DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Messwertaufbereitung. Ort: Teilfunktion: Beispiel: Druckmessung Erläuterungen Leit- Einrichtung - CPU

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1 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Messwertaufbereitung Erich Kleiner, März Prinzip Messwertaufbereitung Inhalt: Seite: 1 Prinzip 1 2 Sensoren Kontakte Näherungsschalter Halbleitersensoren Heiß / Kaltleiter 7 3 Messwertaufbereitung im Eingabegerät 3.1 Kontakte Näherungsschalter Analoge Messungen allgemein Universal Eingabe Temperaturmessungen Pulse, Codes Signalverteilung Eigensichere Geberstromkreise 12 4 Messwertaufbereitung in der CPU 4.1 Binärsignale Analogsignale 13 5 Beispiele 13 6 HART Protokoll 15 7 I/O Link 16 8 Kommunikationsvarianten (Übersicht) 17 mit Energy Harvesting Die vorliegende Unterlage betrachtet aus der Sicht der Anwendung in Automatisierungssystemen kurz die wichtigsten Sensoren, dann Funktionalitäten der Eingabegeräte von SPS / PLS sowie SW Maßnahmen in der CPU für die Messwertaufbereitung. Kenntnisse der Messtechnik werden vorausgesetzt. Zum Teil basiert sie auf dem Skript "Ein Ausgabe" von H. Heckmann. 1 Prinzip Unter Messwertaufbereitung versteht man alle Geräte / Funktionalitäten, die Prozesszustände einer Leiteinrichtung zugänglich machen. Bild 1 zeigt Orte und Teilfunktionen allgemein sowie an einer Druckmessung als typischem Beispiel. Spätere Kapitel erläutern die möglichen Teilfunktionen im Detail. Je nach Anwendungsbereich und Produkt (Kosten) ist in der Praxis oft nur ein Teil der möglichen Funktionen realisiert, und zwar in verschiedener Aufteilung auf die Orte "Feld" (im Prozess), Eingabegeräte (I/O der SPS / des PLS, HW und SW) sowie CPU (SW). Ort: Teilfunktion: Beispiel: Druckmessung Erläuterungen Leit Einrichtung CPU Eingabe Gerät Prozess ( Feld ) Messdose Grenzsignal Bildung Dämpfung (wenn nötig) Auswertung (I > U), A/D # Überwachung (Messbereich) Wandl. u Spannungsversorgung, Shunt Absicherung / Entkopplung 24V Signalverteilung / Rangierung, Verkabelung Umformung in elektrische Größe, Standard: (0/ ma) Analogsignal Grenzsignale Grenzwerte Hysterese Simulation Simulationswert Störungsbehandl. Ersatzwert Aufbereitung Korrektur(dP f. F,L) Linearisierung (T) f I f Simulation (durch Wartung) Umschaltung bei Störung, Abschalt.durch Wartung Bereichsüberschreitung Messwert >MAX <MIN Multiplexer Überwachungssignale z.b. 4 Grenzsignale: <MIN, <TIEF, >HOCH, >MAX Umschaltung auf variablen Simulationswert Grenze CPU / Eingabegerät Produkt abhängig! Bei ma: < 4 ma Drahtbruch! Versorgung getrennt oder im Eingabegerät Zuordnung zwischen FeldAnordnung und Eingabegeräten eingeprägter Strom: Leitungswiderstand unabhängig 2 Leiter Messumformer Umformung in elektrisch erfassbare Größe Nicht elektrische Größe Weg Impulsleitung Druck (P) Bild 1: Prinzip der Messwertaufbereitung am Beispiel einer 2Leiter Analog Eingabe mit HART Protokoll ASA_Mwaufbertg.doc 1

2 Messwertaufbereitung Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 1 Prinzip Erich Kleiner, Juli 2008 Feld: Die Feldgeräte (vorort, im Prozess) haben die Aufgabe physikalische (nicht elektrische) Größen in elektrische Größen umzuformen, die über Eingabegeräte der CPU zugänglich gemacht werden. Dazu erfolgt zunächst eine Umformung in elektrisch messbare Größen, wie einen Weg bei der Beispiel Druckmessung mit Hilfe einer Druck Messdose. Dieser verändert die Dämpfung eines elektrischen Schwingkreises, so dass nun eine elektrische Größe zur Verfügung steht, die sich "analog" zum Druck verhält. Nichtlinearitäten werden direkt hier oder müssen später per SW in SPS / PLS ausgeglichen werden. Die HW Geräte, die diese Aufgabe erfüllen, werden allgemein "Messumformer" genannt. Sie sind einzeln oder auf "Messgerüsten" im "Feld" (vorort im Prozess) montiert, damit der mechanische Anschluss an den Prozess (z.b. eine "Impuls Leitung" bei Druck Messung) möglichst kurz ist. Von hier muss das elektrische Signal oft weit über Leitungen zu den Eingabegeräten der Leiteinrichtung transportiert werden. Hierzu hat sich ein "eingeprägter Strom" bewährt: der Messumformer regelt den Strom im Übertragungs Stromkreis auf einen zur Messgröße analogen Wert. Dadurch werden Leitungswiderstände, die sich durch Temperatureinfluss ändern können, ausgeglichen. Standard sind 0 bzw. 4 bis 20 ma für den physikalischen Messbereich, also z.b. entsprechend bar. Meist kann ein gewisser Bereich unterhalb des Messbereichanfangs und / oder über dem Messbereichsende auch noch übertragen werden. Diese Methode wird auch Schleifen gespeist genannt. Die Spannungsversorgung des Messumformers kann "fremd" (durch spezielle zusätzliche Geräte über zusätzliche Leitungen) oder aus dem Eingabegerät über den Übertragungsstromkreis erfolgen. In diesem Fall wird ma gewählt, damit auch am Messbereichsanfang ein Strom für den Eigenbedarf des Messumformers fließen kann. Dadurch kann gleichzeitig Leitungsbruch überwacht werden, weil dann kein Strom fließt. Ausserdem ist die Verkabelung über nur 2 Leitungen wirtschaftlicher. In vielen Messumformern können Messbereich und andere charakteristische Werte wie z.b. Dämpfung eingestellt werden. Damit dies nicht vor Ort getan werden muss wurde das "HART" Protokoll* entwickelt, bei dem Servicegeräte ihre Anweisungen und Messumformer ihre Einstellwerte als Bitfolge zusätzlich in den ma Stromkreis einkoppeln, so dass ohne zusätzliche Verbindungen z.b. vom Anschluss an SPS / PLS aus konfiguriert werden kann (siehe Kap. 6). Teilweise werden auch schon Messumformer mit Feldbus Anschluss verwendet, die jedoch noch teurer sind als solche mit Strom Ausgang. Auch hier wird meist das HART Protokoll angewandt, nun allerdings durch Service Geräte am Feldbus. Eine neue Technik ist IOLink (siehe Kap. 7) * Highway Addressable Remote Transducer Leiteinrichtung: SPS / PLS, hier der Teil, in dem Messwerte bearbeitet werden. Dies geschieht teilweise per HW in den Eingabegeräten und teilweise per SW in Eingabegeräten und CPU. Eingabegeräte: Steck Karten oder sonstige Module in SPS / PLS mit Anschlussmöglichkeit für elektrische Verbindungen zu Sensoren wie Kontakten und Messumformern mit je nach Produkt und Typ bis zu 32 Kanälen der gleichen oder ähnlichen Sensorart. Die Sensoren werden per Verkabelung oder "Rangierung" den entsprechenden Eingabegeräten zugeordnet. Für jeden Eingangs Kanal ist ein gewisser HW Teil vorhanden: zumindest ein Shunt bei Stromeingängen und eine erste HW Dämpfung / Entprellung. Dahinter werden die Eingänge durch einen Multiplexer und ggf. eine Potenzialtrennung seriell auf eine Analog / Digitalwandlung und die weitere, per SW realisierte Verarbeitung geschaltet, die Messbereichs Überwachung und Dämpfung enthalten kann. Rückwirkungsfreie Signaltrennung im Eingabegerät, z.b. durch Potenzialtrennung, verhindert Signalverfälschung bzw. Einschleppen gefährlicher Potenziale, ist für alle Signalarten sinnvoll, aber nicht immer bezahlbar. Das Ergebnis wird meist seriell über den internen Bus der Leiteinrichtung ("Back plane bus") an die CPU geliefert. Durch die serielle Abarbeitung steht der aktuelle Wert eines bestimmten Kanals immer nur nach einem weiteren Geräte Zyklus und der Bus Übertragung zur Verfügung, was bei schnellen Prozessen zu berücksichtigen ist. CPU: Der programmierbare Verarbeitungsteil einer Leiteinrichtung scannt die notwendigen Eingangssignale und speichert sie für die Verarbeitung. Dabei können weitere Aufbereitungs Aufgaben per SW abgewickelt werden: Linearisierung (z.b. bei Thermoelementen), Radizierung (z.b. bei F Messung über Δ P), Korrektur von Δ P Messungen für F und L durch absolute Druck und Temperaturwerte, genaue Messbereichüberwachung oder Gradientenüberwachung bei Temperaturen (Störungserkennung bei für eine Temperatur zu schneller Wert Änderung), Bildung von (binären) Grenzsignalen für Steuerung und Überwachung unter Berücksichtigung einer einstellbaren Hysterese, automatische Umschaltung auf einen konfigurierbaren Ersatzwert bei Sensor Störung. Für Service Zwecke (Inbetriebnahme, Störungsbehebung) ist weiterhin eine Simulationsmöglichkeit sinnvoll: anstelle des echten Messwertes wird ein variierbarer Simulationswert an die weitere Auswertung der Ausgangssignale gegeben. Manchmal wird hier auch ein "Scaling" durchgeführt, d.h. eine Umwandlung der internen Wertdarstellung in den physikalischen Messbereich. 2 ASA_Mwaufbertg.doc

3 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Messwertaufbereitung Erich Kleiner, Oktober Sensoren 2 Sensoren Nachfolgend werden die für Automatisierungssysteme wichtigsten Sensor Prinzipien aus Anwendungssicht dargestellt. Die untenstehende Tabelle enthält eine Übersicht über Sensoren, geordnet nach Signalart und HW Realisierung mit Anwendungsbeispielen. Tabelle 1: Sensor Arten Signal Art Realisierung Beispiele binär Kontakt (ohne / mit Überwachung) Endschalter, Schütz Hilfskontakt ( EIN ), Manometer analog Näherungsmelder (induktiv, kapazitiv, Endschalter opto elektronisch, Ultraschall) zählen von Pulsen Drehzahl, relative Weg / Winkelmessung (Quer Markierungen), induktiv oder per Foto Effekt Energieumwandlung: Thermospannung Thermoelement Piezo Effekt Druckmessung, Gewicht Elektrodynamisches Prinzip Drehzahl ( Tacho Generator ) Änderung elektr. Eigenschaften: Widerstand Widerstandsthermometer, Stellung Indktivität Druck Messumformer Kapazität Füllstandsmessung Komplexe Systeme Ultraschall, Laser Durchflussmessung (ohne Mess Stutzen), Abstand Bildverarbeitung Lage digital lesen von Strichmustern (längs) absolute Weg / Winkel Messung induktiv / Foto Effekt lesen eines Codes Mengenmessung mit Ovalradzähler (Lesen eines Zählerstandes) 2.1 Kontakte Kontakte sind nach wie vor in Automatisierungssystemen die wichtigsten Sensoren für Binärsignale, da sie in Materialpreis und Kosten der Betätigungs Konstruktion billiger sind als zuverlässigere Lösungen wie Näherungsgeber und sich für manche Anwendungen besser eignen. Z.B. sind Betätigungsweg und Platzbedarf der Betätigung eines Sprung Kontaktes viel kürzer als beim Näherungsgeber. Die nebenstehende Tabelle versucht die Kontakte zu klassifizieren und ihre wichtigsten Eigenschaften darzustellen. Dabei ist für die Anwendung wichtig: Offene Kontakte haben sehr begrenzte Lebensdauer durch Oxidieren (Lichtbogenbildung beim Schalten) und dadurch ansteigenden Übergangswiderstand, benötigen daher genügend hohe Schaltspannung und Strom (siehe Bild 2.1). Gekapselte Kontakte (Reed Relais) haben eine längere Lebensdauer, sind geeignet für kleine Spannung (24V), aber empfindlich auf Überlastung (max. Werte von Spannung, Strom und Leistung!) Quecksilber benetzte Kontakte haben einen konstanten Übergangswiderstand. Das erlaubt das Schalten sehr kleiner Spannungen und Ströme, ist jedoch hauptsächlich wichtig für Multiplexer. Tabelle 2: Kontakte Kontakte, Ausführung: Schalt Übergangs Prell Spiele: Widerstand: zeit trocken offen Standard Kontaktmat nicht definiert hochwertige 10 5 Legierungen gekapselt 10 7 steigend 2..5 ms ( Reed Relais) bis ca. 5 Quecksilber benetzt >10 7 konstant 0 Bei der Verwendung offener Kontakte in Sensoren (z.b.als Druckwächter) ist wichtig, dass die Konstruktion ein Sprung artiges Schließen / Öffnen des Kontaktes sicherstellt, um Funkenbildung und Prellen zu begrenzen. Wegen mechanisch bewegter Teile ist mit Kontakt bruch zu rechnen, Überwachung ist sinnvoll. ASA_Mwaufbertg.doc 3

4 Messwertaufbereitung Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 2. Sensoren Erich Kleiner, Februar 2013 Besonders wichtig für zuverlässige Kontaktgabe hauptsächlich bei offenen Kontakten sind Schaltspannung und Strom. Bild 2.1 zeigt den Zusammenhang zwischen Fehlerhäufigkeit und Schaltspannung. Danach sind 24 V sehr unsicher, aber bereits 48 V wesentlich besser und als "Klein Spannung" in den Isolationskosten (Kabel, Konstruktion) billiger als z.b. die Netzspannung 230 V. Der Strom sollte im geschlossenen Zustand aus praktischen Erfahrungen > 5mA sein. Hier gibt es für die einzelnen Kontaktmaterialien genaue Angaben. Näherungs 2.2 Näherungsschalter (Initiatoren) Es gibt induktive und kapazitive schalter, auch Initiatoren genannt. Ein induktiver Geber besteht im Wesentlichen aus einem Oszillator (Schwingungserzeuger) mit einer Spule in einem offenen Magnetkern und einer Auswertung der Schwingung (Bilder und 2.2.2). Im unbetätigten Zustand schwingt der Oszillator und die Spule erzeugt ein Wechselfeld. Wird in dieses Feld ein elektrisch leitendes Material gebracht, z.b. ein Stahlblech, so bilden sich in ihm durch den Magnetfluss Wirbelströme aus, die dem Oszillator so viel Energie entziehen, dass die Schwingung aussetzt oder stark bedämpft wird. Erst nach Entfernen schwingt der Oszillator wieder an. Diese beiden Zustände werden ausgewertet. Bild zeigt verschiedene Bauformen, hier von der Fa. PepperlFuchs im Mannheim. Die Quader Ausführung (zweite von oben) entspricht den Maßen genormter Endschalter und kann diese daher gut ersetzen. Außer den unteren beiden (Schlitz und Ring) sind in diesen Bauformen induktive und kapazitive Näherungsgeber lieferbar. Der Schaltabstand richtet sich nach der Bauform des Initiators, der Einbauart (bündig oder nicht bündig) und dem Material des bedämpfenden Konstruktionsteils. Mit einer Kupferplatte erreicht man z.b. nur 30% des Schaltabstandes einer Baustahlplatte. Auch axiale oder radiale Annäherung ergeben verschiedene Abstände. Die Initiatoren lassen sich wie Kontakte für DC und AC bis 250V einsetzen (Bild oben), und zwar in Zweidraht, Dreidraht und Vierdraht Schaltung. Außerdem sind sie mit eingebauter ASI Schnittstelle lieferbar, so dass sie direkt an den ASI Bus angeschlossen werden können. In der Prozessautomation werden meist Initiatoren mit NAMUR Ausgang verwendet (Bild unten). Dieser verhält sich wie ein Widerstand, der zwei Werte annehmen kann: bedämpft 20% und unbedämpft 60% des Maximalstromes. Dadurch können Unterbruch (0%) und Kurzschluss (100%) festgestellt werden. Näherungsgeber haben hohe Lebensdauer und Verfügbarkeit (kein mechanischer Verschleiß) und prellen nicht (durch Auswerteschaltung). Sie haben daher große Vorteile vor Kontakten. Bild 2.1: Fehlerhäufigkeit / Spannung bei Kontakten Bild 2.2.1: Wirkungsweise Bild 2.2.2: Blockschaltbild Bild 2.2.3: (indukt. Binärausgaben) Bauformen Bild 2.2.4: Anwendungen. 10 F Magnetische Feldlinien Fehlerhäufigkeit (log.) U[V] (Schaltspannung) Abschirmung Gehäuse Symbol Grenze der Bedämpfungszone Offener Ferritkern Spulen 4 ASA_Mwaufbertg.doc

5 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Messwertaufbereitung Erich Kleiner, Oktober Sensoren 2.3 Halbleitersensoren Physikalische Effekte, die sich zur Herstellung von Sensoren besonders gut eignen sind: Hall Effekt ( Hall Sensoren) Gauß Effekt ( Feldplatten) Temperaturabhängigkeit des spez. Widerstandes ( Temperatursensoren...), Piezoresistiver Effekt ( Drucksensoren) Fotoeffekt ( ff, Optokoppler) I B U Bild : Hallgenerator, Prinzip 2.3.1: Hall Sensoren Hall Sensoren sind Halbleiterbauelemente, deren elektrisches Verhalten durch Magnetfelder beeinflußt werden kann. Bild zeigt die prinzipielle Funktionsweise eines Hallgenerators. Wird das Plättchen vom Strom I durchflossen und von der magnetischen Induktion B durchsetzt, entsteht an den Seiten die Hallspannung U ~ I * B Bild zeigt den Verlauf der Hall Spannung bei Beeinflussung durch einen Magneten. Angewandt werden Hall Sensoren zur Messung von Drehzahlen sowie zur relativen Messung von Winkeln und Positionen. UH Bewegungs richtung S N N S s S N N S S N N S Betäti gungs Abstand s Beispiel: Drehzahlmessung mit Abtastung eines ferromagnetischen Zahnrades durch Differenz Hall IC: Bei Differenz Hall ICs befinden sich auf dem Chip zwei Hall Elemente, die als Magnetfeldsensoren in geringem Abstand zueinander angeordnet sind. Das elektrische Differenzsignal wird nach Verstärkung einem integrierenden Regelfilter zugeführt, das den in der Praxis unvermeidlichen Offset beseitigt. Ist der Hall IC (s. Bild unten) einem magnetischen Gleichfeld so ausgesetzt, so geben die beiden Sensoren die gleiche Spannung ab. Die Differenzbildung ergibt Null, unabhängig von der absoluten Feldstärke. Besteht dagegen von einem Sensor zum anderen ein Feldgradient, weil z.b. einem Sensor ein Zahn, dem anderen die Lücke eines Zahnrades gegenübersteht, verstärkt sich die magnetische Induktion durch den Zahn auf der einen Seite und es entsteht ein Differenzsignal. Dreht sich das Zahnrad, ändert die Differenz ihre Polarität mit der Frequenz des Wechsels von Zahn auf Lücke. Das Differenzmaximum entsteht durch die Zahnflanke, der Nulldurchgang erfolgt in der Zahn oder Lückenmitte. Überschreitet die Differenz die obere Schwelle, sperrt der Ausgangstransistor. Unterschreitet die Differenz die untere Schwelle, die der Differenz Null entspricht, wird der Transistor leitend. Der eingebaute integrierende Regelmechanismus regelt das vor dem Schmitt Trigger anstehende Differenzsignal zu Null, und zwar mit einer über einen externen Kondensator einstellbaren Zeitkonstante (C in der Op Rückführung). Daher werden nur Differenzen ausgewertet, die sich mit einer Mindestgeschwindigkeit (z.b. > 5 Hz) ändern. Bild : Verlauf der Hall Spannung Ferromagn. Zahnrad / Stange Differenz Verstärkung Hall elemente S N Diff. Ext. C Hall IC Permanent Magnet Signalauswertung mit Hysterese Regelfilter Ausgang Bild : Erfassung von Drehzahl / Position mit Differenz Hall IC Die mit dieser Regelung erreichte Genauigkeit ermöglicht eine geringe Schalthysterese und damit einen großen Arbeitsabstand bis 3,5 mm. ASA_Mwaufbertg.doc 5

6 Messwertaufbereitung Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 2. Sensoren Erich Kleiner, Februar Feldplatten Als Funktionsprinzip liegt der Gaußeffekt zu Grunde: unter dem Einfluß eines Magnetfeldes ergibt sich das Nutzsignal als Widerstandsänderung. In der Gestaltung von Sensoren zusammen mit Permanentmagneten bieten sich zahlreiche Möglichkeiten zur Problemlösung an, bis hin zum kontaktlosen Potentiometer Temperatursensoren nach dem Prinzip der "Spreading Resistance" Auf ein Siliziumplättchen mit definierter Leitfähigkeit sind zwei sehr kleinflächige Elektroden aufgebracht. Die so gebildete Widerstandsstrecke ist temperaturabhängig mit dem TC von 0,75%/K Drucksensoren nach dem piezoresistiven Prinzip In einem Siliziumplättchen sind auf der Vorderseite definierte Widerstandsbahnen durch Ionen mplantation integriert, während die Rückseite eine Ätzung bis auf eine definierte Restdicke als Membrane aufweist. Die Widerstände sind in Brückenschaltung so angeordnet, daß die beiden Widerstände eines Brückenzweiges einer Stauchung, die beiden anderen einer Dehnung ausgesetzt sind, wenn ein angelegter Druck die Membrane zum Durchbiegen bringt. Zur Verfügung stehen Nieder, Mittel und Hochdrucksensoren für Realtiv und Absolutdruckmessungen Fotoeffekt Auf dem Fotoeffekt beruhen Fotoelement, Fotodiode und Fototransistor Fotoelement Fotoelemente sind aktive Zweipole, die optische in elektrische Energie umsetzen, ohne eine äußere Spannungsquelle zu benötigen. Sie weisen gegenüber Fotodioden einen vergleichsweise geringen Serien Innenwiderstand auf. Chip ober seite p n Bild : Fotoelement Chip unter seite Die Leerlaufspannung steigt in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke annähernd logarithmisch an und erreicht, insbesondere bei Planar Fotoelementen, schon bei sehr niedrigen Beleuchtungsstärken hohe Werte. Sie ist unabhängig von der Fläche des Fotoelementes. Der Kurzschlußstrom nimmt mit der Beleuchtungsstärke linear zu. Bei gleichmäßiger Ausleuchtung ist er proportional der Größe der bestrahlten lichtempfindlichen Fläche Fotodiode Fotodioden haben einen pn Übergang, der durch Anlegen einer Spannung in Sperrichtung gepolt wird. Die mit wachsender Sperrspannung abnehmende Kapazität verringert die Schaltzeiten. Der pn Übergang ist dem Licht möglichst gut zugänglich gemacht. Ohne Beleuchtung fließt ein sehr kleiner Sperrstrom, der sogenannte Dunkelstrom. Fällt auf die Umgebung des pnüberganges Licht, so werden dort Ladungsträgerpaare erzeugt, die zu einer Erhöhung des Sperrstromes führen. Dieser Fotostrom ist der Beleuchtungsstärke proportional. Daher eignen sich Fotodioden sehr gut für quantitative Lichtmessungen Fototransistoren Der Fototransistor ist ein Transistor, der sich wie eine Fotodiode mit eingebautem Verstärker verhält. Als lichtempfindliche Diode wirkt der BasisKollektorpnÜbergang. Der dort entstehende Fotostrom fließt auch über den Basiskontakt in den Emitter. Dieser Basisstrom wird durch den Transistoreffekt etwa 500fach verstärkt. B Symbol C E ~ Ersatzschaltbild B Bild : Fototransistor In der Wirkungsweise entspricht ein Fototransistor einer Fotodiode mit eingebautem Verstärker. Er weist eine mal größere Fotoempfindlichkeit auf als eine vergleichbare Fotodiode. Der Fototransistor wird vorzugsweise in Emitterschaltung betrieben und verhält sich dabei ähnlich wie ein NFTransistor Optokoppler In einem Optokoppler dient im allgemeinen als Sender eine infrarot strahlende Diode und als Empfänger ein SiliziumFototransistor. Infolge der galvanischen Trennung von Eingang (Diode) und Ausgang (Transistor) sind bei der Signalübertragung zwischen Eingangs und Ausgangsseite Potentialdifferenzen von einigen 1000 Volt möglich. Folgende Kennzeichen machen den Optokoppler den früher verwendeten Bauteilen (Relais und Übertrager) weit überlegen: Hohe Schaltgeschwindigkeit, Übertragung von Gleich und Wechselspannungssignalen, Großer Temperaturbereich, Hohe Temperaturwechselbelastbarkeit, Kleine Abmessungen, Hohe Zuverlässigkeit. Neben diesen allgemeinen Eigenschaften sind es 3 spezifische Charakteristika, die seine vielfachen Einsatzmöglichkeiten mitbestimmen: C E 6 ASA_Mwaufbertg.doc

7 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Messwertaufbereitung Erich Kleiner, Oktober Sensoren Hochspannungsfestigkeit: Die Hochspannungsfestigkeit wird durch eine ausgereifte Technologie, durch geschickten inneren Aufbau und ausgewählte Kunststoffmaterialien erreicht. C M R C Us Geringe Alterung der Lumineszenzdiode: Qualitätsmaßstab für die Alterung der verwendeten Lumineszendioden ist die Zeit, in der die Strahlung bei konstantem Strom auf die Hälfte des Anfangswertes abgefallen ist. Man kann mit Halbwertszeiten von mehr als Stunden rechnen. Stabilität der Transistoreigenschaften gegen Feldeffekt und Hochspannung: Zwischen GalliumarsenidLumineszenzdiode und SiliziumFototransistor darf im Betrieb eine hohe Potentialdifferenz bestehen. Kommt noch eine hohe Umgebungstemperatur (z.b. 90 C) hinzu, so kann sich im Fototransistor ein sogenannter Feldeffekt bemerkbar machen. Dieser Feldeffekt, der die Kopplerfunktion beeinträchtigt, wird durch besondere Technologien verhindert. Bei Optokopplern für hohe Anforderungen wird ein 100%iges Burnin durchgeführt. Das heißt, sie werden erst dann ausgeliefert, wenn der physikalisch bedingte Abfall der Strahlung unmittelbar nach der Produktion beendet ist und sich die elektrischen und optischen Parameter stabilisiert haben. Der Anwender erhält also einen nahezu alterungsfreien Optokoppler. Schaltzeiten: Die Ausschaltzeiten von Standard Optokopplern liegen derzeit in der Größenordnung von 15 bis 50 ms (s. Bild ) k I F R B Bild : Ersatzschaltbild der Übertragungsstrecke Wesentlich kürzer (Faktor 5) gegenüber der Ausschaltzeit ist die Einschaltzeit, da die Millerkapazität durch den Photonenstrom der Sendediode niederohmig aufgeladen wird. Demzufolge gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten, die Schaltzeiten eines Optokopplers zu verkürzen: durch technologische Maßnahmen die Millerkapazität zu minimieren; durch Beschaltungsmaßnahmen die Entladezeit bzw. Ladezeit der Millerkapazität zu verringern. Die einfachste Möglichkeit, die Ladungsträger aus der Basis abzuführen, bietet ein Basiswiderstand RB. Damit lassen sich die Ein und Ausschaltzeiten auf etwa 3 ms verkürzen. Allerdings wird dadurch das Stromübertragungsverhältnis auf < 30% begrenzt. Typische technische Daten sind: Stromübertragungsverhältnis: IC / IF ~ 150 bis 300%, Einschaltzeit: 6 ms ( 10,5 ms), Ausschaltzeit: 25 ms ( 43 ms), Isolationsprüfspannung: 2,8 KV; 5,3 KV I F I C UCE < 0,4 V 2.4 Heiß / Kaltleiter I F I C t EIN t AUS Eingangsimpuls Ausgangsimpuls Bild : Messschaltung und Zeitdiagramm zur Bestimmung der Verzögerungszeiten Im Empfangstransistor ist die BasisKollektor Diode als Fotodiode ausgebildet, die bei Bestrahlung mit Photonen einen Basisstrom hervorruft. Bild zeigt eine Optokoppler Übertragungsschaltung im Ersatzschaltbild. Die lange Ausschaltzeit des Optokopplers entsteht vor allem durch die Kapazität der BasisKollektorDiode (Millerkapazität Cm), deren Ladungen nur über den relativ niedrigen Sperrstrom der Fotodiode bzw. über die hochohmige Basis EmitterStrecke des Empfangstransistors entladen werden können. t t Heißleiter (NTC Thermistoren) Heißleiter sind Halbleiterwiderstände aus polykristalliner Metalloxidkeramik. Ihr Widerstandswert verkleinert sich bei Erwärmung stetig in Form einer efunktion, sie haben also einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC). Mit 2 bis 6 % je Kelvin ist der Temperaturkoeffizient von NTCThermistoren zehnmal größer als der von Metallen (Bild 2.4.1). Diese Temperatur abhängige Widerstandsänderung läßt sich in vielen Anwendungen nutzen, zumal es Heißleiter in zahlreichen Baugrößen und Bauformen gibt; Scheiben, Stab und Perlen förmige Versionen sind die meist gebräuchlichsten Formen. Darüber hinaus sind Heißleiter sehr robust. Typische Standard Heißleiter arbeiten in Temperaturbereichen zwischen 60 und C und mit einer Meßgenauigkeit von bis zu 0,2 K (im Bereich von 0 bis 70 0 C). Je nach Anwendung erwärmen sich Heißleiter entweder selbst infolge elektrischer Belastung, wenn sie von Strom durchflossen werden, oder aufgrund der herrschenden Umgebungstemperatur. ASA_Mwaufbertg.doc 7

8 Buskoppl. Buskoppl. Buskoppl. Messwertaufbereitung Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 2. Sensoren Erich Kleiner, August 2007 Da sich der elektrische Widerstand von Heißleitern abhängig von der Temperatur in einer stetigen und definierten Kurve ändert, kann jedem Temperaturwert exakt ein entsprechender Widerstandswert zugeordnet werden. Heißleiter eignen sich deshalb vor allem als empfindliche, aber doch robuste Temperatursensoren, z.b. zum Messen von Temperaturen in Flüssigkeiten und gasförmigen Medien. Das Bild zeigt, dass das Verhalten nicht linear ist, für Analogwertmessung muss linearisiert werden. R [ ] Thermistoren NTC PTC Linearer Widerstand [ C] Bild 2.4.1: Temperaturverhalten im Vergleich: NTC, PTC, linearer Widerstand 2.4.2: Kaltleiter (PTC Thermistoren) Ein völlig anderes Temperaturverhalten zeigen Kaltleiter mit ihrem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC). Ihr elektrischer Widerstand steigt beim Überschreiten einer bestimmten Temperaturgrenze sprunghaft um mehrere Zehnerpotenzen (Bild 2.4.1). Kaltleiter bestehen aus dotierter, polykristalliner Keramik auf der Basis von Bariumtitanat. Ihr charakteristischer Widerstands Temperatur Verlauf beruht auf den halbleitenden und ferroelektrischen Eigenschaften der Titanatkeramik. Kaltleiter lassen sich wie Heißleiter in zwei Anwendungsbereiche einteilen: direkt beheizte Kaltleiter, d.h. Strom fließt durch das Bauelement und erwärmt es, und indirekt beheizte Kaltleiter, denen Wärme aus der Umgebung zugeführt wird. Direkt beheizte Leistungs Kaltleiter werden als Sicherung (bzw. Strombegrenzung) bei Kurzschluß oder Überlast, als Schalter beim Motorstart oder zur Schaltverzögerung sowie als Heizelement in Kleinheizgeräten und Thermostaten verwendet. Indirekt beheizte PTCThermistoren sind typische Sensoren für die Meß und Regeltechnik sowie für den Schutz gegen Übertemperatur. Für die Schalt und Regelfunktion von Kaltleitern finden sich ständig neue Anwendungen. So lassen sich mit ihnen Motor, Transformator und Maschinenschutzfühler aufbauen und Schaltverzögerungen bewirken. Sie helfen beim Regeln von Heiztempera turen, beim Messen von Füllständen und Strömungen, oder beim Starten von Motoren. 3 Messwertaufbereitung im Eingabegerät Die meisten SPS / PLS Produkte enthalten verschiedene Eingabegeräte Typen für die verschiedenen Sensorarten, manchmal auch Kombinationen. Daher ist hier nach Art der Sensoren gegliedert. 3.1 Kontakte Kontakteingaben sind immer noch die häufigsten Binäreingaben. Insbesondere kleine Steuerungseinrichtungen müssen sehr billig sein, daher muss ihre Signaleingabe sehr einfach realisiert werden. Nur bei anspruchsvolleren Aufgaben kann mehr Aufwand getrieben werden. Bild zeigt die wichtigsten Möglichkeiten, jedoch immer nur einen von bis zu 32 Eingangskanälen. Bei heutigen SPS / PLS Produkten sind die Eingabegeräte stets über einen Bus (Back plane oder Feldbus) mit der Verarbeitung verbunden (außer bei FPGAs), und je nach dessen Protokoll werden die Binärwerte durch die Buskopplung in einem oder mehreren Telegrammen gesendet. a) Ohne Potentialtrennung, ohne Überwachung, Gruppen Speisung 24 V (oder bis 60 V gegen Elektronik N) V (Kleinspannung) U < Bild 3.1.1: Kontakt Eingaben Signal Meld. 24V b) Mit Potentialtrennung (zumindest ), Gruppen Speisung und Spannungs Überwachung Signal c) Mit Potentialtrennung () und Einzelüberwachung, Versorgung aus Elektronik Gerät (24 od. 48 V) PTC Meldg. Signal 24 V Im einfachsten Fall a) hat das Eingabegerät für jeden Kontakt einen Anschluss mit Prellunterdrückungsfilter und Schmitt Trigger, ohne Potentialtrennung. Die Spannungsversorgung der Kontakte erfolgt gruppenweise in Zusatzgeräten / Einrichtungen. Überwacht wird nichts. Besser ist es, zumindest jede Sicherungsgruppe zu überwachen und das Ergebnis über einen Eingangskanal zu senden wie bei b). Ausserdem hat hier jeder Kontakt eine Potential Trennung durch Optokoppler. Einsatz: "normale" PLS. In der Fertigungsautomation werden Kontaktgeber mit notwendiger Hilfsenergie für die Messung meist in 3LeiterTechnik angeschlossen, so wie der Initiator in Bild 3.2 unten. 24V 8 ASA_Mwaufbertg.doc

9 4..20 ma Speisung Bezugsleiter V DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Messwertaufbereitung Erich Kleiner, Februar Messwertaufbereitung im Eingabegerät Für Anwendungen mit höheren Zuverlässigkeitsanforderungen ist eine Überwachung des Kontaktkreises sinnvoll wie bei c). Hier fließt auch bei geöffnetem Kontakt über den Beschaltungswiderstand (ca. 5k ) ein Strom. Zur Auswertung wird die Spannung an einem Eingangs Shunt bewertet. Damit können Leitungsunterbruch und Erdschluss erkannt werden, bei Verwendung eines Wechselkontaktes auch Kontaktbruch. Vor der Buskopplung erfolgt meist auch hier eine Potentialtrennung durch Optokoppler. Die im Bild gezeigte Spannungsversorgung aus dem Eingabegerät ist für die Dimensionierung der Überwachung die beste Lösung, benötigt aber mehr Anschlüsse auf dem Gerät (reduziert Kanalanzahl, erhöht Kosten pro Kanal). Meist können auch einige Kanäle als Gruppe fremd gespeist werden. Manchmal wird auch die Netzspannung als Kontaktspannungen benötigt bzw. vorgeschrieben. Dann besteht die Eingangsschaltung aus einem Kleintransformator (Potentialtrennung!) wie in Bild oder einer Spannungsteilung (z.b. mit Kondensatoren). Bis 230 V AC Bild 3.1.2: Niederspannung als Kontaktspannung Signal 3.3 Analoge Messungen allgemein Prozessgrößen wie Druck, Niveau, Temperatur usw. werden meist durch analog wirkende Sensoren gemessen und in Messumformern zu einem elektrischen Signal umgeformt, heute vorzugsweise ma, auch ma und bei Spezial Messumformern auch 0 / V. Eingabegeräte von SPS / PLS müssen diese verkabelt ankommenden Signale in Telegrammen am jeweiligen Bus weitergeben. Bild zeigt vereinfacht ein Eingabegerät mit einer Eingangsschaltung, an die die häufigsten Fälle (0 / ma oder 0 / V) an verschiedenen Eingängen angeschlossen werden können, wobei das Gerät für die richtige Interpretation und Überwachung des Eingangssignals parametriert werden muss. Billige Lösungen benutzen Eingabegeräte mit nur einer Art Eingangssignal, weil durch weniger Anschlüsse mehr Kanäle realisiert werden können, denn die mögliche AnschlussAnzahl ist konstruktiv begrenzt. Eingabegerät Steuerung Stör. Meldung Geräte Überwachung Messsignal Buskopplung # Multiplexer Störmeldg. Überwachung: Drahtbruch (4..20) MU (Messbereich) In allen Fällen ist die Verlustleistungsentwicklung durch Ruheströme und Spannungsteiler zu beachten. 3.2 Näherungsschalter (Initiatoren) Bild 3.2 zeigt Anschlussarten von Initiatoren. Filter 24V Fremdspeisung Verkabelung Links wird ein Messumformer aus dem Eingabegerät über einen PTC Thermistor gespeist und regelt diesen Strom analog zu dem zu übertragenden Messwert auf einen Wert zwischen 4 und 20 ma, wobei der Eigenbedarf des Messumformers weniger als 4 ma beträgt. Im Eingabegerät wird über einen Shunt eine Spannung erzeugt, gefiltert (vereinfacht dargestellt) und über einen Multiplexer auf die A/D Umwandlung geschaltet und per Buskopplung übertragen. Gerätefunktion und Messignal werden überwacht, im Störungsfall wird eine Störungsmeldung erzeugt und ebenfalls am Bus übertragen. Dabei kann bei ma bzw V Drahtbruch über Messumformer (Ersatz Schaltbild) Prozess Strom Regler Eigen Impulsleitung Bedarf Entnahme Stelle ( Messstutzen ) Eigen Bedarf Spann. Regler Bild 3.3.1: Eingabe für ma und V Bild 3.2: Anschlussarten von Initiatoren Beim 2 Draht Anschluss entspricht die Eingangsschaltung im Eingabegerät im Prinzip Bild c, Einzelüberwachung ist möglich und sinnvoll. In der Industrie wird oft Dreileiterschaltung verwendet. ASA_Mwaufbertg.doc 9

10 Übergang Th.elem.Mat. / Kupfer Speisung Bezugsleiter 0/4..20mA Bezugsleiter 0/4..20mA Speisung Messwertaufbereitung Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 3. Messwertaufbereitung im Eingabegerät Erich Kleiner, Juli 2008 wacht werden, sonst über die Einhaltung des Messbereichs nur grob die Funktion des Messmformers. Rechts ist in Bild ein Messumformer dargestellt, der fremd gespeist wird und V liefert. Über einen Spannungsteiler Widerstand an einem anderen Eingang erfolgt die Verarbeitung wie vor. In beiden Fällen erfolgt die Signalübertragung am Bus seriell, daher kann auch die A/D Wandlung seriell erfolgen, denn so wird nur ein A/D Wandler für 8, 16 oder 32 Eingangskanäle benötigt (Preis!). Allerdings steht dadurch erst nach einem Gerätezyklus ein neuer Wert für einen Kanal zur Verfügung, was die sinnvolle Anzahl Kanäle beschränkt. Fremd gespeister 4 Leiter Messumformer Speisung aus Eingabe gerät (3 oder 4 Leiter) 3.5 Temperaturen In Automatisierungssystemen werden Temperaturen meist mit Thermoelementen und Widerstandsthermometern gemessen, abhängig vom Messberreich. Heutige Thermoelemente enthalten oft schon im Anschlusskopf der Tauchhülse einen Messumformer, oder es wird ein getrennter Messumformer gleich im Unterverteiler gesetzt, um Kompensationsmaßnahmen für das "kalte Ende" zu vermeiden. In diesen Fällen können ganz normale ma Eingabegeräte verwendet werden (Bild 3.5.1). Steuerung Stör. Meldung Geräte Überwachung # Multiplexer Buskopplung Störmeldg. Überwachung: Drahtbruch (4..20) MU (Messbereich) Verkabelung Messsignal Eigen Bedarf Bild 3.3.2: 4 Leiter Messumformer Bild zeigt links einen fremd gespeisten Messumformer, der an das Eingabegerät einen Strom liefert ( ma oder ma). Die Verbindung des Bezugsleiters mit einem Anschluss auf dem Gerät ist elektrisch nicht nötig aber für die Verkabelung sinnvoll. Rechts ist der Anschluss eines 4 Leiter Messumformers bei Speisung aus dem Eingabegerät gezeigt, wozu 3 oder 4 Leitungen verwendet werden. 3.4 Universal Eingabe Ein Anschluss wie links in Bild dargestellt kann bei entsprechender Auslegung der Eingangsbeschaltung und Signalauswertung sowohl für 2 Leiter Messumformer als auch für Kontakte und Initiatoren verwendet werden, was zu Vereinfachungen in Planung und Montage führt (Bild 3.3). Alle diese Anwendungen können als veränderlicher Widerstand betrachtet werden. Bild 3.4: Universal Eingabe Strom Regler Sensor Art 24V Strom Regler Aus wertg. Aus wertg. Aus wertg. Ersatz Kontakt Initiator Messumformer Schaltbild Unterverteiler Thermo element Messumformer im Th.El.Kopf / im Unterverteiler Bild 3.5.1: Thermoelement Eingabe mit MU Bei manchen SPS / PLS gibt es auch spezielle Eingabegeräte für Thermoelemente, die dann den MU enthalten (Bild 3.5.2) In diesen Fällen wird der Übergang auf Kupferleitung meist in den Unterverteiler gelegt. Die Temperatur dort wird über ein Widerstandsthermometer gemessen, für das ein spezieller Eingang am Eingabegerät vorgesehen ist. Das Messsignal geht über einen Multiplexer und einen Trennverstärker zur Vermeidung von verfälschenden Potenzialverschlepp ungen auf eine Kompensation des kalten Endes und dann wie vor auf den A/D Wandler. Die im Th.El.Kopf eingebauten MU gibt es auch für 2 redundante Th.El. mit Umschaltung im MU # Thermoelement Direktanschluss Überw.: Drahtbruch Bild 3.5.2: Eingabegerät für Thermoelemente I C Trenn Verstärker Multiplexer Kompensation Widerstands Thermometer zur Messung der Temperatur des kalten Endes 10 ASA_Mwaufbertg.doc

11 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Messwertaufbereitung Erich Kleiner, Februar Messwertaufbereitung im Eingabegerät Auch Eingabegeräte für Widerstandsthermometer und "Ferngeber" (veränderliche Widerstände z.b. zur Positionsmesung) werden manchmal eingesetzt. (Bild 3.5.3) Hier wird der Messkreis aus dem Eingabegerät mit einem Konstantstrom gespeist, so dass eine dem Messwiderstand und damit der Temperatur proportionale Spannung entsteht. Links im Bild ist ein 2 Leiter Anschluss dargestellt, in dem aber der Spannungsabfall am Leitungs Widerstand die Messung verfälscht. Rechts sind durch 4 Leiter Speisung und Spannungsmessung am Widerstandsthermometer getrennt. Rechts ist die aufwändigere aber sicherere Lösung mit Trennverstärkern dargestellt, die "aktive" Verteilung, durch die Rückwirkungs freie Abschnitte entstehen. Multiplexer # I C Überw.: Drahtbruch Bild 3.5.3: Eingabegerät für Wid.thermometer I C 2 Leiter / 4 Leiter Widerstandsthermometer Die Pulserzeugung im Sensor erfolgt fast immer elektronisch mit Pulsformung, so dass kein "Prellen" auftritt. Insbesondere bei Drehzahlmessungen muss aber die Pulsfolgefrequenz bei Verkabelung und Auswerteschaltung im Eingabegerät berücksichtigt werden. Daher können hier meist keine "normalen" Binär Eingabegeräte eingesetzt werden sondern es werden spezielle Geräte benötigt. Diese enthalten dann meist Überwachung auf Leitungsbruch und Erdschluss. Digitale Eingaben (Bild 3.6 rechts), für: Weg und Winkelmessung durch optische Erfassung codierter Markierungen, Volumenstrom Messung durch Abfrage der Zählwerke von Ovalradzählern. Hier sind je nach benutztem Code und Auflösung verschieden viele Eingangskanäle gleichzeitig nötig. Dafür werden ebenfalls meist spezielle Eingabegeräte benutzt. Mit normalen Binäreingängen müssen: die Decodierung im Anwenderprogramm der CPU durchgeführt werden, und die Abfragezeitpunkte gesteuert werden, wobei manchmal ein zusätzlicher Eingang nötig ist. Bei Thermoelement und Widerstandsthermometer Eingabegeräten ist eine Linearisierung nötig, die in der CPU erfolgen muss. Meist ist das auch bei Eingabe über Messumformer nötig, da diese meist nicht linearisieren. 3.6 Pulse, Codes Für spezielle Messungen werden besondere Eingaben benutzt: 3.7 Signalverteilung In neueren und größeren Anlagen werden Prozesswerte nur einmal erfasst und per Bus an Verarbeitung und Kommunikation (per PC) weitergegeben. In älteren und kleineren neuen Anwendungen müssen insbesondere Analogsignale auch an konventionelle Auswertungen geliefert werden, also verdrahtet "verteilt" werden. Schleife nur an 1 Stelle geerdet! Rückwirkungsfreie Signaltrennung durch Potenzial trennende Signalverstärker ma ma ma Bild 3.7: Passive und aktive Signalverteilung Bild 3.6: Puls und Code Eingaben Puls Eingaben (Bild 3.6 links), verwendet für: Drehzahlmessung mit einer Art Zahnkranz und z.b. induktiver Erfassung oder mit Hall Gen., Weg Messung mit magnetischer oder optischer Abtastung von gleichmäßigen Markierungen, Volumenstrom Messung mit Ovalradzählern, die analog zu Volumenseinheiten Pulse abgeben. Bild 3.7 zeigt links die billigere Methode der Schleife über mehrere Anwendungen, die "passive" Verteilung. Bei Leitungs oder Kontaktproblemen ist so aber die ganze Schleife betroffen, das Signal fällt überall aus. Gerätestörungen (Shunt Unterbruch) kann durch Zenerdioden über den Anschlüssen vorgebeugt werden. ASA_Mwaufbertg.doc 11

12 Kanal 1 Kanal 2 Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 (wenn 1 GUT ) Vom Engineering / Servicesystem Messwertaufbereitung Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 3. Messwertaufbereitung im Eingabegerät Erich Kleiner, Juli Eigensichere Eingaben In Explosions und Schlagwetter gefährdeten Betrieben sind beim Aufbau elektrischer Anlagen die einschlägigen VDEVorschriften (VDE 0550, VDE 0165, VDE 0170/0171) zu beachten. Meist wird die Schutzart Eigensicherheit angewandt, d.h. die Elektronik Einrichtungen selbst werden in nicht gefährdeten Räumen untergebracht und die Verbindungen zu gefährdeten Betriebsteilen werden so ausgeführt, daß im Fehlerfalle gefährliche Spannungen und Stromstärken nicht verschleppt werden können, d.h. dass die maximal möglichen elektrischen Werte (Spannung, Leistung) für eine Entzündung durch Funkenbildung nicht ausreichen. Die Explosions gefährdeten Bereiche sind in Gefahrenzonen eingeteilt: Zur Gefahrenzone 0 gehören Bereiche, in denen immer mit dem Vorhandensein explosiver Atmosphäre in Gefahr drohender Menge zu rechnen ist. Zur Gefahrenzone 1 gehören Bereiche, in denen zuweilen mit dem Vorhandensein explosiver Atmosphäre in Gefahr drohender Menge zu rechnen ist. Das bedeutet für Eingabekreise: In der Gefahrenzone 0 dürfen nur Stromkreise mit galvanischer Trennung verwendet werden (Trennrelais). Die Speisespannung für den eigensicheren Stromkreis muß gegen Verschleppung von Fremdspannung gesichert sein. In der Gefahrenzone 1 können Sicherheitsbarrieren (mit Zener Dioden) oder Trennrelaisbaugruppen verwendet werden. Galvanische Trennung und Zener Barrieren werden als Zusatzgeräte zwischen Sensor und Eingabegerät geschaltet oder sind in besonders konstruierten Eingabegeräten (Isolationsabstände!) eingebaut. 4 Messwertaufbereitung in der CPU Ein Teil der Messwertaufbereitung erfordert "Rechenleistung" und wird heute Speicher programmiert durchgeführt, muss also in der CPU als eigenes Programm ablaufen. Nur in wenigen PLS Produkten (z.b. ABB PROCONTROL P) besitzen Eingabegeräte einen Prozessor und wickeln solche Aufgaben selbst ab. Diese Aufgaben werden meist "im Hintergrund" abgewickelt, müssen also nicht vom Anwender programmiert werden, sondern werden nur per Konfigurierung des Eingangssignals festgelegt und von der CPU jeweils beim Scannen der aktuellen Eingangswerte aufgerufen. Die Sperrung des Signals bei Störung wird "von Hand" programmiert. Sie Bild 4.1.1: CPU Aufgaben bei Binärsignalen macht nur Sinn, wenn in der weiteren Anwendung des Signals log. 1 "GUT" bedeutet und ein falscher Signalzustand gefährlich ist. Diese Maßnahme ist nötig, weil ein Binärwert bei Störung meist nicht aktualisiert wird, d.h. z.b. eine alte "1" gespeichert bleibt. Mechanische Störungen im Sensor, die den elektrischen Messkreis nicht beeinflussen, lassen sich mit einer einkanaligen Messung nicht feststellen. Bild zeigt die Möglichkeiten bei mehreren Kanälen: Sicheres Meldung Binärsignal & Sim. Wert Sicheres Meldung Binärsignal z.b. 2 v 3 1 v 3 Bild 4.1.2: Mehrkanalige Binärsignal Aufbereitung Bei zwei Eingangskanälen für einen Zustand kann man das verwendete Signal durch ein UND zwischen den Kanälen bilden (um nur eine sichere "1" weiterzugeben) und Ungleichheit melden (links), bei drei Kanälen ein sicheres Signal durch eine 2 von 3 Verknüpfung bilden und die Abweichung eines Kanals melden (rechts). & Ersatz Wert (wenn 1 GUT ) Störung Durch Instandhalter (Bediener) Störung 4.1 Binärsignale Bild 4.1 zeigt Messwertaufbereitungs Aufgaben der CPU für einen Binär Eingabekanal. Diese können sein: automatische Umschaltung auf Ersatzwert (je nach Verwendung des Signals auf 1 oder 0) im Falle einer Störung des Eingabegerätes oder des Eingangssignalkreises (wenn überwacht), sowie Möglichkeit zur gezielten Simulation des verwendeten Signals für Tests oder im Falle eines Sensorausfalls zur Erzeugung eines in der weiteren Anwendung benötigten Signalzustands. 12 ASA_Mwaufbertg.doc

13 Prozess... Bereichsüberschreitung Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 Bereichsüberschreitung Kanal 1 Kanal 2 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Messwertaufbereitung Erich Kleiner, Oktober Messwertaufbereitung in der CPU 4.2 Analogsignale Hier kann es in der CPU folgende Maßnahmen geben: Korrektur des "Rohwertes" von ΔP Werten für Durchfluss und Niveaumessungen mit Druck und Temperatur, Umschaltung auf einen Ersatz konfigurierbaren wert bei Störung des Sensors, des Eingangskreises, oder des Eingabegerätes, Simulationsmöglichkeit auf parametrierbaren Wert, Grenzsignalbildung unter Berücksichtigung einer Hysterese mit parametrierbaren Grenz und Hysteresewerten. Auch hier laufen diese Aufgaben bei modernen PLS Produkten "im Hintergrund" ab, sie werden lediglich bei der Konfigurierung der Eingangssignale gewählt. Die Grenzsignalbildung erzeugt meist standardmäßig 4 Grenzsignale als z.b.: "Min (LL) Tief (L) Hoch (H) Max (HH)" wobei L "Low" und H "High" bedeuten. Für Temperaturmessungen (Bild 4.2.2) gilt das Gleiche, nur tritt an die Stelle der Korrektur die Linearisierung. Diese ist meist bei allen Arten der Temperatur Eingabe durchzuführen (über MU und durch spezielle Temperatur Eingabegeräte). Für wichtige Analogwerte, z.b. Istwerte für wichtige Regelungen, muss berücksichtigt Bild 4.2.1: CPU Aufgaben bei Analogsignalen Sim. Wert Sim. Wert Ersatz Wert Korrektur, z.b. für Durchfluss Berechnung Ersatz Wert Korrektur, z.b. für F(x) Linearisierung: Grenz Wert Grenz Wert Durch Instandhalter (Bediener) Störung Durch Instandhalter (Bediener) F(x) Bild 4.2.2: CPU Aufgaben bei Temperatur Eingaben werden, dass ein Messwert auch dann falsch sein kann, wenn er im zulässigen Messbereich liegt. Einen solchen Fehler kann man nur durch Mehrkanaligkeit feststellen. Ü Störung Ü P P T Bild zeigt eine Mittelwertbildung aus zwei Eingangskanälen mit einer Störungsmeldung, wenn die zuzulassende Differenz zwischen den Kanälen überschritten wird. Hiermit kann man nur eine Meldung geben, denn bei zwei Kanälen ist nicht ersichtlich, welcher gestört ist. Bild zeigt die bessere Lösung mit drei Kanälen, die wegen der Kosten in der Messung nur in besonders wichtigen Fällen eingesetzt werden kann. Hier wird auch ein Mittelwert gebildet und bei unzulässiger Differenz zwischen den Kanälen eine Meldung gegeben. Da meist zu einem Zeitpunkt nur Zuläss. Differenz Zuläss. Differenz Sicheres Meldung Analogsignal Mittel Wert Diff. Bild 4.2.3: Mittelwertbildung bei 2 Kanälen Sicheres Analogsignal Meldung Mittel 1 Kan. falsch Wert mit 2 Kan. falsch Kanal Abschaltung Bild 4.2.4: Mittelwertbildung bei 3 Kanälen ein Kanal "wegläuft" kann dieser hier durch Vergleich ermittelt und von der Mittelwertbildung abgeschaltet werden, so dass ein wirklich sicheres Analogsignal an die weitere Verarbeitung gegeben werden kann. Ist nach der Abschaltung eines Kanals die Differenz zwischen den verbleibenden Kanälen größer als erlaubt so wird eine Gefahr Meldung gegeben, mit der auch ggf. eine gefährdete Regelung auf HAND umgeschaltet werden kann. 5 Beispiele (ABB Advant I/O System S600) Nachstehend sind Beispiele von ausgeführten Geräten aus dem Ein / Ausgabe System S600 der PLS Familie Advant, Serie 100, dargestellt. Prinzip Controller Eingabegerät CPU Eingangs Schaltung, Filter, Verstärker, Multiplexer Digitale Filterung, Simulation A / D Wandlung Signalbereichszuordn. und Überwachung Grenzsignal Bildung Datenbank Meldung Analogwert Grenzsignale Anwender Programm Parameter Bild 5.1: Prinzip der S100 Analog Eingabegeräte ASA_Mwaufbertg.doc 13

14 Prozess... Messwertaufbereitung Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 5. Beispiele Erich Kleiner, Oktober 2002 Bild 5.2: 16 x 0/4..20, ma, V Bild 5.3: 14 x Thermoelement Bild 5.4: Prinzip der S100 Binär Eingabegeräte Controller Eingabegerät Eingangs Schaltung, Filter, Verstärker, Speisungs Überwach. Multiplexer Prell Unterdr., Simulation CPU Datenbank Meldung Binärwert Parameter Anwender Programm Bild 5.5: 32 x 24 V DC, 4 Absicherungs Gruppen Bild 5.6: 16 x 120 V AC, 4 Absicherungs Gruppen 14 ASA_Mwaufbertg.doc

15 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Messwertaufbereitung Erich Kleiner, September HART Protokoll 6 HART Protokoll Messumformer sind meist einstellbar (Messbereich, Plausibilitätsgrenzen) und liefern immer mehr Diagnosemeldungen. Um Einstellungen nicht vor Ort durchführen zu müssen und Diagnosemeldungen zur Verfügung zu haben wurde das HART Protokoll entwickelt (Highway Adressable Remote Transducer), Bild 6.1. Auf dem Weg von einem HART tauglichen Messumformer zum Eingabegerät erfolgt die Übertragung dieser Daten physikalisch (Layer 1) zusätzlich zum durch ma übermittelten Prozesswert durch aufmodulierte Wechselspannung mit zwei Frequenzen für 1 und 0. Osi HART Eigenschaften: Layer: 7 zur Verfügung stellen von Netzwerkfähigen Applikationsdaten 2 binär, Byteorientiert, Token Passing, Master / Slave 1 Analog u. Digitalsignal auf 2adr. Kupferleitung, digital: 1200 bps HART Signal: 0,5 ma 0,5 ma 1200 Hz 2200 Hz ma Befehl / Abfrage des Masters Antwort des Slaves Engineering Rechner Handgerät (auch PC) Analogsignal 420 ma Bild 6.1: HART Protokoll Anschluss t Messumformer Parameter, Diagnose Daten (Slave) ma D A Messsignal Multiplexer HART Multiplexer ( HART Master) ca. 40 Register (oder mehr): Eingabe Gerät GeräteIdentifikation (Bezeichn., Hersteller, Modell, ) SW / HW Version Prozesswert(e) Geräte Variable Geräte Statusinformationen (Störung,.. ) Messanfang / Ende, Filter... Prozesswert als % des Messbereichs Durch ein an die ma Schleife angeschlossenes Handgerät (Bild 6.2) kann mit dem Messumformer kommuniziert werden. Über ein Modem kann ein PC angeschlossen werden. In beiden Fällen legt das HART Protokoll Art und Übertragung der Daten fest. Handgerät Bild 6.2: HART Anschluss PC Anschluss Busfähige Eingabegeräte (in SPS / PLS oder RIO) werden heute ebenfalls oft HART tauglich ausgelegt. Dazu enthalten sie einen zusätzlichen Multiplexer, über den von einem Engineeringsystem aus parametriert oder Diagnose betrieben werden kann (Bild 6.1 oben rechts). Das Standard HART Protokoll enthält nicht für alle Anwendungen genügend Daten, besitzt aber eine Erweiterungsmöglichkeit. Diese wird z.b. von ABB für zusätzliche Informationen bei Temperaturmessungen verwendet. Für sicherheitsrelevante Ausgaben, z.b. Ventilansteuerung über ma, wird die HART Fähigkeit angewandt, auch zusätzliche Prozessdaten zu übermitteln. Während die Soll Stellung durch die ma Schleife übertragen wird liefert das HART Protokoll die tatsächliche Stellung zurück zur Überprüfung in Steuerung / Regelung. Daher wird die HART Fähigkeit von Geräten heute oft als eine Art kostenloser Feldbus bezeichnet. HART ist ein offenes Protokoll. Es gehört der HART Communication Foundation, einem Zusammenschluss von ca. 100 Firmen. Weltweit sind über 20 Millionen HART taugliche Geräte installiert. ASA_Mwaufbertg.doc 15

16 Schn. Stelle I/O I/O CPU Schn. Stelle I/O I/O Parameter Diagnose Parameter Diagnose Parameter Diagnose Messwertaufbereitung Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 7. IO Link Erich Kleiner, September IO Link Als Feldbustyp unabhängige Schnittstelle zwischen intelligenten Sensoren / Aktoren und einer Anschaltung an Steuerung / Regelung (Ein/Ausgabe) gibt es IO Link als neue Technik (Geräte: 2007) zur durchgängigen Verbindung für Prozess, Parametrier und Diagnosedaten für die letzten Meter (Bild 7.1). So bleibt die einfache Punkt zu Punkt Verdrahtung mit einfachen, unabgeschirmten Sensor / Aktorleitungen erhalten und die Fähigkeiten der intelligenten Sensoren / Aktoren werden voll ausgenutzt. Diese Schnittstelle ist universell für alle Arten von Sensoren / Aktoren (mit IOLink Eigenschaft) einsetzbar, so dass in Planung, Montage und Lagerhaltung nicht zwischen verschiedenen Ein / Ausgabegeräten unterschieden werden muss. Die Anschlusstechnik orientiert sich an IEC EN als 2 oder 3 Leiterschaltung. Bei binären Sensoren können können IO Link fähige und einfache gemischt werden (automatische Erkennung). Messdose Leit Einrichtung CPU Prozess ( Feld ) Eingabegerät Punkt Punkt Verbindung, normale Kabel, 2 / 3 Leiter Intelligente Sensoren Physik 1 (2 Leiter) Physik 2 (3 Leiter) Weg Impulsleitung Druck (P) Bild 7.3 zeigt die Anwendung in einem Gesamtsystem. Sensoren / Aktoren sind Punkt zu Punkt mit Anschaltgeräten (Ein / Ausgabegeräten) als IO Link Master verbunden, die in der Steuerung oder dezentral angeordnet sein können. Fa. Beckhoff bietet z.b.ein Gerät mit 4 Ein / Ausgängen zur Hutschienenmontage an. Bei dezentraler Anordnung erfolgt die Verbindung zur Steuerung wie bei Remote IOs per Feldbus, z.b. PROFIBUS. Die Steuerungseinrichtungen sind untereinander und mit Kommunikations und Engineeringeinrichtungen per Systembus verbundnen (Industrial Ethernet, PROFInet,..). Hier die wichtigsten Eigenschaften: Übertragung durch 24 V DC Pulsmodulation als UART Protokoll (Universal Asynchronous serial Receiver Transmitter, ein Standard Kommunikationsbaustein in Prozessoren): Prozessdaten: zyklisch, typisch 2 Byte ein und 2 Byte Ausgabedaten, max. je 32 Byte Deterministisch: typisch 2 ms Zykluszeit bei 16 Bit Auflösung keine Wechselwirkung zwischen Prozess und Bedarfsdaten (Parameter, Diagnose) # IO Link Schnittstelle Einheitliche, Feldbus unabhängige Schnittstelle für alle Sensor / Aktorarten, dadurch keine verschiedenen Ein/Ausgabegeräte (Planung, Lager) Mischung zwischen intelligenten und einfachen (binären) Sensoren möglich (automatische Erkennung). Die Entwicklung / Pflege erfolgt durch einen Arbeitskreis (z.zt. 14 Firmen) in der PNO (Profibus Nutzer Organisation). Seit Anfang 2008 sind die Spezifikationen erstellt, Geräteentwicklung / Einsatz beginnt. 16 ASA_Mwaufbertg.doc analog Steuerung / Regelung Feldbus Schnittstelle 24 V Pulsmodulation, Proz.Daten alle 2 ms Bild 7.1: IOLink, Prinzip L C / Q L C / Q 7.2: IOLink Anschlusstechnik L Feldbus Schnittstelle IO Link IO Link Schnittstelle IO Link oder Standard IO Schalt Abstand binär Näherungsgeber Systembus Ind.Ethernet, PROFInet Feldbus Dezentrale Peripherie Sensoren, Aktoren Steuerung, Regelung IOLink PROFIBUS / PROFInet / Foundation Fieldbus / INTERBUS /... Intelligente Aktoren z.b. Motor Starter IO Link SS Pin Signal Bemerkung 1 L 24 V 2 4 C/Q Kommunikation / Energie 3 Pin Signal Bemerkung 1 L 24 V 2 4 C/Q Kommunikation / Schaltsignal 3 L Masse Kommunikation, Engineering M IOLink M Foto Foto Bild 7.3: IOLink Anwendung im Gesamtsystem M

17 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Messwertaufbereitung Erich Kleiner, August Kommunikationsvarianten 8. Kommunikationsvarianten (Übersicht) Bild 8.1 gibt eine Übersicht über die heutigen Möglichkeiten, Sensoren (Messumformer / Kontakte) mit der Verarbeitung bzw. dem übrigen Leitsystem zu verbinden. Die konventionelle Methode ist ein verdrahteter Anschluss der Messumformer / Kontakte an Eingabegeräte, die nahe der Verarbeitung angeordnet sind, z.b. Eingabekarten in einer SPS. Paramterierung und Diagnose von ferne (von der Verarbeitung aus) ist dabei nur bei ma Schleifen über das HART Protokoll möglich, die Messumformer müssen dazu HART tauglich sein. Bei großer Sensor Anzahl (z.b. einigen Tausend) erfordert der verdrahtete Anschluss hohen Aufwand für die Verkabelung und die meist notwendige Rangierung. Bild 8.1: Kommunikationsvarianten Der IO Link, eine serielle PunktzuPunktVerbindung, ersetzt insbesondere in der Fertigungsautomation das dort nicht eingeführte HART Protokoll für Fernparametrierung und Diagnose. Durch einheitliche Anschaltgeräte statt verschiedener Ein / Ausgabegerätetypen werden Planung, Inbetriebnahme und Ersatzteilhaltung vereinfacht. Für große Sensoranzahlen ist der IOLink nur praktikabel, wenn die Anschaltgeräte wie bei den Remote IOs dezentral nahe an den Sensoren angeordnet werden (max. ca. 20 m Leitung). Feldbusse kommen in zwei verschiedenen Anwendungen vor: RIOs (Remote IO) sind aus der Verarbeitung ins Feld ausgelagerte Ein / Ausgabegeräte, die über Feldbus mit der Verarbeitung verbunden sind. Da hierbei konventionelle Messumformer verwendet werden können, ist das die z.zt. am häufigsten eingesetzte Methode. Wenn die Messumformer HART tauglich sind und die Eingabegeräte eigene HART Multiplexer enthalten, sind Fernparametrierung und Diagnose möglich. Feldbus taugliche Sensoren (Messumformer) erlauben eine direkte Verbindung zur Verarbeitung über Feldbus mittels Schleifen oder Feld Verteilern. Fernparametrierung und Diagnose sind dabei selbstverständlich möglich. Da nicht alle Messumformer in allen Feldbustypen verfügbar sind, insbesondere nicht in bisherigen Anlagen eingeführt sind, kommt diese Lösung seltener vor. Kostenmäßig kann sie sogar günstiger sein als die RIO Lösung. Drahtlose Lösungen bieten hohe Flexibilität in der Sensoranordnung, insbesondere bei mobilem Einsatz (Fahrzeuge, rotierende Teile, ), Ungünstigen Gegebenheiten für Kabel, nachträglichen oder temporären Anwendungen bei vollen Kabelkanälen. Hier gibt es theoretisch viele Möglichkeiten. Der praktische Einsatz einschließlich der Normung läuft z.zt. auf Wireless Sensor Networks hinaus, und zwar insbesondere auf zwei Verfahren: ZigBee kann als Baum oder Netzwerkstruktur eingesetzt werden. Es gibt verschiedene Geräte für Sensoren (End Device), Router und Coordinator. Die ED können sehr einfach gehalten sein (billig) und werden aufgerufen, benötigen im Ruhezustand nur wenig Strom (Batterie!). Wireless HART verwendet Teilnehmer (für die Sensoren), die das HART Protokoll per Funk übermitteln. Alle Geräte haben Router Eigenschaften, so dass sich ein Netzwerk selbst organisiert und temporär anpasst. So werden auch temporäre Hindernisse umgangen. Zu bestimmten Zeiten (Time Slots) werden Listen über die Nachbarn und deren Erreichbarkeit erstellt. Da im Frequency Hopping auf gerade freie Bänder umgeschaltet wird ist dieses Verfahren auch in der Kombination verschiedener Funkdienste sicher einsetzbar. Mit zunehmender Anzahl von Funkdiensten wird das immer wichtiger, da die Frequenzbänder wie Leitungen an einem Ort nur einmal vorhanden sind. ASA_Mwaufbertg.doc 17

18 Messwertaufbereitung Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 8. Kommunikationsvarianten Erich Kleiner, März 2013 IWLAN (Industrial WLAN) entspricht dem normalen WLAN wie in IEEE in den Teilen a,b,g und h spezifiziert (unterschiedliche ModulationsVerfahren). Damit wird eine Brutto Datenrate von 54 Mbit/s erreicht. [4] Da im industriellen Einsatz teils die Sichtverbindung zwischen Access Point und Client verstellt ist und durch Reflexionen Interferenzen auftreten muss die Zuverlässigkeit bei IWL aber erhöht werden. Bild 8.2: IWLAN Bei der DiversityMethode werden zwei Antennen parallel für den Datenstrom eingesetzt. Durch Messung des SignalRauschAbstands während der FramePräambel wird der bessere Übertragungskanal ausgewählt und nur dieser benutzt. Seit 2009 gibt es die IEEE n, in der bis zu 4 Antennen spezifiziert sind. Hier werden durch die MIMOTechnologie (Multiple In Multiple Out) alle Wege verwendet und die Daten durch einen Algorithmus aus ihnen zusammengesetzt. Dadurch steigt die Zuverlässigkeit sehr. Die MIMO Technologie kann aber auch zur Erhöhung des Datendurchsatzes benutzt werden. Wenn die zu übermittelten Daten über die max. 4 Antennen auf vier getrennte Datenströme ( Spatial Streams ) aufgeteilt werden können 4 mal so viele Daten übermittelt werden als bei einem Datenstrom. Bei MIMO sind pro Kanal 150 Mbit/s möglich, also ergibt sich bei 4 Antennen eine maximale Brutto Datenrate von 600 Mbit/s. Zur Erhöhung auch der Zuverlässigkeit werden die beiden letztgenannten Methoden in der Praxis kombiniert. BlueTooth wird wegen der geringeren Reichweite seltener für die Kommunikation in Automationsanlagen eingesetzt Zur Zeit (2012) sind Hersteller und Betreiber von Einrichtungen der drahtlosen ProzessKommunikation verunsichert, da in der neuen Norm ETSI EN Version ab 2015 die Listen before talk Methode festgelegt werden soll: Vor dem Senden sollen die vorhandenen anderen Sender gelistet werden und das eigene Sendeverhalten (z.b. Kanalwahl) davon abhängig gemacht werden [5]. Der ZVEIFachverband Automation versucht Änderungen zu erreichen. Energy Harvesting (Energie ernten) Woher erhalten aber drahtlose Sensoren ihre Energie? Batterien sind bei den Betreibern nicht beliebt, da ihr Austausch vergessen werden kann. Zur Zeit werden Sensoren entwickelt, die aus ihrer Umgebung Energie gewinnen: aus Sonneneinstrahlung, Strömung, Vibration oder Wärme. Bild 8.3 zeigt einen ABB Temperatursensor, der seine Energie aus der Temperaturdifferenz zwischen Rohr und Umgebung gewinnt. 30 K reichen aus. Bei einem britischen ChemieHersteller sind solche Sensoren bereits installiert. Vorteile: Verkabelung entfällt, Inbetriebnahme wird ex trem verkürzt. Literatur: (wurde nicht konsequent mitgeführt) [1] diverse FirmenDruckschriften [2] HART Druckschriften und Aufsätze (atp, etz) [3] IOLinkDruckschriften und Aufsätze (atp) [4] Drahtloser Datenaaustausch: schneller und zuverlässiger, Christina Köppel, etz 6/2012 [5] Rettet Wireless in der Fabrik!, Roland Heinze, etz 6/2012 [6] Britischer Chemiehersteller erntet Energie, ABBTeam, atp 3/ ASA_Mwaufbertg.doc

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