In der modernen Industrieautomation bestimmt die Signalintegrität die Systemzuverlässigkeit. Unerwünschtes elektrisches Rauschen verschlechtert Sensordaten, verzerrt 4-20-mA-Stromschleifen und verursacht sporadische Ausfälle der Feldbuskommunikation. Ingenieure, die speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Distributed-Control-Systeme (DCS) und Turbinenüberwachungsinstrumentierung (TSI) entwickeln, müssen diese Störungen wirksam erkennen und minimieren.

Dieser technische Leitfaden analysiert die wichtigsten internen und externen Rauschquellen, die Regelungssysteme und elektronische Hardware beeinflussen.

Signalrauschen in Regelungssystemen verstehen

Signalrauschen bezeichnet jede unerwünschte elektrische Schwankung, die ein informationsführendes Signal verzerrt. In einem idealen Regelkreis behalten analoge Spannung oder Strom eine saubere Wellenform bei. Interne physikalische Phänomene und externe elektromagnetische Störungen (EMI) verändern jedoch die Signalamplituden unvorhersehbar.

In Industrieanlagen führt unkontrolliertes Rauschen zu Fehlauslösungen, unregelmäßiger Ventilstellung und verfälschten Analog-Digital-Umwandlungen.

Interne Rauschquellen in elektronischer Hardware

Internes Rauschen entsteht durch mikroskopische physikalische Vorgänge, die direkt in Halbleiterübergängen, passiven Bauelementen und Leitern stattfinden.

Thermisches Rauschen (Johnson-Nyquist-Rauschen)

Die thermische Bewegung von Ladungsträgern in leitfähigen Medien erzeugt thermisches Rauschen. Dieses Phänomen tritt in allen ohmschen Bauelementen unabhängig von der angelegten externen Spannung auf.

• Physikalischer Mechanismus: Wärmeenergie verursacht die zufällige Bewegung freier Elektronen in Leitern und Halbleitermaterialien.
• Frequenzverhalten: Es wirkt als „weißes Rauschen“ mit einer über das gesamte Frequenzspektrum gleichmäßigen spektralen Leistungsdichte.
• Auswirkungen auf das System: Thermisches Rauschen legt den absoluten minimalen Rauschpegel für hochpräzise analoge Eingangsmodule in SPS- und DCS-Systemen fest.

Schrotrauschen

Schrotrauschen entsteht aufgrund der diskreten Natur elektrischer Ladung. Der Stromfluss ist kein kontinuierliches Fluid, sondern vielmehr ein Strom einzelner Elektronen, die Potentialbarrieren überqueren.

• Physikalischer Mechanismus: Zufällige Schwankungen treten auf, wenn Ladungsträger PN-Übergänge in Dioden und Transistoren überqueren.
• Frequenzverhalten: Wie thermisches Rauschen weist auch Schrotrauschen über die Betriebsbandbreiten hinweg einen flachen Frequenzgang auf.
• Auswirkungen auf das System: Es betrifft vor allem empfindliche optische Empfänger, Fotodiodenverstärker und Sensorschnittstellen für niedrige Signalpegel.

Flickerrauschen ($1/f$-Rauschen)

Flickerrauschen ist ein niederfrequentes Phänomen, das mit Materialverunreinigungen und dem Gleichstromfluss (DC) durch Halbleiterkanäle verbunden ist.

• Physikalischer Mechanismus: Das Einfangen und Freisetzen von Ladungsträgern an Halbleiterschnittstellen erzeugt langsame Stromschwankungen.
• Frequenzverhalten: Die spektrale Leistungsdichte nimmt umgekehrt proportional zur Frequenz ab ($1/f$). Bei Frequenzen unter 500 Hz dominiert es.
• Systemauswirkung: Flickerrauschen verzerrt langsame Gleichspannungsmesssignale, beispielsweise Messwerte von Thermoelementen und Dehnungsmessstreifen, erheblich.

Laufzeitrauschen

Laufzeitrauschen wird relevant, wenn sich die Frequenz eines Wechselstromsignals der Laufzeit von Elektronen über einen Halbleiterübergang nähert.

• Physikalischer Mechanismus: Hochfrequente Betriebssignale zwingen Ladungsträger, während Zustandsübergängen länger im aktiven Bereich zu verweilen.
• Frequenzverhalten: Seine Stärke nimmt bei Ultrahoch- und Mikrowellenfrequenzen rapide zu.
• Systemauswirkung: In industriellen Steuerungsnetzwerken mit niedriger Geschwindigkeit ist es zwar vernachlässigbar, beeinträchtigt jedoch Hochgeschwindigkeits-HF-Kommunikation und Radar-Füllstandmessumformer.

Externe Rauschquellen in industriellen Umgebungen

Externes Rauschen führt durch Magnetfelder, elektrische Felder oder Umweltereignisse unerwünschte Energie in Steuerkreise ein.

Übersprechen und elektromagnetische Kopplung

Übersprechen tritt auf, wenn Signale eines Leiters in benachbarte Leitungen innerhalb von Schaltschränken oder Kabeltrassen einkoppeln.

• Physikalischer Mechanismus: Parasitäre kapazitive Kopplung (elektrisches Feld) und gegenseitige Induktivität (magnetisches Feld) übertragen Energie zwischen parallel verlaufenden Drähten.
• Systemauswirkung: Parallel verlegte 230-V-Wechselstromkabel und 4-20-mA-Sensorleitungen induzieren häufig Spannungsspitzen in empfindliche Messgeräte.

Industrielles und menschengemachtes Rauschen

In Umgebungen der Fabrikautomation erzeugen schwere elektrische Maschinen kontinuierlich breitbandiges elektromagnetisches Rauschen.

• Physikalischer Mechanismus: Schalttransienten von Frequenzumrichtern (VFDs), Lichtbogenschweißgeräten und Hochspannungsschaltanlagen erzeugen steile Spannungsspitzen ($dv/dt$).
• Systemauswirkung: Ungeschirmte Kommunikationsbusse (wie RS-485, PROFIBUS oder CAN-Bus) weisen hohe Bitfehlerraten und Paketverluste auf.

Umwelt- und atmosphärisches Rauschen

Atmosphärische Störungen erzeugen starke, energiereiche Spannungstransienten, die sich über lange Signalleitungen ausbreiten.

• Physikalischer Mechanismus: Natürliche Blitzeinschläge und elektrostatische Entladungen (ESD) emittieren elektromagnetische Strahlung hoher Leistung.
• Systemauswirkung: Außenmessgeräte, entfernte Terminaleinheiten (RTUs) und Automatisierungsmodule von Umspannwerken benötigen robuste Überspannungsschutzgeräte (SPDs).

Übersichtsmatrix der elektronischen Rauschtypen

Praktische Anwendung: Minderung von VFD-Störungen in einer DCS-Architektur

In einer Anwendung in einem Wärmekraftwerk überwachte ein Distributed Control System (DCS) mithilfe von 4-20-mA-Messumformern die Schwingungssignale einer Speisewasserpumpe. Hochfrequente elektrische Störungen von einem nahegelegenen 6-kV-Frequenzumrichter (VFD) koppelte in die Analogeingangskanäle ein und verursachte fälschlicherweise Alarme wegen hoher Schwingungen.

Implementierung der Lösung

1. Kabeltrennung: Signalkabel wurden in separate, geerdete Metallkanäle verlegt, die von den Leistungskabeln des Frequenzumrichters durch mindestens 30 cm Abstand getrennt waren.
2. Abgeschirmte verdrillte Zweidrahtleitungen (STP): Außendiensttechniker ersetzten die Standardverkabelung durch STP-Kabel und erdeten den Drainleiter nur am Ende des Schaltschranks, um Erdschleifen zu beseitigen.
3. Aktive Tiefpassfilterung: Ingenieure aktivierten eine digitale Tiefpassfilterung auf den analogen Eingangskarten des DCS, um hochfrequente Schaltstörungen zu dämpfen.

Diese Korrekturmaßnahmen stellten die Signalintegrität wieder her und beseitigten fehlerhafte Prozessabschaltungen.

Technische Erkenntnisse und Branchentrends

Da die industrielle Automatisierung auf Industrie 4.0 umgestellt wird, gewinnt die Störfestigkeit zunehmend an Bedeutung. Höhere Taktraten in industriellen Ethernet-Systemen (PROFINET, EtherCAT) und kleinere Halbleiterstrukturen in kompakten SPS-Geräten verringern die Toleranz gegenüber Signalverzerrungen.

Ingenieure sollten bereits in der frühen Phase des Systemdesigns eine mehrschichtige Strategie zur Abschirmung und galvanischen Trennung verfolgen. Der Einsatz galvanisch getrennter I/O-Module, die Beibehaltung einer Einpunkt-Erdungsarchitektur und die strikte Einhaltung der IEC-61000-4-EMV-Normen gewährleisten langfristig eine hohe Betriebssicherheit.

Über den Autor

Zhang Wei ist ein leitender Architekt für industrielle Automatisierung mit über 15 Jahren Praxiserfahrung in der Stromerzeugung, petrochemischen Automatisierung und Anlagensicherheitssystemen. Er ist spezialisiert auf das Design von SPS-/DCS-Systemen, Signalkonditionierung und Fehlerdiagnose für groß angelegte industrielle Infrastrukturen.