Was ist ein Regelkreis?

In der industriellen Automatisierung bezeichnet ein Regelkreis den vollständigen Weg, der bei einem Sensor beginnt, über den Sender und Regler verläuft und am letzten Stellglied, wie einem Ventil, endet. Jeder Kreis überwacht und passt kontinuierlich Prozessgrößen wie Temperatur, Druck oder Durchfluss an, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.

Der Begriff „Kreis“ kann jedoch auch den Stromkreis bezeichnen — den 4–20 mA Signalweg, der Prozessinformationen von Feldgeräten zum Leitsystem überträgt. Eine Kreisprüfung stellt sicher, dass dieser Stromkreis genau arbeitet und verhindert unerkannte Fehler, die die Prozesssteuerung beeinträchtigen könnten.

Der Zweck von Kreisprüfungen in Steuersystemen

Kreisprüfungen werden durchgeführt, um zu bestätigen, dass die gesamte Signalkette — vom Feldgerät bis zum Leitstand — wie vorgesehen funktioniert. Sie helfen, Probleme wie Signalverzerrungen, Verdrahtungsfehler, Bereichsabweichungen und Nichtlinearitäten zu erkennen.

In der industriellen Automatisierung bestätigt eine erfolgreiche Kreisprüfung die Unversehrtheit sowohl analoger als auch digitaler Kommunikationswege. Dieser Schritt ist entscheidend bei der Inbetriebnahme, Gerätejustierung und nach Wartungsarbeiten an Sendern, Sensoren oder Stellventilen.

Analoge Kreisprüfungen: Überprüfung der 4–20 mA Signalqualität

Analoge Kreisprüfungen konzentrieren sich auf die Prüfung des 4–20 mA Stromkreises, der nach wie vor der gebräuchlichste Signalstandard in der Verfahrenstechnik ist. Techniker führen üblicherweise eine Fünf-Punkt-Prüfung bei 4 mA, 8 mA, 12 mA, 16 mA und 20 mA durch, um Linearität und Genauigkeit zu beurteilen.

Dieser Vorgang stellt sicher, dass:

• das Stromsignal nicht durch zu hohe Last oder zu niedrige Versorgungsspannung begrenzt wird.

• keine Erdschleifen oder Verdrahtungsfehler das Signal verfälschen.

• der Senderbereich mit dem Eingangsbereich des Steuersystems übereinstimmt.

• Zwischengeräte (Signalaufbereiter, Trennverstärker) keine Nichtlinearitäten einführen.

Außerdem gehört es zur bewährten Praxis, Fehleralarme unterhalb von 3,6 mA und oberhalb von 21 mA gemäß den NAMUR NE43 Richtlinien zu prüfen. Regelmäßige Kreisprüfungen während der Wartung helfen, Verschleiß oder Signalabweichungen durch Alterung oder Austausch von Bauteilen frühzeitig zu erkennen.

Digitale Kreisprüfungen: Fehlererkennung in Feldbus- und Funk-Systemen

Digitale Kommunikationstechniken wie FOUNDATION Fieldbus, PROFIBUS-PA und WirelessHART haben die Arbeitsweise von Steuersystemen grundlegend verändert. Im Gegensatz zu analogen Kreisen enthalten digitale Signale eingebaute Fehlerprüfungen, wodurch Signalverzerrungen automatisch erkannt und gemeldet werden.

In digitalen Systemen werden Daten als diskrete Werte übertragen. Wenn ein Wert fehlerfrei empfangen wird, ist seine Genauigkeit garantiert. Dadurch entfällt die Notwendigkeit traditioneller fünf-Punkt-Analogprüfungen. Dennoch müssen Ingenieure sicherstellen, dass die Geräteadressierung und die Parameterzuordnung im Steuersystem korrekt eingestellt sind, um falsche Messwerte oder fehlerhafte Kennzeichnungen zu vermeiden.

Beispielsweise zeigt ein digitaler Sender bei einer Messung von 123,45 °C genau diesen Wert im Steuersystem an — ohne Signalverlust oder Skalierungsfehler. Diese Präzision ist ein wesentlicher Vorteil digitaler Kommunikation in der Fabrikautomatisierung und verteilten Leitsystemen (DCS).

Die Rolle des HART-Protokolls bei Kreisprüfungen

Obwohl HART (Highway Addressable Remote Transducer) Geräte digitale Informationen übertragen, basieren sie weiterhin auf einem 4–20 mA Analogsignal für die Echtzeitsteuerung. Daher sind Kreisprüfungen erforderlich, um den analogen Pfad zu überprüfen, selbst wenn HART-Kommunikation verfügbar ist.

Ein Techniker muss sicherstellen, dass sowohl die analoge als auch die digitale Ebene korrekt funktionieren. Es ist möglich, dass ein HART-Gerät korrekte digitale Daten meldet, während sein analoges Signal durch Spannungsabfall, Verdrahtungsfehler oder Erdungsprobleme beeinträchtigt ist. Deshalb ist die Überprüfung beider Kanäle für eine zuverlässige Prozesssteuerung unerlässlich.

Bei Fernanlagen, in denen Geräte ausschließlich über digitales Multi-Drop-HART kommunizieren, wird der analoge Kreis nicht genutzt, und herkömmliche 4–20 mA Prüfungen entfallen.

Warum Kreisprüfungen in der Fabrikautomatisierung wichtig sind

Kreisprüfungen sind grundlegend für die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit in industriellen Steuersystemen. In groß angelegten Automatisierungsanlagen können unerkannte Signalfehler zu Geräteausfällen, Qualitätsmängeln oder Sicherheitsvorfällen führen.

Indem jeder Instrumentenkreis vor dem Anlauf geprüft wird, stellen Ingenieure sicher, dass die SPS oder das DCS korrekte Eingangsdaten erhält und präzise Steuerbefehle sendet. Diese Überprüfung unterstützt eine effiziente Inbetriebnahme, verkürzt die Fehlersuche und minimiert ungeplante Stillstände.

Aus Betriebssicht können regelmäßige Kreisprüfungen frühzeitig aufkommende Probleme erkennen und so vorausschauende Wartung statt reaktive Reparaturen ermöglichen.

Übliche bewährte Verfahren bei Kreisprüfungen

1. Jeden Kreis dokumentieren: Klare Kreisschaltbilder und Prüfprotokolle für Nachvollziehbarkeit führen.

2. Zertifizierte Kalibriergeräte verwenden: Präzisionsgeräte einsetzen, um bekannte Signale während der Prüfung einzuspeisen.

3. NAMUR- und ISA-Richtlinien beachten: Branchennormen für Stromkreisprüfungen einhalten.

4. Beide Richtungen prüfen: Signalqualität bei ansteigendem und abfallendem Strom simulieren und überprüfen.

5. Redundante Kreise einbeziehen: Sekundäre Rückmeldesignale, wie Ventilrückmeldeschleifen, nicht übersehen.

Einblicke des Autors: Die Zukunft der Kreisprüfung

Mit fortschreitender Digitalisierung werden traditionelle analoge Kreisprüfungen möglicherweise seltener. Hybridsysteme — die analoge und digitale Geräte kombinieren — werden jedoch noch lange vorherrschen.

Zukünftige Kreisprüfungen werden zunehmend auf Diagnosesoftware in intelligenten Sendern und Fernprüfwerkzeugen basieren, die in moderne Anlagenverwaltungssysteme integriert sind. Diese Technologien ermöglichen vorausschauende Wartung, reduzieren den Bedarf an manuellen Prüfungen und erhalten dennoch die Zuverlässigkeit.

Nach meiner Erfahrung ist der effektivste Ansatz, die Überwachung der Kreisintegrität in die Steuerungsstrategie der Anlage einzubinden. Durch den kontinuierlichen Vergleich von Felddaten und Systemwerten können Abweichungen automatisch erkannt werden, was menschliche Fehler minimiert und die Anlagenverfügbarkeit erhöht.

Praxisbeispiel

In einer petrochemischen Anlage führen Ingenieure bei der Inbetriebnahme eines Druckregelkreises eine fünf-Punkt-Analogprüfung durch. Sie entdecken eine 0,2 mA Abweichung, verursacht durch eine Erdschleife, die zu falschen Druckwerten hätte führen können. Nach der Korrektur arbeitet der Kreis innerhalb der Toleranz und gewährleistet einen sicheren und stabilen Betrieb.

Ebenso bestätigen digitale Prüfungen in einer modernen pharmazeutischen Produktionslinie mit PROFIBUS-PA-Sendern die korrekte Kommunikation zwischen Feldgeräten und SPS. Das System meldet Konfigurationsfehler automatisch und verkürzt so die Inbetriebnahmezeit.

Fazit: Kreisprüfungen als Grundpfeiler zuverlässiger Automatisierung

Kreisprüfungen sind ein Grundpfeiler zuverlässiger industrieller Automatisierung und Prozesssteuerung. Ob an analogen 4–20 mA Stromkreisen oder digitalen Feldbus-Netzen durchgeführt, sie gewährleisten eine genaue Datenübertragung, einen effizienten Betrieb und eine sichere Anlagenleistung.

Auch wenn zukünftige Systeme viele Prüfungen automatisieren, bleibt das Verständnis der Grundlagen der Kreisprüfung eine unverzichtbare Fertigkeit für jeden Automatisierungsexperten.