In der industriellen Automatisierung bestimmt die Signalqualität die Zuverlässigkeit Ihrer Steuerungssysteme. Ein „reines“ Signal ist das Ziel, doch elektronische Bauteile sind von Natur aus anfällig für Störungen. Diese unerwünschten Interferenzen, bekannt als Rauschen, können Datenpakete verfälschen, Fehlabschaltungen in Sicherheitssystemen auslösen oder die Genauigkeit von Messkreisen beeinträchtigen. Das Beherrschen der Ursachen dieses Rauschens ist für jeden Ingenieur, der mit SPS, DCS oder empfindlicher Feldebene arbeitet, unerlässlich.

Interne elektronische Rauschquellen

Internes Rauschen entsteht innerhalb der physischen Komponenten Ihrer Schaltung. Diese Störungen sind oft unvermeidbar, können aber durch eine geeignete Leiterplattengestaltung und Bauteilauswahl gemindert werden.

• Schrotrauschen: Dieses entsteht durch die diskrete, zufällige Natur des Elektronenflusses an Halbleiterübergängen. Es erzeugt ein „Zischen“ im Signal, besonders in Transistorstufen mit hoher Verstärkung.
• Thermisches Rauschen: Oft als Johnson-Nyquist-Rauschen bezeichnet, resultiert es aus der zufälligen thermischen Bewegung von Ladungsträgern in Widerstandselementen. Es ist direkt proportional zur Temperatur; daher verbessert Kühlung der Elektronik häufig das Signal-Rausch-Verhältnis.
• Flicker- (1/f-) Rauschen: Dieses Rauschen dominiert bei niedrigen Frequenzen (typischerweise < 500 Hz). Verunreinigungen in Leitkanälen verursachen diese Schwankungen, was sie zu einer häufigen Herausforderung bei präzisen Sensoranwendungen macht.
• Transitzeit-Rauschen: Bei ultrahohen Frequenzen wird die Zeit, die ein Elektron benötigt, um einen Transistorübergang zu durchqueren, vergleichbar mit der Signalperiode. Dies erzeugt zufällige Schwankungen und begrenzt die Betriebsbandbreite von Hochgeschwindigkeits-Steuerungssystemen.

Externe Störungen und industrielles Rauschen

In einer Fabrikautomatisierungsumgebung stellen externe Faktoren oft eine größere Bedrohung für die Signalstabilität dar als internes Bauteilrauschen.

• Übersprechen: Dies tritt auf, wenn elektromagnetische Kopplung zwischen parallelen Signalwegen besteht. Streukapazität und gegenseitige Induktivität übertragen Energie zwischen benachbarten Kanälen, was bei mehradrigen Kabeln zu Datenkorruption führt.
• Atmosphärisches und natürliches Rauschen: Blitzeinschläge und elektrostatische Entladungen erzeugen breitbandige Störungen. Obwohl selten in geschirmten Innenräumen, können sie bei entfernten Feldeinrichtungen massive Überspannungen verursachen.
• Vom Menschen erzeugtes industrielles Rauschen: Motoren, Frequenzumrichter (VFDs) und Hochspannungs-Schaltanlagen sind die Hauptverursacher. Sie injizieren erhebliche elektromagnetische Störungen (EMI) in die Produktionsumgebung, was robuste Abschirm- und Erdungsmaßnahmen erforderlich macht.

Praktische Strategien zur Rauschminderung

Rauschminderung ist ebenso eine Kunst wie eine Wissenschaft. Aus meiner 15-jährigen Praxiserfahrung habe ich festgestellt, dass geeignete Abschirmung und physikalische Trennung die effektivsten Schutzmaßnahmen sind. Führen Sie stets niederfrequente Analogsignale getrennt von Hochstrom-Wechselstromkabeln, um Übersprechen zu minimieren. Zudem bieten verdrillte Adernpaare und differentielle Signalübertragung – Standard in modernen Feldbusprotokollen – eine hervorragende Gleichtaktstörunterdrückung.

Expertenkommentar: Die Herausforderung des IIoT

Der Wandel hin zum IIoT und zur Hochgeschwindigkeits-Wireless-Konnektivität bringt neue Rauschprofile mit sich, denen Altsysteme nie ausgesetzt waren. Mit der Integration zahlreicher Edge-Computing-Geräte direkt in die Maschine werden Signalfilterung und Datenvalidierung entscheidend. Ich empfehle Ingenieuren, fortschrittliche digitale Filteralgorithmen in ihren SPS-Programmen zu implementieren, um physikalische Rauschunterdrückungsmaßnahmen zu ergänzen. Ein mehrschichtiger Ansatz zur Signalaufbereitung ist der einzige Weg, um 24/7-Zuverlässigkeit in modernen, störungsreichen Industrieumgebungen sicherzustellen.

Lösungsszenario: Eliminierung von Übersprechen in Analogkreisen

• Herausforderung: Ein Prozess-Temperatursensorsignal zeigt unregelmäßige Spitzen, sobald ein benachbarter Hochleistungsmotor startet.
• Lösung: Ersetzen Sie das Standardkabel ohne Abschirmung durch hochwertiges, geschirmtes verdrilltes Adernpaar (STP) und erden Sie die Abschirmung nur an einem Ende, um Erdschleifen zu vermeiden.
• Ergebnis: Elektromagnetische Störungen wurden eliminiert, der analoge Eingangswert stabilisiert und die Gesamtpräzision des Temperaturregelkreises verbessert.

Über den Autor

Zhou Ming ist ein hoch erfahrener Berater für industrielle Automatisierung mit 15 Jahren technischer Führung in den Bereichen Stromschutz, Prozesssteuerung und Elektronikdesign. Er hat seine Karriere der Lösung komplexer elektromagnetischer Verträglichkeitsprobleme (EMV) in groß angelegten Fertigungsanlagen und Kraftwerken gewidmet. Zhou setzt sich konsequent für hochwertige Signaltechnik ein und unterstützt Hersteller dabei, von unzuverlässigen, störanfälligen Systemen auf hochverfügbare, präzisionsorientierte Industriearchitekturen umzusteigen.