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Galvanische Trennung bei SPS - Erklärung

Unter einer galvanische Trennung (Entkopplung) versteht man eine potentialfreie Verbindung, welche bei Stromkreisen die Ladungsträger daran hindert, von einem Stromkreis in einen anderen zu gelangen. Diese galvanische Trennung ist insbesondere bei einer SPS (speicherprogrammierbaren Steuerung) unabdingbar. Jedoch können zwischen den Stromkreisen Signale oder Impulse übertragen werden, wie beispielsweise per optischer Übertragung (Optokoppler, Lichtleitkabel), induktiv (Transformatoren), bei mechanischer Übertragung durch Druckluft (Pneumatikelemente) oder durch isolierende mechanische Teile (Relais).

Platine einer galvanisch getrennten SPS als Herz einer Maschinensteuerung
Platine einer galvanisch getrennten SPS als Herz einer Maschinensteuerung

Erklärungen zur speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS)

  • Eine speicherprogrammierbare Steuerung ist der Nachfolger von den vor Jahren genutzten verbindungsprogrammierten Steuerungen (festverdrahtete Anordnung von Relais) und dient neben dem Steuern und Regeln von Maschinen auch zunehmend der Visualisierung, Alarmierung und Aufzeichnung aller Betriebsmeldungen.
  • Ein klassisches Beispiel einer Steuerung ist eine SPS mit Sensoren (Lichtschranken, Temperaturfühler etc.) an den Eingängen und Aktoren (Schütze, elektr. Ventile für Hydraulik oder Pneumatik) an den Ausgängen.
  • Eine SPS arbeitet zyklisch, indem sie die Werte aller Eingänge am Anfang eines Zyklus einliest, die gespeicherten Programme ausführt und am Ende die Ausgänge mit den notwendigen Informationen versorgt, bevor dann der nächste Zyklus gestartet wird.
  • Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) bedient sich einiger Speicherarten wie ROM fürs Betriebssystem, EPROM für Programme und RAM für die Datenspeicherung, welche meist per Batterie gepuffert wird.

Arten und Anwendungsbeispiele galvanischer Trennungen  

  • Neben Optokoppler und Kondensatoren ist der Transformator ein typisches Beispiel zur galvanischen Trennung, bei welchem die Leitungen des Primärstromkreises nicht mit dem Sekundärstromkreis in Berührung kommen und eine Übertragung diesbezüglich über ein Magnetfeld erfolgt.
  • Eine Potenzialtrennung wird auch durch den Einsatz von Kunststoffzahnrädern - wie in Handbohrmaschinen - erzielt und trennt metallische Antriebsteile von äußeren, berührbaren metallischen Teilen.
  • Die galvanische Trennung ist in vielen Alltagsgegenständen zu finden. Bei allen netzbetriebenen Geräten, elektrischen Spielzeugen, Netzteilen und Ladegeräten handelt es sich um Schutztrennungen und bei Geräten zur Messung (Stromzangen, Multimeter) um eine Potenzialtrennung.
  • Galvanische Trennungen verhindern beispielsweise auch sogenannte Brummschleifen und elektromagnetische Störungen bei Audiogeräten und in der Datenfernübertragung und dienen dem Schutz vor elektromagnetischem Puls (EMP). 

Galvanische Trennung am Beispiel einer SPS

  • In SPS-Systemen werden digitale Signale von zahlreichen Sensoren zur weiteren Verarbeitung an einen Controller übertragen. Um auf der Anwenderseite die Spannungspegel zu beherrschen bzw. mit ihnen arbeiten zu können, ist eine galvanische Trennung unabdingbar.
  • Digitale Isolatoren, Optokoppler sowie elektromagnetische Isolatoren dienen in SPS-Systemen der galvanischen Trennung zwischen Analog/Digital-Wandler und Digital/Analog-Wandler sowie zur Trennung der Signalaufbereitung und dem Controller.
  • Teilweise ist auch eine galvanische Trennung auf der Analogseite der SPS notwendig, hierzu ist dann in allen Ein- und Ausgangskanälen ein Wandler für eine möglichst hohe Isolation zwischen den Kanälen erforderlich.
  • Galvanische Trennungen verhindern auch die Übertragung von Transienten (zeitlich nicht vorhersehbare, zufällige höherfrequente Signale in Form instationärer Schwingungen), welche an den Signalquellen entstehen können.
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