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SPS-Programmierung in der Ausbildung – Kontaktplan und Funktionsplan lesen

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Einleitung

SPS-Programmierung in der Ausbildung – Kontaktplan und Funktionsplan lesen führt Dich in zwei grafische Darstellungsformen der SPS-Programmierung ein: Kontaktplan (KOP / Ladder Diagram) und Funktionsplan (FUP / Function Block Diagram). Im Mittelpunkt stehen grafische Logik, Signalfluss, funktionale Äquivalenz und systematische Diagnose.

Du arbeitest zuerst ausschließlich mit einer virtuellen Anlage. Reale Maschinen werden in diesem Lernkurs nicht automatisch angesteuert.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du KOP- und FUP-Netzwerke lesen, einfache Boolesche Verknüpfungen übersetzen, Signalverläufe auswerten, funktional gleiches Verhalten erkennen und typische Logikfehler in einer Simulation eingrenzen.

Kompetenz	Du kannst …
KOP lesen	Kontakte, Verzweigungen und Spulen als logische Verknüpfung deuten.
FUP lesen	Eingänge, Negationen, Verknüpfungsblöcke und Ausgänge entlang des Signalflusses verfolgen.
Äquivalenz prüfen	zwei Darstellungen über ihre logische Funktion und ihr Ein-/Ausgangsverhalten vergleichen.
Diagnostizieren	Sollzustand, Istzustand und Signalverlauf systematisch gegenüberstellen.
Sicher arbeiten	Simulation, Freigabe und reale Arbeiten klar voneinander trennen.

Fachlicher Rahmen

Die IEC 61131-3 beschreibt unter anderem die grafischen SPS-Sprachen Ladder Diagram (LD) und Function Block Diagram (FBD). Im deutschsprachigen Ausbildungs- und Herstellerkontext werden dafür häufig die Bezeichnungen KOP und FUP verwendet.

Für die einfachen Booleschen Verknüpfungen dieses Kurses lassen sich KOP und FUP funktional gleichwertig darstellen. Daraus folgt jedoch nicht, dass jedes beliebige SPS-Programm vollständig und verlustfrei zwischen allen IEC-61131-3-Sprachen umgewandelt werden kann.

Sicherheitsrahmen für die Ausbildung

Simulation zuerst: Maschinenabläufe werden zunächst in einer virtuellen Anlage oder SPS-Simulation geprüft.

Keine automatische Live-Ansteuerung: Dieser Kurs enthält keine Anweisung, mit der eine reale Maschine unbeaufsichtigt oder automatisch aus dem Lernkurs heraus angesteuert wird.

Keine Umgehung von Schutzeinrichtungen: Schutz- und Sicherheitseinrichtungen werden weder manipuliert noch softwareseitig überbrückt.

Reale Arbeiten: Übertragung, Inbetriebnahme, Test und Fehlersuche an realen Anlagen erfolgen nur unter geeigneter Fachaufsicht, nach betrieblicher Freigabe, Gefährdungsbeurteilung und den vor Ort geltenden Regeln.

Wichtig: Ein in diesem Kurs verwendetes Signal wie „Betrieb_OK“ ist ein didaktisches Logiksignal und ersetzt keine sicherheitsgerichtete Funktion.

Ausbildungsfall: Virtuelle Förderstation

Du analysierst eine kleine virtuelle Förderstation. Ein Werkstück fährt zu einer Lichtschranke. Die Steuerungslogik wird zuerst simuliert.

Signal	Bedeutung	Rolle
Freigabe	Virtuelle Betriebsfreigabe	Eingang
Lichtschranke	Werkstück am Erfassungspunkt	Eingang
Band	Virtueller Fördermotor	Ausgang
Lampe	Virtuelle Betriebsanzeige	Ausgang

Die Grundfunktion lautet:

Band = Freigabe UND NICHT Lichtschranke

Die Lampe folgt dem Zustand des Bandes.

Kurzer Signalverlauf

Schritt	Freigabe	Lichtschranke	Band	Beobachtung
Startzustand	AUS	frei	AUS	Keine Freigabe.
Fördern	EIN	frei	EIN	Beide Bedingungen sind erfüllt.
Werkstück erkannt	EIN	belegt	AUS	Die negierte Sensorbedingung wird falsch.
Werkstück entfernt	EIN	frei	EIN	Die Logik wird wieder wahr.
Freigabe weg	AUS	frei	AUS	Die UND-Bedingung ist nicht mehr erfüllt.

Lerneinheit 1: Kontaktplan lesen

Ein Kontaktplan ist an Stromlaufpläne angelehnt. Kontakte bilden Bedingungen, eine Spule steht häufig für ein Ergebnis oder einen Ausgang.

Merksatz: Reihe entspricht bei einfachen Booleschen Netzwerken einer UND-Verknüpfung. Parallele Zweige entsprechen einer ODER-Verknüpfung. Ein negierter Kontakt kehrt die ausgewertete Bedingung um.

KOP-Lesestrategie

Schritt	Frage
Links beginnen	Welche Bedingungen müssen erfüllt sein?
Reihe prüfen	Welche Bedingungen müssen gleichzeitig wahr sein?
Zweige prüfen	Welche Alternativen führen zum gleichen Ergebnis?
Negation beachten	Wird ein Signal direkt oder invertiert ausgewertet?
Rechts enden	Welche Spule oder Funktion erhält das Ergebnis?

Lerneinheit 2: Funktionsplan lesen

Im Funktionsplan werden logische Funktionen als Blöcke dargestellt. Du verfolgst die Signale typischerweise von links nach rechts durch Verknüpfungen bis zum Ergebnis.

FUP-Lesestrategie

Bausteinidee	Bedeutung
UND	Alle relevanten Eingänge müssen wahr sein.
ODER	Mindestens ein relevanter Eingang muss wahr sein.
NICHT	Der Eingang wird logisch umgekehrt.
Ausgang	Das berechnete Ergebnis wird weitergegeben.

Lerneinheit 3: KOP und FUP funktional vergleichen

Die Darstellungen sehen verschieden aus, können aber dieselbe Boolesche Funktion beschreiben.

Logik	KOP-Idee	FUP-Idee
A UND B	zwei Kontakte in Reihe	UND-Block mit A und B
A ODER B	zwei parallele Zweige	ODER-Block mit A und B
NICHT B	negierter Kontakt	Negation am Eingang oder NICHT-Block

Prüfkriterium: Zwei Darstellungen sind für die betrachtete Aufgabe funktional äquivalent, wenn sie für dieselben Eingangszustände dasselbe relevante Ausgangsverhalten erzeugen.

Ausbildungsfall übersetzen

KOP-Idee: Kontakt „Freigabe“ in Reihe mit einem negierten Kontakt „Lichtschranke“, danach Spule „Band“.

FUP-Idee: „Freigabe“ und „NICHT Lichtschranke“ gehen auf einen UND-Baustein. Dessen Ergebnis steuert „Band“.

Beide Darstellungen beschreiben:

Band = Freigabe UND NICHT Lichtschranke

Lerneinheit 4: Signalverläufe lesen

Signalverläufe helfen Dir, eine Logik nicht nur statisch, sondern über mehrere Zustandswechsel hinweg zu prüfen.

Bei Diagnoseaufgaben vergleichst Du immer:

Sollzustand → Eingangszustände → Zwischenergebnis → Ausgangszustand

Lerneinheit 5: Diagnose in der Simulation

Angenommen, die virtuelle Anlage zeigt:

Signal	Erwartet	Beobachtet
Freigabe	EIN	EIN
Lichtschranke	frei	frei
Band	EIN	AUS

Der Fehler liegt dann nicht automatisch am „Motor“. In der Simulation prüfst Du zuerst die Programmlogik und die Signalzuordnung.

Diagnosefolge: Eingang beobachten → Negation prüfen → Verknüpfung prüfen → Ausgang beobachten → erst danach die nächste Ebene untersuchen.

Diagnoseaufgabe A

Fehlerbild: Die Freigabe wechselt korrekt, aber das Band bleibt immer AUS.

Auftrag: Prüfe in der Simulation, ob die Lichtschranke versehentlich ohne Negation in die UND-Verknüpfung eingeht.

Begründetes Feedback: Wenn „Lichtschranke = frei“ als logisch falsch vorliegt und nicht negiert wird, wird die UND-Bedingung trotz Freigabe falsch. Deshalb bleibt das Band aus. Die Diagnose ist schlüssig, wenn Du nicht nur den Ausgang, sondern auch die Eingangsbedeutung und Negation prüfst.

Diagnoseaufgabe B

Fehlerbild: Das Band läuft auch bei belegter Lichtschranke.

Auftrag: Suche in der FUP-Darstellung nach einer fehlenden Negation oder einer falschen ODER-Verknüpfung.

Begründetes Feedback: Eine fehlende Negation oder ein ODER kann die Abschaltbedingung wirkungslos machen. Entscheidend ist, die resultierende Wahrheitstabelle mit der Sollfunktion „Freigabe UND NICHT Lichtschranke“ zu vergleichen.

Gestufte Hilfen

Hilfeebene 1: Lesen

Markiere zuerst Eingang, Verknüpfung und Ausgang. Noch keine Lösung berechnen.

Hilfeebene 2: Übersetzen

Übersetze die Grafik in Wörter: Reihe → UND, Parallelzweig → ODER, negierter Kontakt → NICHT.

Hilfeebene 3: Prüfen

Setze die beobachteten Eingangszustände in die logische Aussage ein und vergleiche das berechnete Ergebnis mit dem simulierten Ausgang.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben

Basis

Aufgabe 1: Lies „Freigabe in Reihe mit NICHT Lichtschranke“ und formuliere die Logik in einem Satz.

Feedback: Richtig ist eine Aussage wie „Das Band läuft nur bei vorhandener Freigabe und freier Lichtschranke.“ Die Begründung liegt in UND-Verknüpfung plus Negation.

Aufgabe 2: Entscheide, ob zwei parallele KOP-Kontakte eher einer UND- oder ODER-Verknüpfung entsprechen.

Feedback: ODER ist richtig, weil jeder der parallelen Zweige einen gültigen logischen Pfad zum Ergebnis bilden kann.

Anwendung

Aufgabe 3: Übertrage „A UND NICHT B“ von KOP nach FUP.

Feedback: In FUP werden A und das negierte B an eine UND-Funktion geführt. Die Darstellung ist anders, die Boolesche Funktion bleibt gleich.

Aufgabe 4: Erstelle für den Ausbildungsfall eine kleine Wahrheitstabelle und prüfe alle Kombinationen von Freigabe und Lichtschranke.

Feedback: Nur bei Freigabe EIN und Lichtschranke frei darf „Band“ EIN sein. Eine vollständige Tabelle verhindert, dass nur ein günstiger Testfall betrachtet wird.

Transfer

Aufgabe 5: Ein Kollege ersetzt im FUP den UND-Block durch ODER. Beschreibe die Auswirkung auf den virtuellen Ablauf.

Feedback: Das Band könnte bereits bei nur einer erfüllten Bedingung laufen. Die neue Funktion ist nicht mehr äquivalent zur geforderten Logik.

Aufgabe 6: Entwickle ein Diagnoseprotokoll für einen Fall, in dem KOP und FUP optisch unterschiedlich sind, aber dasselbe Ausgangsverhalten zeigen.

Feedback: Ein gutes Protokoll vergleicht identische Eingangszustände, Zwischenergebnisse und Ausgänge. Die Begründung stützt sich auf beobachtbares Verhalten statt auf die Ähnlichkeit der Grafik.

Vertiefung: Funktionspläne in realen Projekten erkennen

Komplexe Projekte enthalten oft mehrere Funktionen, Funktionsbausteine und Signalpfade. Für die Ausbildung ist es sinnvoll, zunächst kleine Teilfunktionen sicher lesen zu können.

Transferfrage: Welche Teile einer größeren Darstellung würdest Du zuerst isolieren, um eine einzelne Ausgangsfunktion zu verstehen?

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche logische Verknüpfung entspricht bei einfachen KOP-Netzwerken zwei Kontakten in Reihe? (UND) (!ODER) (!XOR) (!NICHT)

Welche logische Verknüpfung entspricht bei einfachen KOP-Netzwerken parallelen Zweigen? (ODER) (!UND) (!NICHT) (!Speicher)

Was kennzeichnet einen negierten Kontakt in der logischen Auswertung? (Er kehrt den Signalzustand logisch um) (!Er zählt Impulse) (!Er erhöht eine Zahl) (!Er erzeugt automatisch eine Zeitverzögerung)

Woran erkennst Du bei einer einfachen FUP-Darstellung hauptsächlich die Funktion? (An den verbundenen Funktionsblöcken und Signalen) (!An der Farbe des Editors) (!An der Länge des Variablennamens) (!An der Größe des Monitors)

Wann ist bei der Kursfunktion Band gleich Freigabe UND NICHT Lichtschranke der Ausgang aktiv? (Bei aktiver Freigabe und freier Lichtschranke) (!Bei inaktiver Freigabe und belegter Lichtschranke) (!Immer wenn die Lichtschranke belegt ist) (!Unabhängig von den Eingängen)

Wann gelten zwei Darstellungen für die betrachtete Aufgabe als funktional äquivalent? (Wenn sie bei gleichen Eingängen dasselbe relevante Ausgangsverhalten liefern) (!Wenn sie gleich aussehen) (!Wenn sie dieselbe Bildschirmfarbe haben) (!Wenn sie gleich viele Linien besitzen)

Was ist bei einer Diagnose zuerst sinnvoll? (Eingangszustände und ihre Bedeutung prüfen) (!Sofort Hardware austauschen) (!Schutzeinrichtungen überbrücken) (!Alle Ausgänge gleichzeitig erzwingen)

Wozu dient ein Signalverlauf besonders? (Zustandsänderungen über die Zeit nachvollziehen) (!Kabelquerschnitte berechnen) (!Lizenzschlüssel erzeugen) (!Maschinen ohne Prüfung starten)

Wie wird ein neuer Maschinenablauf in diesem Kurs zuerst geprüft? (In einer Simulation oder virtuellen Anlage) (!Unbeaufsichtigt an der Produktionsmaschine) (!Durch Umgehen einer Schutztür) (!Durch automatisches Erzwingen aller Ausgänge)

Was ist für reale Arbeiten an einer Anlage erforderlich? (Geeignete Fachaufsicht und betriebliche Freigabe) (!Nur ein Screenshot des Programms) (!Eine private Vermutung über den Fehler) (!Das Abschalten von Sicherheitsfunktionen)

Memory

Kontaktplan	Stromlaufplanähnliche Logik
Funktionsplan	Blockorientierte Logik
Reihenschaltung	UND
Parallelschaltung	ODER
Öffnerkontakt	Negation
Spule	Boolescher Ausgang
Signalverlauf	Zustände über die Zeit

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Reihe	UND-Funktion
Parallel	ODER-Funktion
Negierter Kontakt	NICHT-Funktion
Spule	Ausgangszustand
Statusbeobachtung	Diagnose

Kreuzworträtsel

Kontaktplan	Welche grafische SPS-Sprache ist an Stromlaufpläne angelehnt?
Funktionsplan	Welche grafische SPS-Darstellung arbeitet mit verbundenen Funktionsblöcken?
Sensor	Wie heißt allgemein ein Element, das einen Prozesszustand erfasst?
Aktor	Wie heißt allgemein ein Element, das auf einen Prozess einwirkt?
Diagnose	Wie nennt man die systematische Fehlereingrenzung?
Negation	Wie heißt die logische Umkehrung eines Signals?

LearningApps

Lückentext

Der Kontaktplan wird kurz

genannt. Zwei Kontakte in Reihe bilden bei einfacher Boolescher Logik eine

-Verknüpfung. Parallele Zweige entsprechen einer

-Verknüpfung. Eine logische Umkehrung heißt

. Der Funktionsplan wird kurz

genannt. In einer FUP-Darstellung werden Signale durch

verarbeitet. Zwei Darstellungen sind funktional gleichwertig, wenn sie dasselbe relevante

erzeugen. Bei der Diagnose werden zuerst die

geprüft. Neue Maschinenabläufe werden zunächst in einer

erprobt. Reale Arbeiten benötigen geeignete Fachaufsicht und betriebliche

.

Offene Aufgaben

Leicht

Kontaktplan lesen: Fotografiere keine reale Anlage, sondern zeichne auf Papier ein eigenes einfaches KOP-Netzwerk mit zwei Eingängen und einem Ausgang und erkläre die Logik.
Funktionsplan lesen: Stelle dieselbe Logik als FUP-Skizze dar und markiere Eingang, Verknüpfung und Ausgang.
Signalverlauf: Erstelle für die virtuelle Förderstation einen Signalverlauf mit mindestens vier Zustandswechseln.
Fachsprache: Erstelle eine Lernkarte zu KOP, FUP, UND, ODER, NICHT, Eingang und Ausgang.

Standard

Wahrheitstabelle: Entwickle eine vollständige Wahrheitstabelle für „Freigabe UND NICHT Lichtschranke“ und begründe jede Ausgangsreaktion.
Funktionsäquivalenz: Entwirf zwei unterschiedlich aussehende KOP-Netzwerke und prüfe, ob sie wirklich dieselbe Funktion besitzen.
SPS-Simulation: Baue die Förderlogik in einer zugelassenen Lern- oder Simulationsumgebung nach und dokumentiere nur die simulierten Signalzustände.
Fehlersuche: Füge in einer Kopie Deines Simulationsprogramms absichtlich eine falsche Negation ein und entwickle ein Diagnoseprotokoll.

Schwer

Diagnosestrategie: Entwickle einen Entscheidungsbaum, mit dem ein Auszubildender einen unerwarteten Ausgangszustand systematisch eingrenzen kann.
Transfer KOP FUP: Vergleiche drei Boolesche Funktionen in KOP und FUP und formuliere Kriterien für funktionale Gleichwertigkeit.
Virtuelle Anlage: Entwirf eine erweiterte virtuelle Förderstation mit einem zweiten Sensor und einer Meldeleuchte, ohne reale Ausgänge anzusteuern.
Ausbildungsprojekt: Produziere ein kurzes Lernvideo, in dem Du an einer Simulation erklärst, wie aus einem Signalverlauf eine Fehlerhypothese entsteht.

Lernkontrolle

Funktionsvergleich: Zwei Programme sehen völlig verschieden aus, liefern aber in allen geprüften Eingangskombinationen dasselbe Ergebnis. Erkläre, welche weiteren Prüfungen Du vor der Aussage „funktional äquivalent“ durchführen würdest.
Fehlerdiagnose: Die Simulation zeigt korrekte Eingangssignale, aber einen falschen Ausgang. Entwickle eine begründete Prüfreihenfolge vom Eingang bis zum Ausgang.
Signalinterpretation: Ein Sensor wechselt im Signalverlauf zeitlich korrekt, der Ausgang reagiert jedoch einen Schritt später als erwartet. Formuliere mehrere mögliche softwarebezogene Ursachen und beschreibe, wie Du sie unterscheidest.
Darstellungswechsel: Begründe, wann KOP für einen Lernenden anschaulicher sein kann und wann FUP den Signalfluss übersichtlicher darstellen kann.
Sicherheitsbewertung: Ein simuliertes Programm funktioniert. Begründe, warum daraus noch keine Freigabe für den Einsatz an einer realen Maschine folgt.
Transferaufgabe SPS: Entwickle für eine neue virtuelle Anlage eine einfache Boolesche Funktion, stelle sie in KOP und FUP dar und belege ihre Äquivalenz mit einer Wahrheitstabelle.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du Folgendes zeigen:

Du kannst ein einfaches KOP-Netzwerk korrekt lesen und in eine logische Aussage übersetzen.
Du kannst ein einfaches FUP-Netzwerk entlang des Signalflusses erklären.
Du kannst KOP und FUP für eine Boolesche Funktion miteinander vergleichen.
Du kannst eine Wahrheitstabelle oder einen Signalverlauf zur Funktionsprüfung einsetzen.
Du kannst einen simulierten Fehler mit einer nachvollziehbaren Diagnosefolge eingrenzen.
Du kannst begründen, warum Simulation, betriebliche Freigabe, Fachaufsicht und wirksame Schutzeinrichtungen unterschiedliche Voraussetzungen erfüllen.

OERs zum Thema

Fachquellen

Quelle	Nutzung im Kurs
PLCopen – IEC 61131-3	Einordnung der grafischen Sprachen LD und FBD.
PLCopen – Status der IEC 61131-3	Aktueller Überblick über die Sprachfamilie.
PLCopen – FAQ	Hinweis, dass nicht jedes beliebige Programm verlustfrei zwischen Sprachen konvertierbar ist.
Siemens – Engineering Software mit KOP/FUP	Herstellerterminologie KOP/FUP und Diagnosebezug.
Betriebssicherheitsverordnung § 6	Grundlegende Schutzmaßnahmen und Verbot des einfachen Umgehens von Sicherheitseinrichtungen.
Betriebssicherheitsverordnung § 9	Anforderungen an Schutzeinrichtungen.

Medien- und Rechtehinweise

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Simatic S7-1200.JPG	CC BY-SA 3.0
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Ladder logic diagram.jpg	CC BY-SA 4.0
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BeispielFUP.svg	CC BY-SA 4.0
Relay and.svg	Public Domain
RelaisdiagrammBeispiel.svg	CC BY-SA 3.0
Zeitrelais everz.gif	Public Domain
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Schema-contactor.png	CC0 1.0
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