Eine Waage zeigt während des Befüllens 497 kg, 503 kg, 499 kg und kurz darauf wieder 505 kg. Die naheliegende Reaktion lautet häufig: Filter stärker einstellen.
Damit wird die Anzeige tatsächlich ruhiger. Gleichzeitig reagiert die Waage aber langsamer auf eine echte Gewichtsänderung. Wird das Gewicht für eine Abschaltung verwendet, kann genau diese Verzögerung dazu führen, dass die Materialzufuhr zu spät beendet wird.
Bei der SIWAREX WP231 müssen deshalb drei unterschiedliche Aufgaben sauber voneinander getrennt werden: Das Gewichtssignal muss sinnvoll gefiltert werden, ein ausreichend stabiler Zustand muss erkannt werden und eine eventuell daraus abgeleitete Abschaltlogik muss schnell genug auf den Prozess reagieren.
Die Ursache eines unruhigen Gewichtssignals liegt außerdem nicht zwangsläufig in der Elektronik. Materialaufprall, Rührwerke, Pumpen, Förderschnecken, starre Rohrleitungen, Vibrationen des Maschinenrahmens oder eine ungünstige Wägezellenmontage können reale Kräfte auf die Waage übertragen.
Ein Digitalfilter kann solche Bewegungen im Signal reduzieren. Er beseitigt aber nicht die mechanische Ursache.
Die SIWAREX WP231 bietet hierfür mehrere Werkzeuge. Das Modul besitzt einen einstellbaren Tiefpassfilter, einen Mittelwertfilter, eine Stillstandsüberwachung, frei parametrierbare Gewichtsgrenzwerte sowie eine Trace-Funktion zur Aufzeichnung des Signalverlaufs.
Entscheidend ist, diese Funktionen nicht unabhängig voneinander auf möglichst starke Dämpfung einzustellen.
Ein stark gefiltertes Gewicht kann scheinbar stabil sein, obwohl die reale Last noch schwingt. Ein sehr enger Stillstandsbereich kann dagegen dazu führen, dass die Waage unter normalen Betriebsbedingungen praktisch nie Stillstand meldet. Ein zu spät erkannter Abschaltpunkt kann wiederum eine Überdosierung verursachen.
Hinzu kommt eine wichtige Abgrenzung: Die WP231 ist eine Wägeelektronik für nichtselbsttätige Waagen, Behälterverwiegung, Kraftmessung und Füllstandsüberwachung. Sie besitzt Grenzwerte und Ein-/Ausgänge, aber keine vollständige integrierte Dosiersteuerung mit automatischer Nachlaufkorrektur.
Eine einfache Abschaltung kann über die SPS beziehungsweise über entsprechend zugeordnete Grenzwertsignale umgesetzt werden. Für automatisierte Dosier- und Abfüllprozesse mit integrierten Dosierfunktionen ist dagegen die SIWAREX WP251 vorgesehen.
Die zentrale Aussage lautet: Bei einer unruhigen Waage darf der Digitalfilter nicht isoliert optimiert werden. Mechanik, Tiefpass, Mittelwert, Stillstand, Grenzwert und Abschaltlogik müssen als zusammenhängendes dynamisches System betrachtet werden.
Inhaltsverzeichnis
- Welche Aufgabe übernimmt die SIWAREX WP231?
- Woher kommt ein unruhiger Gewichtswert?
- Warum mechanische Ursachen zuerst geprüft werden sollten
- Messrate und Filterung richtig unterscheiden
- Wie funktioniert der Tiefpassfilter?
- Welche Bedeutung hat die Filterordnung?
- Wann ist der Mittelwertfilter sinnvoll?
- Tiefpass und Mittelwert nicht unnötig stark kombinieren
- Filter mit Trace statt nur nach Anzeige einstellen
- Wie erkennt die WP231 den Stillstand?
- Stillstandsbereich und Stillstandszeit richtig wählen
- Was bedeutet Stillstandswartezeit?
- Grenzwerte 1 und 2 richtig einsetzen
- Einfache Dosierabschaltung mit WP231 aufbauen
- Warum Materialnachlauf berücksichtigt werden muss
- Warum Filterung den Abschaltpunkt verschieben kann
- Wann ist die SIWAREX WP251 die bessere Wahl?
- Praktische Reihenfolge für die Inbetriebnahme
- Typische Fehlerbilder systematisch diagnostizieren
- Passende SIWAREX-Komponenten von ICS Schneider
- Fazit
- Häufige Fragen zur SIWAREX WP231 bei unruhiger Last
1. Welche Aufgabe übernimmt die SIWAREX WP231?
Die SIWAREX WP231 ist ein einkanaliges Wägemodul für die SIMATIC S7-1200 und kann alternativ auch ohne SIMATIC CPU betrieben werden.
Sie versorgt angeschlossene DMS-Wägezellen, erfasst deren sehr kleines Brückensignal und wandelt es in einen nutzbaren Gewichtswert um.
Typische Anwendungen sind Behälter- und Plattformwaagen, Füllstandsüberwachung, Kraftmessung und andere nichtselbsttätige Wägeaufgaben.
Die WP231 besitzt eine interne Auflösung von bis zu ±4 Millionen Teilen und arbeitet mit einer Messrate von 100 beziehungsweise 120 Hz.
Für die Anbindung stehen unter anderem der SIMATIC-S7-1200-Systembus, Ethernet mit Modbus TCP/IP und SIWATOOL sowie RS485 mit Modbus RTU zur Verfügung.
Zusätzlich stehen vier Digitaleingänge, vier Digitalausgänge und ein Analogausgang zur Verfügung.
Für eine unruhige Waage besonders relevant sind die digitalen Filter, die Stillstandserkennung, die Grenzwertüberwachung und die Trace-Funktion.
2. Woher kommt ein unruhiger Gewichtswert?
Ein schwankender Gewichtswert kann elektrische, mechanische oder prozessbedingte Ursachen besitzen.
Elektrische Störungen können beispielsweise durch ungünstige Leitungsführung, schlechte Schirmung, Potentialunterschiede oder Störungen auf der Wägezellenleitung entstehen.
In vielen praktischen Anwendungen ist das Signal jedoch deshalb unruhig, weil tatsächlich wechselnde Kräfte auf die Wägezellen wirken.
Ein Rührwerk verändert fortlaufend die Kraftverteilung im Behälter. Eine Förderschnecke kann Vibrationen in die Konstruktion übertragen. Ein frei fallender Materialstrom erzeugt zusätzliche dynamische Kräfte. Pumpen und Motoren können periodische Schwingungen verursachen.
Auch angeschlossene Rohrleitungen können das Wägesignal beeinflussen. Eine starre Leitung kann sich bei Temperatur oder Druck verändern und dadurch zusätzliche Kräfte auf den gewogenen Behälter übertragen.
Die Wägeelektronik kann nicht unterscheiden, ob eine gemessene Kraft vom eigentlichen Produktgewicht oder von einer unerwünschten mechanischen Belastung stammt.
Die erste Aufgabe besteht deshalb darin, die Ursache der Signalbewegung zu verstehen.
3. Warum mechanische Ursachen zuerst geprüft werden sollten
Eine starke digitale Dämpfung ist keine Ersatzlösung für einen schlechten mechanischen Aufbau.
Wenn beispielsweise eine Rohrleitung eine wechselnde Kraft von mehreren Kilogramm auf einen Behälter überträgt, kann die Elektronik diesen Einfluss zwar glätten. Der statische Messfehler bleibt jedoch bestehen.
Ähnliches gilt für eine Wägezelle, die verspannt eingebaut ist oder Querkräfte aufnehmen muss, für die sie nicht vorgesehen ist.
Vor der Filteroptimierung sollten deshalb Auflager, Wägezellenmontage, Rohranschlüsse, Schwingungsquellen, Kabel und Erdung kontrolliert werden.
| Beobachtung | Mögliche mechanische Ursache | Erste Prüfung |
|---|---|---|
| Periodische Gewichtsschwankung | Rührwerk, Motor oder Pumpe | Frequenz der Schwankung mit Maschinenbetrieb vergleichen |
| Gewicht ändert sich beim Einschalten einer Förderschnecke | Mechanische Kraftübertragung | Fördertechnik und Behälter mechanisch entkoppeln |
| Nullpunkt verändert sich mit Temperatur | Rohrkräfte oder thermische Verspannung | Flexible Anschlüsse und Lagerung prüfen |
| Kurze hohe Ausschläge beim Befüllen | Materialaufprall | Fallhöhe und Einlaufposition untersuchen |
| Signal ist auch im vollständig ruhigen Zustand verrauscht | Elektrik, Schirmung oder Wägezellensignal | Rohsignal und Wägezellensignal in mV kontrollieren |
Erst wenn die mechanisch vermeidbaren Einflüsse reduziert sind, sollte die Filterung auf die verbleibende Prozessdynamik abgestimmt werden.
4. Messrate und Filterung richtig unterscheiden
Die WP231 bildet intern laufend neue Messwerte. Eine hohe Messrate bedeutet jedoch nicht, dass jeder dieser Werte ungefiltert an die Steuerung weitergegeben werden sollte.
Eine schnelle Messwerterfassung ist zunächst vorteilhaft, weil die Elektronik dadurch auch schnelle Änderungen erkennen kann.
Der Digitalfilter entscheidet anschließend, welche zeitlichen Signalanteile im nutzbaren Gewichtswert erhalten bleiben.
Damit entsteht ein grundlegender Zielkonflikt.
Eine sehr schnelle Waage reagiert auf reale Gewichtsänderungen nahezu unmittelbar, zeigt aber auch Schwingungen deutlicher.
Eine stark gedämpfte Waage liefert einen ruhigen Wert, benötigt jedoch mehr Zeit, um einem tatsächlichen Gewichtssprung zu folgen.
Die optimale Einstellung hängt deshalb nicht allein davon ab, wie ruhig die Anzeige aussehen soll.
Entscheidend ist, wie schnell die Anwendung auf eine reale Laständerung reagieren muss.
5. Wie funktioniert der Tiefpassfilter?
Die SIWAREX WP231 besitzt einen digital einstellbaren Tiefpassfilter.
Seine Aufgabe besteht darin, schnelle Signaländerungen beziehungsweise höherfrequente Störungen stärker zu dämpfen als langsame Gewichtsänderungen.
Der wichtigste Parameter ist die Grenzfrequenz.
Bei der WP231 kann für den Betriebsfilter eine Grenzfrequenz zwischen 0,05 und 20 Hz eingestellt werden. Mit dem Wert 0 wird der Filter abgeschaltet.
Eine hohe Grenzfrequenz lässt schnellere Signaländerungen passieren. Die Waage reagiert dadurch schneller, wirkt aber unruhiger.
Eine niedrige Grenzfrequenz unterdrückt schnelle Schwankungen stärker. Die Anzeige wird ruhiger, gleichzeitig steigt aber die Reaktionszeit.
Siemens nennt diesen Zusammenhang ausdrücklich am Beispiel von 5 Hz und 0,5 Hz: 5 Hz führen zu einer relativ schnellen Reaktion, während 0,5 Hz die Waage deutlich träger machen.
Damit sollte die Grenzfrequenz nicht nach dem Prinzip „je kleiner, desto besser“ eingestellt werden.
6. Welche Bedeutung hat die Filterordnung?
Neben der Grenzfrequenz lässt sich bei der WP231 auch die Ordnung des Tiefpassfilters einstellen.
Zur Verfügung stehen die Filterordnungen 2, 4, 6, 8 und 10.
Eine höhere Ordnung sorgt für eine stärkere Trennung zwischen niedrigen und höheren Frequenzanteilen.
Damit kann eine störende Schwingung wirkungsvoller unterdrückt werden.
Auch hier gilt jedoch: Eine stärkere Filterwirkung verändert die zeitliche Reaktion der Waage.
Grenzfrequenz und Filterordnung sollten deshalb gemeinsam betrachtet werden.
Es ist meist nicht sinnvoll, gleichzeitig eine extrem niedrige Grenzfrequenz und die höchstmögliche Filterordnung zu wählen, nur um eine vollkommen ruhige Anzeige zu erzeugen.
Der resultierende Gewichtswert kann dann für eine schnelle Abschaltfunktion zu spät reagieren.
7. Wann ist der Mittelwertfilter sinnvoll?
Zusätzlich zum Tiefpass besitzt die WP231 einen Mittelwertfilter.
Er bildet den Gewichtswert aus mehreren nacheinander erfassten Einzelwerten.
Die Filtertiefe kann zwischen 0 und 250 liegen.
Nach Siemens werden die hierfür verwendeten Gewichtswerte im Abstand von 10 ms gebildet. Bei einer Filtertiefe von 10 werden somit jeweils zehn Werte in die gleitende Mittelwertbildung einbezogen.
Das entspricht einem betrachteten Zeitfenster von ungefähr 100 ms.
Bei einer Tiefe von 50 werden etwa 500 ms Messhistorie berücksichtigt, bei 100 ungefähr eine Sekunde.
Der Mittelwertfilter eignet sich insbesondere dazu, zufällige Schwankungen zu beruhigen.
Eine zunehmende Filtertiefe bedeutet aber auch hier eine langsamere Reaktion auf reale Änderungen.
Bei einer Abschaltung nach Gewicht sollte deshalb immer kontrolliert werden, wie stark der gefilterte Wert dem tatsächlichen Prozess hinterherläuft.
8. Tiefpass und Mittelwert nicht unnötig stark kombinieren
Da die WP231 sowohl Tiefpass als auch Mittelwertbildung bietet, besteht die Versuchung, beide Filter möglichst stark einzustellen.
Das erzeugt meist eine sehr ruhige Anzeige.
Für die Prozesssteuerung kann das Ergebnis jedoch ungünstig sein.
Ein Materialstrom erhöht das tatsächliche Behältergewicht kontinuierlich. Wenn das Filtersystem stark verzögert, zeigt die Steuerung beispielsweise noch 490 kg an, obwohl sich tatsächlich bereits 500 kg im Behälter befinden.
Die Waage ist in diesem Fall nicht ungenau im statischen Sinn. Das angezeigte Signal hinkt lediglich zeitlich hinterher.
Gerade für Abschaltvorgänge ist dieser Unterschied entscheidend.
Die Filter sollten deshalb nur so stark eingestellt werden, wie es zur zuverlässigen Signalbewertung notwendig ist.
9. Filter mit Trace statt nur nach Anzeige einstellen
Die WP231 besitzt eine Trace-Funktion zur kontinuierlichen Aufzeichnung von Messwerten.
Die Trace-Aufzeichnung kann unter anderem mit einem Zyklus von 10 ms, 100 ms, einer Sekunde oder zehn Sekunden erfolgen.
Für die Filteroptimierung ist insbesondere die schnelle Aufzeichnung interessant.
Zusätzlich stellt die WP231 interne ungefilterte und gefilterte Digitwerte zur Verfügung.
Damit lässt sich wesentlich besser beurteilen, was tatsächlich im Signal passiert, als lediglich die Zahl auf einem HMI zu beobachten.
Ein typischer Inbetriebnahmeversuch besteht darin, eine definierte Gewichtsänderung oder einen realen Befüllvorgang aufzuzeichnen.
Anschließend werden Rohsignal, gefiltertes Signal und relevanter Prozesszustand miteinander verglichen.
Damit lässt sich erkennen, ob der Filter vor allem Rauschen entfernt oder bereits relevante Prozessdynamik verdeckt.
Die WP231 besitzt zusätzlich einen zweiten Tiefpassfilter als Inbetriebnahmehilfe. Mit ihm können alternative Filtereinstellungen für Testzwecke beurteilt werden, ohne den Betriebsfilter ausschließlich nach Gefühl zu optimieren.
10. Wie erkennt die WP231 den Stillstand?
Die Stillstandserkennung verfolgt ein anderes Ziel als der Digitalfilter.
Sie soll feststellen, ob sich die Waage in einer ausreichend stabilen Gleichgewichtslage befindet.
Dazu betrachtet die WP231, wie stark sich der Gewichtswert innerhalb einer definierten Zeit verändert.
Stillstand liegt vor, wenn sich das Gewicht während der eingestellten Stillstandszeit nur innerhalb des parametrierten Stillstandsbereiches bewegt.
Der Stillstandsbereich wird in Teilungswerten beziehungsweise d angegeben.
Die Stillstandszeit definiert, wie lange diese Bedingung eingehalten werden muss.
Die WP231 stellt den Stillstand als Statusinformation bereit.
Intern wird dieser Status insbesondere für waagenabhängige Funktionen wie Nullstellen, Tarieren und bei eichfähigen Anwendungen für entsprechende Registrierungen verwendet.
In einer SPS-Applikation kann der Status zusätzlich genutzt werden, um beispielsweise nach einem abgeschlossenen Füllvorgang erst dann einen Endwert zu übernehmen, wenn die Waage tatsächlich ausreichend beruhigt ist.
11. Stillstandsbereich und Stillstandszeit richtig wählen
Ein sehr kleiner Stillstandsbereich wirkt zunächst besonders genau.
Bei einer realen industriellen Waage kann eine zu enge Einstellung jedoch dazu führen, dass der Stillstandsstatus aufgrund normaler mechanischer Restbewegungen kaum erreicht wird.
Ein sehr großer Bereich meldet dagegen möglicherweise bereits Stillstand, obwohl das Gewicht noch deutlich schwankt.
Dasselbe gilt für die Zeit.
Eine sehr kurze Stillstandszeit reagiert schnell, kann aber kurze Ruhephasen innerhalb einer weiterhin schwingenden Bewegung fälschlicherweise als stabil bewerten.
Eine lange Stillstandszeit erhöht die Sicherheit der Stabilitätserkennung, verzögert jedoch jeden Prozessschritt, der auf diesen Status wartet.
Die Parameter sollten daher aus der tatsächlichen Streuung der beruhigten Waage und der zulässigen Prozessabweichung abgeleitet werden.
| Parameteränderung | Wirkung | Mögliches Risiko |
|---|---|---|
| Stillstandsbereich kleiner | Strengere Stabilitätsanforderung | Stillstand wird bei normaler Restunruhe selten erreicht |
| Stillstandsbereich größer | Stillstand wird leichter erreicht | Noch bewegte Waage kann als stabil gelten |
| Stillstandszeit kürzer | Schnellere Statusmeldung | Kurzzeitige Ruhe kann als Stillstand gelten |
| Stillstandszeit länger | Robustere Stabilitätsbewertung | Langsamere Prozessfreigabe |
Die WP231 erlaubt Stillstandszeiten im Bereich von 10 ms bis 10.000 ms. Dieser große Einstellbereich zeigt bereits, dass es keinen universellen Wert für jede Waage gibt.
12. Was bedeutet Stillstandswartezeit?
Die Stillstandswartezeit darf nicht mit der eigentlichen Stillstandszeit verwechselt werden.
Sie beschreibt die maximale Zeit, die das Modul bei einem stillstandsabhängigen Befehl auf das Erreichen des Stillstandes wartet.
Dazu gehören beispielsweise Nullstellen, Tarieren oder Registrieren.
Wird innerhalb dieser Zeit kein Stillstand erreicht, kann der entsprechende Befehl nicht wie vorgesehen ausgeführt werden und eine Technologiemeldung wird erzeugt.
Bei einer Stillstandswartezeit von 0 wird ein stillstandsabhängiger Befehl unmittelbar abgewiesen, wenn zum Zeitpunkt des Befehls kein Stillstand vorliegt.
Für eine externe Dosierlogik sollte deshalb nicht angenommen werden, dass die Stillstandswartezeit automatisch eine Nachdosier- oder Beruhigungszeit des Prozesses darstellt.
Das sind unterschiedliche Funktionen.
13. Grenzwerte 1 und 2 richtig einsetzen
Die WP231 besitzt zwei frei parametrierbare Gewichtsgrenzwerte sowie einen zusätzlichen Leer-Grenzwert.
Grenzwert 1 und 2 können auf Brutto- oder Nettogewicht bezogen und entweder absolut oder relativ zum Wägebereich parametriert werden.
Für jeden Grenzwert stehen separate Ein- und Ausschaltpunkte zur Verfügung.
Dadurch lässt sich eine Hysterese bilden.
Zusätzlich können Verzögerungszeiten für das Ein- und Ausschalten definiert werden.
Ein Grenzwertstatus ändert sich dadurch erst, wenn die eingestellte Bedingung nach Ablauf der Verzögerungszeit weiterhin erfüllt ist.
Das ist beispielsweise hilfreich, wenn einzelne kurze Gewichtsspitzen nicht sofort einen Schaltzustand auslösen sollen.
Die Grenzwertzustände stehen als Statusbits zur Verfügung und können den Digitalausgängen der WP231 zugeordnet oder in der S7-1200 weiterverarbeitet werden.
14. Einfache Dosierabschaltung mit WP231 aufbauen
Damit lässt sich die WP231 auch in einfachen Befüllanwendungen verwenden, bei denen ein Förderer, Ventil oder eine Pumpe bei einem definierten Gewicht abgeschaltet werden soll.
Wichtig ist jedoch die richtige Einordnung.
Die WP231 führt nicht selbst einen vollständigen automatischen Dosieralgorithmus mit Grobstrom, Feinstrom, Materialnachlauf und automatischer Nachlaufkorrektur aus.
Eine einfache Abschaltlogik kann beispielsweise in der S7-1200 umgesetzt werden.
Die Steuerung liest den aktuellen Gewichtswert beziehungsweise einen Grenzwertstatus und beendet die Materialzufuhr beim definierten Abschaltpunkt.
Alternativ kann ein entsprechend parametrierter Grenzwertstatus einem Digitalausgang zugeordnet werden, sofern das Anlagen- und Sicherheitskonzept dies vorsieht.
Bei jeder solchen Lösung müssen jedoch Filterverzögerung, SPS-Zyklus, Ausgangsreaktion, Aktorzeit und Materialnachlauf zusammen betrachtet werden.
15. Warum Materialnachlauf berücksichtigt werden muss
Ein Materialstrom endet normalerweise nicht in dem Moment, in dem das elektrische Abschaltsignal erzeugt wird.
Eine Förderschnecke besitzt eine mechanische Verzögerung. In einem Fallrohr befindet sich bereits Material auf dem Weg zum Behälter. Ein Ventil benötigt eine bestimmte Schließzeit.
Diese Materialmenge gelangt nach dem Abschaltsignal noch in die Waage.
Wird erst bei exakt 500 kg abgeschaltet, kann der stabile Endwert deshalb beispielsweise bei 503 kg liegen.
Dieser Effekt ist unabhängig vom Messgerät zunächst eine Eigenschaft des Prozesses.
Für eine einfache SPS-Lösung wird der Abschaltpunkt deshalb gegebenenfalls vor den eigentlichen Sollwert gelegt.
Wie groß dieser Vorhalt sein muss, sollte aus realen Befüllzyklen ermittelt werden.
Ist der Nachlauf stark variabel, reichen ein statischer Abschaltpunkt und einfache Grenzwertlogik möglicherweise nicht mehr aus.
16. Warum Filterung den Abschaltpunkt verschieben kann
Zum mechanischen Materialnachlauf kommt die zeitliche Verzögerung der Messwertfilterung.
Ein stärker gefiltertes Gewicht folgt einem steigenden realen Gewicht langsamer.
Die Steuerung erkennt dadurch den Abschaltwert später.
Bei einem geringen Materialstrom kann dieser Effekt unbedeutend sein.
Bei einem hohen Massenstrom können bereits einige hundert Millisekunden Verzögerung zu einer relevanten zusätzlichen Materialmenge führen.
Beispiel: Bei einem Materialstrom von 20 kg/s entsprechen 200 ms zusätzlicher Verzögerung theoretisch bereits 4 kg Material.
Diese einfache Rechnung zeigt, warum Filterparameter niemals nur anhand der optischen Ruhe der Anzeige gewählt werden sollten.
Der reale Abschaltversuch unter Produktionsbedingungen ist entscheidend.
17. Wann ist die SIWAREX WP251 die bessere Wahl?
Sobald die Waage nicht nur ein Gewicht liefern, sondern einen wiederkehrenden Dosier- oder Abfüllprozess eigenständig und präzise steuern soll, ist die SIWAREX WP251 die passendere Geräteklasse.
Siemens hat die WP251 speziell für Dosier-, Abfüll- und automatische Wägeaufgaben vorgesehen.
Sie besitzt entsprechende integrierte Prozessfunktionen und kann unter anderem Abschaltpunkte automatisch korrigieren.
Damit kann sie typische Effekte wie reproduzierbaren Materialnachlauf innerhalb eines Dosierkonzeptes wesentlich gezielter berücksichtigen.
Die WP231 ist dagegen besonders geeignet, wenn eine Behälter- oder Plattformwaage zuverlässig erfasst und die eigentliche Ablaufsteuerung in der SPS projektspezifisch programmiert wird.
Die Gerätewahl sollte deshalb nicht nur anhand von Auflösung und Messrate getroffen werden.
Die entscheidende Frage lautet, ob lediglich ein präziser Gewichtswert mit Grenzwerten benötigt wird oder eine vollständige automatische Dosierfunktion.
18. Praktische Reihenfolge für die Inbetriebnahme
Eine sinnvolle Parametrierung beginnt nicht mit maximaler Filterung.
Zunächst sollte die Waage mechanisch korrekt aufgebaut und justiert werden.
Anschließend wird der Signalverlauf mit geringer beziehungsweise definierter Filterung aufgezeichnet.
Damit lässt sich erkennen, welche Schwankungen tatsächlich vorhanden sind und welche Frequenz beziehungsweise Charakteristik sie besitzen.
Danach wird der Tiefpass so eingestellt, dass störende Signalanteile ausreichend reduziert werden, ohne die benötigte Reaktionsgeschwindigkeit unnötig zu verschlechtern.
Die Filterordnung wird nur so weit erhöht, wie für die Anwendung erforderlich.
Der Mittelwertfilter kann anschließend verwendet werden, um verbleibende zufällige Schwankungen weiter zu beruhigen.
Erst danach sollte der Stillstandsbereich anhand des realen Signalbandes einer tatsächlich ruhenden Waage festgelegt werden.
Die Stillstandszeit wird so gewählt, dass kurze zufällige Ruhephasen nicht fälschlicherweise als stabiler Endzustand interpretiert werden.
Bei einer Abschaltfunktion werden anschließend reale Befüllzyklen aufgezeichnet. Entscheidend sind Sollwert, erkannter Abschaltpunkt, tatsächliches Abschaltsignal und der später beruhigte Endwert.
Auf dieser Grundlage lassen sich Filterung und Vorhalt gemeinsam optimieren.
19. Typische Fehlerbilder systematisch diagnostizieren
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Anzeige ist ruhig, Abschaltung erfolgt aber regelmäßig zu spät | Filterung zu stark | Rohsignal und gefilterten Wert im Trace vergleichen |
| Stillstand wird praktisch nie erreicht | Stillstandsbereich zu eng, Zeit zu lang oder reale Mechanik zu unruhig | Signalband im vollständig beruhigten Zustand bestimmen |
| Stillstand wird bereits während leichter Bewegung gemeldet | Stillstandsbereich zu groß oder Stillstandszeit zu kurz | Parameter verschärfen und mit Trace prüfen |
| Grenzwert schaltet bei einzelnen Gewichtsspitzen | Keine ausreichende Hysterese oder Verzögerung | Ein-/Ausschaltpunkt und Grenzwertverzögerung prüfen |
| Endgewicht liegt immer oberhalb des Sollwertes | Materialnachlauf und/oder Filterverzug | Abschaltzeitpunkt und stabilen Endwert aufzeichnen |
| Endgewicht schwankt von Charge zu Charge | Variabler Materialstrom oder variabler Nachlauf | Förderprozess statt nur Filterparameter untersuchen |
| Gewicht ändert sich beim Start eines Motors ohne Materialänderung | Mechanische oder elektrische Einkopplung | Rohsignal, mechanische Verbindung und Schirmung prüfen |
| WP231 reicht für gewünschte automatische Dosierfunktion nicht aus | Geräteklasse nicht auf Dosieralgorithmus ausgelegt | SIWAREX WP251 als Dosierlösung prüfen |
20. Passende SIWAREX-Komponenten von ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet SIWAREX-Wägeelektroniken, Wägezellen und Zubehör für Behälter-, Plattform-, Dosier- und Prozesswaagen. Eine Übersicht finden Sie unter Wägetechnik und Siemens Prozessinstrumentierung.
20.1 SIWAREX WP231
Die SIWAREX WP231 ist ein einkanaliges Wägemodul für SIMATIC S7-1200 beziehungsweise den Stand-alone-Betrieb.
Sie bietet eine Messrate von 100/120 Hz, eine interne Auflösung bis zu ±4 Millionen Teilen sowie variabel einstellbare Tiefpass- und Mittelwertfilter.
Über SIWATOOL kann die Waage in Betrieb genommen, parametriert und diagnostiziert werden.
Trace, Grenzwerte, Stillstandsstatus sowie die verfügbaren digitalen und analogen Ein-/Ausgänge machen die WP231 besonders interessant für Behälter-, Plattform- und einfache prozessintegrierte Wägeaufgaben.
20.2 SIWAREX DB für detaillierte Wägezellendiagnose
In Verbindung mit der WP231 kann der SIWAREX DB zur Digitalisierung und detaillierten Diagnose mehrerer angeschlossener Wägezellen eingesetzt werden.
Der Anschlusskasten ermöglicht unter anderem Drahtbruch- und Impedanzüberwachung sowie die Betrachtung der aktuellen Belastung einzelner Wägezellen.
Bei unruhigen oder unsymmetrischen Behälterwaagen kann die Einzelkanalauswertung hilfreich sein, um eine ungünstige Lastverteilung beziehungsweise mechanische Auffälligkeiten schneller zu erkennen.
20.3 SIWAREX WP251 für Dosier- und Abfüllprozesse
Die SIWAREX WP251 ist speziell auf Dosier- und Abfüllprozesse ausgerichtet.
Sie kann entsprechende Wägeprozesse unabhängig steuern und bietet integrierte Funktionen für diese Anwendungen.
Dazu gehört unter anderem die automatische Korrektur von Abschaltpunkten.
Wenn hohe Dosiergenauigkeit, kurze Zykluszeiten und reproduzierbarer Materialnachlauf zentrale Anforderungen sind, sollte daher geprüft werden, ob WP251 statt WP231 die passendere Architektur darstellt.
21. Fazit
Eine unruhige Waage wird nicht dadurch automatisch besser, dass der stärkstmögliche Digitalfilter eingestellt wird.
Bei der SIWAREX WP231 bestimmen Tiefpass-Grenzfrequenz, Filterordnung und Mittelwertbildung gemeinsam, wie stark das Signal beruhigt wird und wie schnell es gleichzeitig auf reale Gewichtsänderungen reagiert.
Eine niedrige Grenzfrequenz und eine hohe Filterordnung können starke mechanische Schwankungen deutlich reduzieren. Gleichzeitig entsteht aber ein trägeres Gewichtssignal.
Der Mittelwertfilter kann zufällige Schwankungen zusätzlich reduzieren, vergrößert bei hoher Filtertiefe jedoch ebenfalls die zeitliche Glättung.
Für einen stabilen Endwert ist anschließend die Stillstandserkennung relevant. Sie bewertet nicht einfach, ob sich die Anzeige optisch wenig verändert, sondern ob der Gewichtswert innerhalb der definierten Stillstandszeit im festgelegten Stillstandsbereich bleibt.
Bei einer einfachen Füllanwendung können die beiden Grenzwerte der WP231 zur Überwachung beziehungsweise als Grundlage einer Abschaltlogik verwendet werden.
Die Abschaltung darf jedoch nicht unabhängig von Filterverzug und Materialnachlauf betrachtet werden.
Ein Gewichtssignal, das 200 ms hinter dem Prozess zurückliegt, kann bei hohem Massenstrom bereits eine relevante zusätzliche Produktmenge bedeuten.
Für eine belastbare Parametrierung gilt deshalb:
Mechanik prüfen → Rohsignal mit Trace aufzeichnen → Tiefpass nur so stark wie nötig einstellen → Filterordnung optimieren → Mittelwertbildung sparsam ergänzen → Stillstandsbereich aus realer Restunruhe ableiten → Stillstandszeit definieren → Grenzwerte und Hysterese einstellen → reale Abschaltzyklen aufzeichnen → Materialnachlauf und Filterverzug gemeinsam korrigieren.
Wenn darüber hinaus ein vollständiger automatischer Dosier- oder Abfüllprozess mit selbstständiger Optimierung der Abschaltpunkte benötigt wird, sollte die SIWAREX WP251 verwendet beziehungsweise zumindest in die Geräteauswahl einbezogen werden.
Der wichtigste praktische Grundsatz lautet damit: Die ruhigste Anzeige ist nicht automatisch die beste Parametrierung. Entscheidend ist der beste Kompromiss aus Signalruhe, Reaktionszeit und reproduzierbarem Prozessverhalten.
22. Häufige Fragen zur SIWAREX WP231 bei unruhiger Last
22.1 Welche Digitalfilter besitzt die SIWAREX WP231?
Die WP231 besitzt einen einstellbaren Tiefpassfilter sowie einen gleitenden Mittelwertfilter. Zusätzlich steht ein zweiter Tiefpass als Inbetriebnahmehilfe zur Verfügung.
22.2 In welchem Bereich lässt sich die Tiefpass-Grenzfrequenz einstellen?
Der Betriebstiefpass kann zwischen 0,05 und 20 Hz eingestellt werden. Mit dem Wert 0 wird er abgeschaltet.
22.3 Was bewirkt eine niedrigere Grenzfrequenz?
Sie dämpft schnelle Signaländerungen stärker und macht den Gewichtswert ruhiger, erhöht aber gleichzeitig die Trägheit der Waage.
22.4 Welche Filterordnungen sind möglich?
Die WP231 unterstützt die Filterordnungen 2, 4, 6, 8 und 10. Mit steigender Ordnung nimmt die Filterwirkung zu.
22.5 Wie groß kann der Mittelwertfilter eingestellt werden?
Die Filtertiefe kann zwischen 0 und 250 Werten liegen.
22.6 Bedeutet eine größere Mittelwerttiefe automatisch eine bessere Messung?
Nein. Sie beruhigt das Signal stärker, verlangsamt aber gleichzeitig dessen Reaktion auf eine reale Gewichtsänderung.
22.7 Was bedeutet Stillstand bei der WP231?
Stillstand liegt vor, wenn sich der Gewichtswert innerhalb der parametrierten Stillstandszeit nur innerhalb des vorgegebenen Stillstandsbereichs verändert.
22.8 In welcher Einheit wird der Stillstandsbereich angegeben?
Der Stillstandsbereich wird in Teilungswerten beziehungsweise d angegeben.
22.9 Was passiert, wenn der Stillstandsbereich zu klein eingestellt ist?
Die Waage kann trotz praktisch ausreichender Ruhe ständig als nicht stabil gelten.
22.10 Was passiert bei einer zu kurzen Stillstandszeit?
Kurze Ruhephasen innerhalb einer weiterhin schwingenden Bewegung können zu früh als Stillstand erkannt werden.
22.11 Was ist die Stillstandswartezeit?
Sie ist die maximale Wartezeit auf Stillstand bei Befehlen, die einen Stillstand voraussetzen, beispielsweise Nullstellen oder Tarieren.
22.12 Besitzt die WP231 Grenzwerte?
Ja. Es stehen zwei frei parametrierbare Gewichtsgrenzwerte sowie ein Leer-Grenzwert zur Verfügung.
22.13 Kann für einen Grenzwert eine Hysterese eingestellt werden?
Ja. Für Grenzwert 1 und 2 können getrennte Ein- und Ausschaltpunkte definiert werden.
22.14 Kann ein Grenzwert zeitlich verzögert werden?
Ja. Die WP231 erlaubt separate Verzögerungszeiten für das Ein- und Ausschalten der Grenzwertzustände.
22.15 Kann mit der WP231 eine Dosierung abgeschaltet werden?
Eine einfache gewichtsabhängige Abschaltung kann über Grenzwertstatus, Digitalausgang oder S7-1200-Logik realisiert werden. Die WP231 ist jedoch keine vollständige integrierte Dosiersteuerung.
22.16 Warum wird trotz korrektem Abschaltgewicht überdosiert?
Mögliche Ursachen sind Materialnachlauf, Aktorverzögerung, SPS-Zyklus und die zeitliche Verzögerung des gefilterten Gewichtssignals.
22.17 Kann eine starke Filterung die Überdosierung erhöhen?
Ja. Wenn der angezeigte beziehungsweise ausgewertete Gewichtswert dem tatsächlichen Gewicht hinterherläuft, wird der Abschaltpunkt später erkannt.
22.18 Wie finde ich eine geeignete Filtereinstellung?
Am besten wird der reale Gewichtsverlauf mit Trace aufgezeichnet und der ungefilterte mit dem gefilterten Signal verglichen. Die Filterung sollte nur so stark erhöht werden, wie es für eine stabile Prozessbewertung erforderlich ist.
22.19 Wann sollte statt der WP231 eine WP251 eingesetzt werden?
Wenn ein echter automatischer Dosier- oder Abfüllprozess mit integrierter Prozesssteuerung, hoher Dynamik und automatischer Korrektur der Abschaltpunkte benötigt wird, ist die SIWAREX WP251 dafür vorgesehen.
22.20 Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Parametrierung beziehungsweise Geräteauswahl?
Hilfreich sind Wägebereich, Anzahl und Typ der Wägezellen, Ziffernschritt, gewünschte Genauigkeit, Art und Stärke der Lastschwankungen, Materialstrom, Sollgewicht, gewünschte Zykluszeit, vorhandene Fördertechnik, erwarteter Materialnachlauf, Einbindung in S7-1200 beziehungsweise andere Steuerungen sowie die Information, ob lediglich gewogen oder tatsächlich automatisch dosiert beziehungsweise abgefüllt werden soll.