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SPS-Programmierung in der Ausbildung – Zeit- und Zählbausteine prüfen

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SPS-Programmierung in der Ausbildung – Zeit- und Zählbausteine prüfen

Kurzbeschreibung: Du prüfst die Initialisierung und das Zustandsverhalten von IEC-Zeit- und Zählbausteinen an einer virtuellen Förderanlage. Im Mittelpunkt stehen Signalverläufe, Simulation, Diagnose und begründetes Testen.

Ausbildungsfall: Virtuelle Verpackungszelle

Eine simulierte Förderanlage transportiert Werkstücke zu einer Verpackungsstation. Ein Sensor erkennt jedes Werkstück. Ein Zeitbaustein verzögert eine Freigabe, ein Impulsbaustein erzeugt ein kurzes Signal und ein Zähler bildet Lose zu jeweils sechs Werkstücken.

Dein Auftrag: Prüfe nicht nur, ob das Programm „irgendwie läuft“, sondern ob Startzustand, Flanken, Zeitablauf, Rücksetzen und Diagnosewerte nachvollziehbar sind.

Sicherheitsregel: Alle Maschinenabläufe werden zuerst simuliert. Dieser Lernkurs veranlasst keine automatische Live-Ansteuerung realer Maschinen. Schutzeinrichtungen werden niemals überbrückt oder unwirksam gemacht. Reale Arbeiten erfolgen nur unter geeigneter Fachaufsicht, betrieblicher Freigabe und den vor Ort geltenden Sicherheitsregeln.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du:

Zeitbausteine TON, TOF und TP anhand ihrer Ein- und Ausgangssignale unterscheiden.
Zählbausteine CTU, CTD und CTUD mit Flanken, Vorgabewert und aktuellem Zählwert prüfen.
Start- und Rücksetzbedingungen bewusst testen, statt sie vorauszusetzen.
Signalverläufe lesen und Soll- mit Ist-Verhalten vergleichen.
Virtuelle Anlagen für sichere Tests und Fehlersuche verwenden.
Diagnosewerte wie Q, ET und CV zur Fehlerlokalisierung nutzen.

Lerneinheit 1: Erst simulieren, dann beurteilen

Ein SPS-Programm wird zyklisch bearbeitet. Deshalb prüfst Du Signale als Zustände über die Zeit. Für die Ausbildung ist eine virtuelle Steuerung besonders geeignet: Eingänge lassen sich gezielt setzen, Signalfolgen wiederholen und Diagnosewerte beobachten, ohne eine reale Maschine zu bewegen.

Basisaufgabe: Starte eine virtuelle CPU und beobachte ausschließlich Eingänge, Ausgänge und interne Bausteinwerte.

Begründetes Feedback: Ein guter Test beginnt mit beobachtbaren Sollwerten. Wenn Du vor dem Start notierst, welche Signale 0 oder 1 sein sollen, kannst Du Abweichungen gezielt begründen.

Lerneinheit 2: Initialisierung und Zustandsverhalten

Ein häufiger Ausbildungsfehler lautet: „Nach dem Start ist bestimmt alles null.“ Das darfst Du nicht einfach annehmen. Prüfe, welche Werte durch einen Baustein logisch zurückgesetzt werden und welche Werte in Instanzdaten gespeichert werden. Anlauf- und Retentivverhalten hängen außerdem von Steuerung, Projektierung und Speicherparametrierung ab.

Prüffrage	Erwartung im Test
TON mit IN = FALSE	Q = FALSE und ET = 0 im beschriebenen IEC-Verhalten
CTU mit aktivem Reset	CV wird auf 0 gesetzt
CTU ohne Reset nach Neustart	Nicht raten: tatsächlichen Zustand beobachten und Projektierung prüfen
Prozessfreigabe	Erst nach eindeutig definiertem Initialzustand zulassen

Basisaufgabe: Erstelle vor dem Simulationsstart eine Tabelle mit den erwarteten Startwerten von IN, Q, ET, CU, R, CV und Zähler-Q.

Begründetes Feedback: Die Tabelle zwingt Dich, Erwartungen vor der Beobachtung festzulegen. So vermeidest Du, einen zufälligen Zustand im Nachhinein als „richtig“ zu erklären.

Lerneinheit 3: TON, TOF und TP prüfen

TON ist eine Einschaltverzögerung: Solange IN nicht aktiv ist, bleibt Q aus. Wird IN aktiv, läuft ET bis zur Vorgabe PT. Erst dann wird Q aktiv, sofern IN weiter aktiv bleibt.

TOF ist eine Ausschaltverzögerung: Bei aktivem IN ist Q aktiv. Fällt IN ab, bleibt Q noch bis zum Ablauf von PT aktiv.

TP erzeugt nach einer auslösenden Flanke einen zeitlich begrenzten Ausgangsimpuls.

Baustein	Prüfsignal	Entscheidend beobachten
TON	IN wird 0 → 1	ET steigt; Q erst nach PT
TOF	IN wird 1 → 0	Q bleibt zunächst aktiv und fällt nach PT
TP	Auslöseflanke	Q ist für die definierte Impulszeit aktiv

Anwendungsaufgabe: Die Verpackungsfreigabe darf erst zwei Sekunden nach stabiler Werkstückerkennung aktiv werden. Begründe, warum TON dafür besser passt als TOF.

Begründetes Feedback: TON bildet genau das gewünschte Verhalten ab: Die Freigabe folgt erst nach einer ununterbrochenen Einschaltzeit. TOF würde dagegen das Ausschalten verzögern.

Lerneinheit 4: Zählbausteine prüfen

Beim CTU zählt nicht die Dauer des Signals, sondern die relevante steigende Flanke am Zähleingang. Der aktuelle Zählwert heißt häufig CV, der Vorgabewert PV. Bei CV ≥ PV wird der zugehörige Ausgang Q aktiv.

Basisaufgabe: Simuliere fünf saubere 0→1-Flanken bei PV = 6. Welchen CV erwartest Du?

Feedback: CV = 5. Ein dauerhaftes TRUE-Signal darf nicht in jedem SPS-Zyklus weiterzählen, wenn der verwendete IEC-Zähler auf steigende Flanken reagiert.

Anwendungsaufgabe: Erzeuge danach eine sechste Flanke.

Feedback: CV erreicht 6; bei CTU wird Q aktiv, sobald CV den Vorgabewert erreicht oder überschreitet.

Lerneinheit 5: Signalverläufe statt Bauchgefühl

Für die Diagnose zeichnest Du Sollverläufe. Schon eine kleine Tabelle reicht.

TON-Beispiel mit PT = 2 s:

Zeitpunkt	IN	ET	Q
0 s	0	0 s	0
0,5 s	1	ca. 0,5 s	0
1,5 s	1	ca. 1,5 s	0
2,5 s	1	PT erreicht	1
3,0 s	0	0 s	0

CTU-Beispiel mit PV = 3:

Ereignis	CU-Flanke	CV	Q
Start nach Reset	keine	0	0
Werkstück 1	steigend	1	0
Werkstück 2	steigend	2	0
Werkstück 3	steigend	3	1

Transferaufgabe: Ein Sensor prellt in der Simulation und erzeugt zwei steigende Flanken für ein einziges Werkstück. Erkläre, warum der Zähler dann einen falschen Losstand anzeigen kann.

Begründetes Feedback: CTU bewertet Flanken. Zwei erkannte Flanken können deshalb als zwei Ereignisse gezählt werden. Die Diagnose muss zuerst klären, ob das Eingangssignal sauber ist, bevor der Zähler als Fehlerursache gilt.

Lerneinheit 6: Diagnose an der virtuellen Anlage

Bearbeite den Ausbildungsfall in dieser Reihenfolge:

Startzustand prüfen: Sind unerwartete Ausgänge aktiv?
Eingang prüfen: Kommt die erwartete Flanke wirklich an?
Baustein prüfen: Ändern sich ET oder CV?
Grenzwert prüfen: Sind PT und PV plausibel?
Ausgang prüfen: Reagiert Q zum erwarteten Zeitpunkt?
Reset prüfen: Wird nur das zurückgesetzt, was zurückgesetzt werden soll?

Diagnosefall A: TON-Q bleibt immer FALSE. IN ist nur 0,8 s aktiv, PT beträgt 2 s.

Feedback: Der Timer erreicht PT nie. Der Baustein arbeitet plausibel; die Ursache liegt im Eingangssignal oder in der Anforderung.

Diagnosefall B: CTU-CV bleibt bei 1, obwohl der Sensor fünf Sekunden TRUE ist.

Feedback: Bei einem flankengetriggerten CTU ist das erwartbar: Ein langes TRUE enthält nur eine steigende Flanke.

Diagnosefall C: Nach einem Neustart ist ein gespeicherter Wert nicht wie erwartet.

Feedback: Prüfe Resetlogik, Instanzdaten und Retentiv-/Anlaufprojektierung. Ein Neustart ist nicht automatisch dasselbe wie ein expliziter Reset.

Gestufte Hilfen

Problem	Hilfe 1	Hilfe 2	Hilfe 3
TON schaltet nicht	Prüfe IN	Beobachte ET	Vergleiche ET mit PT und prüfe, ob IN lange genug TRUE bleibt
CTU zählt falsch	Prüfe CU	Zähle steigende Flanken	Prüfe Signalprellen, Reset und PV
Startzustand unklar	Notiere Sollwerte	Prüfe Resetpfade	Prüfe Anlauf- und Retentivprojektierung
Ausgang reagiert unerwartet	Vergleiche Soll und Ist	Gehe vom Eingang zum Baustein	Prüfe erst danach die Ausgangslogik

Praxischeck: Basis, Anwendung, Transfer

Niveau	Aufgabe	Begründetes Feedback
Basis	Ordne TON, TOF, TP und CTU ihrem Grundverhalten zu.	Erst wenn das Grundverhalten sicher ist, sind Signaldiagnosen belastbar.
Anwendung	Teste den 2-s-TON und den 6er-CTU mit einer wiederholbaren Eingangstabelle.	Wiederholbare Testfolgen machen Fehler reproduzierbar.
Transfer	Entwirf einen Test, der einen Neustart, einen expliziten Reset und eine Sensor-Doppelflanke voneinander unterscheidet.	Gute Diagnose trennt verschiedene Ursachen durch gezielt unterschiedliche Testbedingungen.

Fachquellen und Medienrechte

Die fachlichen Aussagen wurden mit Herstellerdokumentation und Arbeitsschutzquellen abgeglichen.

Bereich	Geprüfte Quelle
IEC-Zeit- und Zählfunktionen	Siemens SITRAIN – Timer and counter functions
CTU-Zustandsverhalten	SIMATIC S7-1200 System Manual
TON und Standardbausteine	Beckhoff TwinCAT 3 PLC Library Tc2_Standard
Virtuelle Inbetriebnahme	Siemens SIMIT
SPS-Simulation	Siemens S7-PLCSIM Advanced
Schutz gegen Manipulation	DGUV/IFA – Manipulation von Schutzeinrichtungen verhindern
Fachaufsicht bei elektrischen Arbeiten	DGUV Vorschrift 3 – Durchführungsanweisungen

Medienrechte: Die eingebundenen Bilder stammen aus Wikimedia Commons. Die jeweiligen Dateiseiten enthalten Urheber- und Lizenzangaben. Geprüfte Beispiele: „Simatic S7-1200.JPG“ ist unter CC BY-SA 3.0 veröffentlicht; „Ladder logic diagram.jpg“, „OFF Delay timer PLC.jpg“, „Counters PLC.jpg“, „Down Counter PLC.jpg“, „Up and Down counter PLC.jpg“, „Switch and LED PLC connection address.jpg“ sowie „Programmable interval timer timing diagram.jpg“ sind auf Commons mit freien Creative-Commons-Lizenzen dokumentiert. YouTube-Videos werden nur eingebettet; die Rechte verbleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern und die Verfügbarkeit kann sich ändern.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was kennzeichnet einen TON? (Einschaltverzögerung) (!Ausschaltverzögerung) (!Aufwärtszähler) (!Impulsspeicher)

Was wird bei einem CTU typischerweise ausgewertet? (Eine steigende Flanke am Zähleingang) (!Die Dauer eines TRUE-Signals) (!Die analoge Eingangsspannung) (!Die CPU-Temperatur)

Wann wird Q eines CTU bei PV gleich 6 aktiv? (Wenn CV mindestens 6 erreicht) (!Nach genau sechs SPS-Zyklen) (!Sobald CU dauerhaft TRUE ist) (!Nur nach einem Neustart)

Welcher Wert zeigt bei einem IEC-Zähler typischerweise den aktuellen Zählstand? (CV) (!PT) (!ET) (!IN)

Welcher Wert ist bei einem Zeitbaustein die vorgegebene Zeit? (PT) (!CV) (!CU) (!PV)

Was ist beim Test eines Startzustands fachlich richtig? (Den tatsächlichen Zustand beobachten und mit der Projektierung vergleichen) (!Immer davon ausgehen, dass alle Werte null sind) (!Schutzeinrichtungen für den Test überbrücken) (!Die reale Maschine sofort automatisch starten)

Warum kann ein prellender Sensor einen CTU falsch zählen lassen? (Weil mehrere steigende Flanken erkannt werden können) (!Weil der Timer PT automatisch verdoppelt) (!Weil Q immer invertiert wird) (!Weil CV nur analoge Werte speichert)

Was ist bei einem TON mit IN gleich FALSE zu erwarten? (Q ist FALSE und die Zeitmessung ist zurückgesetzt) (!Q bleibt immer TRUE) (!CV wird hochgezählt) (!Der Zähler lädt PV)

Was ist der sicherste erste Schritt bei einem neuen Maschinenablauf? (Den Ablauf in einer geeigneten Simulation prüfen) (!Schutztüren überbrücken) (!Ausgänge der realen Maschine sofort forcieren) (!Die Anlage ohne Freigabe starten)

Warum zeichnet man Signalverläufe? (Um Soll und Ist zeitlich vergleichen zu können) (!Um die SPS-Zykluszeit zu umgehen) (!Um Schutzfunktionen abzuschalten) (!Um auf Diagnosewerte verzichten zu können)

Memory

TON	Einschaltverzögerung
TOF	Ausschaltverzögerung
TP	Impuls
CTU	Aufwärtszähler
CTD	Abwärtszähler
CV	aktueller Zählwert
PT	vorgegebene Zeit
ET	verstrichene Zeit

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Initialisierung	definierter Startzustand
Flanke	Zustandswechsel am Eingang
Simulation	gefahrloser Vorabtest
Diagnose	Soll-Ist-Vergleich
Reset	gezieltes Rücksetzen

Kreuzworträtsel

Timer	Welcher Bausteintyp verarbeitet eine vorgegebene Zeit?
Zaehler	Welcher Bausteintyp erfasst Ereignisse?
Flanke	Wie heißt ein Signalwechsel, der einen CTU auslösen kann?
Simulation	Wie heißt der virtuelle Test ohne reale Maschinenbewegung?
Diagnose	Wie heißt die systematische Fehlersuche mit Beobachtungswerten?
Reset	Wie heißt das gezielte Rücksetzen eines Zustands?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Signalverlauf: Zeichne für einen TON mit PT = 3 s einen einfachen Verlauf von IN, ET und Q.
Zähler: Plane eine virtuelle Testfolge mit vier steigenden Flanken und notiere den erwarteten CV.
Initialisierung: Erstelle eine Startzustands-Checkliste für IN, Q, ET, CV und Reset.
Diagnose: Fotografiere oder skizziere eine ungefährliche Schulungs-Simulationsoberfläche und markiere drei wichtige Beobachtungswerte.

Standard

Virtuelle Inbetriebnahme: Baue den Ausbildungsfall in einer geeigneten virtuellen SPS-Umgebung nach und dokumentiere nur simulierte Ein- und Ausgänge.
Zeitbaustein: Vergleiche TON und TOF mit derselben Eingangsfolge und erkläre die unterschiedlichen Q-Verläufe.
Flankenerkennung: Simuliere ein prellendes Sensorsignal und untersuche dessen Wirkung auf einen CTU.
Fehlerdiagnose: Erzeuge absichtlich einen falschen PT- oder PV-Wert und dokumentiere, wie Du den Fehler anhand der Beobachtungswerte findest.

Schwer

Testfall: Entwickle eine kleine Testmatrix, die Kaltstart, Neustart, Reset und normale Weiterfahrt logisch voneinander trennt.
Zustandsautomat: Entwirf für die Verpackungszelle die Zustände Bereit, Fördern, Warten, Los fertig und Störung.
Transfer: Formuliere eine herstellerunabhängige Prüfanweisung für TON und CTU, die nur beobachtbare Ein- und Ausgangsgrößen verwendet.
Arbeitssicherheit: Analysiere einen fiktiven Vorschlag, für die Fehlersuche eine Schutztür zu überbrücken, und entwickle eine sichere Simulationsalternative.

Lernkontrolle

Teststrategie: Entwickle für einen unbekannten Zeitbaustein eine Signalfolge, mit der Du erkennst, ob es sich eher um TON oder TOF handelt. Begründe Deine Wahl.
Fehleranalyse: Ein CTU zählt bei fünf Werkstücken sieben Ereignisse. Leite mindestens zwei plausible Ursachen ab und beschreibe, wie Du sie in der Simulation unterscheidest.
Initialisierung: Begründe, warum ein expliziter Reset-Test und ein Neustart-Test nicht dasselbe prüfen.
Signaldiagnose: Ein TON erreicht ET = 1,4 s und springt dann auf 0. PT beträgt 2 s. Erkläre, welche Eingangssituation dazu passen könnte.
Transfer: Übertrage das Prüfprinzip Sollzustand → Testsignal → Beobachtung → Bewertung auf einen anderen SPS-Funktionsbaustein Deiner Wahl.
Sicherheit: Entwickle einen Ablauf für die Fehlersuche, der virtuelle Tests priorisiert und reale Arbeiten erst nach Fachaufsicht und betrieblicher Freigabe vorsieht.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

einen TON- und einen CTU-Signalverlauf fachlich erklären kannst,
Startzustände nicht voraussetzt, sondern prüfst,
Reset, Neustart und Retentivität begrifflich trennen kannst,
Flankenfehler und falsche Parameter diagnostizieren kannst,
eine virtuelle Testsequenz reproduzierbar dokumentierst,
begründete Soll-Ist-Vergleiche formulierst,
Sicherheitsgrenzen bei realen Maschinen konsequent beachtest.

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