Einsatzgebiete
- Industrielle Automatisierung: Der Didactum 4-20mA Konnektor eignet sich ideal zur Überwachung von Prozessen, bei denen Stromsensoren eingesetzt werden, beispielsweise in automatisierten Produktionslinien oder Maschinen.
- Umweltüberwachung: Er kann in Umweltmesssystemen verwendet werden, die auf strombasierte Sensoren zur Erfassung von Parametern wie Temperatur, Feuchtigkeit oder Druck angewiesen sind.
- Gebäudemanagementsysteme (BMS): Der Wandler kann in BMS integriert werden, um Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) sowie andere kritische Infrastrukturen zu überwachen und zu steuern.
- Diesel-Notfalltanks: Überwachung von Diesel-Füllstandssensoren mit Stromausgang.
Einsatzbeispiele:
Der Didactum 4-20mA Konnektor zur Wasserstandsmessung wird durch die Didactum Überwachungseinheit überwacht.
Die Sensordaten werden mittels SNMP-Traps an das Netzwerküberwachungszentrum übermittelt.
Die Überwachungseinheit verfügt über integrierte Logikschaltkreise, die im Notfall E-Mail- und SMS-Benachrichtigungen versenden.
Überwachung des Dieselstands im Dieseltank
Die Didactum Überwachungseinheit ist in der Lage, mehrere Didactum 4-20mA Konnektor simultan zu überwachen, indem sie kontinuierlich die Messwerte der Stromschleifen ausliest.
Diese Werte werden dann in das Didactum Überwachungssystem integriert, das Echtzeitdaten liefert und im Fall von Grenzwertüberschreitungen Alarmmeldungen auslöst.
So kann beispielsweise der Druck in industriellen Anlagen oder Rohrleitungen exakt überwacht werden, um rechtzeitig auf Veränderungen oder potenzielle Probleme zu reagieren.
Installationsanleitung (Hardware)
Anschluss von Zweidrahtsensoren und Messumformern mit 4-20mA-Signaleinspeisung
- Zuweisung des 4-20 mA Signals
Das standardmäßige 4-20 mA Gleichstromsignal wird häufig in Messgeräten und der Industrieautomation eingesetzt:
- Zur Schnittstelle mit Sensoren und Messumformern zur Durchführung von Parameter-Messungen
- Zur Informationsübertragung zwischen Geräten
Das analoge Signal wird als Gleichstrom im Bereich von 4-20 mA dargestellt, wobei 4 mA dem minimalen Signalpegel und 20 mA dem maximalen Pegel entspricht. - Vorteile des 4-20 mA Signals
Das 4-20 mA Stromschleifensignal bietet mehrere Vorteile:
- Zweidrahtanschluss
- Die Möglichkeit zur Überwachung von Kurzschlüssen und Leitungsunterbrechungen. Die "Null" Stromschleife von 4-20 mA entspricht der "Null" des Betriebgeräts, was eine zuverlässige Fehlererkennung von Geräten sowie Kurzschluss, Abtrennung oder Leitungsunterbrechung ermöglicht
- Hohe Störfestigkeit: Die 4-20 mA Schleife hat einen niedrigen Widerstand und ist daher gegenüber Störungen unempfindlicher als Spannungssignale. - Schaltpläne für den Anschluss von Zweidrahtsensoren und Messumformern
Der Zweidrahtkreis ist der einfachste und zuverlässigste für den Betrieb des Sensors (Messumformers).
Der Sensor (Messumformer) ist unempfindlich gegen Verpolungen bei der Einspeisung, schützt vor Kurzschlüssen und ist weniger störanfällig (insbesondere bei niedrigem Lastwiderstand). Durch Zweidrahtanschluss lassen sich Maßnahmen zur Reduzierung elektromagnetischer Störeinflüsse (industrielle oder Funkstörungen) leichter umsetzen.
3.1 Anschluss des Sensors an einen 4–20 mA Sensor oder Transmitter mit integrierter Spannungsversorgung
Das rechte Bild zeigt einen Sensor, der eine 24 V-Stromversorgung verwendet.
- R420 – Widerstand des Didactum 4-20mA Konnektor (Last), gemessen in Ohm.
- Rline1 und Rline2 – Widerstand der Leitungsdrähte der Anschlussleitung, gemessen in Ohm.
- Vpower – Spannung der Sensorspannungsversorgung, gemessen in Volt.
- Pfeile zeigen die Stromrichtung des 4–20 mA-Stromkreises an.
- Rballast – Ballastwiderstand (optional), gemessen in Ohm, zur Begrenzung der vom Sensor aufgenommenen Leistung.
- AO – Analoger Ausgang.
- AI – Analoger Eingang.
3.2 Anschluss des Sensors an einen 4–20 mA Sensor oder Transmitter ohne integrierte Spannungsversorgung
Wenn der 4–20 mA Sensor oder Transmitter keine integrierte Spannungsversorgung besitzt oder die Energie nicht ausreicht, um den Sensor zu betreiben, verwenden Sie eine externe Spannungsquelle. Der analoge Eingang 4–20 mA AIine2- ist passiv.
Das rechts gezeigte Bild zeigt einen Sensor, der eine 24 V-Spannungsversorgung benötigt.
- R420 – Widerstand des Didactum 4-20mA Konnektor (Last), gemessen in Ohm.
- Rline1 und Rline2 – Widerstand der Leitungsdrähte der Anschlussleitung, gemessen in Ohm.
- Vpower – Spannung der Sensorspannungsversorgung, gemessen in Volt.
- Pfeile zeigen die Stromrichtung des 4–20 mA-Stromkreises an.
- AO – Analoger Ausgang.
- AI – Analoger Eingang.
3.3 Anschluss mehrerer 4–20 mA Sensoren oder Transmitter am Wandler
Die Schaltung zum Anschluss mehrerer Sensoren unter Verwendung einer einzigen Spannungsversorgung ist in der Abbildung rechts dargestellt.
Die analogen Eingänge des Wandlers AIine1 bis AIine3 sind passiv. Die Stromversorgung UDP muss den Strom liefern, der zur Versorgung aller Sensoren (Wandler) benötigt wird.
Beispiel:
Der maximale Strom eines Sensors beträgt 24 mA, also muss die Stromversorgung für drei Sensoren mindestens 72 mA bereitstellen.
Die Abbildung rechts zeigt die Schaltung zum Anschluss mehrerer Sensoren an den Wandler mit einer einzigen Stromquelle:
Um zusätzliche Fehler durch den Summenstromfluss der Ausgangsströme der Sensoren auszuschließen, muss die Lastzusammenführung an einem Punkt erfolgen. Zur Minimierung von Rückwirkungen auf die Stromversorgungsleitungen sollte die Kombination der Versorgungskabel der Sensoren direkt am positiven Anschluss der Spannungsversorgung erfolgen. Das Kabel vom Minuspol der Stromversorgung zum gemeinsamen Punkt des Systems sollte möglichst kurz gehalten werden.
3.4 Berechnung der Stromversorgung
Die minimal erforderliche Versorgungsspannung (Vpower min) berechnet sich nach folgender Formel:
Vpower min = Usens min + U420 min + (R420 + Rline) × Imax / 1000
Dabei gilt:
- Vpower min: Minimale Versorgungsspannung in Volt
- Usens min: Minimale Sensorspannung laut Sensordokumentation
- U420 min: Minimale Spannung des VT420 Wandlers (5 V)
- R420: Widerstand des VT420 (24,95 Ohm)
- Rline: Leitungswiderstand der Kabel in Ohm
- Imax: Maximaler Strom (24 mA)
Beispielrechnung mit einer CAT5e-Kabellänge von 100 m (Rline = 2 × 10 Ohm) und einer minimalen Sensorspannung von 8 V:
Vpower min = 8 V + 5 V + (24,95 Ω + 20 Ω) × 24 mA / 1000 = 8 + 5 + 44,95 × 0,024 = 14 V
Diese Berechnung stellt sicher, dass die Stromversorgung genügend Spannung liefert, um sowohl den Sensor als auch den Wandler korrekt zu versorgen. Dabei werden Spannungsverluste durch den Kabelwiderstand berücksichtigt und die Anforderungen des Sensors und Wandlers miteinander kombiniert. Eine Spannung unter dem berechneten Wert kann zu Messfehlern oder zum Ausfall der Sensorenergieversorgung führen.
Empfehlung:
Nutzen Sie diese Formel zur Dimensionierung der Stromversorgung unter Berücksichtigung der Kabellänge und der Sensoranforderungen, um eine stabile und zuverlässige Messung zu gewährleisten.
3.5 Maximale Sensorleistungsaufnahme
Die maximale Leistungsaufnahme des Sensors (Psens max) wird nach folgender Formel berechnet:
Psens max = Imax × [Upower - U420 min - Imax × (R420 + Rline) / 1000] / 1000
Beispielrechnung mit einer 19 V Stromversorgung:
Psens max = 24 mA × [19 V - 5 V - 24 mA × (24,95 Ω + 20 Ω) / 1000] / 1000 = 0,31 W
Die berechnete Leistungsaufnahme sollte den in der Betriebsanleitung des Sensors angegebenen Maximalwert nicht überschreiten. Dies ist wichtig, um eine Überlastung oder Beschädigung des Sensors zu vermeiden.
Diese Berechnung hilft dabei, die korrekte Dimensionierung der Stromversorgung sicherzustellen, sodass der Sensor innerhalb seiner spezifizierten Leistungsgrenzen betrieben wird. Eine zu hohe Leistungsaufnahme kann auf fehlerhafte Verkabelungen oder falsche Spannungswerte hinweisen und sollte vermieden werden.
4. Empfehlungen für die Auswahl und den Anschluss eines Kabels
Für den Anschluss von Sensoren und Wandlern mit 4–20 mA Ausgang wird empfohlen, ein geschirmtes Twisted-Pair-Kabel mit einem Mindestquerschnitt von 0,5 mm² (Mehradrig) zu verwenden. Die Kabelschirmung sollte an Schutzerdung (PE) angeschlossen werden, um elektrischen Störungen und Signalrauschen zu minimieren.
Wenn der Wandler in einem Metallgehäuse eingebaut ist, sollte die Schirmung an die Schirmmasse des Gehäuses angeschlossen werden, um eine effektive Ableitung von elektromagnetischen Störungen zu gewährleisten.
Die Verwendung von Kupferdrähten mit 16 bis 22 AWG (0,205 mm bis 0,823 mm Durchmesser) wird empfohlen. Die Kabellänge sollte möglichst kurz gehalten werden, um Spannungsverluste durch Leitungswiderstand zu minimieren. Ebenfalls ist zu beachten, dass nur ein Ende des Schirms geerdet wird, um Schleifenströme zu vermeiden.
Diese Maßnahmen gewährleisten eine stabile Signalübertragung und verhindern Messfehler durch Störungen oder unzureichende Abschirmung. Die Einhaltung dieser Empfehlungen ist besonders wichtig bei langen Leitungswegen und in elektromagnetisch stark belasteten Umgebungen.
5. Empfehlungen zur Auswahl einer Stromversorgung
Wenn der Konverter zulässt, dass die gleichen Pole der analogen Eingänge zusammengeführt werden, ist keine Mehrkanal-Stromversorgung erforderlich. Dies vereinfacht die Installation und spart Kosten.
Der Vorteil von Mehrkanal-Stromversorgungen besteht darin, dass sie üblicherweise einen niedrigen Kurzschlussstrom bieten. Sollte die Leitungsverbindung versehentlich kurzgeschlossen werden, schützt dies den analogen Eingang vor Schäden.
Der Hauptzweck von Mehrkanal-Stromversorgungen liegt darin, alle Signalstromkreise galvanisch zu trennen, ohne hohe Kosten zu verursachen. Diese galvanische Trennung verhindert Potentialunterschiede und Störungen, die Messfehler oder Geräteschäden auslösen könnten.
Für eine zuverlässige 4–20 mA Sensorversorgung wird empfohlen, die Stromversorgung so auszulegen, dass sie ausreichend Spannung und Strom liefert, unter Berücksichtigung der Anzahl der Sensoren und der Kabellänge. Die typische Spannung für 4–20 mA Schleifen liegt bei 24 V, was häufig genügend "headroom" für Spannungsverluste bietet.
Zusammenfassung:
- Bei kombinierten analogen Eingängen genügt eine einfache Stromversorgung.
- Mehrkanal-Stromversorgungen bieten Schutz vor Kurzschlüssen und ermöglichen galvanische Trennung.
- Die Stromversorgung muss genügend Spannung und Strom für alle Sensoren liefern.
- 24 V sind ein gängiger Wert für 4–20 mA Schleifenversorgung.
Einrichtung am Monitoring System:
Sensor-Einstellungen im Didactum Monitoring System
Nachdem der Didactum 4-20mA Konnektor entsprechend der oben genannten Anweisungen an den Sensor angeschlossen und an das Didactum Monitoring System zurückgeführt wurde, erscheint der Sensor automatisch in der Benutzeroberfläche. Sie finden ihn im Systembaum der Oberfläche unter: Interface > System Tree.
Der Sensor wird zunächst mit der Bezeichnung „fA“ angezeigt. Um Einstellungen vorzunehmen, klicken Sie mit der Maus auf den Sensor. Im Einstellungsfenster finden Sie folgende Parameter:
- Name: Wird automatisch vergeben, kann aber frei geändert werden (z. B. „Drucksensor“).
- ID: System-ID des Sensorelements.
- Typ: Darstellung als „fcurrent“ (Funktion Strom) für 4-20mA Konverter.
- Benutzerdefinierter Typ: Auswahl eines Symbols/Icons zur besseren Identifikation (z. B. Temperatur, Spannung, Feuchtigkeit).
- Klasse: Analog.
- Hardware-Port: Zeigt die physikalische Anschlussbezeichnung am Gerät an.
- Aktueller Zustand: Anzeige von Normal, Warnung oder Alarm.
- Aktueller Wert: Angezeigter Sensorwert vom Konverter.
- Zusätzliche Felder: Enthält die lineare Formel zur Umrechnung des Sensorstromwertes.
- Alarmstufen: Einstellungen für Schwellenwerte (Alarm niedrig, Warnung niedrig, Warnung hoch, Alarm hoch) zur Alarmierung und für automatische Aktionen.
- Ausdruck: Ermöglicht die Anpassung der linearen Umrechnungsformel des Sensorsignals.
Diese Konfigurationsmöglichkeiten erlauben eine präzise Anpassung und Überwachung des Sensors im Didactum System, einschließlich Alarmmanagement, Werteanzeige und Symbolauswahl für eine übersichtliche Darstellung.
Weitere Einstellungen im Didactum Monitoring System
Wenn Sie im Didactum Monitoring System mit der Maus auf den Sensor klicken, sehen Sie folgende Einstellungen:
- Name
Der Name wird vom System automatisch vergeben. Sie können ihn aber beliebig ändern, z.B. bei einem angeschlossenen Drucksensor auf „Pressure“. - ID
System-ID des Elementes. - Typ
Der Didactum 4-20mA Konnektor wird als fcurrent (Function of current) Sensor angezeigt. - Benutzerdefinierter Typ
Hier können Sie ein Icon für den Sensor auswählen, das nur zur visuellen Kennzeichnung dient. Zur Auswahl stehen Symbole wie: keine, Strom, Faktor, Frequenz, Feuchtigkeit, Leistung, Temperatur, Vibration, Spannung. - Klasse
Analog. - Hardware-Port
Name des physischen Anschlusses am Gerät (nur Leseberechtigung). - Aktueller Zustand
Mögliche Zustände: Alarm, Warnung, Normal. - Aktueller Wert
Der vom Wandler ausgegebene aktuelle Sensorwert. - Zusätzliche Felder
Zeigt die lineare Formel zur Berechnung des Sensorwertes aus dem Stromsignal an. - Alarmstufen
Schwellenwerte für Alarm niedrig, Warnung niedrig, Warnung hoch, Alarm hoch; diese können zur Benachrichtigung und für Aktionen in Logikzirkeln verwendet werden. - Ausdruck
Die lineare Umrechnungsformel des Sensorsignals kann hier angepasst werden.
Diese benutzerfreundliche Konfiguration unterstützt Sie dabei, Sensorwerte präzise zu überwachen und Alarme effektiv zu verwalten.
Beispiel für die Ermittlung der Expressionsformel am Beispiel des Drucksensors PD-39 X Low Pressure
Der Didactum 4-20mA Konnektor arbeitet nur mit Sensoren, die lineare Funktionen im 4-20 mA Stromkreis verwenden.
Wir nehmen als Beispiel den Drucksensor "PD-39 X low pressure", der in der Serie eine Standarddruckbereiche von 3, 10 und 25 bar bietet. Nehmen wir den Sensor mit dem Messbereich 0 bis 25 bar.
Die Kennlinie des Sensors wird durch die Punkte im 4-20 mA Bereich definiert:
- A(xA,yA) = A(0, 4mA)
- B(xB,yB) = B(25, 20mA)
Zur Bestimmung der Geradengleichung, die durch die Punkte A und B verläuft, wird verwendet:
\[ y - y_A = \frac{y_B - y_A}{x_B - x_A} \times (x - x_A) \]
Einsetzen der Werte:
\[ y - 4 = \frac{20 - 4}{25 - 0} \times (x - 0) \Rightarrow y = 0,64x + 4 \]
Diese Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen Druck (x in bar) und Strom (y in mA).
Feinjustierung mittels "Expression" im System
Angenommen, Sie haben eine Expression für die Umrechnung des Stromwerts in Druck: y = 2 * (x - 4).
So gehen Sie vor:
- Bennen Sie den Sensor, z.B. "Pressure".
- Wählen Sie für den "Benutzerdefinierten Typ" das Icon "current" aus.
- Geben Sie die Formel
2 * (x - 4)im Feld "Expression" ein. - Speichern Sie die Änderungen.
Damit wird die Umrechnung des Stromsignals für den Sensor präzise im Didactum Monitoring System umgesetzt und der Wert korrekt angezeigt.
Änderungen im "System tree" nach Anpassung der Sensoreinstellungen
Nach der Bearbeitung und Speicherung der Sensoreinstellungen im Didactum Monitoring System sehen Sie im System tree folgende sichtbare Änderungen am Sensor:
- Name geändert: Der neue Name, z.B. "Pressure", wird anstelle des automatisch vergebenen Namens angezeigt.
- Symbol geändert: Das ausgewählte benutzerdefinierte Icon, z.B. „current“, wird als Symbol im Systembaum dargestellt.
- Wert berechnet: Der Sensorwert wird nicht mehr roh angezeigt, sondern mit der definierten Expressionsformel (z.B. Umrechnung der 4-20 mA Stromsignale in physikalische Größen) berechnet und dargestellt.
Diese Änderungen verbessern die Übersichtlichkeit im System und bieten eine präzise Werteanzeige passend zur Sensorfunktion. So lassen sich verschiedene Sensoren einfach identifizieren und korrekt interpretieren.