Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen1©2013 Fluke Corporation.
Tests und Fehlersuche in 4–20-mA-Steuerungsschleifen
Webinar-Serie: Fehlersuche in Prozessen
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen2©2013 Fluke Corporation.
Inhalt dieser Folge
• Wie funktioniert eine 4–20-mA-Steuerungsschleife?
• Welche Fehler können in einer 4–20-mA-Schleife auftreten?
• Wie sucht man Fehler? Welches Werkzeug ist am zweckmäßigsten?
• Messen von 4–20-mA-Signalen und Interpretieren der Messungen– Mehrere Messverfahren
• Testen von Eingängen an SPS, DCS und Anzeigen mit 4–20-mA-Stromquellen
– Mehrere Verfahren und Vorgehensweisen beim Einspeisen
– Testen von E/A mit 1–5 V und 0–10 V
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Inhalt dieser Folge
• Stromversorgungen von Schleifen messen, Fehlersuche an verdächtigen Stromversorgungen
– Transmitter mit Ersatzstromversorgung testen und isolieren
• Fehlersuche an verdächtigen Transmittern– mA für Austauschtest simulieren
• Intelligenten HART-Transmitter als mA-Quelle verwenden– Mit HART-Befehl „Schleifentest“ eine Schleife testen
• I/P-Wandler mit 4–20-mA-Stromquelle testen
• Regelventil mit 4–20-mA-Stromquelle testen
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+–
Anzeigen/Steuerungen:Interpretieren das 4–20-mA-Signal als Messwert der Temperatur bzw. des Drucks im Prozess. Senden oft Befehle an eigentliches Steuerungs-element (z. B. Ventil) zum Steuern der Prozess-temperatur bzw. des Prozessdrucks in akzeptablen Grenzen
Solche Geräte haben oft 1–5 V statt 4–20 mA als Eingangssignal
NULL END-WERT
2200 ºC
2-Leiter-Transmitter
Sensoreingang• Temperatur• Druckmessgeräte• Fluss• Frequenz• PH
Anzeige/SteuerungDCS/SPS/Schreiber
Eingangs-Shunt 250 Ohm
4 to 20 mA Signal
24-V-Schleifenstromversorgung:Versorgt Schleife mit Spannung. Transmitter regeln das 4–20-mA-Signal im Stromkreis und werden von dieser Stromversorgung gespeist.
Transmitter:Wandeln Messwert der Temperatur bzw. des Drucks in ein 4–20-mA-Signal um. Typischerweise passive Geräte mit externer 24-V-Schleifenstromversorgung.
Wie funktioniert eine 4–20-mA-Steuerungsschleife?
24-V-Schleifenstrom-
versorgung
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24-V-Schleifenstrom-
versorgung
+–
NULL END-WERT
2200 ºC
2-Leiter-Transmitter
Sensoreingang• Temperatur• Druckmessgeräte• Fluss• Frequenz• PH
Anzeige/SteuerungDCS/SPS/Schreiber
Eingangs-Shunt 250 Ohm
4 to 20 mA signal
Beispiel für Stromschleife
• 4–20-mA-Signal (DC) ist proportional zu Sensoreingang bzw. PV• Wegen Serienschaltung muss der Strom überall im Stromkreis
gleich sein • Klarer Vorteil beim Senden von mA-Signalen über große
Entfernungen gegenüber Spannungs- oder Drucksignalen
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen6©2013 Fluke Corporation.
Gemessene PV:Die PV (Primär-/Prozessvariable) in diesem Beispiel ist die vom Temperaturtransmitter gemessene Temperatur der Prozessflüssigkeit.
Temperaturtransmitter:Messen die Prozesstemperatur meist mit einem Thermoelement oder Messwiderstand und wandeln den Messwert in ein 4–20-mA-Signal um. Der Transmitter in diesem Beispiel hat einen Eingangsbereich von 0 °C bis 300 °C. Die Tabelle zeigt das Verhältnis zwischen der gemessenen Temperatur und dem mA-Signal
Temperaturtransmitter
Temperaturtransmitter wandeln gemessene Temperatur (PV) in 4–20-mA-Signale um
Eingangs-temperatur
Ausgangs-strom
Prozent des Bereichs
0 °C 4 mA 0 %
75 °C 8 mA 25 %
150 °C 12 mA 50 %
225 °C 16 mA 75 %
300 °C 20 mA 100 %
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen7©2013 Fluke Corporation.
Gemessene PV:Die PV (Primär-/Prozessvariable) in diesem Beispiel ist die vom Temperaturtransmitter gemessene Temperatur der Prozessflüssigkeit.
Temperaturtransmitter:Messen die Prozesstemperatur meist mit einem Thermoelement oder Messwiderstand und wandeln den Messwert in ein 4–20-mA-Signal um. Der Transmitter in diesem Beispiel hat einen Eingangsbereich von 0 °C bis 300 °C. Die Tabelle zeigt das Verhältnis zwischen der gemessenen Temperatur und dem mA-Signal
Temperature input
Current output
Percent of span
0 °C 4 mA 0 %
75 °C 8 mA 25 %
150 °C 12 mA 50 %
225 °C 16 mA 75 %
300 °C 20 mA 100 %
Temperature transmitter
Temperaturtransmitter wandeln gemessene Temperatur (PV) in 4–20-mA-Signale um
Eingangs-temperatur
Ausgangs-strom
Prozent des Bereichs
0 °C 4 mA 0 %
75 °C 8 mA 25 %
150 °C 12 mA 50 %
225 °C 16 mA 75 %
300 °C 20 mA 100 %
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen8©2013 Fluke Corporation.
Anzeige/Steuerung:In diesem Beispiel ist die Temperaturanzeige/Steuerung so programmiert, dass sie ein 4-mA-Signal als 0 °C und ein 20-mA-Signal als 300 °C interpretiert.
Eingang/Ausgang oder E/A:Bezieht sich auf den Eingang/Ausgang des Steuerungssystems bzw. Reglers. In diesem Beispiel liegt das 4–20-mA-Signal am Eingang der Steuerung an. Das Signal am Ausgang der Steuerung steuert das Steuerungsventil.
FlusssteuerungsventilEigentliches Steuerungselement. Öffnet und schließt durch Befehle der Steuerung und erhält Temperatursollwert durch Erhöhen bzw. Verringern der Gaszufuhr zum Brenner aufrecht.
Temperaturtransmitter
Temperaturtransmitter wandeln gemessene Temperatur (PV) in 4–20-mA-Signale um
Eingangs-temperatur
Ausgangs-strom
Prozent des Bereichs
0 °C 4 mA 0 %
75 °C 8 mA 25 %
150 °C 12 mA 50 %
225 °C 16 mA 75 %
300 °C 20 mA 100 %
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen9©2013 Fluke Corporation.
Gemessene PV:Die PV (Primär-/Prozessvariable) in diesem Beispiel ist der vom Drucktransmitter gemessene Druck.
Drucktransmitter:Misst den Prozessdruck direkt und wandelt den Messwert in ein 4–20-mA-Signal um. Der Transmitter in diesem Beispiel hat einen Eingangsbereich von 0 bis 100 psi (0 bis 7 bar). Die Tabelle zeigt das Verhältnis zwischen dem gemessenen Druck und dem mA-Signal.
Anzeigen/Steuerung:In diesem Beispiel ist die Druckanzeige bzw. Steuerung so programmiert, dass sie ein 4-mA-Signal als 0 psi und ein 20-mA-Signal als 100 psi interpretiert.
Überdruckventil:Eigentliches Steuerungselement. In diesem Beispiel öffnet die Steuerung das Ventil, wenn der gemessene Druck zu hoch ist, um den Druck im Behälter zu verringern.
Drucktransmitter wandeln den gemessenen Druck (PV) in 4–20-mA-Signale um
Drucktransmitter
Eingangs-druck
Ausgangs-strom
Prozent des Bereichs
0 psi 4 mA 0 %
25 psi 8 mA 25 %
50 psi 12 mA 50 %
75 psi 16 mA 75 %
100 psi 20 mA 100 %
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen10©2013 Fluke Corporation.
Probleme mit Kabeln:Schlechte Anschlüsse, beschädigte Isolierung, Korrosion und Verunreinigung können die Funktion einer 4–20-mA-Schleife beeinträchtigen.
Stromversorgungfür 24-V-Schleife:Gestörte, defekte oder überlastete Stromversorgung kann Fehlfunktion oder Ausfall der mA-Schleife verursachen.
Falsches E/A-Signal in Steuerung:Interpretiert der Regler ein korrektes mA-Signal nicht korrekt, kann der Prozess außer Kontrolle geraten.
Welche Fehler können in einer 4–20-mA-Schleife auftreten?
Drucktransmitter
Temperaturtransmitter
Eingangs-druck
Ausgangs-strom
Prozent des Bereichs
0 psi 4 mA 0 %
25 psi 8 mA 25 %
50 psi 12 mA 50 %
75 psi 16 mA 75 %
100 psi 20 mA 100 %
Eingangstemperatur Ausgangsstrom Prozent des Bereichs
0 °C 4 mA 0 %
75 °C 8 mA 25 %
150 °C 12 mA 50 %
225 °C 16 mA 75 %
300 °C 20 mA 100 %
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen11©2013 Fluke Corporation.
Welche Fehler können in einer 4–20-mA-Schleife auftreten?
Transmitter defekt:Ändert der Transmitter das mA-Signal nicht korrekt in Reaktion auf die gemessene PV, dann passt das Regelungssystem die PV nicht korrekt an.
Sensor defekt oder Kapillarrohr verstopft:Ist der Temperatursensor defekt, kann der Transmitter die Temperatur nicht messen. Ist bei einem Drucktransmitter die Verbindung zum Prozess blockiert, kann der Trans-mitter den Druck nicht genau messen.
Drucktransmitter
Temperaturtransmitter
Eingangs-druck
Ausgangs-strom
Prozent des Bereichs
0 psi 4 mA 0 %
25 psi 8 mA 25 %
50 psi 12 mA 50 %
75 psi 16 mA 75 %
100 psi 20 mA 100 %
Eingangstemperatur Ausgangsstrom Prozent des Bereichs
0 °C 4 mA 0 %
75 °C 8 mA 25 %
150 °C 12 mA 50 %
225 °C 16 mA 75 %
300 °C 20 mA 100 %
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen12©2013 Fluke Corporation.
Wie sucht man Fehler? Welches Werkzeug ist am zweckmäßigsten?
Was kann gemessen oder eingespeist werden?Instrument für Messung und
SignaleinspeisungWas verrät es dem Techniker?
4–20-mA-Signale messenDigitalmultimeter. Schleifenkalibrator,
Stromzange, ProcessMeterOb der gemessene mA-Wert
erwartungsgemäß ist
4–20-mA-Signale einspeisenSchleifenkalibrator, Stromzange,
ProcessMeterWenn E/A oder anderes Gerät mit mA-Eingang
korrekt funktionieren
Simulierte 4–20-mA-SignaleSchleifenkalibrator, Stromzange Fluke
772 oder 773, ProcessMeterOb Stromversorgung, Verkabelung und E/A korrekt funktionieren, testweise Transmitter
austauschen
24 V Schleifenspannung messenDigitalmultimeter,
Stromschleifenkalibrator, Stromzange Fluke 773, ProcessMeter
Ob volle 24 V zur Verfügung stehen, ob die Spannungsversorgung defekt oder überlastet ist
24 V Schleifenspannung anlegenSchleifenkalibrator, Stromzange,
Fluke 789 ProcessMeterOb ein Austauschtest für installierte
Stromversorgung das Problem behebt
0–10 V, 1–5 V anschließenSchleifenkalibrator mit Spannungsquelle (715) oder spezielle Stromzange (773)
Ob E/A oder anderes Gerät mit Spannungseingang korrekt funktionieren
DurchgangsmessungenDigitalmultimeter, ProcessMeter,
bestimmte Multifunktions-Prozesskalibratoren
Unterbrechungen, schlechte Anschlüsse, hohe Anschlusswiderstände und falsche
Verkabelungen finden
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen13©2013 Fluke Corporation.
In Reihe, Schleife unterbrechen
Gemessenes mA-Signal mit erwartetem Wert auf Display vergleichen
Das 4–20-mA-Signal messenTemperaturtransmitter
Drucktransmitter
Eingangs-druck
Ausgangs-strom
Prozent des Bereichs
0 psi 4 mA 0 %
25 psi 8 mA 25 %
50 psi 12 mA 50 %
75 psi 16 mA 75 %
100 psi 20 mA 100 %
Eingangstemperatur Ausgangsstrom Prozent des Bereichs
0 °C 4 mA 0 %
75 °C 8 mA 25 %
150 °C 12 mA 50 %
225 °C 16 mA 75 %
300 °C 20 mA 100 %
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen14©2013 Fluke Corporation.
Die Schleifenicht unterbrechen
Gemessenes mA-Signal mit erwartetem Wert auf Display vergleichen
Das 4–20-mA-Signal messen;die Schleife nicht unterbrechen
Temperaturtransmitter
Drucktransmitter
Eingangs-druck
Ausgangs-strom
Prozent des Bereichs
0 psi 4 mA 0 %
25 psi 8 mA 25 %
50 psi 12 mA 50 %
75 psi 16 mA 75 %
100 psi 20 mA 100 %
Eingangstemperatur Ausgangsstrom Prozent des Bereichs
0 °C 4 mA 0 %
75 °C 8 mA 25 %
150 °C 12 mA 50 %
225 °C 16 mA 75 %
300 °C 20 mA 100 %
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen15©2013 Fluke Corporation.
Testet E/A von Anzeige, Regler oder SPS/Steu-erungssystem direkt. Den Wert auf dem Display prüfen
Ein 4–20-mA-Signal einspeisen
Drucktransmitter
Eingangs-druck
Ausgangs-strom
Prozent des Bereichs
0 psi 4 mA 0 %
25 psi 8 mA 25 %
50 psi 12 mA 50 %
75 psi 16 mA 75 %
100 psi 20 mA 100 %
TemperaturtransmitterEingangstemperatur Ausgangsstrom Prozent des Bereichs
0 °C 4 mA 0 %
75 °C 8 mA 25 %
150 °C 12 mA 50 %
225 °C 16 mA 75 %
300 °C 20 mA 100 %
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen16©2013 Fluke Corporation.
Einen Transmitter in einer Schleife simulieren, Strom regeln
Temperaturtransmitter
Drucktransmitter
Testet Verkabelung, Stromversorgung, Anzeige, Regler oder E/A von SPS/Steuerungs-system. Den Wert auf dem Display prüfen. Austauschtest des Transmitters ausführen.
Ein 4–20-mA-Signal simulieren
Eingangs-druck
Ausgangs-strom
Prozent des Bereichs
0 psi 4 mA 0 %
25 psi 8 mA 25 %
50 psi 12 mA 50 %
75 psi 16 mA 75 %
100 psi 20 mA 100 %
Eingangstemperatur Ausgangsstrom Prozent des Bereichs
0 °C 4 mA 0 %
75 °C 8 mA 25 %
150 °C 12 mA 50 %
225 °C 16 mA 75 %
300 °C 20 mA 100 %
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen17©2013 Fluke Corporation.
Temperaturtransmitter
Drucktransmitter
Stehen volle 24 V zur Verfügung oder ist die Strom-versorgung überlastet?
24 V Schleifenspannung messen
Eingangs-druck
Ausgangs-strom
Prozent des Bereichs
0 psi 4 mA 0 %
25 psi 8 mA 25 %
50 psi 12 mA 50 %
75 psi 16 mA 75 %
100 psi 20 mA 100 %
Eingangstemperatur Ausgangsstrom Prozent des Bereichs
0 °C 4 mA 0 %
75 °C 8 mA 25 %
150 °C 12 mA 50 %
225 °C 16 mA 75 %
300 °C 20 mA 100 %
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen18©2013 Fluke Corporation.
Temperaturtransmitter
24 V Schleifenspan-nung anlegen, gleichzeitig mA-Signal messen.Austauschtest für Strom-versorgung.
Mit externer 24-V-Schleifenstromversorgung testen
Eingangs-druck
Ausgangs-strom
Prozent des Bereichs
0 psi 4 mA 0 %
25 psi 8 mA 25 %
50 psi 12 mA 50 %
75 psi 16 mA 75 %
100 psi 20 mA 100 %
Eingangstemperatur Ausgangsstrom Prozent des Bereichs
0 °C 4 mA 0 %
75 °C 8 mA 25 %
150 °C 12 mA 50 %
225 °C 16 mA 75 %
300 °C 20 mA 100 %
Drucktransmitter
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen19©2013 Fluke Corporation.
Intelligenten HART-Transmitter als mA-Quelle verwenden
• Beim Schleifentest sendet Fluke 709H den mA-Ausgangsbefehl über das Messkabel direkt an den Transmitter
• Transmitter speist ein mA-Signal in E/A ein
• Korrekte Anzeige auf dem Display prüfen
• Vorgegebenen Ausgangswert mit von Fluke 709H gemessenem mA-Signal vergleichen
• Testet Transmitter-ausgang, Strom-versorgung, Verkabelung und E/A
Temperaturtransmitter
Ausgangs-strom
Instrument
Ausgangs-strom
Instrument
4–20 mA Ausgang an SPS oder DCS
PVAO-Befehl (von Communicator oder Fluke 744)
Schleifentest mit Verringern des Ausgangs-pegels
Intelligenter Transmitterausgang Eingangstemperatur Ausgangsstrom Prozent des Bereichs
0 °C 4 mA 0 %
75 °C 8 mA 25 %
150 °C 12 mA 50 %
225 °C 16 mA 75 %
300 °C 20 mA 100 %
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen20©2013 Fluke Corporation.
Intelligenten HART-Transmitter als mA-Quelle verwenden
HART cable
• Beim Schleifentest sendet Fluke 754 den mA-Ausgangsbefehl über das Mess-Kabel oder HART-Kabel an den Transmitter
• Transmitter speist ein mA-Signal in E/A ein
• Korrekte Anzeige auf dem Display prüfen
• Vorgegebenen Ausgangswert mit von Fluke 754 gemessenem mA-Signal vergleichen
• Testet Transmitter-ausgang, Strom-versorgung, Verkabelung und E/A
• Fluke 754 bietet FULL HART Kalibration
Temperaturtransmitter
Ausgangs-strom
Instrument
Ausgangs-strom
Instrument
4–20 mA Ausgang an SPS oder DCS
PVAO-Befehl (von Communicator oder Fluke 744)
Schleifentest mit Verringern des Ausgangs-pegels
Intelligenter Transmitterausgang Eingangstemperatur Ausgangsstrom Prozent des Bereichs
0 °C 4 mA 0 %
75 °C 8 mA 25 %
150 °C 12 mA 50 %
225 °C 16 mA 75 %
300 °C 20 mA 100 %
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen21©2013 Fluke Corporation.
• An den Eingängen vieler Steuerungssysteme und SPS liegt ein Spannungs-signal an
• 1–5 V ist am gebräuchlichsten, da 4–20 mA multipliziert mit 250 Ohm 1–5 V ergeben
• Bestimmte Niederspannungstrans-mitter haben 1–5-V-Ausgänge
• Viele ältere Schreiber und Heizungs-/Klimaanlagen haben E/A mit 1–5 V und 0–10 V
2200 ºC
Anzeige/SteuerungDCS/SPS/Rekorder
0.004 x 250 = 1.0 V0.020 x 250 = 5.0 V
Fehlersuche, 1–5 V und 0–10 V einspeisen
Ohmsches Gesetz
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen22©2013 Fluke Corporation.
Testen von I/P-WandlernI/P-Wandler wandelt ein 4–20-mA-Signal in ein Pneumatiksignal (3–15 psi) um•Oft mit Steuerungsventilen verwendet•Als Brücke zwischen 4–20-mA-Schleife und 3–15-psi-Pneumatiktechnologie verwendet•Arbeitet üblicherweise mit einer Druckluftversorgung mit 20 psi (oder höher)•4–20 mA einspeisen, korrekten Ausgangsdruck prüfen/messen
4–20-mA-Strom
Ausgangsdruck
Versorgungs-druck
~20 PSI
Eingangsstrom Ausgangsdruck Prozent des Bereichs
4 mA 3 psi 0 %
8 mA 6 psi 25 %
12 mA 9 psi 50 %
16 mA 12 psi 75 %
20 mA 15 psi 100 %
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen23©2013 Fluke Corporation.
Testen von Regelventilen• Strömungssteuerung, eigentliches
Steuerungselement• Eingang 4–20 mA bzw. 3–15 psi• Öffner oder Schließer
– Öffner bei Spannungsausfall geschlossen– Schließer bei Spannungsausfall offen
• Ein 4–20-mA-Signal anlegen und Funktionanhand betreffender Tabelle unten prüfen
• Gängige Praxis, für volle nahe 3,8 mA anzuwenden und vollständig geöffnet gelten 20,2 mA. Automatisiert in 709 Ventil-Test.
Regelventil testNormal Geschlossen ventil
Eingangs- druck
mA Eingang
Ausgangs-strom
Prozent von
Ventilweg
Normal Offen
Normal Geschlos
sen
3 psi 4 mA 4 mA 0 % Offen Geschlossen
6 psi 8 mA 8 mA 25 %
9 psi 12 mA 12 mA 50 %
12 psi 16 mA 16 mA 75 %
15 psi 20 mA 20 mA 100 % Geschlossen Offen
mA Eingang Prozent von Ventilweg
3.2 mA Fully seated
4 mA 0 %
4.2 mA leicht geöffnet
8 mA 25 %
12 mA 50 %
16 mA 75 %
19.8 mA Fast Offen
20 mA 100 %
20.2 mA Fully seated
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen24©2013 Fluke Corporation.
Rekapitulation: Stromschleifengeräte und Prüfverfahren• Transmitter
–Eingangssignal anlegen (Temperatur, Druck usw.) –Korrekten Ausgangsstrom 4–20 mA messen–Simuliertes mA-Signal für Austauschprüfung verwenden
• 24-V-Schleifenstromversorgungen–Korrekte Spannung messen, mit Austauschtest prüfen
• I/P-Wandler, Eingang 4–20 mA, Ausgang 3–15 psi –4–20 mA einspeisen, korrekten Ausgangsdruck prüfen/messen
• Steuerungsventile–4–20 mA einspeisen, Positionsanzeige prüfen–Mit steigendem mA-Signal gleichmäßige Funktion testen
• Analoge Eingänge von SPS, DCS, Anzeigen, Steuerungen, Strömungscomputern und Schreibern –4–20 mA an Eingang einspeisen und korrekte Anzeige prüfen
Fehlersuche in 4–20-mA-Stromschleifen25©2013 Fluke Corporation.
Nächste Schritte
• Ich möchte eine Demonstration• Bitte informieren Sie mich über künftige
Präsentationen über Fehlersuche in Prozessen
• Laden Sie diesen Anwendungsbericht über 4–20-mA-Regelschleifen herunter:– Fehlersuche in Prozessschleifen » – Effektivere Fehlersuche in Automations-
und Prozesssteuerungs-schleifen »