Auf einen Blick

Ein 4-20mA Drucktransmitter wird in einer Stromschleife betrieben: + Versorgung (24 V DC) → Transmitterklemme (+) → Transmitterklemme (−) → SPS-Analogeingang (250 Ω Bürde) → Netzteil (−). Stellen Sie sicher, dass die Bürde die zulässige Maximalverlustleistung nicht überschreitet, erden Sie den Kabelschirm einseitig am Schaltschrank, und kalibrieren Sie den SPS-Eingang auf den Messbereich des Transmitters.

Was bedeutet 4-20mA – und warum dieser Standard?

Das 4-20mA Stromsignal ist der internationale Standard für analoge Feldgeräte in der Prozessautomation (IEC 60381-1 ↗ IEC.ch). Im Gegensatz zu Spannungssignalen (0-10 V) überträgt das Stromsignal über weite Leitungslängen fehlerfrei, da der Leitungswiderstand den Strom nicht verändert — der Transmitter regelt seinen Ausgangsstrom aktiv nach.

Der entscheidende Sicherheitsvorteil: Ein Signal unter 3,6 mA zeigt sofort einen Leitungsbruch, einen Kurzschluss oder einen Geräteausfall an (NAMUR NE 43 Fehlersignal (namur.net ↗)). Eine offene Schleife führt zu 0 mA — das SPS-System erkennt den Fehler und kann Alarm auslösen. Das ist bei 0-10 V nicht möglich: 0 V könnte sowohl Messwert 0 als auch Leitungsbruch bedeuten.

Messbereichszuordnung

Die Zuordnung von Strom zu Druck ist linear:

4 mA → untere Bereichsgrenze (z. B. 0 bar)
12 mA → Bereichsmitte (z. B. 5 bar)
20 mA → obere Bereichsgrenze (z. B. 10 bar)

Druck = Messbereich × (I_mA – 4) / 16

2-Draht vs. 3-Draht Drucktransmitter

Bevor Sie mit dem Anschluss beginnen, müssen Sie wissen, ob Ihr Transmitter ein 2-Draht- oder 3-Draht-Gerät ist. Die Angabe findet sich auf dem Typenschild oder im Datenblatt.

2-Draht (Loop-Powered)

  • Nur zwei Leitungen: + und −
  • Versorgung und Signal über dieselbe Schleife
  • Mindest-Versorgungsspannung am Gerät: 10–12 V DC
  • Gesamtversorgung typisch 12–36 V DC
  • Standard für einfache SPS-Anbindung
  • Weniger Verkabelungsaufwand, geringere Kosten

3-Draht (Extern versorgt)

  • Drei Leitungen: + Versorgung, − Versorgung, Signalausgang
  • Eigene Versorgungsquelle, unabhängig vom Signalkreis
  • Typisch bei Transmittern mit Display oder digitaler Schnittstelle
  • Höherer Leistungsverbrauch möglich
  • Signalausgang referenziert auf Versorgungs-Minus
  • Vorsicht: Masseschleifen vermeiden

Bürde (Loop-Resistance) berechnen

Die Bürde ist der Gesamtwiderstand aller passiven Elemente in der Stromschleife: SPS-Analogeingang, Kabelwiderstand, Schutzwiderstände und eventuell ein HART-Kommunikationsfilter. Sie begrenzt, wie viel Spannung der Transmitter bei 20 mA an die Last abgeben muss.

R_max = (U_Versorgung – U_min_Transmitter) / 0,020 A

Beispiel: U = 24 V DC, U_min_Transmitter = 12 V
R_max = (24 – 12) / 0,020 = 600 Ω

Kabelwiderstand (je 100 m): 1,5 mm² ≈ 12 Ω, 0,5 mm² ≈ 36 Ω
SPS-Eingang 1-5 V: 250 Ω Bürde
SPS-Eingang 0-10 V: 500 Ω Bürde

Überschreitet die Summe aus SPS-Eingangswiderstand + Kabelwiderstand + Schutzwiderstand den R_max-Wert, kann der Transmitter den Strom von 20 mA nicht mehr aufrechterhalten — das obere Messbereichsende wird nicht erreicht. Lösung: Versorgungsspannung erhöhen oder Kabelquerschnitt vergrößern.

Praxis-Faustregeln Bürde
  • HART-Kommunikation erfordert mindestens 250 Ω in der Schleife (HART-Kommunikator benötigt diese Spannung)
  • Für Standard-SPS-Eingang mit 1–5 V: 250-Ω-Präzisionswiderstand (0,1 %) parallel zum Eingang
  • Bei SPS-Karten mit integrierter 4-20mA-Eingangsschaltung: Karte hat eigene Bürde, kein externer Widerstand nötig
  • Mehrere SPS-Kanäle in derselben Schleife: Widerstände addieren sich — prüfen Sie den Gesamtwiderstand

Schritt-für-Schritt Anschlussanleitung

Die folgende Anleitung beschreibt den Anschluss eines 2-Draht-Drucktransmitters an eine SPS mit 24 V DC Speisung und einem Analogeingang mit 250-Ω-Bürde.

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    Spannung abschalten und Versorgungskreis prüfen

    Schalten Sie alle 24-V-DC-Kreise spannungslos. Prüfen Sie die Ausgangsspannung des Netzteils (Leerlauf) und notieren Sie den Innenwiderstand. Stellen Sie sicher, dass das Netzteil für den Kurzschlussstrom eines Schleifenbruchs ausgelegt ist.

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    Kabel auswählen und verlegen

    Verwenden Sie verdrilltes, geschirmtes Kabel (LIYCY 2×0,5 mm² oder 2×1,5 mm² bei langen Leitungen). Verlegen Sie das 4-20mA-Kabel räumlich getrennt von 230/400 V Starkstromleitungen — Mindestabstand 150 mm ohne Trennwand, 50 mm mit geerdetem Metallkanal.

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    Schirm auflegen (einseitig am Schaltschrank)

    Legen Sie den Kabelschirm ausschließlich am Schaltschrank-Ende auf Schutzerde (PE) auf. Das Transmitter-Ende bleibt offen (nicht mit Gehäuse verbinden). Beidseitige Schirmauflage erzeugt Ausgleichsströme und kann das Messsignal stören.

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    Transmitter anschließen (2-Draht-Schema)

    Klemme (+) des Transmitters → Leitungsdraht (+) → Klemme (+) des SPS-Analogeingangs. Klemme (−) des SPS-Eingangs → Leitungsdraht (−) → Klemme (−) des Transmitters. Die 24-V-DC-Versorgung liegt am SPS-Eingang — die meisten modernen SPS-Analogeingänge speisen die Schleife direkt. Bei separatem Netzteil: + Netzteil → Transmitter (+), Transmitter (−) → SPS-Eingang → Netzteil (−).

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    Bürde prüfen und Spannung einschalten

    Messen Sie mit einem Multimeter den Widerstand zwischen den SPS-Klemmen (bei abgeschalteter Versorgung). Der Messwert sollte dem SPS-Eingangswiderstand entsprechen. Schalten Sie dann die 24-V-Versorgung ein und messen Sie den Strom in der Schleife bei bekanntem Druck (z. B. Atmosphärendruck für den Nullwert).

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    SPS-Eingang konfigurieren und skalieren

    Stellen Sie im SPS-Engineering-Tool den Eingangstyp auf „Strom 4-20mA" (oder „1-5V" bei Bürde) ein. Hinterlegen Sie die Skalierung: 4 mA = untere Druckgrenze, 20 mA = obere Druckgrenze. Aktivieren Sie die Drahtrucherkennung (Wire-Break Detection), sofern die SPS-Karte dies unterstützt — Signal unter 3,6 mA löst dann einen Alarm aus.

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    Nullpunkt und Spanne prüfen

    Schließen Sie den Prozessanschluss bei bekanntem Referenzdruck (Atmosphäre oder kalibrierter Referenz). Vergleichen Sie den angezeigten SPS-Wert mit dem Referenzwert. Bei Abweichung über ±0,5 % des Messbereichs führen Sie eine Nullpunkt- und Spanneneinstellung am Transmitter durch (ZERO/SPAN-Tasten oder über HART-Kommunikator).

4-20mA vs. anderen Ausgangssignalen

Kriterium 4-20mA 0-10 V HART / Modbus
Leitungslänge Bis 1.000 m (stromstark) Bis ~300 m (spannungsempfindlich) Unbegrenzt (digital)
EMV-Empfindlichkeit Gering (Strom resistenter als Spannung) Mittel Gering (digital mit CRC)
Fehlerkennung Leitungsbruch (<3,6 mA erkennbar) Kein Unterschied 0 V / Bruch Vollständige Fehlerdiagnose
Verkabelung 2 Drähte ausreichend 2–3 Drähte + getrennte Erde 2–4 Drähte (RS-485 oder Schleife)
SPS-Integration Universell (alle SPS-Typen) Universell Erfordert Modbus/HART-Karte
Parameterierung / Diagnose Keine (nur Messwert) Keine Vollständig (Kalibrierung, Gerätestatus)
Kosten Infrastruktur Niedrig Niedrig Mittel (Gateway/Karte)

Häufige Fehler und Diagnose

Signal unter 4 mA bei Nulldruck

Ursache: Transmitter nicht korrekt auf Nullpunkt kalibriert, oder die Versorgungsspannung an der Transmitterklemme liegt unter dem Mindestbetriebswert. Prüfen: Spannung zwischen (+) und (−) am Transmitter bei 20-mA-Betrieb messen — muss ≥ 10 V (Herstellerwert beachten) betragen.

Signal springt oder rauscht

Ursachen: Schlechte Schirmauflage, Parallelführung mit Starkstromleitungen, Masseströmungskreise (beidseitige Schirmauflage). Abhilfe: Schirm nur einseitig auflegen, Kabel umpositonieren, Potentialausgleichsleiter zwischen Schaltschrank und Feldgerät prüfen.

Signal 4 mA, kein Anstieg bei Druck

Transmitter liefert 4 mA = Nullpunkt, aber kein Signal bei Druckbeaufschlagung: Prozessanschluss verstopft oder Messmembran blockiert. Dichtigkeit der Prozessverbindung und Schutzkappe prüfen. Alternativ: Elektrischer Defekt — Transmitter mit einem kalibrierten Handpumpen-Prüfset auf dem Tisch testen.

Bürde zu hoch — SPS zeigt Vollausschlag

Wenn die Summe aus Kabelwiderstand und SPS-Eingangswiderstand den R_max-Wert überschreitet, sieht der SPS-Analogeingang eine zu niedrige Spannung und rechnet einen zu hohen Strom aus. Lösung: Kabelquerschnitt vergrößern, kürzere Kabelwege wählen oder Versorgungsspannung auf 28–30 V DC erhöhen.

Häufige Fragen (FAQ)

Was bedeutet 4-20mA beim Drucktransmitter?
4-20mA ist ein standardisiertes analoges Stromsignal. 4 mA entspricht dem unteren Messbereichsende (z. B. 0 bar), 20 mA dem oberen Ende (z. B. 10 bar). Strom ist leitungslängenunabhängig und ein Signal unter 3,6 mA zeigt sofort einen Leitungsbruch an — der entscheidende Sicherheitsvorteil gegenüber Spannungssignalen.
Was ist der Unterschied zwischen 2-Draht und 3-Draht beim 4-20mA Drucktransmitter?
Ein 2-Draht-Transmitter bezieht Betriebsenergie aus derselben Schleife wie das Messsignal (nur + und − benötigt). Ein 3-Draht-Transmitter hat eine eigene Versorgungsleitung. 2-Draht ist Standard für einfache SPS-Anbindung. 3-Draht ist typisch bei Transmittern mit Display oder höherem Leistungsbedarf.
Wie berechne ich den maximalen Bürdenwiderstand für einen 4-20mA Transmitter?
R_max = (U_Versorgung – U_min_Transmitter) / 0,020 A. Beispiel: 24 V Versorgung, 12 V Mindestspannung am Transmitter → R_max = (24–12)/0,02 = 600 Ω. Die Bürde umfasst SPS-Eingangswiderstand plus Kabelwiderstand. Diese Summe muss unter R_max bleiben.
Welche Versorgungsspannung benötigt ein 4-20mA Drucktransmitter?
Die meisten 2-Draht-Transmitter benötigen 12–36 V DC. Standard in der Industrieautomation sind 24 V DC. Die Mindestspannung am Transmitterklemme unter Last muss eingehalten werden (typisch 10–12 V). SEGMENsensor Drucktransmitter spezifizieren 12–36 V DC.
Muss ich den 4-20mA Transmitter erden oder abschirmen?
Bei Kabeln über 10 m oder in gestörten Umgebungen (Frequenzumrichter, Schweißanlagen) ist ein geschirmtes, verdrilltes Kabel empfehlenswert. Schirm einseitig am Schaltschrank auf PE auflegen — beidseitige Auflage erzeugt Ausgleichsströme. Parallelführung mit 230/400 V Starkstromleitungen vermeiden.
Warum zeigt mein 4-20mA Drucktransmitter eine fehlerhafte Ausgabe?
Häufige Ursachen: (1) Bürde zu hoch — Kabel zu lang; (2) Falsche Polarität; (3) Schlechte Schirmauflage; (4) Versorgungsspannung unter Minimum; (5) Prozessanschluss verstopft. Erste Diagnose: 4-20mA Schleifenstrom mit einem Multimeter direkt in der Schleife messen.
Wie konfiguriere ich den SPS-Analogeingang für 4-20mA?
Eingangstyp im Engineering-Tool auf „Strom 4-20mA" setzen, Messbereich des Transmitters als Skalierung hinterlegen (4 mA = 0 bar, 20 mA = 10 bar). Bei Spannungseingang 1-5V: 250-Ω-Präzisionswiderstand parallel zum Eingang. Drahtbrucherkennung aktivieren, sofern die Karte diese Funktion bietet.
Was ist der HART-Protokoll-Vorteil gegenüber reinem 4-20mA?
HART überlagert ein digitales FSK-Signal dem analogen 4-20mA Signal. Dadurch lassen sich Geräteparameter auslesen, Kalibrierungen durchführen und Störungsursachen identifizieren — ohne das analoge Signal zu unterbrechen oder zusätzliche Kabel zu verlegen. SEGMENsensor bietet HART-fähige Drucktransmitter für Asset-Management-Anwendungen.

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