Hinweise zu Maßnahmen bei schwankenden Analogeingangswerten

habe ich euch mal meine im Forum (z. B.hier und hier) bereitgestellten Schaltungsentwürfe zur "gleitenden Mittelwertbildung analoger Signale" für die 0BA5) mit den neuen Möglichkeiten des Blocks "Analoge Arithmetik" der 0BA6 verbessert (reduzierte Blockanzahl und geringere Anforderungen bezüglich des Wertebereiches)!

Hallo liebe LOGO!-Anwender,

zum Thema Analogfilterung gibt es immer wieder Anfragen und auch wenn dieser Beitrag dann (leider noch zu selten) zu Rate gezogen wird, stellt er doch den Infopool dar, um eine (möglichst umfassende) Antwort zu Fragen dieses Themenkomplexes zu erhalten.

Nach dem Umbau der Seiten des SIEMENS Support ist die ehemals angegebene Beispielapplikation dort nicht mehr verfügbar. Die nun dort angeeingestellte Lösung (im Dateianhang: SIEMENS_Support_calculating_average_value_of_analog_signals.zip) kann lediglich einen Mittelwert aus drei Messwerten periodisch berechnen und einer Schaltung zur Verfügung stellen.

In verschiedenen FOREN-Beiträgen sind nun zu diesem Thema von mir verschiedene Konzepte und Schaltungen präsentiert worden, die in diesem Beitrag zusammengefasst sind. Aus Anlass verschiedener Anfragen habe ich diesen Beitrag nun noch um meine neuesten (optimierten) Schaltungsversionen inclusive einer Übersicht der Möglichkeiten (und Historie) ergänzt.

Wesentliche Randbedingungen (der LOGO!-0BA6-Serie) in Kurzform:

- Die Aktualisierungsrate der in einer Schaltung nutzbaren Analogeingangswerte beträgt 50 ms (Eingänge der Zusatzmodule) bzw. 300 ms (Eingänge der Basisgeräte).

- Es gibt keine Blockfunktion zur Analogwertfilterung. Lediglich die Anzeige von Analogeingangswerten in Textmeldungen kann "gefiltert" werden.

- Wertebereich der Analogblöcke: +/-32767

- JEDER Analogausgang eines LOGO!-Blocks muss "abgeschlossen" werden. Entweder mittels eines Analogmerkers oder durch einen nachgeschalteten Analogblock (möglichst einen Komparator, da dieser 2 Analogeingänge hat) mir digitalem Ausgang, der dann mittels

einer "Offenen Klemme" Xi abgeschlossen wirden muss.

- Die mit der LOGO! nutzbaren Schaltungsanordnungen um einen Analogwertspeicher zu realisieren sind im Beitrag "Hinweise zur Speicherung von (Analog-)Werten" dargestellt und werden je nach Abwägung der Vor- bzw. Nachteile teilweise gemischt von mir verwendet.

Die folgenden 4 Konzepte lassen sich für eine Tief-Pass-Filterung verwenden (vgl. die Dateien im Dateianhang und in o. g. Link):

a) Überführen des Analogwertes in einen Zähler, dessen Zählrate vorgegeben werden kann:
TEST_einfache_Filterung_von_analogen_Werten (0BA5).lsc
TEST_Mittelwertbildung_von_analogen_Werten (Grundlage) (0BA5).lsc
DEMO_temperaturabhängiger_Analogausgang_V1.lsc und..v2.lsc
DEMO_korrigierter_und_geglätteter_Analogausgang_V01 (0BA6).lsc

b) Über eine definierte Dauer werden Minimal- und Maximalwert des Signals ermittelt und arithmetisch gemittelt. Dies wird periodisch realisiert und der jeweils vorhergehende Wert während der aktuell laufenden Messdauer als gefilterter Ergebniswert der Schaltung zur Verfügung gestellt.
DEMO_Filterung_durch_Min_Max_Mittelwert (0BA5).lsc
DEMO_Filterung_durch_Min_Max_Mittelwert_V2 (0BA5).lsc

c) Über eine definierte Dauer werden n Werte des Signals aufaddiert und arithmetisch gemittelt. Dies wird periodisch realisiert und der jeweils vorhergehende Wert während der aktuell laufenden Messdauer als gefilterter Ergebniswert der Schaltung zur Verfügung gestellt. Im Schaltungsentwurf kann n dann 1 bis 32 betragen, wobei nur dann die maximale Auflösung der LOGO!-Analogeingänge genutzt werden kann, wenn die Skalierung NACH der Mittelwertberechnung bzw. in Kombination mit der dazu erforderlichen Division durch n erfolgt!!! Die angegebene Schaltung ..V4 ist hier erstmals veröffentlicht und ist bezüglich der erforderlichen Blockanzahl, der Funktionatität und Benutzerfreundlichkeit optimiert:
DEMO_periodische_Mittelwertbildung_V4 (0BA6).lsc
Für eine oBA5 ist nur die Version 2 anwendbar: DEMO_periodische_Mittelwertbildung_V2b (0BA5).lsc

d) Man berechnet einen (einseitigen) gleitenden Mittelwert aus n Werten, d. h. aus dem zeitlich aktuellen Wert und (n-1) zeitlich vorhergehenden Werten. Ggf. könnte man auch eine Gewichtung vornehmen. Für dieses Konzept sind verschiedene versionen vorhanden, die sich in der Ansteuerung der Speicher und deren Variante unterscheiden.
DEMO_gleitende_Mittelwertbildung_8x_V3x (0BA6).lsc; DEMO_gleitende_Mittelwertbildung_8x_V4x (0BA6).lsc

Auch eine Kombination (Reihenschaltung) der Konzepte kann hilfreich sein...

Ergänzend habe ich mal unterschiedlich schwer verdaubare Hintergrundinfos zu den Themen Mittelwertbildung und Filterung dem Dateianhang beigefügt...

MfG
Betel

0BA7 - Anwendungsbezogene Bewertung der Blöcke "Analoger Filter" und "Mittelwert":

- Block "Analoger Filter": Dieser Block stellt praktisch die Berechnung eines sog. Gleitenden Mittelwertes aus n zurückliegenden Werten dar. Dies ist schaltungstechnisch nur mit sehr hohem Aufwand möglich, so dass von mir nur Schaltungen für n = 4, 8 bzw. 10 veröffentlicht wurden. Insofern ist die Leistung dieses Blocks bemerkenswert, denn lt. HB kann n maximal 256 betragen. Leider ist die Festlegung von n jedoch an vergleichsweise wenige vordefinierte Werte gebunden (schade, eine freie Definition von 1 bis 256 und dazu noch per Verweis wäre sehr nützlich, vor allem dann, wenn dazu auch noch eine externe Triggerung möglich wäre).

Kritisch bewerte ich die vordefinierte Festlegung des zeitlichen Abstands der Werteerfassung, denn diese ist (ausschließlich) an die (variable) LOGO!-Zyklusfrequenz (= Programmfrequenz) gekoppelt (Zitat HB: „LOGO! erfasst in jedem Programmzyklus einen Analogwert. Die Anzahl der Programmzyklen ist somit gleich der parametrierten Anzahl von Abtastungen.“). Die Zyklusfrequenz ist jedoch zur Laufzeit der Schaltung variabel und deshalb letztendlich aus Sicht eines Programmierers/Anwenders eines Filters nur zur Filterung von Analogwerten geeignet, die von einem analogen Blockausgang (im Zyklustakt) stammen und nicht unmittelbar oder mittelbar von einem Analogeingang! Die zeitlichen Abstände der Erfassung der Werte zur Filterung der Analogeingänge sollten unbedingt an die Abtastfrequenz bzw. bei der LOGO! an die Aktualisierungsfrequenzen der Analogeingänge anpassbar sein (also alle 50 ms bzw. 300 ms erfolgen; ggf. auch von Vielfachen davon, wobei dann aber ggf, eine sog. Unterabtastung die Folge ist). M.E. kann demnach die Anwendung dieses Blocks, je nach realem Signalverlauf, ggf. zu Messwertverfälschungen führen (bzw. zu einem verfälschten Ergebniswert des Blocks)!

--> FAZIT: Dieser Block ist leider nicht geeignet eine messtechnisch korrekte Filterung der Analogeingänge zu erreichen, denn leider arbeitet dieser Block "Analogfilter" auf Basis der veränderlichen LOGO!-Zyklusfrequenz, die deutlich von den Abtastraten der Analogeingänge (300 ms bei Basismodulen und 50 ms bei Zusatzmodulen AM2) abweicht. Die Ergebniswerte können ggf. deutlich von den realen Signalwerten abweichen! Weil andererseits eine externe Triggerung der Abtastzeitpunkte nicht möglich ist, kann dieser block trotz seiner "Mächtigkeit" bzw. seiner Möglichkeiten (in den meisten Fällen) auch nicht zur allgemeinen Berechnung von gleitenden Mittelwerten verwendung finden

- Block "Mittelwert": Dieser Block stellt praktisch die Berechnung eines sog. periodischen Mittelwertes aus n zurückliegenden Werten dar. Dies ist schaltungstechnisch durchaus gut realisierbar, jedoch bei voller Nutzung der Auflösung der Analogeingänge z. B. nur bis zu Werten n = 32 (mit vertretbarem Schaltungsaufwand und bei Begrenzung des Eingangswertebereiches Ax von 0 bis 1000) möglich. Insofern ist die Leistung dieses Blocks bemerkenswert, denn lt. HB kann n (je nach Größe der Abtastzeit) bis zu maximal 32767 betragen und jeder Eingangswert darf aus dem vollen Analogwertebereich von -32768 bis 32767 stammen. Leider beträgt jedoch die kleinste Gesamt-Abtastzeit St 1 s (Anm.: Der Abstand zwischen 2 Messwerterfassungen ergibt sich dabei aus St/SN.). Eine Anwendung dieses Blocks für Signale, die von Analogeingängen stammen, sind die Erfüllung von Randbedingungen erforderlich, um z. B. eine Unterabtastung und damit ggf. eine nicht erkennbare Messwertverfälschung bzw. einen verfälschten Ergebniswert des Blocks zu vermeiden.

Anmerkungen: Ab der Serie 0BA6 gibt es eine Möglichkeit der „Filterung der Analoganzeigewerte in einer Textmeldung, die m. E. ebenfalls so arbeitet, das die Aktualisierungsrate (einstellbar) reduziert wird, was auch wieder eine Unterabtastung des Signals bedeuten kann. Um einen Anzeigewert „ruhiger“ erscheinen zu lassen mag dieses Vorgehen (bzw. auch eine entsprechende Anwendung des Blocks "Analoger Filter") ggf. akzeptierbar sein – für Messwerte, die weiterverarbeitet werden jedoch nicht. Dabei ist mir natürlich klar, dass auch die von der LOGO!-Hardware vorgegebenen Abtast- bzw. Aktualisierungsraten der Analogeingänge bei sich sehr schnell ändernden Signalen zu einer Unterabtastung führen können, nur daran lässt sich (bei Einsatz der LOGO!) nichts ändern. Jede Verringerung der Signalabtast- bzw. –auswertefrequenz sollte jedoch vermieden werden, damit die digitalisierten Analogwerte dem realen Signalverlauf möglichst präzise folgen…

Leider lassen sich kein einziger Blockparameter per Verweis definieren!
Wird der Blockeingang "R" aktiviert, dann werden die laufende Abtastzeit und der Blockausgang zurückgesetzt. Wird der Blockeingang "EN" zeitweise auf "0" gesetzt, dann pausiert die Abtastzeit - sie wird also NICHT zurückgesetzt! (Was haben sich die Entwickler dabei nur gedacht?) Dadurch ist es leider nicht möglich, die Abtastzeit OHNE Zurücksetzen (= Löschen) des Ausgangswertes zu Starten, um z. B. eine (einmalige zwischenzeitliche oder auch eine periodische) Synchronisation zu erreichen. Der Schaltungsteil, der den Blockausgang weiterverwendet muss deshalb berücksichtigen, dass für die Dauer St anstelle eines "alten" Messwertes der Wert "0" am Blockausgang anliegt...

--> FAZIT: Alternativ (zu den von mir bereits veröffentlichten Schaltungen) kann zur Filterung der Analogeingänge der Block "Mittelwert" verwendet werden, wenn (und nur dann) für dessen Parameter (Gesamt-)Abtastzeit St und Anzahl der Abtastungen SN folgende Bedingungen erfüllt sind bzw. werden:

St / SN = 0,300 s (bei Analogeingängen am Basismodul bzw.
St / SN = 0,050 s (bei Analogeingängen an Zusatzmodulen AM2

MfG
Betel