Definition und Bedeutung:
Die Abtastzeit, oft auch als Zykluszeit der Analogwerterfassung oder Sampling-Rate bezeichnet, ist das Zeitintervall, in dem ein digitales System (z.B. eine SPS, ein Datenlogger oder ein Regelungssystem) die Werte eines kontinuierlichen, analogen Signals erfasst. Es ist der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen oder Momentaufnahmen eines Signals.
Die Wahl der Abtastzeit ist von entscheidender Bedeutung, da sie direkt die zeitliche Auflösung des digitalisierten Signals bestimmt. Eine kurze Abtastzeit bedeutet, dass das Signal häufiger erfasst wird, was eine genauere Abbildung des dynamischen Verhaltens des Originals ermöglicht. Eine lange Abtastzeit hingegen kann dazu führen, dass schnelle Änderungen im Originalsignal übersehen werden, was zu Informationsverlust und Verfälschungen führen kann.
Die korrekte Bestimmung der Abtastzeit erfolgt nach dem Abtasttheorem (Nyquist-Shannon-Theorem), das besagt, dass die Abtastfrequenz (also der Kehrwert der Abtastzeit) mindestens doppelt so hoch sein muss wie die höchste im Signal enthaltene Frequenz. Nur so kann das ursprüngliche Signal ohne Informationsverlust digitalisiert und später wieder rekonstruiert werden.
Einfluss auf Automatisierungssysteme:
In der Automatisierungstechnik hat die Abtastzeit einen direkten und kritischen Einfluss auf die Performance und Stabilität von Steuerungs- und Regelungssystemen:
- Regelgüte: In geschlossenen Regelkreisen (z.B. PID-Reglern) muss die Abtastzeit kurz genug sein, um die Dynamik der Regelstrecke und die Auswirkungen von Störgrößen schnell zu erfassen. Eine zu lange Abtastzeit kann dazu führen, dass der Regler zu spät oder zu ungenau reagiert, was zu schlechter Regelgüte, Schwingungen oder sogar Instabilität des Systems führen kann.
- Systemstabilität: Insbesondere bei schnellen Prozessen oder Systemen mit geringer Trägheit ist eine ausreichend kurze Abtastzeit essenziell, um die Stabilität des Regelkreises zu gewährleisten. Eine zu langsame Abtastung kann das System destabilisieren.
- Prozessüberwachung: Bei der Überwachung von Prozesswerten und der Alarmierung muss die Abtastzeit so gewählt werden, dass kritische Zustandsänderungen zuverlässig und rechtzeitig erkannt werden.
- Datenqualität: Für Trendanalysen, historische Datenaufzeichnung (Historian) und Predictive Maintenance ist eine adäquate Abtastzeit wichtig, um eine repräsentative Datenbasis zu schaffen und aussagekräftige Analysen zu ermöglichen.
Moderne SPSen und Motion-Controller bieten oft sehr kurze Abtast- oder Zykluszeiten im Mikro- bis Millisekundenbereich, um auch hochdynamische Prozesse zuverlässig steuern und regeln zu können. Die optimale Abtastzeit ist immer ein Kompromiss zwischen der benötigten Präzision und der Systemleistung (Rechenleistung, Kommunikationsbandbreite).
→ Siehe auch: Abtasttheorem, Zykluszeit, Regelgüte, Analogeingang, Echtzeitfähigkeit
