Sensoren und Aktoren

Sensoren und Aktoren 

VL Prozessrechen- und Prozessleittechnik 

SS 2006, 4. Mai 2006 

Dr.-Ing. Leon Urbas 

PRLT © Leon Urbas 1

2 

Übersicht 

• Kopplung mit der Prozessautomatik mit dem Prozess 

� Sensor: Erfassung physikalischer Größen 

� Aktor: Einwirken auf den Prozess 

• Funktionsweise von Sensoren 

� Druck 

� Temperatur 

� Durchfluss und Mengen 

� Füllstand 

� Gewicht 

• Signalübertragung 

� Standardisierung der Anbindung von Sensoren an 

höhere informationsverarbeitende Ebenen 

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3 

Ebenenmodell der Prozessführung 

SCADA: Supervision Control And Data Acquisition 

ERP: Enterprise Ressource Planning 

MES: Manufacturing Execution System 

PLC: Programmable Logic Control 

PS: Process Station 

ERP 

MES 

SCADA Network 

PLC PS 

Sensors & Actuators 

Process 

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4 

Prozessmesstechnik 

• Erfassen von Information über den aktuellen 

Prozesszustand 

� 1) Erfassung physikalischer Größen 

� Analog: Temperatur, Druck, Durchfluss, Füllstand, 

Drehzahl, Analysewerte, … 

� Binär: Kontakt, Füllstand, An/Aus 

� 2) Berechnung aus anderen Größen über Prozessmodell 

� Linearer oder nichtlinearer statischer Zusammenhang von 

Zustandsgrößen 

� Dynamisch: Zustandsbeobachter 

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Grundstruktur Messen 

• Erfassung 

Prozess 

Physikalische 

Größe 

• Vorverarbeitung (in Sensor oder PLS) 

� Analoge Tiefpassfilterung 

� Digitalisierung 

� Digitale Filterung 

� Linearisierung 

Messwertgeber 

Hilfsenergie 

� Skalierung, Normierung 

elektrisches 

Signal 

Messumformer 

� Übertragung (analog, digital) 

Vorverarbeitung 

genormtes 

Ausgangssignal 

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6 

Übersicht 





� Druck 




� Gewicht 




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7 

Druckmesstechnik 

• Druck = Kraft pro Fläche 

� SI-Einheit: 1 N/m² = 1 Pa (Pascal) 

� Häufige technische Einheit: 1 bar = 10 5 Pa 

• Häufig Druckdifferenz: Δp = p –p 0 

� P 0 ~ 0 (Vakkuum) � Δp : Absolutdruck 

� P 0 = p atm (Atmosphäre) � Δp : Überdruck 

� P 0 beliebig aus Messgerät � Δp : Differenzdruck 

• Messbereich in der Verfahrenstechnik: 1 Pa bis 10² bar 

� Druckmessgeräte mit Sperrflüssigkeit 

� Federelastische Druckmessgeräte 

� Druckmessumformer 

p = 

F 

A 

P 

negativ (früher 

Unterdruck, darf 

nicht mehr 

benutzt werden) 

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Druckmessgeräte mit Sperrflüssigkeit 

• Kleine Druckdifferenzen 

• Sperrflüssigkeiten: 

� Häufig gefärbtes Wasser 

(ρ = 1,0 kg/dm³) 

� Kleine Drücke: z.B. Ethylalkohol 

(ρ = 0,88 kg/dm³) 

� Höhere Drücke: z.B. Quecksilber 

(ρ = 13,55 kg/dm³) 

• U-Rohrmanometer 

� Δp = g * ρ * Δh 

• Weitere Ausführungsarten: 

Gefäßmanometer, 

Schrägrohrmanometer, 

Vakuummeter 

(Simic et al 1992) 

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Federelastische Druckmessgeräte 

• Elastische Messglieder, die sich unter Einwirkung 

von Druck verformen. 

• Verformung � Bewegung eines Zeigers 

• Rohrfedermanometer 

� Einseitig eingespannte Rohrfeder 

� A innen < A außen � Verformung 

� Hebelwerk � Anzeige 

• Weitere Ausführungsarten 

Plattenfedermanometer, 

Kapselfedermanometer, 

Differenzdruckmanometer 

nach Barton 

(Simic et al 1992) 

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Elektrische Druckmessumformer 

• Zumeist Weg- oder Kraftmessung 

• Auslenkung wenige µm 

• Dehnungsmessstreifen 

• Piezoresistiv 

• Kapazitiv 

• Induktiv, Resonanzdraht, Schwingquarz 

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11 

Sensoren mit Dehnungsmessstreifen 

• Elastisches Druckmessglied 

(Platte) 

• Leiter kraftschlüssig 

verbunden 

• Druck � Verformung � 

Längenänderung Leiter 

• Volumen Leiter ~ const � 

ΔR/R = k Δl/l = k ε 

• Metallische Leiter (k ~ 2), 

Silizium (k ~ 100, aber f(ε)) 

• Kleine Drücke: Membran- 

Biegebalken-Anordnung 

• Kreismembran: Zonen mit 

Dehnung und Stauchung 

−ε 

+ε 

p 

(Mertens o.J.) 

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12 

Piezoresistive Sensoren 

• Piezoresistive Effekte von Halbleitern, meist p-dotiertes Silizium 

• Druck � Veränderung elektrischer Eigenschaften 

• Aufbringen auf Membran analog DMS in Zonen mit Dehnung und 

Stauchung, Temperaturkompensation mit Vollbrücke 

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13 

Kapazitive Sensoren 

• Federelastische 

Meßmembran + 

gegenüberliegende 

leitfähige Fläche der 

Gehäuses + Füllflüssigkeit 

dazwischen = 

Differentialkondensator 

• Druck � Auslenkung 

Membran � Änderung 

Kapazität C ~ 1/l 

• C + ΔC ~ 1/(l-Δl) 

• Absolutdruck / 

Differenzdruckverfahren 

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Entwicklungstrends 

• Materialien 

� Membran, Füllflüssigkeiten 

• Konstruktion 

� Membranbruchüberwachung 

� Temperaturkompensation durch Membranform 

(Stufenmembran) 

� Kompensation von Einspannkräften 

� Rohrdruckmittler 

• Sonderfunktionen 

� Sicherheitsfunktionen, integrierte Diagnose, 

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Kriterien zur Geräteauswahl 

• Eignung für Druck (P), Differenzdruck (PD) 

• Weiterverarbeitung des Signals 

• Messbereich für P, PD 

• Einstellbare Messspanne 

• Kennlinienabweichung 

• Einfluß des statischen Drucks 

• Überlastbarkeit 

• Messstofftemperatur 

• Verhalten gegenüber Druckschwankungen 

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Übersicht 





� Druck 




� Gewicht 




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Temperaturmesstechnik 

• Temperatur = f(Innere Energie) 

• Temperaturskalen (historisch bedingt) 

� Thermodynamische Temperaturskala: 

� Absoluter Nullpunkt = 0, Tripelpunkt Wasser = 273,16 K 

(Kelvin), 1 K = 273,16te Teil dieser Skala 

� Einheit °C gleich Einheit Kelvin, lediglich Verschiebung des 

Nullpunkts 

• Berührungsthermometer: Energietransport über 

Kontaktflächen und Materialen 

� Widerstandsthermometer mit metallischen Leitern und 

nichtmetallischen Leitern 

� Thermoelemente 

� Halbleitersensoren 

• Strahlungsthermometer (Pyrometer) 

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Widerstandsthermometer 

• Temperatur � Änderung der elektrischen 

Leitfähigkeit von Materialen, messbar als 

Widerstand 

� R = R 0 (1 + α · ΔT) � T = T 0 + (R/R 0 -1)/ α 

� Meist ist α über Temperaturbereich nur annähernd 

konstant 

� Beispiel Pt100 (DIN IEC 60751), R 0 = R(0°C) = 

100 Ω, 

� 0-100°C: T = (R/R0-1)/α, α = 3,85 · 10-3 / °C 

� < 0 kubische, > 100 quadratische Gleichung 

• Anschlussleitungen zwischen 

Messfühler und Auswerteschaltung 

� Zwei-, Drei-, Vierleiterschaltung 

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Thermoelemente 

• Geschlossene Leiterschleife aus zwei unterschiedlichen 

Leitermaterialen 

• Ladungsträgerdiffusionseffekt (Thermoeffekt, Seebeck-Effekt): 

� Ladungsträger verteilen sich entsprechend 

Temperaturgradienten auf Leiter 

� Unterschiedliche Materialen in der Leiterschleife + 

unterschiedliche Temperaturen an Kontaktstellen � 

Spannungsdifferenz ~ Temperaturdifferenz 

Hohe Thermospannung, bis 700°C 

• Werkstoffe (IEC 584) 

� Typ J: Fe-CuNi 

� Typ K: NiCr-Ni 

� Typ R: PtRh-Pt 

• Messung 

� Hochohmige Messung, 

� Künstliche Vergleichstemperatur 

Wenig nichtlinear, bis 1000°C 

Bis 1600°C 

(Ulf Seifert, wikipedia) 

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20 

Strahlungsthermometer 

• Berührungsloses Thermometer: Strahlungsempfänger 

• Oberflächentemperaturen, schnelle Temperaturerfassung 

• Problematisch: Kenntnis des Emissionsgrads der zu 

messenden Oberfläche 

• VDI/VDE Richtlinie 3511, Blatt 4: Strahlungsthermometrie 

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21 

Einflüsse auf Messunsicherheit 

• Einbaufehler 

• Oberflächentemperaturen 

• Eigenerwärmungsfehler 

• Falsche Kennlinien 

• Zeitverhalten 

• Schnelle Gasströmungen 

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22 

Auswahlkriterien 

• Hohe Vielfalt von Messaufgaben und Bauformen 

� keine allgemeingültigen Kriterien 

• Checkliste 

� Einbaubedingungen 

� Messbereich 

� Zulässige Messunsicherheit 

� Umgebungsbedingungen 

� Messdynamik 

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23 

Übersicht 





� Druck 




� Gewicht 




PRLT, 4.5.06, Urbas

24 

Durchfluss- und Mengenmesstechnik 

• Messaufgabe: Bestimme Menge an Masse oder 

Volumenstrom eines Fluids durch eine Querschnittsfläche 

pro Zeiteinheit 

� Masse unabhängig von thermodynamischen 

Zustand 

� Häufig aber nicht direkt bestimmbar 

• Wirkdruckmesser für Gase und Flüssigkeiten (Bestand 

1990: 56%, Beschaffung 2001: 18%) 

• Strömungs- und Verdrängerzähler für Gase und 

Flüssigkeiten (25%, +7%) 

• Schwebekörper-Durchflussmesser (16%, 31%) 

• Magnetisch-induktive Durchflussmesser (3%, 12%) 

• Ultraschalldurchflussmesser (-, 6%) 

• Coriolis-Massedurchflussmesser (-, 20%) 

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Klassen von Durchflussmessgeräten 

• q v = q m / ρ 

• q v = A u 

• Massedurchflussmesser 

� S ~ q m 

� Coriolis, thermische Verfahren 

• Volumendurchfluss 

� S ~ u ~ q v = q m / ρ 

� Rotierende Strömungszähler, MID, Wirbelbildung, 

Ultraschall 

• Sonstige Durchflussmesser 

� S ~ q m / sqrt(ρ) 

� Wirkdruck, Schwebekörper 

• Achtung: Dichte am Messort (Betriebsdichte) wird nur in 

ganz wenigen Fällen direkt mit Messgeräte bestimmt 

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26 

Wirkdruckverfahren 

• DIN EN ISO 5167: 

Durchflussmessung von 

Fluiden mit Drosselgeräten, 

Teil 1: mit Blenden, Düsen 

und Venturirohren in 

volldurchströmten Leitungen 

mit Kreisquerschnitt 

• VDI 2040, VDI/VDE 2041, 

VDI/VDE 3512, … 

• Bestandteile 

� Wirkdruckgeber 

(Drosselgerät) 

� Durchfluss � Wirkdruck 

� Wirkdruckmesser 

� U-Rohr, Messumformer, 

… 

q 

m 

Cε 

Ad 

= 2ρ1Δp 

4 

1− 

β 

• Rohrdurchmesserverhältnis 

β = d / D 

• Durchflusskoeffizient 

C = f(Geometrie, Re) 

• Expansionszahl ε. 

inkompressibel ε = 1, sonst 

f(p, β, Isotropenexponent) 

• Öffnungsquerschnitt 

Ad = ¼ p d² 

• Dichte ρ1 (Betriebszustand 

vor Geräte) 

• Wirkdruck Δp 

• DIN 1952: Durchflusszahl α 

= C / sqrt(1-β 4 ) und 

Öffnungsverhältnis m = A d /A D 

= β² 

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27 

Wirkdruckverfahren 

• Normblende 

� Geeignet für beliebige einphasige 

Fluide 

� Weiter Druck und Temperaturbereich 

� Berechenbar (Kalibrieren nur bei 

Nennweiten unter 50 mm) 

� Leicht herzustellen und zu ändern 

• Nachteile ggü. anderen Verfahren 

� Schmutzempfindlicher als Düsen 

� Bei gleichem Wirkdruck etwa 20% 

größeres Durchmesserverhältnis als 

Düsen 

� Größerer bleibender Druckverlust als 

Venturidüse 

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Schwebekörperverfahren 

• nach Wirkdruckverfahren häufigstes Durchflussmessverfahren, Einsatz 

insbesondere für kleine Durchflussmengen 

• auf Schwebekörper wirken drei Kräfte: 

• mit 

� Gewichtskraft: F g = V K ·g·ρ K 

� Auftriebskraft: F A = V K ·g·ρ M 

� Reibungskraft: F R = c w ·A K ·ρ M ·v²/2 (Strömungswiderstandsgesetz) 

� V K - Volumen des Schwebekörpers 

� g - Erdbeschleunigung 

� ρ K - Dichte des Schwebekörpers 

� ρ m - Dichte des Messmediums 

� v - Geschwindigkeit des 

strömenden Mediums 

� A K - größter Querschnitt des 

Schwebekörpers senkrecht zur 

Strömungsrichtung 

� c w - Widerstandswert 

• Kräftegleichgewicht bestimmt Höhe des Schwebekörpers im konischen 

Rohr 

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29 

Coriolis Massedurchflussmessung 

• Nutzung von Trägeheitskräften bei der 

Durchströmung eines schwingenden Rohres 

� niedriger Druckabfall 

� Einfache Konstruktion, nur zwei Verschweißstellen, 

Cleaning in Place 

� Eigenentleerung, Rostfreier Edelstahl oder 

Hastelloy 

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30 

Vergleich von Messverfahren 

Schwebe- Drosselgeräte Magnetisch- Wirbel & DrallCoriolis Thermische 

körper Zubehör Induktiv Drall Masse Masse 

Flüssigkeiten 

leitfähig � � � � � 

nicht leitfähig � � � � 

feststoffhaltig o o o 

pulsierend � 

Viskosität >10cST 

Gase 

o o � o � 

trocken/sauber � � � � 

feucht � � o o 

korrosiv o o o o 

verunreinigt o o 

Dampf � � � 

PRLT, 4.5.06, Urbas

31 

Literatur 

• Früh, K.F. & Maier, U. (Hrsg.2004) Handbuch der 

Prozessautomatisierung. München: Oldenbourg 

Industrieverlag 

• Strohrmann, G. (2004) Messtechnik im 

Chemiebetrieb. München: Oldenbourg 

• Simic, D., Hochheimer, G. & Reichwein J. (1992) 

Messen, Regeln und Steuern: Grundoperationen 

der Prozessleittechnik]. Weinheim: VCH, 1992 

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32 

Übersicht 





� Druck 




� Gewicht 




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33 

Übersicht Signalübertragung 

• Explosionsschutz 

• Konventionelle 2-Draht-Technik 

� Analoge Signale: Stromschnittstelle 4-20mA 

� Verkabelung, Rangierleisten, Speisestromtrenner 

• HART-Protokoll 

� Überlagerung von Zusatzinformationen 

� Anbindung an PLS 

• Remote-I/O 

� Bündelung von Daten im Feld 

• Digitale Feldbusse 

� Profibus 

� Foundation Fieldbus 

� Modbus, CANopen 

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34 

Explosionsschutz 

• Besonderheit Verfahrenstechnik 

� Explosionsgefährdete Bereiche – Ex-Zonen 

• Zoneneinteilung (Richtlinie 1999/92/EG, Deutsches Recht: 

Anhang 3 der Betriebssicherheitsverordnung) 

� Zone 0 – explosionsfähige Atmosphäre (Gas + Luft) ständig, 

über lange Zeiträume oder häufig vorhanden vorhanden 

� Zone 1 – gelegentlich bei Normalbetrieb 

� Zone 2 – normalerweise nicht oder nur kurzzeitig 

� Zone 20 - explosionsfähige Atmosphäre (Staub + Luft) 

ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden 

� Zone 21 - gelegentlich bei Normalbetrieb 

� Zone 22 –normalerweise nicht oder nur kurzzeitig 

• Gerätekategorien (Richtlinie 94/9/EG, Deutsches Recht: ExVO) 

� Kategorie 1 – Zone 0, 20 



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35 

Zündschutzarten 

VDE 0170/0171, DIN EN 50 014 bis 50 020 

Neunummerierung: DIN EN 60079-x, DIN EN 61241-x 

• Beschränkung der Energie 

� Eigensicherheit Ex i 

� Strom, Spannung, Kapazität, Induktivität 

• Bauartbedingte Verhinderung von Funkenbildung 

� Erhöhte Sicherheit Ex e 

• Beschränkung der Explosion auf kleine Räume 

� Druckfeste Kapselung Ex d 

• Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre um die Zündquelle 

� Sandkapselung Ex q 

� Vergußkapselung Ex m 

� Ölkapselung Ex o 

� Überdruckkapselung Ex p 

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Stromsignal 4..20 mA 

• Normen und Richtlinien 

� NAMUR-Empfehlung NE 06 

� DIN IEC 60381 

• Informationscodierung 

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Konventionelle Signalübertragung 

• Leitungsverbindung zwischen PLS und 

jedem Signal 

• Stromversorgung 

� mit Signalübertragung: 2-Leiter- 

Anschluss 

� Separat: 4-Leiter-Anschluss 

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HART-Protokoll 

• HART: Highway Adressable Remote Transducer 

� Digitaler Datenaustausch zwischen Feldgerät und einem Master durch Überlagerung 

der digitalen Kommunikation über dem analogen Stromsignal 

• Signalübermittlung: Überlagerung des Stromsignals mit einem Frequenzsignal 

� Frequenzschiebeverfahren (Frequency Shift Keying, FSK nach Bell 203 

� 2400Hz=0, 1200Hz=1 

• Protokoll: Master-Slave mit max 2 Master 

� 500-800ms / Transaktion 

� Universelle Kommandos (Universal Commands, Alle Geräte) 

� Identifikation des Geräts 

� Auslesen von max. 4 Messwerten incl. phys. Einheit 

� Schreiben Messstellenkennzeichen, Geräteadresse, etc. 

� Allgemeine Kommandos (Common Practice Commands, Viele Geräte) 

� Setzen von Parametern wie Integrationszeit, Nullpunkt, Spanne, Einheiten 

� Gerätespezifische Kommandos (Device Specific Commands) 

� Nicht standardisierte, geräteabhängige Kommandos 

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39 

Weitere Elemente von HART 

• Device Description Language 

(HART DDL) 

� Beschreibung von 

Kommandos, Dateninhalten 

und Bediensequenzen 

� Interpretation durch HART- 

Master 

• Field Device Tool / Device Type 

Manager (FDT/DTM) 

� Gerätespezifische ActiveX- 

Komponente für das 

Engineering: Regeln, Dialoge, 

Benutzeroberfläche, 

Plausibilisierung, Lesen & 

Schreiben, Diagnose 

� „Unabhängig“ von 

Engineering-Tool 

• Verbindungsstrukturen 

� Temporäre Punkt-zu-Punkt- 

Verbindung 

� Multiplexer 

� Multidrop 

� Direkter Systemanschluß 

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40 

Wie bekommt man die vielen Leitungen 

weg? 

• Multiplexen von Signalen 

über eine Leitung 

� Digitalisierung 

� Bitserielle Übertragung 

• Digitaler Feldbus 

� Profibus DP/PA 

� Fieldbus Foundation 

� AS-Feldbus 

� ControlNet 

� Interbus 

� LON 

� CAN, DeviceNet, 

CANOpen 

� … 

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41 

Profibus DP/PA 

Rangierverteiler 

Trennung EExi, 

Stromversorgung 

Rangierverteiler 

Vert. Verteiler Vert. 

24 V 

PROFIBUS-DP 

24 V 

PROFIBUS-PA 

Schaltraum 

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42 

Historie 

• 1987: Start der PROFIBUS-Entwicklung 

• 1993: Spezifikation des einfachen und schnellen PROFIBUS DP (Decentralized 

Peripherals) 

• 1995: Erweiterung der PROFIBUS-Physik um eine Variante für gleichzeitige 

Kommunikation und Speisung (PROFIBUS PA) 

• 1997: Applikationsprofil PROFIdrive: Definition von Geräteverhalten und 

Zugriffsverfahren auf Antriebsdaten von drehzahlveränderbaren elektrischen 

Antrieben am PROFIBUS 

• 1998: Applikationsprofil PA Devices: Spezifikation der Eigenschaften, 

Leistungsmerkmale und Verhaltensweisen für Geräte bestimmter Geräteklassen 

(z.B. Druck, Temperatur oder Durchfluss), um Geräte verschiedener Hersteller 

interoperabel betreiben oder gegeneinander austauschen zu können 

• 1999: Applikationsprofil PROFIsafe: Definition der PROFIBUS-Kommunikation 

zwischen den Sicherheitssteuerungen und den sicherheitsgerichteten Geräten für 

sicherheitsgerichtete Automatisierungsaufgaben bis KAT4 nach EN954, AK6 oder 

SIL3 nach IEC 61508 

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43 

Standardisierung des PROFIBUS 

• 1991: nationale Norm DIN 19245 

• 1996: Europäische Norm EN 50170. 

• Seit 1999 Integration in den internationalen Normen 

• IEC 61158 - Digital data communication for measurement and control - 

Fieldbus for use in industrial control systems 

� Part 2: Physical layer specification and service definition 

� Part 3: Data link service definition 

� Part 4: Data link protocol specification 

� Part 5: Application layer service definition 

� Part 6: Application layer protocol specification 

• IEC 61784 - Digital data communications for measurement and control 

� Part 1: Profile sets for continuous and discrete manufacturing relative to 

fieldbus use in industrial control systems 

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44 

PRLT, 4.5.06, Urbas

45 

Vorteile ggü. konventioneller Technik 

• Gesamtkostenreduktion bis 30% durch 

� Direkte Anbindung der Prozessgeräte führt zu Einsparung bei 

� Verdrahtung und Aufbautechnik für Rangierung, 

� Verteilung, Speisung und Montage im Feld 

� Weniger Planungs- und Engineeringaufwand 

� niedrigere Inbetriebsetzungskosten 

• Hoher Informationsgehalt und bidirektionale Kommunikation 

ermöglichen erweiterte Diagnosefunktionen 

� zur schnellen Störungsmeldung und –behebung 

� zur Verarbeitung und Auswertung mit Asset Management 

Systemen für Restlaufzeit-Vorhersage und Planun 

vorbeugender Wartung 

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47 

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48 

Profibus DP/PA 

• Profibus DP 

� hohe Datenübertragungsraten (bis 12 

Mbit/s) 

� geringe Reaktionszeiten (bis 1 ms) 

� Intelligente Feldgeräte (z.B. 

Motorstarter, Antriebe, 

Analysengeräte, Prozessregler oder 

Panels) und 

� dezentrale Peripheriegeräte (Remote 

I/O) 

• Profibus PA 

� Übertragungsrate 31,25 kbit/s 

� typische Kommunikationszeit 10 ms. 

� Zweidrahtleitung mit eigensicherer 

Übertragungstechnik MBP (Manchester 

Coded; Bus Powered) 

� Einfache Geräte (z.B. pneumatische 

Aktuatoren, Magnetventile oder 

Sensoren für Mess- und 

Analyseaufgaben) 

� Ex-Zone 0 oder 1 

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PROFIBUS - Kommunikation 

• Deterministische 

Buskommunikation nach 

Master-Slave-Prinzip 

� Zyklische Übertragung 

von Prozessdaten 

(projektiertes 

Zeitverhalten) 

� Azyklische Übermittlung 

von Projektierungs-, 

Alarm- und 

Diagnosedaten (ggf. 

Verteilung auf mehrere 

Zyklen) 

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50 

Übertragungsphysik PROFIBUS PA 

� IEC 1158-2 (H1) 

� Zweiphasige synchrone 

Manchestercodierung, 

31,25 kBit/s, Current 

Mode 

� Eigensicherheit (Option) 

und Busspeisung 

(Option) 

� Geschirmte oder 

ungeschirmte 

Zweidrahtleitung 

� Ausdehnung bis 1900 m 

pro Segment, erweiterbar 

durch Repeater bis 10 

km 

� max. 127 Stationen, 10- 

32 je Segment, abhängig 

von Ex-Klasse / 

Stromaufnahme 

24 V 

J 

Nicht-Ex-Variante: 

I < 320 mA, 

max. 30 Feldgeräte 

PROFIBUS-DP 

45,45 kBit/s 

DP/PA- 

Koppler 

24 V 

PROFIBUS-PA 

31,25 kBit/s 

J 

Ex-Variante: 

I < 120 mA 

max. 10 Feldgeräte 

PRLT, 4.5.06, Urbas

51 

Manchesterkodierung 

PROFIBUS PA 

Bits 

I B + 9 mA 

>- 10 mA 

I B -9 mA 

0 1 0 0 1 

1 Bit 

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52 

Anzahl der an einem Segment 

betreibbaren Geräte 

• Anzahl wird beeinflusst von 

� Verbrauch der Geräte 

� Leitungswiderstand 

� Strom/Spannung am Ausgang des DP/PA-Kopplers 

• Anwendung Ohmsches Gesetz 

� Anzahl = Strom am Kopplerausgang [mA] / typischer Stromverbrauch pro PA-Gerät 

[mA] 

� Ex-Bereich: 110 mA / 12 mA = 9 Geräte 

� Nicht-Ex: 1000 mA / 12 mA = 83, begrenzt durch Norm auf 31 

• Leitungslänge (bezogen auf Anzahl Geräte) 

� Leitungslänge [km] = (Spannung am Kopplerausgang [V] – 

min.Versorgungsspannung PA-Gerät [V]) / (Summe Stromverbrauch [A] * 

Leitungswiderstand [Ω/km] 

� Ex-Bereich: (13,5V-9V)/(0,11 A * 44 Ω/km) ~ 0,92 km 

� Nicht-Ex: (31V – 9V)/(500 mA * 44 Ω/km) ~ 1 km 

� Maximallängen nach Norm: Ex: 1,0 km, Nicht-Ex: 1,9 km 

PRLT, 4.5.06, Urbas

53 

Zykluszeiten 

• Profibus DP 

� DPt = NbDP * [ OvPB + 

BitDP * (NbE + NbA)] / 

BdsDP 

� Beispiel 30 DP Slaves, 

� DPt = 30 * [ 317 bit + 11 

bit/byte * (244 byte + 244 

byte)] / 12 Mbit/s = 14.2 ms 

• Profibus PA 

� PAt = NbPA * [ OvPB + BitPA 

* NbByte ] / BdsPA 

� Beispiel 1 PA Slave, 

� Pat = 1 * [ 37 bit + 8 

bit/byte * 5 byte ] / 31.25 

kbit/s = 11,4 ms 

PRLT, 4.5.06, Urbas

54 

Heterogene Buslandschaften 

DP/AS-i 

Link 

Aktor-Sensor-Interface 

4-20 mA 

SIMATIC S7-400 

CPU 414-2, 416-2 

PROFIBUS-DP, bis 12 MBit/s 

ET 200 M ET 200 M 

4-20 mA 

+ HART 

24 V 

PROFIBUS-PA 

DP/PA-Koppler, 

DP/PA-Link 

PRLT, 4.5.06, Urbas

Sensoren und Aktoren

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