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Hysteresis_AR_AX

Hysteresis_AR_AX

Einleitung

Der Funktionsblock Hysteresis_AR_AX realisiert eine analog‑digitale Schwellwertschaltung mit Hysterese. Er wandelt einen analogen Eingangswert (über einen AR‑Adapter) in einen booleschen Ausgang (über einen AX‑Adapter) um, wobei ein definiertes Hysterese‑Band um einen Mittelwert (Threshold) herum angelegt wird. Das Schaltverhalten ist wie folgt definiert:

  • Einschalten (Switch‑on): erfolgt, wenn der Eingangswert den Wert THRESHOLD + (HYSTERESIS / 2.0) erreicht oder überschreitet (inklusiv).
  • Ausschalten (Switch‑off): erfolgt, wenn der Eingangswert den Wert THRESHOLD - (HYSTERESIS / 2.0) unterschreitet (strikt, d. h. nur bei <).

Durch die Hysterese wird ein stabiles Schaltverhalten erreicht, das Oszillationen um den Schwellwert vermeidet.

Schnittstellenstruktur

Ereignis‑Eingänge

Ereignis Typ Beschreibung Mit Var
INIT EInit Initialisierungsanforderung QI

Ereignis‑Ausgänge

Ereignis Typ Beschreibung Mit Var
INITO EInit Bestätigung der Initialisierung QO

Daten‑Eingänge

Name Typ Beschreibung
QI BOOL Eingangsqualifizierer – steuert die INIT‑Verarbeitung

Daten‑Ausgänge

Name Typ Beschreibung
QO BOOL Ausgangsqualifizierer – spiegelt den Zustand des FB

Adapter

Adapter Typ Beschreibung
INPUT AR (unidirektional) Analoger Eingangswert
THRESHOLD AR (unidirektional) Mitte des Hysterese‑Bandes
HYSTERESIS AR (unidirektional) Breite des Hysterese‑Bandes (wird als Absolutwert verwendet)
OUTPUT AX (unidirektional) Digitaler Ausgang (BOOL) der Hysterese‑Entscheidung

Funktionsweise

Der FB arbeitet als endlicher Automat (ECC) mit folgenden Zuständen und Übergängen:

  1. START → Init
    Auslöser: Eintreffen von INIT bei QI = TRUE.
    Aktion: Das Initialisierungs‑Algorithmus wird ausgeführt: QO := QI; OUTPUT.D1 := FALSE.

  2. Init → sOFF
    Auslöser: Ein Ereignis am Eingangs‑Adapter INPUT.E1.
    Der FB beginnt im ausgeschalteten Zustand.

  3. sOFF
    Aktion: Ausführen von alOff – setzt OUTPUT.D1 := FALSE; QO := QI.
    Übergänge:

  4. Bei erneutem INIT mit QI = FALSE → DeInit (Deinitialisierung).

  5. Bei wiederholtem Ereignis INPUT.E1 und der Bedingung
    INPUT.D1 >= THRESHOLD.D1 + (ABS(HYSTERESIS.D1) / 2.0) → sON (Einschalten).

  6. sON
    Aktion: Ausführen von alOn – setzt OUTPUT.D1 := TRUE, sofern QI = TRUE; QO wird auf QI gesetzt.
    Übergänge:

  7. Bei erneutem INIT mit QI = FALSE → DeInit.

  8. Bei wiederholtem Ereignis INPUT.E1 und der Bedingung
    INPUT.D1 < THRESHOLD.D1 - (ABS(HYSTERESIS.D1) / 2.0) → sOFF (Ausschalten).

  9. DeInit
    Aktion: Ausführen von deInitialize – setzt QO := FALSE; OUTPUT.D1 := FALSE.
    Übergang: immer (1) zurück zu START.

Die Hysterese wird stets mit dem Absolutbetrag des Hysterese‑Wertes berechnet, sodass auch negative Eingaben korrekt verarbeitet werden.

Technische Besonderheiten

  • Striktes Ausschalten: Die Ausschalt‑Bedingung verwendet eine strikte Ungleichung (<), nicht <=. Diese Entscheidung (Version 1.2) verhindert Oszillationen exakt auf der Ausschaltschwelle.
  • Betrag der Hysterese: Der Hysterese‑Wert wird vor der Halbierung mit ABS in seinen Absolutbetrag umgewandelt. Dadurch kann die Hysterese auch als negativer Wert übergeben werden, ohne das Verhalten zu verändern.
  • Initialisierungsverhalten: Nach INIT mit QI=TRUE wird der Ausgang OUTPUT.D1 auf FALSE gesetzt. Nur durch Überschreiten der Einschaltschwelle wird er aktiv.
  • Deinitialisierung: Setzt sowohl QO als auch OUTPUT.D1 auf FALSE und kehrt in den START‑Zustand zurück.

Zustandsübersicht

Zustand Beschreibung
START Ruhezustand nach Reset; wartet auf erstes INIT.
Init Initialisierung; setzt Ausgang auf FALSE und bestätigt mit INITO.
sOFF Ausgeschalteter Zustand; Ausgang ist FALSE.
sON Eingeschalteter Zustand; Ausgang ist TRUE (wenn QI aktiv).
DeInit Deinitialisierung; setzt Ausgänge zurück und wechselt zurück zu START.

Anwendungsszenarien

  • Schwellwertschalter für Sensoren: Z. B. Temperatur, Druck oder Füllstand – der digitale Ausgang aktiviert eine Anzeige oder ein Stellglied, sobald ein Messwert einen Grenzwert mit Hysterese überschreitet.
  • Entprellung analoger Signale: Vermeidung von raschen Schaltwechseln bei verrauschten Signalen.
  • Zweipunktregler (Ein‑/Aus‑Regelung): Direkt einsetzbar in einfachen Regelkreisen, z. B. Heizung an/aus.
  • Signalaufbereitung in Automatisierungssystemen: Umwandlung analoger Messgrößen in binäre Steuersignale mit definiertem Schaltverhalten.

Vergleich mit ähnlichen Bausteinen

Gängige Hysterese‑Bausteine in IEC‑61499 unterscheiden sich oft in der Definition der Schaltbedingungen:

  • Symmetrische Hysterese (wie hier): Schwellwert ± Hysterese/2 – die Mitte ist der eingestellte Threshold.
  • Hysterese mit festem Band: Einschaltschwelle und Ausschaltschwelle sind getrennt parametrierbar (z. B. SWITCH_ON, SWITCH_OFF).
  • Hysterese ohne Betragsbildung: Das Vorzeichen der Hysterese bestimmt die Richtung des Bandes (z. B. nur positive Hysterese).
    Der vorliegende Baustein verwendet ABS, was die Parametrierung robuster macht.

Im Vergleich zu einfachen Schwellwertschaltern (z. B. GT, LT) vermeidet Hysteresis_AR_AX durch die Hysterese ein Flattern des Ausgangs bei langsam veränderlichen oder verrauschten Signalen.

Fazit

Hysteresis_AR_AX ist ein zuverlässiger und klar strukturierter Funktionsblock zur Umsetzung einer analogen Hysterese‑Schaltung in die digitale Welt. Die Verwendung von Adaptern (AR/AX) erlaubt eine einfache Einbindung in bestehende Signalverarbeitungsketten. Die konsequente Betragsbildung und das strikte Ausschalten gewährleisten ein stabiles, oszillationsfreies Betriebsverhalten. Damit eignet sich der Baustein ideal für anspruchsvolle Automatisierungsaufgaben, bei denen präzise Schaltpunkte gefordert sind.