Lernfeld 9 · Prüfung Teil 2

Signale, Schnittstellen und Diagnose

Signale, Schnittstellen und Diagnose kurz erklärt: Einheitssignale, Bürde, Auflösung, Oszilloskop und Regler mit P-, I- und D-Anteil.

17 Aufgaben dazu übenKostenlos, ohne Anmeldung, mit Lösungsweg

Darum geht es

Analoge Messwerte werden als Einheitssignal übertragen. Das Stromsignal 4 bis 20 mA ist unempfindlich gegen den Widerstand langer Leitungen und erkennt einen Drahtbruch, weil schon der Messbereichsanfang 4 mA führt. Am Eingang wird der Strom oft über einen Bürdenwiderstand in eine Spannung umgesetzt. Ein Spannungssignal 0 bis 10 V ist einfacher, aber anfälliger für Störungen und Spannungsfall.

Ein Analog-Digital-Wandler teilt den Messbereich in Stufen. Je mehr Bit er hat, desto feiner ist die Auflösung. Brummt ein Analogsignal, helfen geschirmte, paarweise verdrillte Leitungen, aufgelegter Schirm und getrennte Verlegung von Leistungskabeln.

Mit dem Oszilloskop misst du Periodendauer und Amplitude. Du zählst die Kästchen und multiplizierst mit Zeitbasis oder Ablenkkoeffizient. Der Tastkopffaktor muss am Gerät richtig eingestellt sein, sonst ist die Anzeige um den Faktor 10 falsch.

In Regelkreisen reagiert der P-Anteil sofort proportional zur Regelabweichung, lässt aber eine bleibende Abweichung. Der I-Anteil summiert die Abweichung über die Zeit und beseitigt sie, macht den Kreis aber langsamer und schwingfreudiger. Der D-Anteil reagiert auf die Änderungsgeschwindigkeit. An der Sprungantwort erkennst du Überschwingen und Ausregelzeit.

Das solltest du dir merken

Unter 4 mA liegt ein Fehler vor, zum Beispiel Drahtbruch.
Ein reiner P-Regler hat eine bleibende Regelabweichung, erst der I-Anteil beseitigt sie.
Frequenz ist der Kehrwert der Periodendauer.
Ein n-Bit-Wandler teilt den Bereich in $2^{n}$ Stufen.

Formeln

Frequenz aus Periodendauer: $f = \frac{1}{T}$; $f$ Frequenz in Hz, $T$ Periodendauer in s (Kästchen mal Zeitbasis)
Spannung an der Bürde: $U = I \cdot R_{B}$; $U$ Spannung in V, $I$ Signalstrom in A, $R_{B}$ Bürdenwiderstand in Ω
Auflösung eines A/D-Wandlers: $Δ x = \frac{x _{max} - x _{min}}{2 ^{n}}$; $Δ x$ kleinster Schritt, $n$ Anzahl der Bits
Messwert aus Spannungssignal 0 bis 10 V: $x = \frac{U}{10 V} \cdot x_{max}$; $x$ Messwert, $U$ Signalspannung in V, $x_{max}$ Messbereichsende bei Messbereichsanfang null

Typische Fehler in der Prüfung

Milliampere nicht in Ampere umgerechnet, bevor mit dem Bürdenwiderstand gerechnet wird.
Tastkopf 10:1 benutzt, am Oszilloskop aber 1:1 eingestellt.
Bleibende Regelabweichung des P-Reglers durch höhere Verstärkung beseitigen wollen; das führt eher zum Schwingen.
Für die erforderliche Bitzahl nicht aufgerundet.

Tipps aus der Werkstatt

4 bis 20 mA ist störfester als 0 bis 10 V, unabhängig von der Leitungslänge und erkennt Drahtbruch, weil 0 mA nie ein gültiger Wert ist (Live Zero). Am Bürdenwiderstand gilt U = I · R, bei 250 Ω also 1 bis 5 V.
Brummt ein Analogsignal mit 50 Hz, ist meist die Schirmung schuld: Schirm großflächig auflegen, Signalleitungen getrennt von Leistungsleitungen führen, Erdschleifen vermeiden. Diagnose immer vom Prozess zur Steuerung: Sensor, Leitung, Klemme, Eingangskarte, Programm.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

17 Aufgaben zu „Signale, Schnittstellen und Diagnose“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

Jetzt üben

Grundlage: Rahmenlehrplan Mechatroniker/-in, Lernfeld 9 (KMK); DIN IEC 60381-1 Analoge Stromsignale. Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.