Häufiges Problem in der Industrieautomatisierung

In der Industrieautomatisierung stoßen Ingenieure häufig auf Abweichungen zwischen den Messwerten von Feldtransmittern und den Werten, die auf Leitsystemen wie SPS oder DCS angezeigt werden. Dieses Problem, obwohl häufig, kann verschiedene Ursachen haben. Das Verständnis dieser Ursachen ist entscheidend, um eine genaue Prozesssteuerung aufrechtzuerhalten und eine zuverlässige Systemleistung zu gewährleisten.

Konfigurationsabweichung zwischen Transmitter und DCS

Eine der häufigsten Ursachen für Abweichungen bei den Messwerten ist eine falsche Bereichseinstellung.
Beispielsweise, wenn ein Temperaturtransmitter für 0–250 °C kalibriert ist, das DCS jedoch auf 0–200 °C eingestellt ist, zeigt die Anzeige im Leitraum einen falschen Wert im Vergleich zur Anzeige im Feld an.

Um dies zu vermeiden, sollte stets überprüft werden, dass sowohl der Transmitter als auch die analoge Eingangskarte des DCS oder der SPS identische LRV (unterer Bereichswert) und URV (oberer Bereichswert) Einstellungen haben. Eine einheitliche Konfiguration über die Geräte hinweg gewährleistet eine genaue Skalierung und beseitigt die häufigste Ursache für Abweichungen.

Wenn die Konfiguration korrekt ist, die Messwerte aber dennoch abweichen

Manchmal bestehen trotz übereinstimmender Konfigurationen weiterhin Abweichungen. Dies tritt oft aufgrund eines 4–20 mA Schleifenstromabfalls auf – ein feines, aber wirkungsvolles Problem bei der analogen Signalübertragung.

Obwohl der 4–20 mA Standard theoretisch einen konstanten Strom in der Schleife aufrechterhält, können praktische Bedingungen wie hoher Kabelwiderstand oder schlechte Anschlüsse kleine, aber messbare Abfälle verursachen.

Typische Ursachen für 4–20 mA Schleifenstromabfall

Häufige Ursachen für Signalverluste sind:

• Hoher Widerstand in Haupt- oder Abzweigleitungen

• Masseschleifen und mangelhafte Abschirmung

• Falsche Kalibrierung der Transmitteraussendung oder der DCS-Eingangskarten

• Niedrig auflösende oder nicht kalibrierte analoge Eingabemodule

• Lockere oder korrodierte Anschlüsse

• Elektrische Störungen oder induzierte elektromagnetische Felder von benachbarten Geräten

Schon ein kleiner Abfall – etwa 0,01 mA – kann spürbare Abweichungen bei den angezeigten Prozesswerten verursachen, besonders in Systemen mit großem Messbereich.

Messung und Überprüfung von Schleifenstromabfällen

Um festzustellen, ob der Stromabfall die Ursache des Problems ist, können Ingenieure folgende Schritte durchführen:

1. Messung des Schleifenstroms mit einem kalibrierten Multimeter, das in Reihe geschaltet wird.

2. Vergleich der Messwerte zwischen dem Multimeter und der internen HART-Ausgabe des Transmitters.

3. Bewertung der Differenz: Wenn der HART-Wert des Transmitters 6,00 mA anzeigt, das Multimeter jedoch 5,99 mA misst, liegt ein Schleifenverlust von 0,01 mA vor.

Die HART-Anzeige bleibt genau, da sie digitale Daten direkt von der Transmitter-CPU liest und somit den analogen Signalweg umgeht. Das DCS empfängt jedoch den analogen Strom, wodurch es anfällig für kleine Verluste in der Schleife ist.

Beispiel 1: Anwendung im niedrigen Messbereich

Betrachten wir einen Drucktransmitter mit einem Bereich von 0–10 kg/cm².
Wenn der Transmitter im Feld 1,25 kg/cm² anzeigt (entsprechend 6 mA), das Leitsystem jedoch 1,24375 kg/cm² (entsprechend 5,99 mA) anzeigt, beträgt der Fehler 0,00625 kg/cm² oder 0,06 %.

In den meisten Anwendungen mit niedrigem Messbereich sind solche kleinen Abweichungen akzeptabel. Die Genauigkeitsklasse des Systems und die Anzeigeauflösung bestimmen, ob solche Unterschiede relevant sind.

Beispiel 2: Anwendung im hohen Messbereich

Betrachten wir nun einen Abfackel-Durchflussmesser mit einem Messbereich von 0–150.000 kg/h.
Ein Abfall von 0,01 mA (6,00 mA gegenüber 5,99 mA) verursacht eine Abweichung von 93,75 kg/h zwischen Feld- und Leitsystemanzeige.
Obwohl der prozentuale Fehler nur 0,06 % beträgt, ist die absolute Differenz erheblich. Bei Transmittern mit großem Messbereich können selbst kleine Signalverluste die Massenbilanz und Leistungsüberwachung beeinträchtigen.

Warum Schleifenstromabfälle wichtig sind

Obwohl ein Abfall von 0,01 mA gering erscheint, kann er in kritischen Anwendungen wie der Eigentumsübergabe, Energiemessung oder Emissionsüberwachung zu Prozessineffizienzen oder Fehlinterpretationen führen. Daher ist die regelmäßige Überprüfung analoger Schleifen unerlässlich, um die Systemzuverlässigkeit zu gewährleisten.

Außerdem werden solche Probleme durch die Einführung digitaler Kommunikationsstandards (z. B. Foundation Fieldbus, Profibus PA oder Ethernet-basierte Systeme) zunehmend minimiert – viele Altanlagen verlassen sich jedoch noch auf analoge Schleifen, weshalb dieses Wissen für Messtechniker unverzichtbar bleibt.

Erfahrungen von Ingenieuren

Aus der Praxis zeigt sich, dass die Schleifenintegrität bei jeder vorbeugenden Wartung überprüft werden sollte. Der Einsatz präziser Kalibrierwerkzeuge, eine ordnungsgemäße Erdung und der Austausch alter Kabel können Abweichungen erheblich verringern.
Darüber hinaus können moderne intelligente Transmitter mit Diagnosefunktionen Anwender auf mögliche Verschlechterungen der Stromschleife hinweisen und so vorausschauende Wartungsstrategien in der Fabrikautomatisierung und in Prozessleitsystemen verbessern.

Praktische Lösungen und Anwendungsszenarien

• Regelmäßige Kalibrierung: Jährliche Überprüfung der Skalierung von Transmitter und DCS.

• Kabelmanagement: Verwendung von verdrillten, geschirmten Leitungen und Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Erdung.

• Digitale Überprüfung: Einsatz von HART- oder Fieldbus-Diagnosen zur frühzeitigen Erkennung von Abweichungen.

• Kritische Anwendungen: Erwägung digitaler Kommunikationsprotokolle, bei denen Signalverluste ausgeschlossen sind.

Fazit

Abweichungen zwischen Feldtransmittern und Leitsystemen entstehen hauptsächlich durch Konfigurationsfehler oder Stromabfälle in der Schleife. Selbst minimale Stromschwankungen können spürbare Abweichungen bei Prozesswerten verursachen, besonders bei Transmittern mit großem Messbereich. Durch genaue Kalibrierung, Sicherstellung der Schleifenintegrität und regelmäßige Überprüfung können Ingenieure präzise und verlässliche Messungen im gesamten Leitsystemnetz gewährleisten.