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SPS-Programmierung in der Ausbildung – Analoge Messwerte skalieren

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SPS-Programmierung in der Ausbildung – Analoge Messwerte skalieren

Kurzbeschreibung: Du wandelst einen analogen Rohwert in eine physikalische Einheit um und prüfst anschließend Prozess- und Signalgrenzen. Der Kurs arbeitet mit einer virtuellen Anlage: Ein 4–20-mA-Füllstandstransmitter LT101 misst 0–200 cm in einem Puffertank. Die SPS verarbeitet den Wert zunächst nur in der Simulation.

Lernziele und Ausbildungsbezug

Nach dem Kurs kannst Du den Signalweg Sensor → Analogeingang → Rohwert → Normierung → Skalierung → Grenzprüfung erklären, eine lineare Skalierung berechnen, NORM_X und SCALE_X sinnvoll einsetzen, Signalverläufe beurteilen und Diagnosefälle von echten Prozesszuständen unterscheiden. Das passt zu Ausbildungsinhalten der Automatisierungstechnik, in denen Steuerungsprogramme erstellt sowie analoge Sensorsysteme konfiguriert und parametriert werden.

Merksatz: Ein Rohwert ist noch keine physikalische Größe. Erst die korrekte Zuordnung von Rohbereich und Engineering-Bereich macht daraus z. B. cm, bar, °C oder l/min.

Sicherheitsrahmen für diesen Kurs

Simulation: Maschinen- und Anlagenabläufe werden zuerst virtuell geprüft. Die Aufgaben steuern keine reale Anlage automatisch an.
Schutzeinrichtung: Sicherheitsfunktionen, Verriegelungen, Not-Halt-Kreise und andere Schutzeinrichtungen werden nicht umgangen, überbrückt oder durch Übungslogik ersetzt.
Fachaufsicht: Reale Verdrahtung, Messung, Inbetriebnahme oder Programmübertragung erfolgt nur mit geeigneter Fachaufsicht, betrieblicher Freigabe und den für den Betrieb geltenden Arbeits- und Sicherheitsregeln.
Funktionale Sicherheit: Eine normale Grenzprüfung im SPS-Programm ist keine sicherheitsgerichtete Funktion. Für Schutzfunktionen gelten gesonderte Anforderungen und freigegebene Sicherheitskonzepte.

Ausbildungsfall: Virtueller Puffertank T101

Ein Füllstandstransmitter LT101 liefert 4–20 mA für 0–200 cm. Für das Lernbeispiel wird ein passend konfigurierter SIMATIC-S7-1200-Stromeingang verwendet: 4 mA entsprechen dem Rohwert 0 und 20 mA dem Rohwert 27648. Diese Zuordnung ist gerätespezifisch und vor realer Anwendung im Handbuch des tatsächlich eingesetzten Moduls zu prüfen.

Größe	Unterer Punkt	Oberer Punkt
Eingangssignal	4 mA	20 mA
SPS-Rohwert	0	27648
Füllstand	0 cm	200 cm
Prozesswarnung	HIGH ab 160 cm, HIGH-HIGH ab 180 cm

Auftrag: Skaliere den Messwert, prüfe Grenzen, erkenne unplausible Signale und teste den Ablauf ausschließlich in der virtuellen Anlage.

Lerneinheit 1: Vom Prozess zum Rohwert

Ein analoges Signal kann innerhalb eines Bereichs viele Zwischenwerte annehmen. Ein Messumformer bildet die Prozessgröße auf ein elektrisches Einheitssignal ab. Der Analogeingang digitalisiert dieses Signal und stellt dem SPS-Programm einen Zahlenwert bereit.

Signalweg im Ausbildungsfall: Füllstand → Messumformer LT101 → 4–20 mA → Analogeingang → INT-Rohwert → REAL-Normwert → cm → Grenzstatus.

Mini-Aufgabe 1 – Basis

Ein simulierter Eingang liefert den Rohwert 13824. Schätze zuerst ohne Formel: Liegt der Tank eher bei 25 %, 50 % oder 75 %?

Begründetes Feedback: 13824 ist genau die Hälfte von 27648. Bei linearer Kennlinie liegt der Füllstand deshalb bei 50 %, also 100 cm.

Lerneinheit 2: Digitalisieren und Skalieren

Der A/D-Wandler macht aus dem elektrischen Signal einen digitalen Zahlenwert. Für die Skalierung brauchst Du immer zwei Wertepaar-Endpunkte.

Allgemeine lineare Skalierung:

Norm = (Rohwert - Roh_Min) / (Roh_Max - Roh_Min)
Engineering = Eng_Min + Norm * (Eng_Max - Eng_Min)

Für T101 gilt:

Norm = Rohwert / 27648
Fuellstand_cm = Norm * 200

Beispiel mit Rohwert 6912:

Norm = 6912 / 27648 = 0,25
Fuellstand = 0,25 * 200 cm = 50 cm

NORM_X und SCALE_X in TIA Portal

Bei der S7-1200 beschreibt Siemens NORM_X als Normierung eines Werts zwischen MIN und MAX auf einen normierten Wert und SCALE_X als Abbildung dieses normierten Werts auf einen neuen Wertebereich.

Norm := NORM_X(MIN := 0, VALUE := Raw_LT101, MAX := 27648);
Level_cm := SCALE_X(MIN := 0.0, VALUE := Norm, MAX := 200.0);

Wichtig: Skalieren ersetzt keine Hardwarediagnose. Unterlauf, Überlauf, Drahtbruch und Kanalfehler müssen entsprechend Modul, Parametrierung und Diagnoseinformation ausgewertet werden.

Lerneinheit 3: Signalverlauf lesen

Ein einzelner Messwert zeigt nur einen Zeitpunkt. Für Diagnose und Inbetriebnahme ist der Verlauf oft aussagekräftiger.

Simulationszeit	Rohwert	Füllstand	Erwarteter Status
t0	0	0 cm	LOW / leerer Bereich
t1	6912	50 cm	normal
t2	13824	100 cm	normal
t3	20736	150 cm	normal, nahe HIGH
t4	22118	ca. 160 cm	HIGH
t5	24883	ca. 180 cm	HIGH-HIGH
t6	27648	200 cm	oberes Messbereichsende

Diagnosefrage: Springt der Rohwert innerhalb eines Zyklus von 13824 auf einen unplausiblen Diagnosewert, prüfst Du zuerst Signalqualität, Kanaldiagnose und Parametrierung – nicht sofort den physikalischen Prozess.

Mini-Aufgabe 2 – Anwendung

Zeichne auf Papier oder in einem Tabellenprogramm den Verlauf von Rohwert und Füllstand über t0 bis t6. Markiere HIGH und HIGH-HIGH. Erkläre, warum beide Kurven gleich geformt sind, aber andere Zahlenachsen haben.

Begründetes Feedback: Bei linearer Skalierung bleiben Verlauf und relative Änderungen erhalten. Nur Nullpunkt und Spannweite werden in eine andere Einheit übertragen.

Lerneinheit 4: Grenzprüfung

Für die virtuelle Anlage gelten zwei Prozessgrenzen. Die Grenzprüfung wird nur ausgewertet, wenn der Messkanal als plausibel diagnostiziert ist.

Signal_OK := ChannelDiag_OK AND (Raw_LT101 >= 0) AND (Raw_LT101 <= 27648);

Warn_High := Signal_OK AND (Level_cm >= 160.0);
Alarm_HH  := Signal_OK AND (Level_cm >= 180.0);

Praxisregel: Prozessgrenze und Signalfehler sind unterschiedliche Ursachen. Ein HIGH-HIGH-Füllstand ist ein Prozesszustand; ein defekter oder unplausibler Kanal ist ein Diagnosezustand.

Hysterese als Erweiterung

Schaltet ein Wert nahe einer Grenze ständig hin und her, kann eine Hysterese sinnvoll sein. Beispiel: HIGH setzt bei 160 cm und fällt erst unter 155 cm zurück. Die konkreten Werte müssen aus Prozess, Risikoanalyse und betrieblichen Vorgaben abgeleitet werden.

Lerneinheit 5: Virtuelle Steuerungs- und Diagnoseaufgabe

Die virtuelle Füllfreigabe soll nur dann aktiv sein, wenn der Messkanal plausibel ist und kein HIGH-HIGH ansteht. Das ist eine Trainingslogik und keine reale oder sicherheitsgerichtete Freigabe.

Fall	Raw_LT101	ChannelDiag_OK	Erwartung
A	13824	TRUE	100 cm, normal
B	22118	TRUE	ca. 160 cm, HIGH
C	24883	TRUE	ca. 180 cm, HIGH-HIGH
D	0	TRUE	0 cm; bei 4–20-mA-Konfiguration kann dies der gültige Messbereichsanfang sein
E	32767	FALSE	Beim beschriebenen S7-1200-4–20-mA-Eingang Diagnosefall; Drahtbruch oder Überlauf über Diagnoseinformation unterscheiden

Steuerungsentscheidung in der Simulation:

Fill_Enable_SIM := Signal_OK AND NOT Alarm_HH;

Begründetes Feedback: Der Nutzwert allein reicht nicht. Beim beschriebenen S7-1200-4–20-mA-Eingang ist 0 der gültige Messbereichsanfang; 32767 kann Drahtbruch oder Überlauf anzeigen. Die Diagnoseinformation entscheidet, welcher Fehler vorliegt. Bei anderen Modulen gelten deren Herstellerangaben.

Lerneinheit 6: Diagnose statt Raten

Arbeite bei einem falschen Messwert entlang der Signalkette: Prozessgröße → Transmitter → Stromschleife → Klemmen/Kanal → Hardwareparametrierung → Rohwert → Normierung → Skalierung → Grenzlogik → Visualisierung. Ändere immer nur eine Annahme gleichzeitig und dokumentiere den Befund.

Beobachtung	Wahrscheinliche Prüfrichtung
Rohwert plausibel, Einheit falsch	Eng_Min, Eng_Max, Datentyp, Formel
Rohwert dauerhaft am Rand	Sensorbereich, Parametrierung, Diagnose, Simulationseingang
Sprunghafter Wert	Signalqualität, Diagnoseereignis, Verdrahtung nur unter Freigabe prüfen
Alarm flattert	Hysterese, Filterung, reale Prozessdynamik
Visualisierung abweichend	Variablenzuordnung und Einheit prüfen

Gestufte Hilfen

Stufe	Hilfe
1 – Orientierung	Markiere zuerst Roh_Min, Roh_Max, Eng_Min und Eng_Max.
2 – Rechenweg	Berechne zuerst Norm = Rohwert / 27648. Multipliziere danach mit 200 cm.
3 – Diagnose	Wenn Rechenweg stimmt, prüfe Signalqualität, Parametrierung und Kanaldiagnose getrennt vom Prozessalarm.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben mit Feedback

Niveau	Aufgabe	Begründetes Feedback
Basis	Bestimme den Füllstand bei Raw = 20736.	20736 / 27648 = 0,75. 0,75 · 200 cm = 150 cm. Der Wert liegt noch unter HIGH.
Basis	Bestimme Raw für 50 cm.	50/200 = 0,25. 0,25 · 27648 = 6912.
Anwendung	Eine Anzeige zeigt bei Raw = 13824 den Wert 50 cm. Finde den Parametrierfehler.	13824 entspricht 50 % des Rohbereichs. Bei 0–200 cm müssen 100 cm angezeigt werden; Eng_Max oder Skalierfaktor ist falsch.
Anwendung	HIGH flattert um 160 cm. Schlage eine Änderung vor.	Eine Rückschaltgrenze unterhalb 160 cm, z. B. 155 cm, schafft Hysterese und verhindert häufiges Umschalten durch kleine Schwankungen.
Transfer	Ein neuer Sensor misst 20–120 °C bei demselben Rohbereich. Formuliere die Skalierung.	Norm = Raw/27648; Temperatur = 20 + Norm · 100. Entscheidend sind Nullpunkt und Spannweite.
Transfer	Raw = 0 und die Kanaldiagnose meldet Fehler. Darf die Anlage daraus „Tank leer“ ableiten?	Nein. Ein Diagnosefehler entwertet die Prozessinterpretation. Zuerst muss ein definierter Fehlerstatus verwendet werden; reale Reaktionen richten sich nach dem freigegebenen Anlagenkonzept.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist bei einer linearen Skalierung der Rohwert 13824 im Bereich 0 bis 27648? (50 Prozent des Rohbereichs) (!25 Prozent des Rohbereichs) (!75 Prozent des Rohbereichs) (!100 Prozent des Rohbereichs)

Welche Größe entsteht nach SCALE_X im Ausbildungsfall? (Füllstand in Zentimetern) (!Strom in Ampere) (!Programmierzyklus in Millisekunden) (!IP-Adresse der SPS)

Was bedeutet bei passend konfiguriertem 4 bis 20 mA Eingang im Beispiel der Rohwert 0? (Der untere Punkt des Messbereichs) (!Immer einen Drahtbruch) (!Immer einen vollen Tank) (!Die obere Alarmgrenze)

Warum wird zusätzlich die Kanaldiagnose ausgewertet? (Weil ein Nutzwert allein einen Signalfehler nicht sicher erkennen lässt) (!Weil dadurch die SPS schneller taktet) (!Weil dadurch der Sensor mechanisch kalibriert wird) (!Weil damit die Netzspannung geregelt wird)

Welche Formel beschreibt die Normierung? (Rohwert minus Roh_Min geteilt durch Roh_Max minus Roh_Min) (!Rohwert plus Eng_Max) (!Eng_Max geteilt durch Rohwert) (!Rohwert mal Programmlaufzeit)

Wann setzt im Ausbildungsfall HIGH ein? (Ab 160 cm) (!Ab 50 cm) (!Ab 100 cm) (!Erst bei 200 cm)

Wann setzt im Ausbildungsfall HIGH-HIGH ein? (Ab 180 cm) (!Ab 20 cm) (!Ab 80 cm) (!Ab 120 cm)

Wozu dient eine Hysterese bei einer Grenzprüfung? (Sie verhindert häufiges Umschalten nahe der Grenze) (!Sie ersetzt die Kanaldiagnose) (!Sie erhöht automatisch die Sensorauflösung) (!Sie umgeht eine Schutzeinrichtung)

Was ist vor einer realen Inbetriebnahme dieses Lernprogramms erforderlich? (Fachaufsicht und betriebliche Freigabe) (!Nur ein höherer Grenzwert) (!Das Abschalten aller Diagnosen) (!Das Überbrücken der Sicherheitskette)

Welche Aussage zur Trainingslogik Fill_Enable_SIM ist richtig? (Sie ist nur für die Simulation gedacht) (!Sie ist automatisch eine Sicherheitsfunktion) (!Sie darf Schutzeinrichtungen ersetzen) (!Sie muss ohne Prüfung auf jede reale Anlage übertragen werden)

Memory

Rohwert	Digitale Zahl des Analogeingangs
Normierung	Abbildung auf einen relativen Wertebereich
Skalierung	Umrechnung in eine physikalische Einheit
Transmitter	Messumformer für ein Prozesssignal
Hysterese	Unterschiedliche Ein- und Rückschaltgrenze
Kanaldiagnose	Information über den Zustand des Messeingangs

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Rohwert	Zahl direkt aus dem Analogeingang
Normwert	Relativer Wert der linearen Abbildung
Engineering-Wert	Messwert in cm, bar, °C oder anderer Einheit
Prozessgrenze	Fachlich festgelegter Schwellwert des Prozesses
Signalfehler	Zustand, der über Diagnose und Plausibilität bewertet wird
Simulation	Gefahrloser Ersttest ohne automatische Live-Ansteuerung

Kreuzworträtsel

Rohwert	Welche Zahl liefert der Analogeingang vor der Umrechnung?
Normierung	Wie heißt die Umrechnung eines Wertebereichs auf einen relativen Bereich?
Skalierung	Wie heißt die Umrechnung in eine physikalische Einheit?
Transmitter	Wie heißt ein Messumformer für ein Prozesssignal?
Grenzwert	Wie heißt ein festgelegter Schwellwert für die Prüfung?
Diagnose	Wie heißt die systematische Erkennung und Eingrenzung eines Fehlers?

LearningApps

Lückentext

Ein Analogeingang stellt dem SPS-Programm zunächst einen

bereit.

Die Umrechnung eines Wertebereichs auf einen relativen Bereich heißt

.

Die Übertragung des normierten Werts in eine physikalische Einheit heißt

.

Im Ausbildungsfall entspricht der Rohwert 13824 einem Füllstand von

.

Die Prozesswarnung HIGH beginnt im Beispiel bei

.

Ein häufiges Umschalten nahe einer Grenze kann durch eine

vermindert werden.

Ein Nutzwert sollte bei einer Störung zusammen mit der

bewertet werden.

Vor realen Arbeiten sind geeignete Fachaufsicht und betriebliche

erforderlich.

Offene Aufgaben

Leicht

Signalweg: Zeichne den Weg von LT101 bis zur Anzeige in cm und beschrifte jede Station mit ihrer Signalart.
Skalierung: Berechne für fünf frei gewählte Rohwerte den Füllstand und prüfe die Ergebnisse mit einer Tabellenkalkulation.
Signalverlauf: Skizziere einen linearen Anstieg von 0 auf 200 cm und markiere HIGH sowie HIGH-HIGH.
Diagnose: Erstelle eine Karte mit fünf Beobachtungen und passenden ersten Prüfschritten.

Standard

Virtuelle Anlage: Baue in einer SPS-Simulation eine Variable Raw_LT101 auf und teste die Werte 0, 6912, 13824, 20736, 24883 und 27648.
Grenzwert: Ergänze HIGH und HIGH-HIGH und dokumentiere für jeden Testwert den erwarteten Zustand.
Hysterese: Implementiere eine Rückschaltgrenze für HIGH und zeige mit einem simulierten Pendelverlauf, wie sich das Schaltverhalten ändert.
Fehlersuche: Erzeuge absichtlich einen falschen Eng_Max-Wert und dokumentiere Symptom, Ursache, Nachweis und Korrektur.

Schwer

Funktionsbaustein: Entwirf einen wiederverwendbaren Skalierungsbaustein mit Rohgrenzen, Engineering-Grenzen, Plausibilitätsstatus und Prozessgrenzen.
Transfer: Übertrage das Konzept auf einen Temperatursensor 20–120 °C und begründe alle Parameter.
Diagnosekonzept: Entwickle für die virtuelle Anlage Zustände wie Gültig, Unterbereich, Überbereich, Kanalfehler und Wartung und zeige deren Priorität.
Ausbildungsprojekt: Produziere ein kurzes Lernvideo, in dem Du Rohwert, Skalierung, Grenzprüfung und Diagnose an einer Simulation erklärst und klar zwischen Training und realer Inbetriebnahme unterscheidest.

Lernkontrolle

Parametrierung: Ein Sensor wurde von 0–200 cm auf 0–300 cm getauscht. Entwickle eine systematische Änderungs- und Prüfstrategie, ohne eine reale Anlage anzusteuern.
Fehleranalyse: Die SPS zeigt 100 cm, ein Referenzwert liegt bei 150 cm. Entwickle mindestens drei begründete Hypothesen und eine sichere Prüfreihenfolge.
Signalqualität: Ein Rohwert ist rechnerisch gültig, gleichzeitig meldet der Kanal eine Diagnose. Begründe, wie Visualisierung und weitere Logik damit umgehen sollten.
Grenzkonzept: Vergleiche Grenzprüfung ohne und mit Hysterese an einem verrauschten Messsignal und begründe, wann die Erweiterung sinnvoll ist.
Herstellertransfer: Eine andere SPS nutzt einen anderen Rohbereich. Leite her, welche Teile des Programms unverändert bleiben und welche Parameter angepasst werden müssen.
Sicherheitsbewertung: Erkläre, warum eine normale SPS-Grenzprüfung keine Schutzeinrichtung ersetzt und welche organisatorischen Schritte vor einem realen Test nötig sind.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du einen Rohwertbereich sicher identifizierst, die lineare Skalierung nachvollziehbar herleitest, physikalische Einheiten korrekt berechnest, Prozessgrenzen von Signaldiagnosen unterscheidest, einen Signalverlauf interpretierst, eine virtuelle Testreihe dokumentierst und die Grenzen einer nicht sicherheitsgerichteten Trainingslogik begründet erklärst.

Fachquellen und Medienrechte

Fachlich geprüft:

Siemens – S7-1200 V20: SCALE_X und NORM_X – Herstellerdokumentation zu Normierung und Skalierung.
Siemens – S7-1200 V20: Messbereiche der analogen Eingänge für Strom – 4–20-mA-Zuordnung, Über-/Unterbereich und Drahtbruchdarstellung.
Siemens – S7-1200 System Manual V4.7, 12/2024 – Herstellerangaben zu gültigen Analogwertbereichen und Skalierungsbeispielen.
DGUV Vorschrift 3 – Elektrische Anlagen und Betriebsmittel – Anforderungen an Arbeiten an elektrischen Anlagen und Betriebsmitteln.
BIBB – Elektroniker/Elektronikerin, Umsetzungshilfe für die Ausbildungspraxis – Ausbildungsbezug zur Automatisierungs- und Systemtechnik.
Wikipedia – Speicherprogrammierbare Steuerung und Wikipedia – Einheitssignal – Überblicksquellen.

Geprüfte Wikimedia-Commons-Medien:

Datei	Rechteangabe auf Commons
Simatic S7-1200.JPG	CC BY-SA 3.0
Pressure transmitter SIEMENS.jpg	CC BY-SA 4.0
4-20mA Current loops.svg	CC0 1.0
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