So schließen Sie einen Ultraschallsensor an eine SPS an: 4–20 mA vs. 0–10 V – Technischer Leitfaden

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Transparente Folien, dunkles Gummi und glänzende Flüssigkeitsoberflächen können bei einigen optischen Messverfahren zu Übertragungsverlusten, schwacher Reflexion oder spiegelnder Ablenkung führen. Die Ultraschallmessung ist unabhängig von der Farbe oder Transparenz des Messobjekts, weshalb sie unter diesen Bedingungen eine Prüfung wert ist – auch wenn sie weiterhin vom Oberflächenwinkel, der Größe des Messobjekts und den Luftbedingungen beeinflusst wird.

Sobald der Sensor an eine SPS angeschlossen ist, deuten unregelmäßige Messwerte nicht zwangsläufig auf einen Sensorfehler hin. Blindzone, Reflexionen an Halterungen, die Konfiguration des Eingangsbereichs, das Bezugspotenzial und Störungen durch Frequenzumrichter können alle ähnliche Symptome hervorrufen. Unterscheiden Sie bei der Inbetriebnahme zunächst zwischen Sensorausgang, Rohwerten der SPS und der Umrechnung in technische Einheiten und führen Sie dann für jeden Bereich einzeln eine Fehlerbehebung durch.

1. 200-kHz-Entfernungsmessung: Frequenz, Kompensation und Messgrenzen

Eine Ultraschallsensor sendet einen Impuls aus und berechnet die Entfernung anhand der Hin- und Rücklaufzeit. Die Schallgeschwindigkeit in Luft bei 20 °C beträgt etwa 343 m/s; bei 200 kHz beträgt die Wellenlänge etwa 1,7 mm.
Diese Frequenz eignet sich für viele industrielle Messungen im Kurz- bis Mittelstreckenbereich, doch die Frequenz allein bestimmt weder die Auflösung noch die Totzone. Ebenso wichtig sind der Aufbau des Sensors, der Sendeimpuls, die Empfangsschaltung und die Auswertungsalgorithmen. Ein angegebener Auflösungswert ist nicht gleichbedeutend mit der absoluten Messgenauigkeit.

Was TVG und AGC leisten können

Einige Sensoren nutzen die zeitvariable Verstärkung (TVG), bei der die Verstärkung im Laufe der Empfangszeit erhöht wird, um schwächere Echos von weit entfernten Zielen zu erfassen; die automatische Verstärkungsregelung (AGC) passt die Verstärkung entsprechend der Echoamplitude an.

Beide tragen dazu bei, den dynamischen Empfangsbereich zu erweitern, doch keines der beiden kann ein bereits stark gedämpftes Signal wiederherstellen, noch können sie eine zuverlässige Messung in dichtem Staub, Dampf oder dickem Schaum gewährleisten. Ob ein bestimmtes Produkt über diese Funktionen verfügt, sollte anhand der technischen Dokumentation überprüft werden.

Grenzen der Temperaturkompensation

Bei Raumtemperatur verschiebt eine Änderung der Lufttemperatur um 10 °C die Schallgeschwindigkeit um etwa 1,8 %. Wird für die Umrechnung weiterhin ein fester Wert für die Schallgeschwindigkeit verwendet, kann bei einer Entfernung von 1 m ein Fehler von etwa 18 mm entstehen.

Die integrierte Temperaturkompensation verringert diese Abweichung, kann jedoch Temperaturgradienten entlang des gesamten Schallwegs nicht vollständig ausgleichen. Befindet sich die Sonde in der Nähe eines Ofenauslasses, eines Kühlluftmessers oder einer lokalen Wärmequelle, sollte vor der Überprüfung des Restfehlers zunächst eine Neupositionierung des Sensors erfolgen.

Ultraschall oder Optik: Was ist die richtige Wahl?

Anmeldung Leitfaden zur Auswahl
Transparente Folie, dunkles Gummi Ultraschall ist oft ein guter Ausgangspunkt, aber das tatsächliche Echo muss überprüft werden.
Glatte, abgeschrägte Oberflächen, kleine, geschwungene Flaschen Bei der Ultraschallmessung können Echos verloren gehen; prüfen Sie den Messwinkel und die Zielgröße
Kleinstteile, Hochgeschwindigkeits-Profilmessung Optische Lösungen mit kleinem Lichtfleck und schneller Reaktionszeit sind in der Regel besser geeignet
Dicker Schaumstoff, poröse schallabsorbierende Materialien Bei der Ultraschallmessung können Echos verloren gehen oder stattdessen die Schaumoberfläche gemessen werden
Staub, Nebel, Kondenswasser Beide Technologien müssen überprüft werden; das Prinzip allein kann keine Zuverlässigkeit garantieren.

2. 4–20 mA vs. 0–10 V: Auswahl entsprechend den Schleifenbedingungen

Auswahlkriterium 4-20 mA 0–10 V
Lange Kabelstrecken, starke Motorstörungen Im Allgemeinen lässt sich eine stabile Rückkopplung leichter erzielen Empfindlicher gegenüber Bezugspotential und Verlegung
Direkter Anschluss an den spannungsgesteuerten AI-Eingang Erfordert einen aktiven Kanal oder Konverter In der Regel einfacher
Leitungswiderstandseffekt In der Regel gering, wenn der Ausgangsspannungsspielraum ausreichend ist Der Spannungsabfall an den Signalleitungen ist bei hoher Eingangsimpedanz gering, doch der Spannungsabfall an der gemeinsamen Masse kann zu einem Offset führen.
Fehlerdiagnose „Live Zero“ hilft dabei, Signale unterhalb des gültigen Bereichs zu erkennen 0 V kann mit einer gültigen Null verwechselt werden
Zu überprüfende Schlüsselparameter Maximale Ausgangslast, Eingangsart, Trennverfahren Eingangsimpedanz, gemeinsame Referenz, Ausgangsleistung

4–20 mA bieten keinen Schutz vor Störungen. Verdrahtungsfehler, Überlastzustände, Störungen in der Stromversorgung oder Verstöße gegen die Gleichtaktspannung können weiterhin zu Fehlern führen.

Für 0–10 V gibt es keine allgemeingültige Regel, wonach die maximale Übertragungsreichweite auf 10 Meter begrenzt ist. Die Machbarkeit hängt vom Kabeltyp, der Verlegung, der Konfiguration des Empfängers und Tests vor Ort ab. In Umgebungen mit starken Störungen sollten Sie in Betracht ziehen, dezentrale E/A-Module in der Nähe des Sensors zu montieren, um die Signalleitungen zu verkürzen.

3. Auswahl des passenden ISUB1000- und ISUB500-Modells für Ihre Anwendung

Überprüfen Sie zunächst die Entfernung zum nächstgelegenen Ziel, anschließend die maximale Reichweite, die physikalischen Abmessungen und die SPS-Schnittstelle. Verschiedene Ausgangsvarianten innerhalb derselben Baureihe sind nicht allein aufgrund der Baureihenbezeichnung untereinander austauschbar.

Parameter Serie ISUB1000-18GM76 Serie ISUB500-18GM45
Angegebener Erfassungsbereich 70–1.000 mm 30–500 mm
Physikalischer toter Winkel 70 mm 30 mm
Betriebsfrequenz 200 kHz Ca. 200 kHz
Auflösung Siehe vollständige Spezifikation 0,85 mm pro Produktseite
Ausgabe Wählbar zwischen 4–20 mA oder 0–10 V, zusätzlich Push-Pull-Schaltung Analog-, Schalt- oder kombinierter Ausgang je nach Auftragskonfiguration
Synchronisierung Produktspezifische Unterstützung Je nach Variante bestätigen
Konfigurationsverfahren Tasten am Gerät Teach-In-Vorgang pro Variante bestätigen

Der ISUB1000 eignet sich für Stationen, die einen größeren Messbereich, eine kontinuierliche Rückmeldung und ein einfaches Anwesenheits-/Positionssignal erfordern. Der ISUB500 eignet sich besser für kompakte Installationen im Nahbereich – doch eine 30-mm-Sichtblende bedeutet nicht, dass das Ziel die Sensoroberfläche berühren darf.

Analog- und Schaltausgänge nutzen dieselbe Messkette und dürfen nicht als unabhängige Sicherheitsredundanz betrachtet werden. Standard-Push-Pull-Ausgänge können keine sicherheitsgerichteten Not-Aus- oder Personenschutzschaltungen ersetzen.

4. Installation, Verkabelung und SPS-Kalibrierung

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Einbauzeichnung: Der tatsächliche Freiraum sollte anhand des Modells, der Position der vollen Spule und durch Tests vor Ort ermittelt werden.

4.1 Überprüfen Sie zunächst den Schallweg

  • Halten Sie sich vom toten Winkel fern: Der Abstand zum nächstgelegenen Ziel muss die Blindzone übersteigen, wobei ein Spielraum für Vibrationen, Montagetoleranzen und Materialschwankungen einzukalkulieren ist. “Blindzone + 10 mm” dient lediglich als vorläufige Konstruktionsrichtlinie.
  • Strahlfreiraum einhalten: Halterungen, Schlitzwände, Rohrdurchbrüche und Rührwerkskomponenten können falsche Echos erzeugen. Orientieren Sie sich an den Erkennungskurven des Herstellers; betrachten Sie den −3-dB-Abstrahlwinkel nicht als starre Grenze.
  • Ziele auf die Zielscheibe: Glatte Messobjekte sollten möglichst senkrecht gemessen werden. Der zulässige Neigungswinkel hängt von der Entfernung, der Oberfläche und dem Sondentyp ab – man sollte nicht von einer allgemeingültigen Regel von ±3° ausgehen.
  • Auf Hindernisse prüfen: Rippen, Stufen und nach vorne ragende Vorsprünge können akustische Schatten erzeugen. Verschieben Sie die Sonde gegebenenfalls und führen Sie die Prüfung erneut durch.
  • Verwenden Sie Führungsrohre mit Vorsicht: Eine glatte Innenwand oder ein Rohrdurchmesser, der größer ist als der geschätzte Strahlkegel, garantiert nicht, dass keine Störechos auftreten; überprüfen Sie die Rohrlänge, den Durchmesser und die Einbaulage.

Wenn sich ein Zielobjekt in die Blindzone begibt, kann der Ausgangswert konstant bleiben, sprunghaft schwanken oder in einen Fehlerzustand übergehen – das konkrete Verhalten hängt vom Modell und der Konfiguration ab. Gehen Sie nicht davon aus, dass der Wert immer 20 mA oder 10 V beträgt.

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Betriebsbedingungen und Schaltplan

4.2 Eingabetyp vor dem Anschließen überprüfen

Schließen Sie einen M12-Stecker nicht allein anhand der Aderfarben an. Braun und Blau werden üblicherweise für die Stromversorgung verwendet, doch die Funktionen von Weiß, Schwarz und Grau variieren je nach Modell. Überprüfen Sie vor dem Einschalten die vollständige Bestellnummer, den Anschlussplan und die Blickrichtung des Steckers.

Wichtige Punkte, die beim Anschluss an eine SPS zu beachten sind:

  • Bereichsabgleich: Ein 4–20-mA-Ausgang muss mit der entsprechenden Eingangskonfiguration übereinstimmen; dasselbe gilt für 0–10 V.
  • Aktive vs. passive Schnittstelle: Ein dreileitiger Sensor, der aktiv Strom liefert, muss an einen kompatiblen Stromeingang angeschlossen werden – niemals an eine inkompatible, aus der Schleife gespeiste Klemme.
  • Referenz und Rückweg: Non-isolated inputs require a correct common reference; isolated inputs follow the manual. Do not unconditionally short all AI−, MANA, and 0 V terminals together.
  • Shielding and routing: Route signal cables away from motor and VFD power lines; when crossing is unavoidable, cross at approximately 90°. Whether the shield is grounded at one end or both ends should follow the sensor, PLC, and site EMC requirements.

4.3 Eine einzige lineare Umrechnungsformel beibehalten

The general linear conversion is:

D = Dmin + X – Xmin Xmax – Xmin × (Dmax – Dmin)

(Note: X can be a current value or a PLC raw count value, provided the input limits use the same unit.)

Example: measurement window set to 100–900 mm, mapped to 4–20 mA:

Input Current Entfernung
4 mA 100 mm
12 mA 500 mm
20 mA 900 mm

If a Siemens module is configured for 4–20 mA and its manual states the rated range corresponds to 0–27648, this count range can be used for normalization and scaling. Do not apply this range to all modules or all measurement ranges.

Studio 5000 projects should use CPT, applicable SCL instructions, or verified scaling AOIs based on the module’s data format. Do not assume all controllers share the same SCP instruction.

A reversed output lets current increase with level or roll diameter, but the percentage definition must still be confirmed. Level percentage does not necessarily equal volume percentage, and roll diameter percentage does not equal remaining material length percentage.

4.4 Überprüfen Sie anhand von drei Messpunkten, nicht anhand eines einzelnen Messwerts

After calibration, record reference distance, sensor output, PLC raw value, and engineering-unit value at near-end, midpoint, and far-end. Repeat the test.

Then verify under motor start/stop, target tilt, multi-probe operation, and sensor power-cycle conditions. Anomalous signals should be diagnosed before being used for control; do not simply clamp or filter a fault into a “normal-looking” number.

4.5 Übersprechen bei mehreren Messsonden: Zuerst die Synchronisation überprüfen

Enable probes one at a time and observe whether erratic readings appear when an adjacent probe is activated, then inspect the sound path and reflective surfaces.

Hardware synchronization can improve stability in some layouts but cannot guarantee crosstalk-free operation in all conditions. Time-division triggering reduces overlapping transmissions but lowers the refresh rate and requires sufficient echo-wait time.

Whether Sync pins can be paralleled, the permissible logic levels, trigger timing, and maximum connection count must be confirmed against the manufacturer’s documentation. Do not short Sync pins together simply because they share the same name, and do not connect them directly to a PLC 24 V digital output without verification.

5. Technische Einschränkungen und Wartungsanforderungen

Response speed: At 1 m, the acoustic round-trip time is approximately 5.83 ms; actual response also includes receive processing and filtering. For high-speed detection, verify the specific model’s response time, target dwell time, and PLC scan cycle. Resolution: 0.85 mm resolution does not mean ±0.85 mm accuracy, nor does it mean the sensor can resolve micrometer-level roll diameter changes. Precision positioning requires a measurement solution that meets the error budget. Foam and airflow: Thick foam may absorb echoes or cause the probe to measure the foam surface. Hot air, steam, and steep temperature gradients affect the sound path; software compensation cannot replace physical repositioning. Thermal stabilization and teach-in: ISUB500 public documentation recommends approximately 30 minutes of thermal stabilization before final accuracy checks, and notes that the analog variant’s teach-in window is limited to the first 5 minutes after power-up. The documentation also flags discrepancies in teach-in pulse descriptions; confirm the manufacturer-approved procedure before commissioning. Thermal stabilization verification and teach-in operations should be scheduled separately. Sensor face maintenance: IP67 does not imply resistance to condensation, all cleaning agents, or prolonged immersion. Periodically inspect for water droplets, frost, and deposits; use only manufacturer-approved cleaning methods and avoid hard-object scraping or unverified solvents.

Calibration intervals should be defined by operating conditions and accuracy requirements. If drift is detected, first investigate mounting, environment, and contamination—do not simply adjust PLC gain to mask the problem.

6. Häufig gestellte Fragen

Q1: PLC reading reaches 27648—is the sensor broken?

A1: Not necessarily. In common Siemens analog representations, 27648 is the rated full-scale count. First check input configuration, module diagnostics, and actual signal before concluding a fault.

Q2: Readings become erratic as the target gets closer—what to check first?

A2: First confirm whether the nearest distance has entered the blind zone, then check tilt angle, bracket echoes, and output slope. Post-echo-loss output behavior should be verified against the specific model’s manual.

Q3: I only have 0–10 V inputs—can I connect a 4–20 mA sensor?

A3: A resistor conversion or signal conditioner can be evaluated, but compatibility cannot be assumed. A 500 Ω resistor theoretically converts 4–20 mA to 2–10 V; verify output load capability, PLC input resistance, resistor power rating, and over-range headroom.

Q4: Does 4–20 mA below 3.6 mA always mean a broken wire?

A4: No. That threshold applies only to devices and configurations that adopt the corresponding fault convention. Low current may also result from power loss or sensor fault; combine module and sensor status for diagnosis.

Q5: Multiple probes show erratic readings simultaneously—will adding more filter help?

A5: Filtering smooths data but cannot eliminate false echoes. Verify crosstalk first, then apply synchronization, time-division triggering, or repositioning per the manufacturer’s guidance.

Q6: Teach-in fails after warm-up—what should I do?

A6: Check the teach-in window for your specific model. For variants that explicitly limit teach-in to the first 5 minutes after power-up, follow the approved procedure and re-power the sensor; do not experiment by connecting to positive or ground without authorization.

7. Technische Zusammenfassung und Links zu Ressourcen

Acceptance testing for an ultrasonic sensor connected to a PLC should cover the full chain: Is the target measurable? Is the sound path reliable? Do output and input match? Can anomalous signals be identified?

Correct installation and wiring reduce false trips and maintenance troubleshooting time, but do not on that basis claim a specific MTBF improvement. MTBF requires a defined failure mode and operational records; process variation, measurement error, and hardware faults should be tracked separately.

Product scope and configuration can be verified via:

For wiring confirmation, non-standard windows, or custom interfaces, please provide target material, nearest and farthest distances, installation photos, cable length, and PLC input module model so our engineering team can verify compatibility.

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