17.05.2016

Warum ist Signaltrennung in Mess- und Regelsystemen so wichtig?

In industriellen Mess- und Regelsystemen geh√∂rt die Signaltrennung zu den entscheidenden Faktoren f√ľr die Zuverl√§ssigkeit und die Betriebssicherheit. Um Prozesse zuverl√§ssig beobachten und steuern zu k√∂nnen, m√ľssen Eigenschaften oder Zust√§nde exakt durch die gemessenen Signale erfasst werden. Das Messsystem selbst muss vor √§u√üeren Einfl√ľssen und Zerst√∂rung gesch√ľtzt werden. Wie das realisiert werden kann, erfahren Sie in diesem Beitrag.




Autor: Dr. Werner Kunze, acceed



In industriellen Umgebungen werden unterschiedliche Signale erfasst, deren Integrit√§t durch √§u√üere Einfl√ľsse permanent gef√§hrdet ist. Dort kommt es immer wieder zu Problemen und Gef√§hrdungen, die durch Einsatz entsprechender Techniken der Signaltrennung zumindest deutlich reduziert werden k√∂nnen.


Die Relevanz der Signaltrennung wird deutlich, wenn man die Umgebungen betrachtet, in der die meisten Mess- und Regelsysteme eingesetzt werden. Dies sind zum Beispiel gro√üe Fabriken, schwere Maschinen oder Fertigungsstra√üen. In diesen Umgebungen wird die Signalintegrit√§t durch eine Vielzahl von Einfl√ľssen bedroht. Selbst die Zerst√∂rung empfindlicher Sensorelemente muss als potenzielles Risiko in Betracht gezogen werden. Bei auftretenden Fehlern muss wenigstens das automatische Herstellen eines sicheren Zustands der Anlage gew√§hrleistet sein.


Die h√§ufigsten Einfl√ľsse auf die Signalverarbeitung in industriellen Umgebungen sind:

  • Kurzzeitige √úberspannungen - durch Blitzeinschl√§ge, Stromausfall oder ausgel√∂ste Schutzschalter k√∂nnen Spannungsspitzen durch Induktion auf die Leitungsf√ľhrung einwirken.
  • Masseschleifen - Beim Einsatz von Sensoren im Feld oder in gro√üfl√§chig verteilten Messsystemen k√∂nnen Differenzen in den Massepotenzialen Stromfl√ľsse induzieren, die in der Folge zu Fehlern im Sampling-Prozess der Signale und schlimmstenfalls zur Zerst√∂rung der Hardware f√ľhren.
  • Gleichtaktspannungen - Wenn elektrische Felder auf die Messleitungen einwirken, kann bei geschickter Planung die Wirkung reduziert (verdrillte Leitungen) oder bei √úbertragung als Differenzsignal herausgerechnet werden (Differenzverst√§rker).



Einige der genannten St√∂rfaktoren lassen sich abmildern. Induktionsspannungen zum Beispiel lassen sich durch r√§umlich getrennte Verkabelung von Versorgungsleitungen und Messleitungen reduzieren. Eine g√§nzliche Beseitigung der Einfl√ľsse durch derartige Ma√ünahmen ist jedoch schwierig.


Die in den Messsystemen verbauten elektronischen Elemente sind nicht f√ľr hohe Spannungen ausgelegt, wie sie in industriellen Anlagen auftreten k√∂nnen. Gerade f√ľr diese besonders kostenintensiven Einheiten besteht das latente Risiko der Zerst√∂rung durch √úberspannung. Die Minimierung dieses Risikos f√ľhrt folglich auch zu einer Reduzierung der Betriebskosten, insbesondere f√ľr Reparaturen und Stillstandszeiten als Folge von Systemausf√§llen.



Grundlagen der Signaltrennung

Signaltrennung bedeutet, die Messsignale aus dem Feld elektrisch und physisch vom Regelsystem zu trennen und gleichzeitig die Interaktion zwischen Datenerfassung und Regelung aufrecht zu erhalten. Damit ist es m√∂glich, mit unterschiedlichen Spannungspegeln und Massepotenzialen innerhalb eines Messsystems zu arbeiten. W√§hrend auf der Messseite hohe Spannungen anliegen k√∂nnen, bleibt auf der anderen Seite der Isolationsbarriere das empfindliche Messsystem selbst vor den potenziell gef√§hrlichen Spannungen und Spannungsspitzen gesch√ľtzt.


Normalerweise wird die elektrische Isolation (auch galvanische Trennung genannt) mit einer der folgenden gängigen Methoden erreicht.

  • Induktiv - Eingesetzt wird ein Trenntransformator, der das Signal mittels Spulen um einen ferromagnetischen Kern √ľbertr√§gt.
  • Optisch - Eingesetzt wird ein Optokoppler, der mit einer Lichtquelle und einem Lichtsensor arbeitet. Hierbei wird das elektrische Signal in ein Lichtsignal transformiert, an den Lichtsensor √ľbertragen und anschlie√üend wieder in ein elektrisches Signal transformiert. Mittlerweile werden vermehrt auch Glasfaserleitungen f√ľr die optische √úbertragung eingesetzt.
  • Kondensator - Bei der kapazitiven Kopplung, auch AC-Kopplung genannt, wird f√ľr die Signal√ľbertragung das elektrische Feld zwischen den Kondensatorplatten verwendet.
  • Dar√ľber hinaus werden f√ľr die entkoppelte Daten√ľbertragung heute auch Funktechniken wie WLAN, Bluetooth oder ZigBee eingesetzt.



Bei allen sonstigen Vorteilen der Signaltrennung in Mess- und Regelsystemen bleibt der Schutz der elektrisch sensiblen Komponenten von entscheidender Bedeutung. Doch auch die weiteren Nutzen sollen nicht unbeachtet bleiben:


  • Eliminierung von Masseschleifen - Als Ergebnis der elektrischen Trennung verbindet die Masse oder Erde nicht mehr beide Seiten des Messsystems. Damit wird die Entstehung von Masseschleifen durch unterschiedliche Massepotenziale verhindert und so eine typische Fehlerquelle f√ľr Messsignale ausgeschaltet, ebenso wie das Risiko der Zerst√∂rung von elektronischen Komponenten.
  • Gleichtaktunterdr√ľckung (CRM = Common Mode Voltage Rejection) - Hohe Gleichtaktspannungen lassen sich unterdr√ľcken, ohne die eigentlichen Prozessinformationen zu verlieren. Durch Einsatz von Differenzverst√§rkern oder Operationsverst√§rkern wird so die √úbertragung hoher Signalspannungen in die Datenerfassungselektronik verhindert.



Bei den meisten Einrichtungen zur Signaltrennung wird die Art der Isolierung unterschieden in:

  • Channel-to-Bus - Die Isolation separiert jeden Kanal auf der Feldseite der Barriere von der Elektronik auf der Systemseite. Die Kan√§le untereinander sind nicht getrennt.
  • Channel-to-Channel - Die Isolation separiert die Kan√§le sowohl voneinander als auch vom Bus



Der US-Hersteller und Spezialist f√ľr Datenerfassungssysteme Dataforth entwickelt und fertigt eine gro√üe Bandbreite von isolierten Signalkonditionierungsmodulen und deckt damit ein breites Anwendungsspektrum von Sensorschnittstellen ab.






Durch die Kombination von Signalkonditionierung und Signaltrennung entsteht bei Einsatz der Dataforth-Module nur sehr geringes Rauschen und es verbleibt geringe Restwelligkeit bei h√∂chster St√∂rsignalunterdr√ľckung (CRM). Die empfindliche Datenerfassungselektronik wird gesch√ľtzt und die Signalintegrit√§t bleibt in hohem Ma√ü erhalten. Dabei kommen drei Varianten der Signaltrennung zum Einsatz:

  • 2-Wege-Trennung - Signalweg und Spannungsversorgung
  • 3-Wege-Trennung ‚Äď Signalweg, Spannungsversorgung und Spannungsversorgung der Computer-Seite
  • 4-Wege-Trennung - Signalweg, Spannungsversorgung, Spannungsversorgung der Computer-Seite und Spannungsversorgung der Sensorik




Alle Signalkonditionierungsmodule und Datenerfassungssysteme von Dataforth arbeiten mit einer sicheren Isolationsst√§rke. Die Wahl der minimal erforderlichen Isolationsst√§rke ist entscheidend f√ľr den Schutz und die Sicherheit der Messausr√ľstung. Die optische oder magnetische Signaltrennung ist integraler Bestandteil aller Module. Dar√ľber hinaus werden die Signale als Vorbereitung auf die n√§chsten Schritte im Datenerfassungsprozess konditioniert.


Dataforth verf√ľgt √ľber mehr als 30 Jahre Entwicklungserfahrung auf dem Gebiet der industriellen Pr√ľf-, Mess- und Regeltechnik. Diese langj√§hrige Erfahrung ist in die konzeptionelle Entwicklung des MAQ20 eingeflossen. Insbesondere bei hohen Kanalzahlen zeigt sich durch den intelligenten Aufbau die hohe Wirtschaftlichkeit des Systems, verbunden mit h√∂chster Zuverl√§ssigkeit. Alle Ger√§te des Systems MAQ20 sind CE- und UL/CUL-zertifiziert, die ATEX-Zulassung l√§uft.


Informationen zur Spezifikation, Programmierbeispiele, Manuals und Datenbl√§tter sind √ľber den deutschen Distributor Acceed oder auch direkt √ľber die Website von Dataforth erh√§ltlich.


 


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