Moderne industrielle Automatisierungsumgebungen sind starken elektromagnetischen Störungen (EMI), mechanischen Vibrationen und elektrischem Rauschen ausgesetzt. Wenn Feldsensoren verrauschte Rohsignale an Steuerungssysteme übertragen, kommt es bei speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) zu Fehlauslösungen oder unregelmäßigen Prozessschwankungen.

Die Implementierung robuster Signalfiltertechniken schützt die SPS-Verarbeitungsschaltungen und gewährleistet zugleich einen stabilen, vorhersehbaren Betrieb der Fabrikautomation. Dieser technische Leitfaden erläutert, wie Hardware- und Softwarefilterung bei digitalen und analogen SPS-Eingängen funktionieren, und vermittelt praktische Algorithmen sowie bewährte Verfahren für die Inbetriebnahme.

1. Grundlagen der Signalfilterung in SPS-Eingangsmodulen

Eingangsfilter befinden sich zwischen den physischen Feldgeräten und der zentralen SPS-Ausführungslogik. Sie dienen in erster Linie dazu, transiente Spannungsspitzen, Kontaktprellen und hochfrequentes Rauschen herauszufiltern und gleichzeitig echte Prozesszustandsänderungen durchzulassen.

Hardware-Eingangsschaltungen leiten eingehende Feldsignale durch physische RC-Filternetzwerke, bevor sie an den Optokoppler weitergegeben werden. Software-Filteralgorithmen bereiten die digitalisierten Signale anschließend innerhalb der CPU-Speicherzyklen auf.

2. Zeitbasierte Filter für digitale SPS-Eingänge implementieren

Digitale Feldeingänge von Endschaltern, Drucktastern und Näherungssensoren leiden häufig unter mechanischem Kontaktprellen. Ohne Filterung kann ein einzelner Tastendruck innerhalb von Millisekunden mehrere schnelle Signalwechsel auslösen.

Die digitale Filterung basiert auf einem Parameter für die Mindestdauer, der häufig als Eingangsverzögerung oder Entprellzeit bezeichnet wird.

• Der Filter ignoriert jede Signalzustandsänderung, die nicht länger als die eingestellte Filterzeit (z. B. 3 ms bis 10 ms) bestehen bleibt.
• Hochfrequente Störimpulse werden automatisch ausgefiltert, bevor sie den internen Logikspeicher erreichen.
• Ingenieure können die Einstellungen für digitale Filter in der Hardwarekonfiguration von Siemens TIA Portal oder Rockwell Studio 5000 anpassen.

In der Kontaktplanlogik bildet die Software-Entprellung dieses Verhalten mithilfe von Einschaltverzögerungen (TON) nach. Das Ausgangsbit wird erst auf TRUE gesetzt, wenn der physische Eingang während der gesamten voreingestellten Timerdauer durchgehend HIGH bleibt.

3. Fortschrittliche Filtermethoden für analoge SPS-Eingänge

Im Gegensatz zu binären Digitalsignalen ändern sich Analogeingänge (4-20mA, 0-10V, RTDs, Thermoelemente) kontinuierlich. Daher basiert die Analogfilterung auf mathematischen Glättungsalgorithmen und nicht auf einfachen Zeitverzögerungen.

In Regelungssystemen kommen häufig gleitende Mittelwertfilter oder Tiefpassfilter erster Ordnung (IIR-Filter mit einem Pol) zum Einsatz. Die mathematische Gleichung für einen digitalen Tiefpassfilter erster Ordnung lautet:

Y(k) = Y(k-1) + a * [X(k) - Y(k-1)]

Dabei gilt:

• Y(k) bezeichnet den aktuellen gefilterten Ausgabewert.
• Y(k-1) ist der vorherige gefilterte Ausgabewert.
• X(k) ist der rohe, ungefilterte Analog-Eingangswert.
• a steht für den Glättungsfaktor (zwischen 0.0 und 1.0).

Eine Erhöhung des Filterglättungsfaktors dämpft Signalrauschen wirksam. Regelungstechniker müssen jedoch die Stärke der Glättung gegen die Phasenverschiebung abwägen, da eine übermäßige Filterung die Systemreaktion auf legitime Prozessänderungen verzögert.

Erkenntnis aus der Praxis: Hohe Filtereinstellungen glätten verrauschte Prozesskurven auf HMI-Bildschirmen wirksam. Der Einsatz aggressiver Filterkoeffizienten bei kritischen Sicherheitsverriegelungen oder schnellen Bewegungsregelkreisen führt jedoch zu gefährlichen Reaktionsverzögerungen. Starke Tiefpassfilterung sollte langsamen Temperatur- oder Füllstandsregelkreisen vorbehalten bleiben; schnelle Regelkreise sollten reaktionsfähig bleiben.

4. Abwägung zwischen Hardwarefilterung und Softwarealgorithmen

Sowohl RC-Netzwerke auf Hardwareebene als auch CPU-Software-Routinen bieten unterschiedliche Vorteile in Fabrikautomatisierungstopologien.

Hardwarefilter schützen empfindliche interne Optokoppler vor Hochspannungstransienten und ESD-Überspannungen. Die Parameter der Hardwarekomponenten bleiben jedoch nach der Fertigung der I/O-Karte unveränderlich.

Softwarefilterung ermöglicht eine flexible, dynamische Parametrierung direkt in SPS-Funktionsbausteinen. Daher kombinieren moderne DCS- und SPS-Designs integrierten Hardware-RC-Schutz mit konfigurierbaren Software-Tiefpassalgorithmen für eine optimale Rauschunterdrückung.

5. Praktische Richtlinien zur Abstimmung von SPS-Eingangsfiltern

Die Kalibrierung von Eingangsfiltern erfordert die Analyse der Prozessdynamik und Rauschprofile während der Systeminbetriebnahme:

1. Digitale Eingänge: Für mechanische Schalter Hardware-Entprellzeiten zwischen 3 ms und 20 ms einstellen. Bei Hochgeschwindigkeits-Zählermodulen zur Erfassung inkrementeller Drehgeber die Verzögerung auf 0.1 ms verringern.
2. Temperatursignale (langsame Dynamik): Eine starke Tiefpassfilterung anwenden (Glättungsfaktor a = 0.05 bis 0.1), um thermisches Umgebungsrauschen zu unterdrücken.
3. Durchfluss- und Druckregelkreise (schnelle Dynamik): Leichte Filterung verwenden (Glättungsfaktor a = 0.3 bis 0.5), um die Stabilität des Regelkreises zu erhalten, ohne eine Phasenverschiebung des PID-Reglers zu verursachen.

Praxisbeispiel: Rauschunterdrückung bei einem Durchflussmesser für einen Schlammbehälter

Problemstellung

In einer Aufbereitungsanlage für Bergbauerzeugnisse trat starkes Pendeln im Regelkreis eines Schlamm-Durchflussregelventils auf. Elektrisches Rauschen benachbarter Mittelspannungs-Frequenzumrichter verursachte zufällige Spitzen im 4-20-mA-Signal des elektromagnetischen Durchflussmessers. Der SPS-PID-Baustein reagierte heftig auf diese falschen Spitzen und verursachte dadurch Schwingungen des Regelventils und vorzeitigen Verschleiß des Stellantriebs.

Lösungsarchitektur

Automatisierungsingenieure implementierten eine mehrstufige Strategie zur Signalaufbereitung:

1. Hardwarekonfiguration: Der Hardwarefilter des analogen SPS-Eingangskanals wurde auf Mittel (Unterdrückungsmodus für 60 Hz) eingestellt.
2. Implementierung des Softwarealgorithmus: Ein dedizierter SCL-Funktionsbaustein wurde im Siemens TIA Portal erstellt. Er implementiert einen digitalen Tiefpass erster Ordnung mit einstellbarer Alpha-Konstante (a = 0.15).
3. Signalvalidierung: Ein Algorithmus zur Zurückweisung von Signalspitzen wurde hinzugefügt, der Rohwertschritte verwirft, die pro Millisekunden-Abtastung eine Durchflussänderung von +/- 20 % überschreiten.

Betriebsergebnisse

Die gefilterte Prozessvariablenkurve stabilisierte sich vollständig und unterdrückte 98 % der durch Frequenzumrichter verursachten Signalspitzen. Die geglätteten Eingangsdaten ermöglichten eine stabile Abstimmung des PID-Regelkreises, verringerten den mechanischen Verschleiß des Regelventils und beseitigten das Prozesspendeln.

Über den Autor

Zhao Gang ist Senior Engineer für Steuerungssysteme mit über 15 Jahren Industrieerfahrung in Wärmekraftwerken, chemischen Prozessen und der Schwerindustrieautomation. Er ist spezialisiert auf die Architekturplanung von SPS/DCS-Systemen, Signalintegrität, Rauschunterdrückung und die Einhaltung der Funktionalen Sicherheit (IEC 61508 / IEC 61511).