4-20 mA

Einheitssignale sind normierte elektrische oder pneumatische Signale in der Prozessautomation.

Für diese Einheitssignale gibt es eine Fülle von Einheitsreglern und Messumformern (Transmitter) von verschiedenen Herstellern. Die neuen Datenbusse verdrängen derzeit das Einheitssignalkonzept.

Messumformer/Sensoren messen Prozessgrößen (Temperatur, Niveau usw.) und formen den Messwert in das Einheitssignal um, damit diese von einem Prozessleitsystem, einer SPS oder DDC verarbeitet werden können.

Gängige Einheitssignale

Zur Übertragung einer Prozessgröße an die SPS können Strom- oder Spannungssignale verwendet werden.

Stromsignale nach DIN IEC 60381-1:

• 0 mA ... 20 mA
• 4 mA ... 20 mA (lebender Nullpunkt, englisch: live-zero)

Spannungssignale nach DIN IEC 60381-2:

• 0 V ... 10 V
• 2 V ... 10 V (lebender Nullpunkt, englisch: live-zero)

pneumatisches Drucksignal:

• 0,2 bar ... 1 bar

In fast allen industriellen Anwendungen werden die live-zero-Signale verwendet. Wenn dem Messbereichsanfang ein von 0 verschiedenes elektrisches Signal zugeordnet wird, kann eine Drahtbruchüberwachung realisiert werden. Man bezeichnet das von Null abweichende Anfangssignal für 0 % Messwert von 4 mA bzw. 0,2 bar auch als "Lebender Nullpunkt". Ein Signal von 0 mA bzw. 0 bar ist somit immer ein sicherer Hinweis auf eine Störung.

Stromsignale werden gegenüber Spannungssignalen bevorzugt, da das Stromsignal unempfindlich ist gegenüber elektromagnetischen Störungen (Einschalten von benachbarten Verbrauchern) und Spannungsverlusten durch den Leitungswiderstand. Die maximale Länge der Signalleitung ist nur durch die maximale Bürde (Widerstand), die durch die Stromquelle betrieben werden kann, begrenzt. Üblicherweise werden bis zu 1000 m als nutzbare Leitungslänge angegeben (Kabeltyp: ISTY 2x2x0,8).

Darüber hinaus bietet das Stromeinheitssignal 4 mA ... 20 mA den großen Vorteil, dass der Signalkreis permanent mit Energie versorgt wird. Diese Energie kann von Messumformern für die eigene Versorgung verwendet werden. In diesem Fall muss die SPS den Signalkreis mit Energie versorgen (passiver Sensor). Ein aktiver Sensor benötigt eine Fremdspeisung des eigenen Bedarfs.

Auswertung in der SPS / DDC

Der Analogeingang der Steuerung/ Regelung empfängt immer dieselbe physikalische Größe als Signal. Ohne Kenntnis des Umformers ist es unmöglich, auf die Messgröße zurückzuschließen. Üblicherweise wird das Rohsignal mit 0 % ... 100 % bezeichnet. Einfache SPS können nur mit diesen Werten rechnen.
Aufwändigere Leitsysteme ermöglichen eine Umrechnung in die gemessene physikalische Größe.
Um diese Berechnung auszuführen, sind Messspanne und kleinster Messwert des Sensors nötig.

Explosionsschutz

Das pneumatische Signal setzt ein Druckluftnetz voraus. Es ist gut für explosionsgefährdete Anlagenteile geeignet. Seit Einführung eigensicherer Messumformer verliert das pneumatische Einheitssignal immer mehr an Bedeutung.

Die entsprechenden Leitungen haben einen blauen Mantel zur Kennzeichnung, die Messumformer tragen das Kennzeichen "EXi".

Beispiel

Druckaufnehmer mit einem Messbereich von 500 mbar ... 2000 mbar. Die Messspanne beträgt 1500 mbar, kleinster Messwert ist 500 mbar.

Die Umrechnung geschieht nach folgender Formel:

Messwert = Rohwert * Messspanne + kleinster Messwert

Bei einem Rohwert von 50 % (12 mA bei 4 mA ... 20 mA) ergibt das:

Druck = 50 % * 1500 mbar + 500 mbar = 1250 mbar