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Sensorik und industrielle Signale – Analoge Standardsignale verstehen

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Einleitung

Sensorik und industrielle Signale – Analoge Standardsignale verstehen

Du lernst in kurzen Einheiten, wie Sensoren Prozessgrößen als Spannungs- oder Stromsignale an eine SPS übertragen. Im Mittelpunkt stehen 0–10 V, 0–20 mA und 4–20 mA sowie die Umrechnung in Einheiten wie bar, °C oder mm.

Industrielles Bedien- und Steuerfeld. Quelle: Wikimedia Commons, Combustion2016, CC BY-SA 4.0.

Zielgruppe: Ausbildung in Automatisierungs-, Elektro- und Mechatronikberufen.

Sicherheitsrahmen: Übe mit Software-Simulationen oder geeigneten berührungssicheren Schulungsmodellen. Reale Elektroarbeiten dürfen nur von entsprechend qualifizierten und beauftragten Personen im Rahmen der betrieblichen Regeln ausgeführt werden. Ein Quizresultat ist niemals Arbeitsfreigabe, Schaltberechtigung oder Qualifikationsnachweis.

Ausbildungsfall: Virtuelle Abfüllstation

In einer virtuellen Abfüllstation werden zwei Prozessgrößen erfasst:

Kennzeichen	Messgröße	Messbereich	Signal
PT-101	Druck	0–10 bar	4–20 mA
LT-102	Füllstand	0–1000 mm	0–10 V

Signalweg: Prozessgröße → Sensor/Messumformer → Analogsignal → SPS-Analogeingang → Skalierung → HMI.

Prinzip eines industriellen Regelkreises. Quelle: Wikimedia Commons, Dougsim, CC BY-SA 4.0.

Lernziel

Du kannst Signalart, Einheit und Messbereich unterscheiden, analoge Werte skalieren, Signalverläufe lesen und einfache Fehlerbilder in einer sicheren virtuellen Anlage begründet diagnostizieren.

Lerneinheit 1: Analogsignal und Einheit

Ein Analogsignal kann innerhalb seines Bereichs kontinuierlich unterschiedliche Werte annehmen.

Prinzip eines Analogsignals. Quelle: Wikimedia Commons, Fleshgrinder, Public Domain.

Größe	Beispiel	Einheit
elektrische Spannung	0–10 V	Volt
elektrischer Strom	4–20 mA	Milliampere
Druck	0–10 bar	bar
Füllstand	0–1000 mm	Millimeter

Merke: Volt und Milliampere beschreiben das elektrische Signal. bar, °C oder mm beschreiben die Prozessgröße.

Lerneinheit 2: Spannungssignal 0–10 V

Bei einer linearen Zuordnung kann 0 V für 0 % und 10 V für 100 % stehen. 5 V entsprechen dann 50 %.

Für LT-102 gilt:

Spannung	Füllstand
0 V	0 mm
2,5 V	250 mm
5 V	500 mm
7,5 V	750 mm
10 V	1000 mm

Diagnosehinweis: 0 V kann bei 0–10 V ein gültiger Messbereichsanfang sein. Aus 0 V allein darf deshalb nicht sicher auf einen Leitungsfehler geschlossen werden.

Video zur 0–10-V-Analogerfassung. Beobachte die Funktionsweise; reale Verdrahtung ist nicht Bestandteil dieser Lernaufgabe.

Lerneinheit 3: Stromsignal 4–20 mA

Bei 4–20 mA liegt der Messbereichsanfang bei 4 mA und das Messbereichsende bei 20 mA. Der von null verschiedene Anfangswert heißt lebender Nullpunkt oder Live-Zero.

Beispiel für industrielle 4–20-mA-Stromschleifen. Quelle: Wikimedia Commons, Dougsim, CC0 1.0.

Strom	Anteil	PT-101
4 mA	0 %	0 bar
8 mA	25 %	2,5 bar
12 mA	50 %	5 bar
16 mA	75 %	7,5 bar
20 mA	100 %	10 bar

Kurze Einführung in die 4–20-mA-Stromschleife von Instrumentation Tools.

Warum Stromsignale häufig eingesetzt werden

In einer korrekt ausgelegten Serienschleife trägt der Strom die Messinformation. Leitungswiderstände erzeugen Spannungsabfälle; der vorgesehene Strom bleibt erhalten, solange Versorgung und zulässige Gesamtbürde ausreichen.

Beispiele für Stromschleifen und Schnittstellen. Quelle: Wikimedia Commons, Dougsim, CC BY-SA 4.0.

RealPars erläutert Zwei- und Vierleiter-Messumformer. Das Video dient der Beobachtung und ersetzt keine praktische Arbeitsfreigabe.

Lerneinheit 4: Skalieren

Für lineare Signale kannst Du zuerst den Anteil des Signalbereichs berechnen:

Anteil = (Signal − Signal_min) / (Signal_max − Signal_min)

Danach:

Prozesswert = Prozess_min + Anteil × (Prozess_max − Prozess_min)

Beispiel PT-101

12 mA liegen 8 mA über 4 mA. Die Signalspanne beträgt 16 mA.

8 / 16 = 0,5 → 50 % → 5 bar

Industrieller Drucktransmitter. Quelle: Wikimedia Commons, Bitjungle, CC BY-SA 4.0.

Beispiel LT-102

6 V von 0–10 V entsprechen 60 %. Bei 0–1000 mm ergibt das:

0,6 × 1000 mm = 600 mm

Lerneinheit 5: Signalverläufe lesen

In der Simulation steigt der Druck gleichmäßig an.

Zeitpunkt	Prozessdruck	PT-101	HMI-Sollwert
t1	0 bar	4 mA	0 bar
t2	2,5 bar	8 mA	2,5 bar
t3	5 bar	12 mA	5 bar
t4	7,5 bar	16 mA	7,5 bar
t5	10 bar	20 mA	10 bar

Muster: 4 → 8 → 12 → 16 → 20 mA entspricht 0 → 2,5 → 5 → 7,5 → 10 bar.

Lerneinheit 6: Diagnose statt Raten

Bei einem 4–20-mA-Signal liegt 0 mA außerhalb des normalen Messbereichs. Das ist ein Diagnoseanlass, aber noch keine eindeutige Fehlerursache.

NAMUR NE 43 dient dazu, Ausfallinformationen digitaler Messumformer mit analogem Ausgang in standardisierter Form nutzbar zu machen. Für konkrete Grenzwerte gelten Geräteparametrierung, Herstellerdokumentation und Anlagenkonzept.

Beobachtung in der Simulation	Erste fachliche Prüfrichtung
Rohwert plausibel, HMI falsch	Skalierung und Variablenzuordnung prüfen
Rohwert ändert sich, Anzeige bleibt stehen	HMI- oder Softwarepfad prüfen
Prozess ändert sich, Rohwert bleibt stehen	Sensor-, Messumformer- oder Signalpfad prüfen
0 mA bei 4–20 mA	Zustand außerhalb des normalen Messbereichs diagnostizieren
20 mA bei 0–10 bar	Messbereichsende prüfen

Sicherheitsregel: Diese Diagnose wird im Kurs nur virtuell durchgeführt. Keine Leitung wird an einer realen Anlage geöffnet oder umgeklemmt.

Virtuelles Bedienfeld

Du steuerst nur eine Simulation.

Simulationszustand	PT-101	LT-102	Virtuelle Aktion
Normalbetrieb	12 mA	5 V	Anlage läuft
hoher Druck	18,4 mA	5 V	virtuelle Druckentlastung anfordern
falsche Skalierung	8 mA	5 V	Softwareparameter prüfen
Signalfehler	0 mA	5 V	Diagnosezustand setzen

Steuerungsregel für die Simulation: Steigt der berechnete Druck über 8 bar, soll die virtuelle Anlage eine Warnung setzen. Ein Diagnosezustand des Eingangssignals hat Vorrang vor der normalen Prozessanzeige.

Gestufte Hilfen und begründetes Feedback

Basisaufgabe

Aufgabe: PT-101 liefert 12 mA. Bestimme den Druck.

Hilfe 1: 4 mA entsprechen 0 bar.

Hilfe 2: Die Signalspanne beträgt 16 mA.

Hilfe 3: 12 mA liegen genau in der Mitte von 4 und 20 mA.

Begründetes Feedback: Richtig sind 5 bar. Die Mitte des elektrischen Bereichs entspricht bei linearer Skalierung der Mitte des Prozessbereichs.

Anwendungsaufgabe

Aufgabe: PT-101 liefert 8 mA, das HMI zeigt 7,5 bar. Wo suchst Du in der Simulation zuerst?

Hilfe 1: Berechne den Prozesswert zu 8 mA.

Hilfe 2: 8 mA entsprechen 25 %.

Hilfe 3: 25 % von 10 bar sind 2,5 bar.

Begründetes Feedback: Das Rohsignal passt zu 2,5 bar, nicht zu 7,5 bar. Deshalb prüfst Du zuerst Skalierung und Variablenzuordnung, bevor Du einen Sensorfehler annimmst.

Transferaufgabe

Aufgabe: Ein Temperatursensor misst −20 bis 80 °C. Vergleiche 0–10 V und 4–20 mA für eine längere industrielle Signalleitung.

Hilfe 1: Beachte Leitungswiderstand.

Hilfe 2: Beachte den lebenden Nullpunkt.

Hilfe 3: Prüfe immer die zulässige Bürde und Herstellerdaten.

Begründetes Feedback: Für längere industrielle Übertragungswege wird häufig 4–20 mA bevorzugt, weil der Schleifenstrom innerhalb der zulässigen Bürde weniger von Leitungs-Spannungsabfällen beeinflusst wird. Der versetzte Nullpunkt unterstützt zusätzlich die Diagnose. Die konkrete Auswahl richtet sich immer nach Anlage und Gerätedokumentation.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Einheit gehört zu einem Spannungssignal? (Volt) (!Milliampere) (!Bar) (!Millimeter)

Welcher Wert entspricht bei 4 bis 20 mA dem Messbereichsanfang? (4 mA) (!0 mA) (!10 mA) (!20 mA)

Welcher Anteil des Messbereichs entspricht 12 mA bei linearer Zuordnung? (50 Prozent) (!25 Prozent) (!75 Prozent) (!100 Prozent)

Welcher Druck gehört bei PT-101 zu 8 mA? (2,5 bar) (!5 bar) (!7,5 bar) (!10 bar)

Welcher Füllstand gehört bei LT-102 zu 5 V? (500 mm) (!250 mm) (!750 mm) (!1000 mm)

Was kann 0 V bei einem 0 bis 10 V Signal bedeuten? (Einen gültigen Messbereichsanfang) (!Immer einen Drahtbruch) (!Immer den Messbereichsendwert) (!Immer einen SPS Fehler)

Wie ist 0 mA bei einem 4 bis 20 mA Eingang zunächst zu bewerten? (Als Wert außerhalb des normalen Messbereichs) (!Als sicherer 25 Prozent Wert) (!Als normaler Messbereichsanfang) (!Als Messbereichsende)

Was prüfst Du zuerst wenn der Rohwert plausibel aber die HMI Anzeige falsch ist? (Skalierung und Variablenzuordnung) (!Die Farbe des Sensors) (!Die Raumtemperatur unabhängig vom Prozess) (!Die Netzfrequenz als einzige Ursache)

Warum ist der 4 mA Anfangswert fachlich nützlich? (Er bildet einen lebenden Nullpunkt) (!Er macht jede Stromversorgung überflüssig) (!Er verhindert jeden möglichen Sensorfehler) (!Er ersetzt die SPS Skalierung)

Welche Aussage gilt nach einem bestandenen Quiz? (Es entsteht keine Freigabe für reale Elektroarbeiten) (!Es entsteht automatisch eine Schaltberechtigung) (!Es dürfen reale Schaltschränke geöffnet werden) (!Es ersetzt die betriebliche Beauftragung)

Memory

Spannungssignal	Volt
Stromsignal	Milliampere
Messumformer	wandelt eine Messgröße in ein übertragbares Signal
Skalierung	ordnet dem Signal eine technische Einheit zu
Live-Zero	lebender Nullpunkt
Analogeingang	erfasst das elektrische Prozesssignal

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
0–10 V	Spannungssignal
4–20 mA	Stromsignal
PT-101	Druckmessung
LT-102	Füllstandsmessung
Skalierung	Umrechnung in technische Einheit
Diagnose	systematische Fehlereingrenzung

Kreuzworträtsel

Stromsignal	Welche Signalart wird typischerweise in Milliampere angegeben?
Spannungssignal	Welche Signalart wird typischerweise in Volt angegeben?
Transmitter	Wie lautet ein gebräuchlicher Fachbegriff für einen Messumformer?
Skalierung	Wie heißt die Zuordnung des Rohsignals zu einer technischen Einheit?
Drahtbruch	Welcher Leitungsfehler kann bei einem Live-Zero-Konzept leichter erkennbar werden?
Messspanne	Wie heißt die Differenz zwischen Messbereichsende und Messbereichsanfang?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Signal-Steckbrief: Erstelle eine Karte zu 0–10 V mit Einheit, Anfang, Ende und einem Anwendungsbeispiel.
Stromsignal-Steckbrief: Erstelle eine Karte zu 4–20 mA und kennzeichne den lebenden Nullpunkt.
Kennlinie zeichnen: Zeichne die fünf Wertepaare von PT-101 als Kennlinie.
Medienanalyse: Erkläre anhand des Bildes „4-20mA Current loops.svg“ die Stationen vom Messumformer bis zum Empfänger.

Standard

Virtuelle Skalierung: Baue in einer Tabellenkalkulation eine Skalierung von 4–20 mA auf 0–10 bar und teste fünf Werte.
HMI-Diagnose: Simuliere 8 mA bei PT-101 und eine falsche HMI-Anzeige. Dokumentiere Deine Prüfreihenfolge und begründe sie.
Signalverlauf: Erzeuge virtuell eine Druckrampe von 0 bis 10 bar und protokolliere Signalwert und HMI-Wert.
Steuerungsregel: Formuliere für die Simulation eine Warnlogik ab 8 bar und erkläre, warum ein Diagnosezustand Vorrang erhalten sollte.

Schwer

Signalwahl: Entscheide für einen langen industriellen Signalweg zwischen 0–10 V und 4–20 mA und begründe Deine Wahl.
Messbereich übertragen: Skaliere −20 bis 80 °C auf 4–20 mA und erstelle eine Wertetabelle für fünf Stützpunkte.
Fehlerbaum: Entwickle einen Diagnosebaum für plausiblen Rohwert, falsche Anzeige, eingefrorenen Rohwert und Signal außerhalb des normalen Bereichs.
Virtuelle Inbetriebnahme: Plane eine rein virtuelle Inbetriebnahme von Sensor, Analogeingang, Skalierung, Grenzwert und HMI. Ein reales Schulungsmodell darf nur berührungssicher und unter geeigneter fachlicher Aufsicht eingesetzt werden.

Lernkontrolle

Skalierung begründen: Ein Sensor überträgt 200 bis 1000 mm als 4–20 mA. Entwickle die Umrechnungsregel und erläutere Messbereichsanfang, Messspanne und Einheit.
Signalvergleich: Erkläre, warum 0 V bei 0–10 V und 0 mA bei 4–20 mA diagnostisch nicht dieselbe Bedeutung haben.
Fehlerlokalisierung: Der SPS-Rohwert folgt dem Prozess korrekt, die HMI-Anzeige aber nicht. Leite eine begründete Prüfstrategie ab.
Prozessübertragung: Übertrage die Skalierungsidee von Druck auf Temperatur, ohne die elektrische Signalart zu ändern.
Anlagenentscheidung: Beurteile, wann ein Stromsignal gegenüber einem Spannungssignal vorteilhaft sein kann und nenne die technische Randbedingung der zulässigen Bürde.
Sicherheitsbewertung: Begründe, warum eine erfolgreiche Simulation oder ein Quiz keine Berechtigung zu realen Elektroarbeiten darstellt.

Lernnachweis

Für den Lernnachweis ist wichtig, dass Du Zusammenhänge erklären und auf neue Messbereiche übertragen kannst.

Einheitenbezug: Signalgröße und Prozessgröße sicher unterscheiden.
Skalierungskompetenz: Strom- und Spannungssignale korrekt in technische Einheiten umrechnen.
Diagnosekompetenz: Beobachtungen von Ursachenhypothesen trennen und eine Prüfreihenfolge begründen.
Transferkompetenz: Das Verfahren auf andere Messgrößen und Messbereiche übertragen.
Sicherheitskompetenz: Simulation, berührungssicheres Schulungsmodell und reale Elektroarbeit klar unterscheiden.

Fachliche Quellen

IEC 60381-1:1982: Analoge Gleichstromsignale für industrielle Prozessmess- und Steuerungssysteme.
IEC 60381-2:1978: Analoge Gleichspannungssignale; die IEC weist ausdrücklich darauf hin, dass das Spannungssignal im Unterschied zum Gleichstromsignal nicht für lange Übertragungswege vorgesehen ist.
Beckhoff EP3xxx: Beispiele industrieller Analogeingänge für 0–10 V, ±10 V, 0–20 mA und 4–20 mA.
Siemens S7-1200 System Manual: Normalisierung und Skalierung analoger Werte in technische Einheiten.
NAMUR NE 43: Vereinheitlichung von Signalpegeln für Ausfallinformationen digitaler Messumformer mit analogem Ausgang.
DGUV Information 203-001: Arbeiten an elektrischen Anlagen dürfen grundsätzlich nur von Elektrofachkräften oder unter deren Leitung und Aufsicht durchgeführt werden.
Wikipedia: Einheitssignal: Überblick über 0–20 mA, 4–20 mA, 0–10 V und den lebenden Nullpunkt.

Medien und Rechte

Analogsignal.svg: Fleshgrinder, Public Domain.
4-20mA Current loops.svg: Dougsim, CC0 1.0.
Industrial control loop.jpg: Dougsim, CC BY-SA 4.0.
Current loops interfacing.png: Dougsim, CC BY-SA 4.0.
Pressure transmitter with LCD display.jpg: Bitjungle, CC BY-SA 4.0.
Control-panel-plc.jpg: Combustion2016, CC BY-SA 4.0.
YouTube: Understanding 4 to 20 mA Loop Current in Industrial Automation: Instrumentation Tools.
YouTube: What are 2-Wire and 4-Wire Transmitter Output Loops?: RealPars.
YouTube: 0–10-V-Analogeingang am PLC: ACC Automation.

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