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SPS-Programmierung in der Ausbildung – SPS-Aufbau und Zyklus verstehen

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SPS-Programmierung in der Ausbildung – SPS-Aufbau und Zyklus verstehen

Einleitung

Eine SPS verbindet Eingänge, Programmbearbeitung und Ausgänge in einem wiederkehrenden Zyklus. Du lernst hier den Aufbau einer SPS und verfolgst einen Signalweg vom Sensor über das Prozessabbild bis zum Aktor.

Ausbildungsfokus: kurze Lerneinheiten, virtuelle Anlage, Signalverläufe, Diagnose und begründetes Feedback.

Sicherheitsrahmen: Alle Maschinenabläufe werden zuerst simuliert. Dieser Kurs veranlasst keine automatische Live-Ansteuerung. Schutzeinrichtungen werden niemals überbrückt oder unwirksam gemacht. Reale Arbeiten an elektrischen Anlagen, SPS-Hardware oder Maschinen erfolgen nur unter geeigneter Fachaufsicht, nach betrieblicher Freigabe und nach den vor Ort geltenden Sicherheitsregeln.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du den Signalweg Eingang → Prozessabbild → Programm → Ausgangsabbild → Ausgang erklären, einen einfachen SPS-Zyklus an Signalwerten nachvollziehen, typische Fehlerorte eingrenzen und begründen, warum Simulation vor realer Inbetriebnahme steht.

Lerneinheit 1: SPS-Aufbau

Eine SPS besteht vereinfacht aus Versorgung, CPU/Speicher, Eingabebaugruppen, Ausgabebaugruppen und Kommunikationsschnittstellen. Sensoren liefern Signale an Eingänge; die CPU verarbeitet das Anwenderprogramm; Ausgänge geben Schaltsignale an Aktoren oder nachgeschaltete Leistungstechnik weiter.

Bereich	Aufgabe	Ausbildungsbeispiel
Eingang	Signal aufnehmen	Lichtschranke meldet Werkstück
CPU	Programm zyklisch bearbeiten	Freigabebedingung prüfen
Ausgang	Ergebnis ausgeben	Virtueller Fördermotor wird angezeigt

Lerneinheit 2: Prozessabbild und Zyklus

Das Prozessabbild der Eingänge ist eine Momentaufnahme der Eingangssignale. Das Anwenderprogramm arbeitet im Grundmodell mit dieser konsistenten Kopie. Ergebnisse werden in das Prozessabbild der Ausgänge geschrieben.

Für eine SIMATIC S7-1200 beschreibt Siemens den RUN-Zyklus formal so: Zuerst werden Werte aus dem Ausgangsabbild an die physischen Ausgänge übertragen, dann werden die Eingänge in das Eingangsabbild gelesen, danach wird das Anwenderprogramm ausgeführt. Didaktisch kannst Du den Signalweg deshalb als Eingang → Eingangsabbild → Programm → Ausgangsabbild → physischer Ausgang beim nächsten passenden Ausgabezeitpunkt verfolgen.

Phase	Was passiert?
Ausgang aktualisieren	Vorhandene Werte des Ausgangsabbilds werden an automatisch aktualisierte physische Ausgänge übertragen.
Eingang einlesen	Physische Eingangszustände werden in das Prozessabbild der Eingänge kopiert.
Programm bearbeiten	Die CPU arbeitet das Anwenderprogramm mit diesen Eingangswerten ab und berechnet neue Ausgangswerte.
Wiederholen	Der nächste Zyklus beginnt; Diagnose, Kommunikation und Ereignisse können zusätzlich berücksichtigt werden.

Merksatz: Das Prozessabbild trennt den momentanen Feldzustand von der Programmbearbeitung und macht die zyklische Logik nachvollziehbar.

Kurzvideo: Zyklus

Lerneinheit 3: Konkreter Ausbildungsfall – virtueller Förderband-Prüfplatz

Nur Simulation: Ein Werkstück fährt auf einem virtuellen Förderband zu einer Lichtschranke. Die Übungslogik lautet: Der virtuelle Motor soll laufen, wenn eine Freigabe anliegt und die Lichtschranke noch kein Werkstück meldet.

Symbol	Bedeutung	Rolle
E0.0	Freigabe	Eingang
E0.1	Lichtschranke belegt	Eingang
A0.0	Virtueller Fördermotor	Ausgang
A0.1	Virtuelle Meldelampe	Ausgang

Übungslogik: A0.0 wird im Ausgangsabbild 1, wenn E0.0 = 1 und E0.1 = 0. A0.1 wird 1, wenn E0.1 = 1.

Die Abbildung zeigt ein historisches Ladder-/KOP-Beispiel und dient hier nur zur Orientierung der grafischen SPS-Logik. Für die Ausbildung entscheidend ist nicht die konkrete Softwareoberfläche, sondern der Signalweg und die zyklische Bearbeitung.

Lerneinheit 4: Signalverlauf über mehrere Zyklen

Nimm an, das Ausgangsabbild startet mit A0.0 = 0. Die Tabelle trennt bewusst neues Ausgangsabbild und physischen Ausgang zu Zyklusbeginn.

Zyklus	E0.0 Freigabe beim Einlesen	E0.1 Lichtschranke beim Einlesen	A0.0 physisch zu Zyklusbeginn	neues A0.0 im Ausgangsabbild nach Programmlauf
Z1	0	0	0	0
Z2	1	0	0	1
Z3	1	0	1	1
Z4	1	1	1	0
Z5	1	1	0	0

Beobachtung: Eine Änderung, die das Programm in das Ausgangsabbild schreibt, wird im Grundmodell nicht rückwirkend auf den bereits begonnenen Zyklus angewendet. Direkte Peripheriezugriffe, Interrupts und herstellerspezifische Details können das Grundmodell erweitern; sie sind nicht Gegenstand dieser Basiseinheit.

Lerneinheit 5: Simulation und Beobachtung

Simulation starten: Nutze die im Ausbildungsbetrieb freigegebene SPS-Simulation oder virtuelle Anlage.
Eingänge beobachten: Ändere nur simulierte Signale und notiere das Eingangsabbild.
Programmbearbeitung beobachten: Prüfe, welche Bedingung das Ausgangsabbild verändert.
Signalverlauf dokumentieren: Halte mindestens fünf Zyklen wie in der Tabelle fest.
Diagnose üben: Verändere in der Simulation gezielt einen Signalzustand oder eine Zuordnung und finde die Fehlerstelle.

Medienhinweis: Das folgende Video zeigt PLCSIM exemplarisch mit TIA Portal V13. Die Bedienoberfläche kann in neueren Versionen abweichen; das Lernziel ist die Trennung von Simulation und realer Hardware.

Lerneinheit 6: Diagnose in drei Ebenen

Bei einer Störung fragst Du der Reihe nach:

Ebene	Diagnosefrage	Typischer Hinweis in der Simulation
Eingang	Kommt das erwartete Signal im Eingangsabbild an?	Sensorzustand und Eingangsvariable stimmen nicht überein.
Programm	Erzeugt die Logik aus den Eingängen das erwartete Ergebnis?	Eine Freigabe, Verriegelung oder Bedingung verhindert das Ergebnis.
Ausgang	Steht das erwartete Ergebnis im Ausgangsabbild?	Ausgangsabbild ist richtig, die virtuelle Anlage reagiert aber nicht wie erwartet.

Wichtig: An realen Maschinen darf Diagnose niemals durch Umgehen von Schutzeinrichtungen erzwungen werden. Reale Mess-, Prüf- oder Änderungsarbeiten gehören in die fachlich freigegebene betriebliche Arbeitsorganisation.

Gestufte Hilfen

Hilfe 1 – Signalweg

Markiere zuerst, ob Dein Problem vor dem Programm, im Programm oder nach dem Programm liegt: Eingang → Eingangsabbild → Logik → Ausgangsabbild → Ausgang.

Hilfe 2 – Zyklus

Vergleiche immer Werte aus demselben Zyklus. Ein Ausgang kann noch den Wert aus dem vorherigen Programmlauf zeigen, bis die Ausgabeaktualisierung erfolgt.

Hilfe 3 – Diagnose

Wenn das Eingangsabbild stimmt, suche im Programm. Wenn das Programmergebnis und Ausgangsabbild stimmen, suche in der nachfolgenden virtuellen Anlagenebene.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben

Basisaufgabe

Aufgabe: Bringe den Signalweg in die fachlich sinnvolle Reihenfolge: Sensorzustand, Eingangsabbild, Programmlogik, Ausgangsabbild, virtueller Ausgang.

Begründetes Feedback

Richtig ist: Sensorzustand → Eingangsabbild → Programmlogik → Ausgangsabbild → virtueller Ausgang. Die Trennung in Abbilder sorgt dafür, dass das Programm mit definierten Zuständen arbeitet.

Anwendungsaufgabe

Aufgabe: In Z2 wird E0.0 = 1 und E0.1 bleibt 0. Begründe, warum das neue Ausgangsabbild A0.0 = 1 werden kann, obwohl der physische Ausgang zu Zyklusbeginn noch 0 ist.

Begründetes Feedback

Das Programm berechnet A0.0 aus dem neu eingelesenen Eingangsabbild. Der physische Ausgang wurde zu Beginn dieses Zyklus jedoch noch mit dem vorherigen Ausgangsabbild aktualisiert. Dadurch ist der zeitliche Unterschied im Signalverlauf erklärbar.

Transferaufgabe

Aufgabe: In der Simulation zeigt E0.1 korrekt 0 und die Programmbedingung ist erfüllt, aber das Ausgangsabbild A0.0 bleibt 0. Nenne zwei plausible Programmursachen und begründe die Reihenfolge Deiner Prüfung.

Begründetes Feedback

Plausibel sind zum Beispiel eine fehlende Freigabe oder eine weitere Verriegelungsbedingung. Weil das Eingangsabbild bereits plausibel ist, liegt die nächste Prüfebene im Programm. Erst danach wäre die Ausgangs- oder Anlagenebene sinnvoll.

Medien- und Quellenprüfung

Fachliche Quellen:

Siemens SIMATIC S7-1200 Automatisierungssystem, Systemhandbuch V4.6: Prozessabbilder, Speicherbereiche und zyklische Programmausführung.
Siemens S7-1200 Erste Schritte: kompakte Darstellung der Arbeitsschritte im Zyklus.
IEC 61131-3:2025: aktuelle Normausgabe zu SPS-Programmiersprachen.
DGUV Information 203-001: Arbeiten an elektrischen Anlagen grundsätzlich durch Elektrofachkräfte oder unter deren Leitung und Aufsicht.
DGUV FBHM-022: Manipulation und Umgehen von Schutzeinrichtungen verhindern.
Wikipedia: Speicherprogrammierbare Steuerung: ergänzende Übersicht zur Arbeitsweise.

Geprüfte Wikimedia-Commons-Medien:

Datei	Rechtehinweis
	CC BY-SA 3.0, Urheber: UlrichAAB
	CC BY-SA 4.0, Urheber: ProVision
	CC BY-SA 4.0, Urheber: Raihan
	CC BY-SA 3.0 / GFDL, Urheber: MatthiasDD
	CC BY-SA 4.0, Urheber: Alxcor
	CC BY-SA 4.0, Urheber: Ekbreckenridge

YouTube: Die eingebetteten Videos wurden als tatsächlich vorhandene Lernmedien geprüft. Für sie wird keine offene Lizenz behauptet; sie werden nur über die YouTube-Einbettung angezeigt. Rechte und Verfügbarkeit verbleiben bei den jeweiligen Kanälen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wozu dient das Prozessabbild der Eingänge? (Es speichert eine Momentaufnahme der eingelesenen Eingangssignale) (!Es ersetzt alle physischen Sensoren) (!Es versorgt die CPU mit Netzspannung) (!Es speichert ausschließlich Ausgangswerte)

Was folgt im Grundmodell nach dem Einlesen der Eingänge? (Die Bearbeitung des Anwenderprogramms) (!Das Ausschalten der CPU) (!Das Löschen aller Variablen) (!Das Umgehen der Schutzeinrichtungen)

Wo schreibt das Anwenderprogramm im Grundmodell neue Ausgangswerte hin? (In das Prozessabbild der Ausgänge) (!Direkt in den Eingangssensor) (!In die Netzversorgung) (!In das Gehäuse der CPU)

Welche Komponente verarbeitet das Anwenderprogramm? (Die CPU) (!Die Lichtschranke) (!Der Motor) (!Das Netzwerkkabel)

Was ist bei diesem Kurs die erste Ebene für Maschinenabläufe? (Die Simulation) (!Die automatische Live-Ansteuerung) (!Das Überbrücken der Schutztür) (!Das ungeprüfte Einschalten der Anlage)

Was prüfst Du zuerst bei einem falschen Sensorsignal in der Simulation? (Ob der erwartete Wert im Eingangsabbild ankommt) (!Ob das Gehäuse der CPU warm ist) (!Ob der Ausgang schon eingeschaltet wurde) (!Ob die Schutzeinrichtung deaktiviert werden kann)

Warum kann der physische Ausgang kurz noch den vorherigen Wert zeigen? (Weil Ausgabeaktualisierung und Programmberechnung zeitlich im Zyklus getrennt sind) (!Weil SPS grundsätzlich zufällig schalten) (!Weil Eingänge immer verzögert um Minuten reagieren) (!Weil das Anwenderprogramm nur einmal startet)

Welche Diagnoseebene folgt, wenn das Eingangsabbild korrekt ist und das Ergebnis falsch bleibt? (Die Programmlogik) (!Die Farbe des Schaltschrankes) (!Die Gebäudebeleuchtung) (!Die Verpackung der SPS)

Welche Aussage zu Schutzeinrichtungen ist richtig? (Sie dürfen für Lern- oder Diagnosezwecke nicht umgangen werden) (!Sie dürfen in der Ausbildung immer überbrückt werden) (!Sie sind nur bei ausgeschalteter SPS wichtig) (!Sie können durch Softwaretests ersetzt werden)

Welche Aussage beschreibt eine SPS am besten? (Sie liest Signale ein, verarbeitet ein Programm und bildet daraus Ausgänge) (!Sie ist ausschließlich ein mechanisches Relais) (!Sie speichert nur Videos) (!Sie arbeitet ohne Eingänge)

Memory

Eingangsabbild	Momentaufnahme der Eingangssignale
Ausgangsabbild	berechnete Ausgangswerte
CPU	Programmbearbeitung
Sensor	liefert ein Eingangssignal
Aktor	setzt ein Ausgangssignal um
Zyklus	wiederkehrende Bearbeitungsfolge
Simulation	gefahrloses Erproben des Ablaufs

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Sensorzustand	Eingang in die Steuerung
Eingangsabbild	gespeicherte Eingangsmomentaufnahme
Programmlogik	Verarbeitung der Bedingungen
Ausgangsabbild	gespeichertes Programmergebnis
Virtueller Aktor	Reaktion der simulierten Anlage

...

Kreuzworträtsel

Prozessabbild	Wie heißt die gespeicherte Momentaufnahme von Ein- oder Ausgangswerten?
Zyklus	Wie heißt die ständig wiederholte Bearbeitungsfolge einer SPS?
Eingang	Wo trifft ein Sensorsignal an der SPS ein?
Ausgang	Wo verlässt ein berechnetes Steuersignal die SPS?
Diagnose	Wie heißt das systematische Eingrenzen einer Störung?
Freigabe	Wie heißt eine Bedingung, die eine Funktion erlaubt?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

SPS-Aufbau: Erstelle eine beschriftete Skizze mit Eingang, CPU und Ausgang.
Signalweg: Zeichne den Weg eines Lichtschrankensignals bis zum virtuellen Motor.
Prozessabbild: Erkläre in fünf Sätzen den Unterschied zwischen physischem Eingang und Eingangsabbild.
Sicherheitsregel: Formuliere drei Regeln, warum eine Simulation vor realen Tests steht.

Standard

Signalverlauf: Erstelle für sechs Zyklen eine eigene Tabelle mit zwei Eingängen und einem Ausgang.
Virtuelle Anlage: Baue in einer freigegebenen Simulation einen Förderbandablauf mit Freigabe, Sensor und Meldelampe nach.
Fehlerdiagnose: Erzeuge in der Simulation einen Adress- oder Logikfehler und dokumentiere Deine Diagnose in den Ebenen Eingang, Programm und Ausgang.
Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Lernvideo, das Prozessabbild und Zyklus an Deinem virtuellen Beispiel erklärt.

Schwer

Zykluszeit: Diskutiere, wie eine sehr lange Zykluszeit die Reaktion einer Steuerung beeinflussen kann, ohne dabei reale Grenzwerte zu erfinden.
Direktzugriff: Recherchiere in der Herstellerdokumentation den Unterschied zwischen Prozessabbild und direktem Peripheriezugriff und erkläre, warum der Direktzugriff nicht das Basismodell ersetzen sollte.
Diagnosekonzept: Entwickle für den virtuellen Förderband-Prüfplatz einen strukturierten Diagnosebaum mit mindestens acht Entscheidungspunkten.
Transferprojekt: Entwirf eine zweite virtuelle Anlage, zum Beispiel eine Füllstation, und übertrage das Schema Eingang → Prozessabbild → Programm → Ausgangsabbild → Ausgang.

Lernkontrolle

Signaltransfer: Ein Eingang wechselt kurz nach dem Einlesen seinen Zustand. Erkläre, wann das Grundmodell diesen Wechsel spätestens berücksichtigen kann und welche Annahmen Deiner Antwort zugrunde liegen.
Fehlerlokalisierung: Das Eingangsabbild ist korrekt, das Ausgangsabbild aber falsch. Entwickle eine begründete Prüfstrategie für die Programmlogik.
Systemverständnis: Vergleiche den Signalweg einer SPS mit dem EVA-Prinzip und benenne Gemeinsamkeiten sowie Grenzen des Vergleichs.
Diagnoseentscheidung: In der Simulation ist das Ausgangsabbild korrekt, die virtuelle Anlage reagiert falsch. Leite daraus die nächste sinnvolle Prüfebene ab und begründe sie.
Sicherer Transfer: Plane, welche zusätzlichen Freigaben, Aufsichten und Prüfungen nötig wären, bevor ein erfolgreich simulierter Ablauf überhaupt an realer Ausbildungshardware erprobt werden dürfte.
Zyklusargumentation: Begründe, warum die Trennung zwischen Eingangsabbild, Programmbearbeitung und Ausgangsabbild die Fehlersuche erleichtert.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

den SPS-Aufbau mit Eingängen, CPU und Ausgängen funktional erklären kannst,
den Unterschied zwischen physischem Signal und Prozessabbild verstehst,
mindestens einen Signalverlauf über mehrere Zyklen korrekt auswertest,
eine virtuelle Steuerung systematisch über Eingang, Programm und Ausgang diagnostizierst,
einen Fehler fachlich begründet eingrenzt,
Simulation, reale Inbetriebnahme und Sicherheitsfreigabe klar voneinander trennst,
keine Umgehung von Schutzeinrichtungen als Diagnose- oder Lernmethode verwendest.