In der modernen Industrie von heute müssen Maschinen reibungslos und effizient arbeiten. In diesen Systemen kann bereits eine geringe Druckabweichung zu schweren Schäden und schließlich zum Ausfall führen. Um eine zuverlässige Drucküberwachung zu gewährleisten, setzt die Industrie daher mittlerweile auf moderne Geräte, die als 4–20-mA-Drucksensoren. Auf den ersten Blick mag diese Technologie etwas technisch klingen, vor allem, wenn Sie noch keine Erfahrung mit Automatisierung haben. Deshalb werde ich in diesem Artikel die Anwendungsbereiche und die Verdrahtungsanleitung für 4–20-mA-Drucksensoren in der industriellen Automatisierung erläutern. Sie werden erfahren, wie diese Sensoren funktionieren und wo sie konkret zum Einsatz kommen. Also legen wir los.
Was ist ein 4–20-mA-Drucksensor?
Ein 4–20-mA-Drucksensor ist ein Gerät, das den Druck in einem System kontinuierlich misst. Anschließend wandelt er diese Messwerte in ein elektrisches Signal um. Dieses Signal wird als Strom mit einem Wert zwischen 4 Milliampere (mA) und 20 Milliampere (mA) ausgegeben. Daher hat er auch seinen Namen. 4 mA entsprechen dem Mindestdruck, 20 mA hingegen dem Höchstdruck.
Einfach ausgedrückt misst ein 4–20-mA-Drucksensor den Druck mithilfe seiner internen Sensorelemente. Sobald er eine Druckänderung registriert, überträgt er die Informationen in elektrischer Form. Aber haben Sie sich schon einmal gefragt, warum 4–20 mA und nicht 0–20 mA? Das Prinzip ist ganz einfach. Erstens beginnt das Signal bei 4 mA statt bei 0 mA, wodurch das System Fehler leichter erkennen kann.
Wenn das Signal auf 0 mA abfällt, bedeutet dies eindeutig, dass etwas nicht in Ordnung ist. Beispielsweise könnte ein Kabelbruch, ein Stromausfall oder ein Sensorschaden vorliegen. Wenn das System also den Bereich von 0–20 mA nutzt, könnte 0 mA entweder “Null-Druck” oder “eine Störung” bedeuten. Das würde das System nun verwirren. Ein Startwert von 4 mA beseitigt dieses Problem.
Zweitens verbessert die Verwendung von 4–20 mA die Genauigkeit und Stabilität. Wie? Tatsächlich werden sehr schwache Signale (nahe 0 mA) stärker durch elektrisches Rauschen und Störungen beeinträchtigt. Ab 4 mA bleibt das Signal stark und sauber. Dies sorgt für zuverlässigere Messwerte, selbst über große Entfernungen hinweg.
Wie funktioniert ein 4–20-mA-Drucksensor?
Das Funktionsprinzip eines 4–20-mA-Drucksensors ist sehr einfach. Zunächst verfügt er über einen kleinen internen Drucksensor. Wenn Druck ausgeübt wird oder sich der Druck gegenüber dem Normalwert ändert, bewegt sich dieser Teil geringfügig oder verändert sich. Anhand dieser Veränderung ermittelt der Sensor, wie hoch der Druck ist. Diese Druckinformation kann jedoch nicht unverändert übertragen werden. Daher wandelt der Sensor diesen Druck in ein elektrisches Signal um.
Ist der Druck niedrig, sendet er ein Signal oder einen elektrischen Strom von etwa 4 mA. Steigt der Druck, steigt auch der Strom – bis zu 20 mA. Druck und Strom verhalten sich also parallel: Mehr Druck bedeutet mehr Strom. Dieser Strom wird schließlich an den Regler weitergeleitet. Der Regler misst den Strom und erkennt daraus Änderungen des Druckwerts. Daraufhin kann er Maßnahmen ergreifen, wie zum Beispiel Maschinen steuern, Warnungen ausgeben oder den sicheren Betrieb des Systems gewährleisten.
Anschlussanleitung für 4–20-mA-Drucksensoren in der industriellen Automatisierung: Schritt für Schritt
Haben Sie sich die grundlegenden Kenntnisse zum 4–20-mA-Drucksensor angeeignet? Nun lautet die nächste häufig gestellte Frage: Wie wird er verkabelt? Denken Sie daran, dass die Genauigkeit des Drucksensors vollständig von der korrekten Verkabelung abhängt. Lassen Sie uns also gleich einsteigen und besprechen, wie die Verkabelung von 4–20-mA-Drucksensoren erfolgt.
Schritt 1: Anschlüsse identifizieren
Der erste und wichtigste Schritt beim Anschluss eines 4–20-mA-Drucksensors ist die Identifizierung seiner Anschlüsse. Denken Sie daran, dass jeder Drucksensor Anschlusspunkte hat. An diesen Punkten werden die Kabel angeschlossen. Allerdings sind nicht alle diese Anschlusspunkte bei allen Sensoren gleich. Vielmehr variieren sie von Modell zu Modell. In der Regel finden Sie Beschriftungen wie + (positiv) und – (negativ).
Manchmal befindet sich an einem auch ein Signal- oder Erdungskabel, 4–20 mA Keramik-Drucksensor PS100E03.
Anhand dieser Markierungen können Sie erkennen, wohin die einzelnen Drähte verlegt werden sollen. Um diese Kennzeichnungen zu bestätigen, sollten Sie stets das Datenblatt oder die Bedienungsanleitung des Sensors konsultieren. Verlassen Sie sich jedoch niemals allein auf Vermutungen, da verschiedene Sensoren unterschiedliche Beschriftungsweisen verwenden können. Im Allgemeinen schließen Sie die Stromversorgung an den Pluspol (+) an. Der Minuspol (–) schließt den Stromkreis zurück zum System. Falls ein Signalanschluss vorhanden ist, übermittelt dieser den aktuellen Messwert an die Steuerung.
Schritt 2: Stromversorgung anschließen
Nachdem Sie die Anschlüsse identifiziert haben, schließen Sie das Netzteil an den Sensor an. In den meisten Fällen ist das Keramik-Drucksensoren mit 4–20 mA Verwenden Sie ein 24-V-Gleichstromnetzteil. Nun müssen Sie dieses Gleichstromnetzteil an die Anschlüsse des Sensors anschließen. Verbinden Sie beispielsweise den Pluspol (+) des Netzteils mit dem Pluspol (+) des Sensors.
Verbinden Sie dann den Minuspol mit dem Sensor. Dieser Minuspol sollte jedoch nicht am Sensor enden. Stattdessen muss er den Rest des Stromkreises (wie die SPS) durchlaufen und zurückführen, um den Stromkreis zu schließen. Dies wird als geschlossener Stromkreis bezeichnet und ermöglicht es dem Strom, einen vollständigen Weg zurückzulegen, wodurch das System funktioniert. Denken Sie daran: Wenn Sie bei der Stromversorgungsverbindung auch nur einen kleinen Fehler machen, funktioniert der Sensor überhaupt nicht.
Schritt 3: Verbindung zur SPS oder Steuerung herstellen
Sobald Sie sicher sind, dass die Gleichstromversorgung an den Sensor angeschlossen ist, schließen Sie den Sensor an die SPS an. Aber was ist eine SPS? Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist ein Gerät, das Signale von Sensoren empfängt. Diese Informationen nutzt sie dann zur Steuerung von Maschinen. Einfach ausgedrückt ist sie das “Gehirn” des Systems. Wie Sie wissen, erzeugt der Sensor einen schwachen Strom (4–20 mA).
Dieser Strom ist jedoch nicht zufällig – er überträgt die Druckinformationen. Daher müssen Sie das Ausgangskabel des Sensors an den Analog-Eingang der SPS anschließen. An dieser Stelle “liest” die SPS das Signal. Wenn der Anschluss korrekt vorgenommen wurde, empfängt die SPS das Stromsignal. Anschließend wandelt sie diese Signale in einen lesbaren Druckwert um.
Schritt 4: Schließen Sie die Schleife
Der 4–20-mA-Drucksensor ist nun an die SPS angeschlossen, richtig? Der letzte Schritt besteht darin, den Stromkreis zu schließen. Denken Sie daran: Wenn der Stromkreis nicht geschlossen ist, funktioniert der Sensor nicht ordnungsgemäß und die SPS empfängt keine Signale. Um den Stromkreis zu schließen, müssen Sie also das verbleibende Kabel von der SPS oder vom Sensor wieder an den Minuspol des Netzteils anschließen.
Dadurch wird der gesamte Stromkreis geschlossen. Nun fließt der Strom kontinuierlich von der Stromquelle über den Sensor in die SPS und kehrt anschließend zurück. Infolgedessen nimmt der Sensor seinen Betrieb auf und erfasst alle Druckänderungen im System.
Häufige Anwendungsbereiche von 4–20-mA-Drucksensoren
Die 4–20-mA-Drucksensoren sind für ihre Genauigkeit und Präzision bekannt. Deshalb sind sie in fast jeder Branche zu einem unverzichtbaren Bestandteil geworden. Schauen wir uns also einmal an, welche Branche am stärksten auf diese Drucksensoren angewiesen ist.
1. Öl- und Gasindustrie
Der wichtigste Anwender des 4–20-mA-Drucksensors ist die Öl- und Gasindustrie. Wie Sie wissen, ist dieser Sektor äußerst kritisch, und der Druck steht in direktem Zusammenhang mit Sicherheit und Produktion. Ein plötzlicher Druckabfall oder -anstieg kann gefährliche Folgen haben. So kann beispielsweise hoher Druck zum Bersten von Rohrleitungen führen. Daher werden die Drucksensoren in Rohrleitungen, Bohranlagen und Lagertanks installiert. Dort überwachen diese Sensoren kontinuierlich Druckänderungen. Bei jeder Veränderung ergreift das Steuerungssystem sofort Maßnahmen.
2. Wasseraufbereitungsanlagen
In Wasseraufbereitungsanlagen kommen häufig Filter, Pumpen und Rohrleitungen zum Einsatz, durch die das Wasser fließt. In all diesen Phasen ist der richtige Druck entscheidend für die Reinigung des Wassers. Wenn der Druck zu stark abfällt oder ansteigt, kann dies die Wasserqualität beeinträchtigen. Hier kommt der 4–20-mA-Drucksensor zum Einsatz. Er überwacht das System in Echtzeit über Filter, Pumpen und Rohrleitungen. So kann er beispielsweise erkennen, wenn ein Filter verstopft ist oder eine Pumpe nicht ordnungsgemäß funktioniert. Auf diese Weise trägt der Drucksensor zu einem reibungslosen Betrieb der Wasseraufbereitungsanlagen bei.
3. Chemische Verarbeitung
Ein weiterer Bereich, in dem der 4–20-mA-Drucksensor zum Einsatz kommt, sind chemische Verarbeitungsanlagen. In diesen Anlagen werden verschiedene Flüssigkeiten und Gase verarbeitet. Diese erfordern jedoch oft eine sorgfältige Druckregelung. Schon ein kleiner Druckfehler kann zu unsicheren Reaktionen oder Produktschäden führen. Ein 4–20-mA-Drucksensor überwacht hier den Druck in Reaktoren, Rohrleitungen und Behältern. Sollte etwas schiefgehen, kann das System schnell reagieren. So kann es beispielsweise den Prozess anhalten oder anpassen, um Leckagen zu verhindern.
4. Verarbeitendes Gewerbe
In der Fertigung sind viele Maschinen für ihren ordnungsgemäßen Betrieb auf Luft- oder Hydraulikdruck angewiesen. Wenn dieser Druck den sicheren Grenzwert überschreitet oder zu stark abfällt, fällt die Maschine aus. Deshalb kommen in diesen Maschinen Drucksensoren zum Einsatz, um einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten. Wie funktioniert das? Der Drucksensor unterstützt die Steuerung von Pressen, Roboterarmen und pneumatischen Systemen. Fabriken können nun Probleme wie niedrigen Druck oder Systemlecks frühzeitig erkennen.
5 – HLK-Anlagen
HLK-Anlagen sorgen für einen angemessenen Luftstrom und Druck, um ein angenehmes Raumklima zu gewährleisten. Diese Anlagen arbeiten in der Regel mit Luftkanälen, Filtern und Ventilatoren. In allen drei Komponenten ist jedoch der richtige Druck entscheidend. Deshalb werden 4–20-mA-Drucksensoren eingesetzt, um diesen Druck aufrechtzuerhalten und zu erfassen. Ist beispielsweise ein Filter verstopft, ändert sich der Druck an dieser Stelle schnell. Der Sensor erkennt dies sofort und sendet Signale, um die Luftqualität zu regeln und aufrechtzuerhalten.
6. Lebensmittel- und Getränkeindustrie
Schließlich setzt die Lebensmittel- und Getränkeindustrie auf 4-20-mA-Drucksensoren. In Lebensmittelbetrieben füllen Maschinen Flaschen und Verpackungen mit Produkten wie Saft, Milch, Öl und Soßen. Ist der Druck zu hoch oder zu niedrig, können die Flaschen über- oder unterfüllt werden.
Um dieses Problem zu beheben, wird der Druck im Inneren dieser Maschinen kontinuierlich über ein 4–20-mA-Drucksignal überwacht. Dieses signalisiert dem System, ob alles normal ist. Zudem arbeiten diese Sensoren auch bei Dampf, Heißwasser und Kaltwasser, wie sie in der Lebensmittelindustrie üblich sind, einwandfrei. Herkömmliche Drucksensoren fallen in solchen feuchten oder rauen Umgebungen häufig aus.
Wichtige Hinweise zur Verkabelung von 4–20-mA-Drucksensoren
Die Verkabelung spielt eine entscheidende Rolle für den effizienten Betrieb der Drucksensoren. Schon ein kleiner Fehler kann das gesamte System beeinträchtigen. Um solche Fehler zu vermeiden, die leicht passieren können, finden Sie hier einige Faktoren, die Sie vor der Verkabelung berücksichtigen müssen.
- Verwenden Sie geeignete Kabel: Stellen Sie zunächst sicher, dass Sie die richtigen Kabel verwenden. Verwenden Sie stets ein hochwertiges Kabel, vorzugsweise ein abgeschirmtes. Abgeschirmte Kabel schützen das Signal vor elektrischen Störungen, die durch Maschinen, Motoren oder Stromleitungen verursacht werden.
- Vermeiden Sie lose Verbindungen: Zweitens sollten Sie sicherstellen, dass alle Kabelverbindungen fest und sicher sitzen. Denken Sie daran, dass lose Verbindungen den Stromfluss unterbrechen können, selbst wenn dies nur kurzzeitig der Fall ist. Dies führt dann dazu, dass die SPS falsche oder schwankende Messwerte anzeigt. Stellen Sie daher sicher, dass keinerlei lose Verbindungen vorhanden sind.
- Polarität prüfen: Unter Polarität versteht man den korrekten Anschluss der Plus- (+) und Minus- (–) Kabel. Wenn Sie diese vertauschen, funktioniert der Sensor nicht ordnungsgemäß. In manchen Fällen lässt er sich möglicherweise gar nicht einschalten. Daher empfehle ich Ihnen, den Schaltplan stets noch einmal sorgfältig zu überprüfen, bevor Sie das System einschalten.
- Vor dem endgültigen Einsatz testen: Zu guter Letzt sollten Sie vor dem Einsatz des Sensors im Echtbetrieb stets die Verkabelung überprüfen. Schalten Sie beispielsweise die Stromversorgung ein und überprüfen Sie, ob die SPS das richtige Drucksignal empfängt. Sollten Probleme auftreten, können Sie diese in dieser Phase noch beheben, bevor der Vollbetrieb aufgenommen wird.
Schlussfolgerung
Die Drucküberwachung ist der wichtigste Bestandteil jedes industriellen Systems. Ein plötzlicher Druckabfall oder -anstieg im System kann schwerwiegende Probleme verursachen, wie beispielsweise Maschinenschäden oder Systemausfälle. Um den korrekten Druck in jedem industriellen System sicherzustellen, kommen 4–20-mA-Druckmessumformer zum Einsatz. Dabei handelt es sich um spezialisierte, präzise Geräte, die Druckänderungen genau überwachen. Bei jeder Druckänderung reagiert der Sensor sofort.
Dadurch werden elektrische Signale an die Steuerung gesendet. Die Steuerung ergreift daraufhin Maßnahmen, um den Druck zu stabilisieren oder Maschinenteile anzupassen. Dabei spielt jedoch die korrekte Verkabelung eine entscheidende Rolle. In dieser Verkabelungsanleitung habe ich einige Schritte erläutert, die Ihnen helfen sollen, das Thema vollständig zu verstehen. Aufgrund dieser Genauigkeit sind die 4–20-mA-Drucksensoren in zahlreichen Branchen zur bevorzugten Wahl geworden. Man findet sie beispielsweise in Chemie- und Wasseraufbereitungsanlagen. Außerdem kommen sie in HLK-Anlagen sowie in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie zum Einsatz.