssignal – wie das zuvor erwähnte 4...20-mA-Signal – wird galvanisch getrennt in ein analoges Ausgangssignal übertragen.

60 Prozent Platzersparnis auf der Hutschiene

Die neuen Kommunikationsmodule der Mini-Analog-Pro-Baureihe erlauben jetzt die direkte Anbindung von analogen Trennverstärkern an serielle Übertragungsprotokolle. Zu diesem Zweck werden die Fastcon-Stecker bei bis zu acht Mini-Analog-Pro-Modulen auf der Ausgangsseite entfernt und danach der Bus-/Netzwerkadapter aufgerastet. Das Kommunikationsmodul digitalisiert anschließend die Ausgangssignale der Trennverstärker und Messumformer, sodass die Signale direkt aus der Interface-Ebene an das Leitsystem oder die Steuerung weitergeleitet werden können. Dies ermöglicht eine hohe Modularität, denn im Rastermaß von 6,2 mm lassen sich beliebige Kombinationen von Normsignalen realisieren.

Bei einem solchen Aufbau kann die IO-Ebene in vielen Fällen vernachlässigt werden. Das senkt den Verdrahtungsaufwand und die anfallenden Kosten erheblich, weil beispielsweise bei acht Trennverstärkern 16 Leitungen respektive 32 Anschlüsse nicht mehr verdrahtet werden müssen. Als weiterer positiver Nebeneffekt treten durch die Plug-and-Play-Fähigkeit der Lösung deutlich weniger Installationsfehler im System auf. Die Praxis zeigt, dass sich bei Verwendung der Trennverstärker der Produktfamilie Mini Analog Pro in Kombination mit dem passenden Bus-/Netzadapter mehr als 60 Prozent Platz auf der Hutschiene einsparen lässt.

Übertragung großer Datenmengen

Auch für Anwender, die bislang auf die Nutzung von Interface-Modulen verzichtet haben, ergeben sich Vorteile. So ersetzen die Trennverstärker und Messumformer der Baureihe Mini Analog Pro in Verbindung mit dem entsprechenden Kommunikationsmodul die teuren signalspezifischen IO-Karten komplett. Zudem profitiert der Anwender von der sicheren, kanalweisen Trennung zwischen der Steuerungs- und Feldebene, wodurch sich die Anlagenverfügbarkeit erhöht. Die Kommunikationsmodule stehen mit Anschlüssen für die Übertragungsprotokolle Modbus TCP, Modbus RTU und Profibus DP zur Verfügung.

Ganz neu ist eine Variante, welche die Anbindung an ein Ethernet/IP-Netzwerk erlaubt. Das von der ODVA zertifizierte Modul bietet die gleichen Vorteile wie die übrigen Varianten, erfüllt aber außerdem die Anforderungen von Industrial-Ethernet-Applikationen. Auf diese Weise können in zukunftsorientierten Anwendungen gemäß Industrie 4.0 ebenfalls große Datenmengen sicher übermittelt werden.

Einfache Inbetriebnahme

Die Inbetriebnahme der Kommunikationsmodule gestaltet sich einfach: Die Einstellung wird entweder über den Drehkodierschalter oder per Software, Webserver, App oder Gerätebeschreibungsdatei vorgenommen. Im Wartungsfall lassen sich die Stromsignale im laufenden Betrieb messen, ohne die Stromschleife aufzutrennen. Darüber hinaus kann der Techniker die aktuellen Stromwerte mit der Mini-Analog-Pro-App vor Ort per NFC (Near Field Communication) über sein Smartphone erfassen.