Mikroprozessoren aus der 4-20-mA-Stromschnittstelle versorgen

| Autor / Redakteur: Reinhard Zimmermann * / Thomas Kuther

Versorgt Mikroprozessoren und andere digitalen Komponenten aus der 4-bis-20-mA-Stromschleife: der Schaltregler R420-1.8/PL von RECOM.
Versorgt Mikroprozessoren und andere digitalen Komponenten aus der 4-bis-20-mA-Stromschleife: der Schaltregler R420-1.8/PL von RECOM. (Bild: RECOM)

Die 4-20-mA-Schleife ist noch immer Standard in der Prozess- und Regelungstechnik. Aber mittlerweile ist die Versorgung digitaler Komponenten aus dem ungenutzten Teil des Schleifenstroms ein Thema.

Obwohl digitale Datenübertragungs-Protokolle in der Prozesstechnik längst zum Standard geworden sind, liegt die analoge 4-20-mA-Schleife noch bestens im Rennen. Denn das multimillionenfach etablierte „Schienennetz“ ist nicht nur hervorragend zum „Transport“ analoger Sensordaten in Echtzeit geeignet, sondern auch zur Übertragung digitaler Information. Allerdings will die Elektronik auf Transmitter-Seite mit Energie versorgt werden. Was aber tun, wenn die knappen Reserven des Schleifenstroms nicht ausreichen und andere Stromquellen außer Reichweite sind? Jetzt bringt ein neuartiger Schaltregler die Lösung, der die Stromausbeute auf 10 mA verdreifacht.

Mit 70 Jahren „auf dem Buckel“ ist die analoge 4-20-mA-Schleife zwar längst im besten Rentenalter – aber immer noch hoch aktuell. Denn sie ist für die Prozess- und Verfahrenstechnik ziemlich genau das, was für die Elektronik der USB-Bus ist: Ein relativ einfach strukturierter, globaler Standard, an dem sich alle orientieren. Ein Nachfolger ist nicht in Sicht – und das ist auch nicht nötig. Denn Dank „digitaler Upgrades“ in Form von Signalprozessoren und HART-Modems lassen sich auch „smarte“ Sensoren ins System integrieren und machen die Schleife zukunftssicher.

Aber zunächst zurück zu den Grundlagen: Ganz egal ob Durchfluss, Druck, Füllstand, Feuchte, Temperatur oder andere physikalische Größen überwacht werden sollen - immer basiert die Verbindung zwischen Sensor und Empfänger auf einer simplen Zweidraht-Technik. Dabei werden die Signale nicht als Spannung übertragen, sondern als eingeprägter Strom. Per Definition entsprechen 4 mA dem Wert 0% und 20 mA dem Wert 100% (Bild 1).

Dieses Schema hat eine Reihe von Vorteilen. Die Kabel können beliebig lang sein, solange die Schleifenspannung groß genug ist, mindestens 20 mA Strom durch die Leitung zu treiben. Da Stromimpulse resistent sind gegen allerlei Störquellen im industriellen Umfeld, sind auch die Ansprüche an die Leitungsführung relativ unkritisch. Deshalb müssen Signalleitungen nicht von Stromleitungen getrennt geführt werden. Das macht die Verkabelung großer Anlagen z.B. in der Petrochemie, wo Sensoren hunderte Meter entfernt sein können, viel einfacher und damit preisgünstiger. Da im System als „Lebenszeichen“ immer ein Strom fließt, ist auch die Störüberwachung automatisch inkludiert. Fließt kein Strom, ist der Messwert nicht „0%“, sondern die Leitung ist unterbrochen oder der Sensor defekt.

Allerdings gibt es auch gravierende Schwachpunkte. So stört die Tatsache gewaltig, dass jeder einzelne Sensor sein eigenes Kabel benötigt. Hier sorgt die Digitaltechnik für ein entscheidendes „Upgrade“. In einer modernen Version der 4-20-mA-Schleife werden die Daten mehrerer Sensoren mittels DSP aufbereitet und parallel als frequenzmoduliertes Impulsbündel über die analoge Leitung geschickt. Hierzu sind HART-Modems (Highway Addressable Remote Transducer) erforderlich, welche die digitalen Signale auf der Transmitter-Seite dem analogen Signal mit auf den Weg geben und auf der Empfängerseite wieder sauber auskoppeln (Bild 2).

Damit steht in der Steuerzentrale beides getrennt zur Verfügung. Dies ist wichtig, wenn in Echtzeit ohne jede Verzögerung durch einen Decoder schnell auf Veränderungen reagiert werden muss. Die HART-Technologie ist heute das mit Abstand am häufigsten eingesetzte Datenprotokoll in der Prozessindustrie und hat entscheidend dazu beigetragen, die 4-20-mA-Schleife zukunftssicher zu machen.

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