Yokogawa- und Emerson-Regelkreise: Beherrschung des 4-20-mA-Spannungsabfalls und des HART-Spielraums
Ein Zweileiter-Messumformer kann bei niedrigem Schleifenstrom funktionieren und dennoch am oberen Bereichsende seine Spannungsreserve verlieren. Eine Schleifenspannungsbilanz hilft, das Problem zu erklären, bevor ein Yokogawa- oder Emerson-Gerät ausgetauscht wird.
Warum kann eine Schleife bei 20 mA ausfallen, aber bei 4 mA funktionieren?
Der Spannungsabfall über den Serienwiderstand steigt mit dem Strom: V = I × R. Beträgt die Versorgung 24 V und der effektive Serienwiderstand 300 Ω, beträgt der Widerstandsabfall bei 20 mA 6 V, sodass für den Messumformer 18 V verbleiben, bevor weitere Spannungsabfälle berücksichtigt werden. Bei 4 mA fallen am gleichen Widerstand 1,2 V ab. Das Beispiel veranschaulicht die Methode, nicht die minimale Betriebsspannung eines bestimmten Geräts.
Haben Yokogawa EJX und Rosemount 3144 die gleichen Spannungsanforderungen?
Über Marken, Modellrevisionen, Kommunikationsmodi, Anzeigen und Optionen für explosionsgefährdete Bereiche hinweg sollte kein einzelner Wert angewendet werden. Lesen Sie das Handbuch des genauen Messumformers sowie dessen Spezifikation für Last und Versorgung. Die HART-Kommunikation benötigt außerdem eine kompatible Schleifenimpedanz und eine ausreichende Klemmenspannung; ein analoges Signal, das weiterhin anliegt, beweist nicht, dass eine ausreichende Reserve für die digitale Kommunikation vorhanden ist. Gehen Sie nicht davon aus, dass 18,1 V die HART-Anforderung jedes Rosemount 3144 darstellen oder dass alle Varianten des Yokogawa EJX eine Mindestspannung von 10,5 V haben.
Wie erstellt man eine Spannungsbilanz?
Messen Sie die Versorgungsspannung unter Betriebsbedingungen. Listen Sie den Widerstand von Kabeln und Klemmen, die Belastung durch den Analogeingang, Anzeigen sowie Trennverstärker oder Sicherheitsbarrieren auf. Einige Komponenten haben statt eines festen Widerstands einen spezifizierten Spannungsabfall. Verwenden Sie daher deren veröffentlichte Daten, anstatt jedes Element in I × R einzusetzen. Berechnen Sie den ungünstigsten relevanten Schleifenstrom, einschließlich des konfigurierten Fehlerstroms, sofern zutreffend. Ziehen Sie alle Spannungsabfälle in Serie ab und vergleichen Sie die verbleibende Klemmenspannung des Messumformers mit der Anforderung des genauen Modells. Fügen Sie anschließend eine für die Anlagenauslegung angemessene Reserve hinzu. Halten Sie die Annahmen im Schleifenblatt fest.
Was ist mit dem HART-Widerstand und der Analogeingangskarte?
Eine Last von 250 Ω wird häufig zur Unterstützung der HART-Kommunikation verwendet. Einige Eingangskarten bieten jedoch bereits die erforderliche Impedanz oder verfügen über integrierte HART-Schaltungen. Das Entfernen eines Widerstands oder der Austausch gegen eine Karte mit geringer Eingangslast ohne Prüfung der Kommunikationsanforderungen kann HART weniger zuverlässig machen, nicht zuverlässiger. Produkte wie das Yokogawa AAI143-S03 HART-Analogeingangsmodul und das Emerson Ovation HART-Analogeingangsmodul veranschaulichen Hardware auf der Empfängerseite. Prüfen Sie vor einer Änderung der Schaltung die Eingangslast, HART-Unterstützung und Verdrahtung jedes installierten Moduls.
Wie sollte eine ausfallende Schleife geprüft werden?
Messen Sie im Rahmen eines genehmigten Wartungsverfahrens die Spannung direkt an den Klemmen des Messumformers, während Sie den Schleifenstrom und den Gerätestatus an mehreren Betriebspunkten beobachten. Vergleichen Sie die gemessene Spannung beim höchsten relevanten Strom mit dem Handbuch des Messumformers. Wenn die Spannung niedrig ist, messen Sie die einzelnen Spannungsabfälle über Eingang, Barriere oder Trennverstärker, Kabel und Klemmen, um die Verluststelle zu finden. Treiben Sie niemals einen laufenden Prozess an und überbrücken Sie keine Schutzschleife, nur um einen 20-mA-Testzustand zu erzeugen. Verwenden Sie bei Bedarf eine sichere Simulation oder einen geplanten Anlagenstillstand.
Was gehört in das Inbetriebnahmeprotokoll?
Bewahren Sie die Messung der Versorgung, Strom- und Spannungswerte, die Spezifikationen von Eingang und Barriere, die Kabellänge, das Messumformermodell und die Optionen, die HART-Kommunikationsprüfung sowie die abschließende Spannungsbilanz auf. Berechnen Sie die Bilanz nach jeder Änderung an einem Gerät oder einer Eingangskarte neu. Dadurch wird verhindert, dass ein scheinbar harmloser Umbau die bei vollem Messbereichsstrom erforderliche Reserve aufbraucht.
Weiterführende Informationen: InstrumentationTools.com, „Spannungsabfall in einer schleifengespeisten 4-20-mA-Messumformerschaltung“. Verwenden Sie für tatsächliche Spannungs- und Lastgrenzen die Dokumentation des installierten Herstellers.
Autor: Xu Jianguo ist ein Ingenieur für industrielle Automatisierung mit mehr als 10 Jahren Erfahrung in PLC-, DCS- und Leitsystemen.
