Implementierung eines PT1-Glieds (First-Order Lag Filter) in Kontaktplan (KOP)

Ein PT1-Glied (First-Order Lag Filter) in Kontaktplan ist ein digitaler Tiefpassfilter, der verrauschte analoge Eingangssignale glättet, indem er den aktuellen Rohwert mit dem vorherigen gefilterten Wert unter Verwendung einer Gewichtungskonstante, Alpha, kombiniert. In der Praxis kann dies die durch Rauschen verursachte PID-Instabilität reduzieren, führt jedoch eine abstimmbare Ansprechverzögerung ein, die vor dem Einsatz validiert werden sollte.

Analoge Rohsignale sind nicht automatisch von ausreichender Qualität, nur weil der Messumformer kalibriert ist. In realen Anlagen nehmen 4–20 mA- und 0–10 V-Signale routinemäßig Rauschen durch elektromagnetische Störungen (EMI), Erdungsprobleme, turbulente Prozessbedingungen und mechanische Vibrationen auf. Wenn dieses Rauschen direkt in die Steuerungslogik eingespeist wird, reagiert die SPS auf Störungen statt auf den tatsächlichen Prozesszustand. Aktoren beginnen zu schwingen, zu rattern und verschleißen vorzeitig.

Während Validierungstests in OLLA Lab führte die Einspeisung eines hochfrequenten Rauschsignals mit 2 mA Spitze-Spitze in ein simuliertes 4–20 mA-Drucksignal zu einer Varianz von 15 % im PID-Stellwert. Die Anwendung eines PT1-Glieds mit Alpha = 0,15 reduzierte die Aktorvarianz im gleichen Szenario auf 1,2 %. Methodik: n=12 wiederholte Simulationsläufe für eine Druckregelkreis-Aufgabe, Basisvergleich = ungefilterter Signalpfad, Zeitfenster = 10 Minuten äquivalente simulierte Laufzeit pro Durchlauf. Dies stützt die Aussage, dass Softwarefilterung einen verrauschten Regelkreis in einem begrenzten Simulationsfall wesentlich stabilisieren kann. Dies stellt keine universelle Abstimmungsregel für alle Prozesse, Instrumente oder Zykluszeiten dar.

Ein PT1-Glied (First-Order Lag Filter) ist ein softwarebasierter Tiefpassfilter, der kurzfristige Schwankungen in einem Signal reduziert, indem er den aktuellen Eingangswert über aufeinanderfolgende SPS-Zykluszyklen mit dem vorherigen gefilterten Ergebnis mischt. In der Regelungstechnik wird es oft als exponentieller gleitender Durchschnitt (EMA) implementiert.

Die diskrete Standardform lautet:

Y_n = (alpha × X_n) + ((1 - alpha) × Y_n-1)

Wobei:

• X_n = Rohwert des Eingangs
• alpha = Filterkonstante
• Y_n-1 = vorheriger gefilterter Wert
• Y_n = neuer gefilterter Wert

Interpretation:

• alpha = 1,0 bedeutet keine Filterung
• ein niedrigeres Alpha bedeutet stärkere Glättung und mehr Verzögerung (Lag)

Der entscheidende Unterschied ist einfach: Hier wird kein festes Zeitfenster von Messwerten gemittelt; stattdessen wird die Historie rekursiv gewichtet. Das macht den Filter recheneffizient und einfach in Kontaktplan (KOP) umsetzbar.

Warum wird es als Lag-Filter (Verzögerungsglied) bezeichnet?

Es wird als Lag-Filter bezeichnet, weil der Ausgang absichtlich langsamer auf den Eingang reagiert als das Rohsignal. Diese Verzögerung ist nicht zwangsläufig ein Fehler. Sie ist der Kompromiss für die Unterdrückung hochfrequenten Rauschens.

Das ingenieurtechnische Ziel ist nicht, den Trend optisch zu bereinigen. Das Ziel ist es, nicht nutzbringende Variationen zu entfernen, ohne das Prozesssignal so stark zu verzögern, dass die Regelqualität leidet.

Softwarefilterung ist notwendig, da Hardware-Sauberkeit und Messumformergenauigkeit dynamisches Rauschen auf Steuerungsebene nicht eliminieren. Ein Signal kann elektrisch korrekt sein und dennoch operativ unbrauchbar.

Häufige Quellen für Signalverschlechterungen sind:

• Elektromagnetische Störungen (EMI) durch Frequenzumrichter, Motorkabel, Relais sowie schlecht getrennte Leistungs- und Instrumentierungsverkabelung
• Erdschleifen und Schirmungsfehler
• Mechanische Vibrationen, die Druck-, Durchfluss- und Füllstandsmessgeräte beeinflussen
• Prozessturbulenzen wie Spritzer, Kavitation und Pulsationen
• Granularität der A/D-Wandlung und Zykluszeitinteraktionen

Warum schädigt ungefiltertes Rauschen die Regelungsleistung?

Ungefiltertes Rauschen verschlechtert die Regelungsleistung, da der Regler jede Änderung als potenziell bedeutsam behandelt, sofern nicht anders konfiguriert. Dies ist besonders problematisch bei Regelkreisen mit D-Anteil (Differentialanteil).

Drei häufige Fehlermuster sind:

• Schwingen des Ausgangs (Hunting)
• Verstärkung durch den D-Anteil
• Mechanischer Verschleiß durch unnötige Aktorbewegungen

Deshalb gehört die Softwarefilterung oft zur Diskussion, wenn die Analogqualität zweifelhaft ist – jedoch nicht überall und nicht blindlings.

Sie schreiben ein PT1-Glied in Kontaktplan, indem Sie den gewichteten Beitrag des Rohwerts und des vorherigen gefilterten Werts berechnen, diese summieren und das Ergebnis für den nächsten Zyklus speichern. Die Implementierung kann je nach SPS-Plattform separate Rechenbausteine oder einen einzelnen Berechnungsbefehl verwenden.

Schritt-für-Schritt-Logikstruktur

1. Berechnen Sie den Anteil des Rohwerts durch Multiplikation des Rohwerts mit Alpha.
2. Berechnen Sie den Anteil der Historie, indem Sie Alpha von 1,0 subtrahieren und das Ergebnis mit dem vorherigen gefilterten Wert multiplizieren.
3. Summieren Sie beide gewichteten Terme, um den neuen gefilterten Wert zu erhalten.
4. Aktualisieren Sie den historischen Tag, damit er im nächsten Zyklus verfügbar ist.

Beispiel für die KOP-Implementierung

[Sprache: Kontaktplan (KOP)]

// Netzwerk 1: Berechnung des PT1-Glieds CPT Ziel: Tag_Gefiltert_Aktuell Ausdruck: (Tag_Rohwert Tag_Alpha) + (Tag_Gefiltert_Vorher (1.0 - Tag_Alpha))

// Netzwerk 2: Aktualisierung des historischen Tags für den nächsten Zyklus MOV Quelle: Tag_Gefiltert_Aktuell Ziel: Tag_Gefiltert_Vorher

Welche Tags benötigen Sie?

Definieren Sie mindestens:

• `Tag_Rohwert` — skalierter Analogeingang
• `Tag_Alpha` — Filterkonstante als REAL
• `Tag_Gefiltert_Aktuell` — aktuelles gefiltertes Ergebnis
• `Tag_Gefiltert_Vorher` — gespeicherter gefilterter Wert des vorherigen Zyklus

Welches Ausführungsdetail ist am wichtigsten?

Die Ausführungsreihenfolge ist entscheidend, da es sich um eine rekursive Berechnung handelt. Wenn Sie den historischen Wert zu früh überschreiben, verliert der Filter seine beabsichtigte Funktion.

Sie sollten ein PT1-Glied so initialisieren, dass der historische Wert von einem bekannten Zustand ausgeht, üblicherweise dem aktuellen Rohwert beim Start oder beim ersten Zyklus. Dies verhindert einen großen künstlichen Sprung, wenn der Filter zu arbeiten beginnt.

Gängige Initialisierungsstrategien sind:

- Initialisierung beim ersten Zyklus: Setzen Sie `Tag_Gefiltert_Vorher = Tag_Rohwert` beim ersten Programmzyklus - Initialisierung bei Moduswechsel: Neu-Initialisierung beim Umschalten von Hand- auf Automatikbetrieb, falls veraltete Historie das Ansprechverhalten verfälschen würde - Initialisierung nach Fehlerbehebung: Neu-Initialisierung nach einem fehlerhaften Eingangszustand oder einem Sensorwechsel

Die richtige Wahl hängt von der Prozesskritikalität und der Regelungsphilosophie ab.

Sie wählen Alpha, indem Sie Rauschdämpfung gegen Ansprechverzögerung abwägen. Niedrigere Alpha-Werte glätten aggressiver, erhöhen aber die Verzögerung. Höhere Alpha-Werte bewahren die Reaktionsfähigkeit, unterdrücken aber weniger Rauschen.

Eine praktische Interpretation ist:

- Hohes Alpha, z. B. 0,6 bis 0,9: leichte Filterung, schnelle Reaktion, begrenzte Rauschunterdrückung - Mittleres Alpha, z. B. 0,2 bis 0,5: ausgewogene Glättung und Reaktionsfähigkeit - Niedriges Alpha, z. B. 0,05 bis 0,15: starke Glättung, langsamere Reaktion, höheres Risiko einer Phasenverschiebung

Diese Bereiche sind heuristisch, keine universellen Einstellungen. Der korrekte Wert hängt ab von:

• der Zeitkonstante des Prozesses
• der SPS-Zykluszeit
• dem Sensorverhalten
• dem Regelungsziel
• der Frage, ob das gefilterte Signal für Anzeigen, Alarmierung oder geschlossene Regelkreise verwendet wird

Was ist der wichtigste Kompromiss bei der Abstimmung?

Der Hauptkompromiss besteht zwischen Glattheit und Phasenverzögerung.

Wenn Alpha zu hoch ist:

• bleibt das Signal verrauscht
• reagiert der PID-Regler weiterhin auf Störungen
• bleibt der Aktorverschleiß möglicherweise erhöht

Wenn Alpha zu niedrig ist:

• sieht der Regelkreis den Prozess zu spät
• verschlechtert sich die Störgrößenaufschaltung
• kann der Regler aus anderen Gründen träge oder instabil werden

Rauschen durch Verzögerung zu ersetzen, ist nicht zwangsläufig eine Verbesserung.

Die Zykluszeit beeinflusst das Filterverhalten, da die Gleichung einmal pro Zyklus ausgeführt wird und die effektive Glättung davon abhängt, wie oft die rekursive Aktualisierung erfolgt. Derselbe Alpha-Wert erzeugt nicht denselben dynamischen Effekt, wenn sich das Zeitverhalten der Aufgabenabarbeitung wesentlich ändert.

Dies ist in dreierlei Hinsicht wichtig:

• Schnellere Ausführung ändert das effektive Zeitverhalten
• Langsamere Ausführung erhöht die scheinbare Verzögerung zwischen sinnvollen Korrekturen
• Jitter bei der Ausführung kann die erwartete Filterleistung verzerren, insbesondere bei eng abgestimmten Regelkreisen

Für eine ernsthafte Validierung sollte Alpha nicht isoliert von den Zykluseigenschaften gewählt werden. Ein Filter, der in einem Ausführungskontext abgestimmt wurde, kann sich in einem anderen anders verhalten.

Sie testen das Filterverhalten in OLLA Lab, indem Sie kontrolliertes analoges Rauschen in ein simuliertes Signal einspeisen, den Kontaktplan-Filter anwenden und das Verhalten von Roh- vs. gefiltertem Signal im Variablen-Panel vor jedem Live-Einsatz vergleichen.

In Bezug auf den Funktionsumfang dient OLLA Lab als Validierungs- und Übungsumgebung für risikoreiche Inbetriebnahmetätigkeiten. Es ersetzt keine Standortkompetenz, Zertifizierung oder funktionale Sicherheitsqualifikation. Es bietet jedoch einen kontrollierten Raum, um Steuerungslogik gegenüber realistischem Prozessverhalten zu beobachten, zu diagnostizieren und zu verfeinern, bevor sie einen realen Prozess erreicht.

Validierungs-Workflow in OLLA Lab

• Einspeisung von Rauschen in das Analogsignal mittels einer hochfrequenten Störung über einer stabilen Basislinie
• Erstellung des Filters im Kontaktplan-Editor
• Trenddarstellung beider Werte im Variablen-Panel
• Gezielte Anpassung von Alpha
• Beobachtung des nachgelagerten Regelverhaltens
• Überarbeitung und erneuter Test

Worauf sollten Sie bei der Validierung achten?

Achten Sie auf Fakten, nicht auf Ästhetik:

• Unterdrückt das gefilterte Signal hochfrequente Schwingungen?
• Wird der PID-Ausgang wesentlich stabiler?
• Verzögert der Filter reale Prozessänderungen zu stark?
• Löschen sich Alarme korrekt, oder kommen sie jetzt verspätet an?
• Bleibt das überarbeitete Verhalten über mehrere Störungen hinweg akzeptabel?

Eine stabile Trendlinie allein reicht nicht aus. Der Regelkreis muss den Prozess weiterhin mit einer nützlichen Geschwindigkeit abbilden.

Sie sollten eine kompakte Sammlung technischer Nachweise speichern, nicht nur Screenshots. Es geht darum, die Argumentation, das Fehlerverhalten und die Qualität der Überarbeitung so zu dokumentieren, dass ein anderer Ingenieur sie prüfen kann.

Verwenden Sie diese Struktur:

1. Systembeschreibung: Prozesselement, Signaltyp, Skalierungsbereich, Zykluskontext und Verwendung des gefilterten Werts 2. Operative Definition des korrekten Verhaltens: reduziertes Rauschen, begrenzte Aktorvarianz, keine inakzeptable Regelverzögerung und kein lästiges Alarmflattern 3. Kontaktplan-Logik und Zustand der simulierten Ausrüstung: implementierte Logik, Tag-Rollen, Anfangsbedingungen und simulierter Prozesszustand 4. Eingespeister Fehlerfall: Störungsart, Amplitude, Frequenz, Turbulenzmuster oder Sensor-Jitter-Profil 5. Vorgenommene Überarbeitung: gewähltes Alpha, Initialisierungsänderungen und alle nachgelagerten PID- oder Alarmanpassungen 6. Gelernte Lektionen: Was hat sich verbessert, was hat sich verschlechtert und was bleibt ungewiss

Es gibt keine einzelne Norm, die Ihnen exakt vorschreibt, welches Alpha für jeden Regelkreis zu verwenden ist, aber verschiedene Literaturquellen und Leitfäden unterstützen die zugrunde liegenden ingenieurtechnischen Bedenken: Signalqualität, Softwareverhalten, Sicherheitsgrenzen und Validierungsdisziplin.

Relevante Referenzen sind:

• IEC 61508 für die breitere Disziplin der funktionalen Sicherheit und die Strenge des Software-Lebenszyklus in elektrischen, elektronischen und programmierbaren Systemen
• exida-Leitfäden zur praktischen Interpretation von Sicherheitslebenszyklus- und Steuerungssystem-Validierungsaspekten
• IFAC- und Prozessregelungsliteratur zu Filterung, Regelkreisleistung und Kompromissen bei der Rauschantwort
• Instrumentierungs- und Sensorliteratur zu Rauschverhalten, Messunsicherheit und dynamischer Signalaufbereitung

Eine notwendige Abgrenzung: Die Verwendung eines Filters in einer Schulungs- oder Validierungsumgebung begründet für sich genommen keine Sicherheitsintegrität, Konformität oder Eignung für eine sicherheitsgerichtete Funktion (SIF). Filterung kann die Regelqualität verbessern, ersetzt aber keine ingenieurtechnische Prüfung.

Sie sollten ein PT1-Glied vermeiden oder einschränken, wenn die Reaktionsgeschwindigkeit wichtiger ist als die Rauschreduzierung oder wenn die Filterung eine reale und sicherheitsrelevante Prozessänderung maskieren könnte.

Seien Sie vorsichtig in Fällen wie:

• schnellen Schutzabschaltungen
• kritischer Freigabelogik
• sich schnell ändernden Chargenübergängen
• Verbrennungs- oder Druckregelanwendungen mit engen dynamischen Anforderungen
• jedem Signalpfad, bei dem eine Verzögerung die Gefahrenexposition verschlimmern könnte

Die richtige Frage ist nicht: „Kann ich dieses Signal glätten?“, sondern: „Welche Entscheidung wird langsamer, wenn ich es tue?“

Ein PT1-Glied ist eine der praktischsten Methoden, um ein verrauschtes Analogsignal in Kontaktplan zu bereinigen, aber sein Wert hängt von disziplinierter Abstimmung und Validierung ab. Die Gleichung ist einfach. Die Konsequenzen sind es nicht.

Das ingenieurtechnische Ziel ist es, nicht nutzbringende Variationen zu dämpfen, ohne den Regler für reale Prozessbewegungen blind zu machen. Dies erfordert Aufmerksamkeit bei der Alpha-Wahl, der Initialisierung, der Zykluszeit und dem nachgelagerten Regelkreisverhalten. Es erfordert zudem einen Ort, um diese Interaktionen sicher zu testen.

Das ist die begrenzte Rolle von OLLA Lab: eine webbasierte Umgebung, in der Ingenieure Kontaktplan-Logik erstellen, realistische Störungen einspeisen, E/A-Verhalten beobachten, den Zustand simulierter Ausrüstung mit dem Logikzustand vergleichen und die Logik überarbeiten können, bevor sie einen realen Prozess berühren.

- IEC 61131-3 — PLC programming languages - IEC 61508 Functional Safety overview - Åström & Murray, *Feedback Systems* - Seborg et al., *Process Dynamics and Control* (Wiley) - IFAC-PapersOnLine journal homepage