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Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Professur für Prozessleittechnik 

SPS und Kompaktregler 

WS 2009/2010 

Technische Universität Dresden 

Professur für Prozessleittechnik

Ziele 

• Erarbeiten von Automatisierungslösungen auf Basis 

einer speicherprogrammierbaren Steuerung 

• Auswahl einer für die jeweilige Aufgabenstellung 

geeigneten, kosteneffizienten SPS 

• Konzeption von Logik- und Ablaufsteuerungen unter 

Rückgriff auf bewährte Lösungsmuster 

• Aufbau, Auswahl, Anschaltung und Parametrierung 

eines Regelungsalgorithmus auf einer leistungsfähigen 

Steuerung oder einem Kompaktregler 

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SPS&KR (c) Urbas 2008-2009 Folie 2

Übersicht 

• Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 

– Aufgaben von Steuerungen 

– Funktionsweise und Aufbau 

– Konfiguration und Programmierung 

– Aktuelle Trends 

• Kompaktregler 

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– Aufgaben von Kompaktreglern 

– Funktionsweise und Aufbau 

– Konfiguration und Programmierung 

• Introduction to Fuzzy Modelling & Control (Englisch) 

– Gastvorlesung Engin Yeşil 



Teil 1 : SPS

Beispiel 1: Turboverdichter 

(aus Stohrmann 2004) 

• Abschaltung 

– Enddruck hoch (PZ+ 1) 

– Saugdruck tief (PZ- 1) 

– Öldruck tiefst (PS-Z-- 3) 

– Füllstand tief (LZ+ 1) 

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– Durchfluss tief (FZ- 1) 

• Einschalten Hilfsölpumpe 

– Öldruck tief (PS-Z-- 3) 

• Einschalten verriegeln 

– TV zu heiß (TA+Z++ 1) 

– Öl zu kalt (TZ- 2) 

– Umgang zu (GZ- 1) 


Beispiel 3: Industrieofen 

• Betriebstemperatur unter 650°C 

– Keine sichere Zündung nach kurzzeitigem Ausfall vor der 

Bildung eines explosiven Gemisches 

• Gas- und Luftmangelsicherung 

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– PZ- 1 

– PZ- 2 

• Flammenwächter 

– XZ- 1; 2 von 2 

• Rückzündungsvermeidung 

– QZ+ 1; 1 von 2 


Elemente von Sicherungseinrichtungen 

Aufnehmer, Messsignalkanal, Messumformer 

Grenzsignalgeber, Signalverarbeitung 

Meldekanal mit Meldern, Auslösekanal mit Auslösern 

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Verbindungsprogrammierte Steuerung 

• Verdrahtung von 

– Relais 

– Schütz 

• Vorteil 

– Parallele Verarbeitung 

aller Signale 

• Nachteil: 

K1 

– Verdrahtung = Programm 

– Änderung der Logik: 

Änderung der Verdrahtung notwendig! 

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S1 

S2 

S3 

K1 K1 

SPS&KR (c) Urbas 2008-2009 Folie 8 

S4 

H1

Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 

• Rechner mit Ein/Ausgängen 

• Rechentechnische 

Verknüpfung der Signale 

• Nachteile: 

– Nur quasiparallele 

Abarbeitung möglich 

(CPU=SISD) 

• Vorteile 

– Änderung der Logik: Lediglich Neu-programmieren des 

Steuerprogramms notwendig 

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S1 

Automatisierungseinheit 


S4 

H1 

S2 

S3

Programmbeispiel: Verknüpfung von 

Binärsignalen 

WENN beide Eingänge E 5.2 und E 4.7 auf 1 

DANN setze Ausgang A 8.5 auf 1 

SONST setze Ausgang A 8.5 auf 0 

Umsetzung in AWL Programmiersprache (IEC 61131) 

LD %IX5.2 ; Lade Bitwert von Eingang 5.2 

AND %IX4.7 ; UND-Verkn. mit Eingang 4.7 

ST %QX8.5 ; Ergebnis nach Ausgang 8.5 

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Definition SPS DIN EN 61131 Teil 1 

„[…] Ein digital arbeitendes elektronisches System für 

den Einsatz in industriellen Umgebungen mit einem 

programmierbaren Speicher zur internen Speicherung 

der anwenderorientierten Steuerungsanweisungen zur 

Implementierung spezifischer Funktionen wie z.B. 

Verknüpfungssteuerung, Ablaufsteuerung, Zeit-, Zähl- 

und arithmetische Funktionen, um durch digitale oder 

analoge Eingangs- und Ausgangssignale verschiedene 

Arten von Maschinen und Prozessen zu steuern. […]“ 

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I&KT rund um die SPS 

Prozeßrechner 

SPS 

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Feldbusse 

SPS 

Aktoren Sensoren 

Visualisierung 

Aktoren Sensoren 



Speicherprogrammierbare 

Steuerungen 

• Befehlssatzarchitektur 

• Funktionsweise 

• Zykluszeiten

Ein Blick in das Steuergerät 

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Zyklische Funktionsweise 

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Initialisierung 

Einlesen der Eingänge 

Abarbeiten von Operationen der 

Programmbausteine 

Schreiben der Ausgänge 

Prozessabbild 

Ausgänge 

Prozessabbild 

Eingänge 

Typische Bearbeitungszeiten : 

1µs Bitoperationen 

2µs Wortoperationen 

12µs Zeit /Zähloperationen 

3µs Festpunktaddition 

50µs Gleitpunktaddition 

Prozessabbild 

Ausgänge 


Prozessabbild 

• Speicherbereich zur Aufnahme der Signalwerte der 

Ein- und Ausgänge 

– Eingabewerte werden zu Beginn eingelesen, 

zwischenzeitliche Änderungen während Programmzyklus 

ignoriert! 

– Ausgabewerte werden zwischengespeichert, d.h. 

Änderungen während der Programmabarbeitung sind nach 

außen nicht sichtbar! 

• Manche SPSen erlauben direkten Zugriff auf die 

Prozesssignale 

– Üblicherweise langsamer als direkter Zugriff auf PA 

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Minimale Impulszeit, maximale Reaktionszeit 

Eingänge 

lesen 

%IX0.1 

%QX0.1 

LD %IX0.1 

ST %QX0.1 

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Impuls 

zu kurz 

Ausgänge 

schreiben 

Zykluszeit 

... ... 

Worst Case Reaktionszeit 

= 2 x Zykluszeit 



Komponenten einer 

modularen SPS 

• Übersicht 

• Baugruppen 

• Zykluszeiten

Modularer Aufbau einer SPS 

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Stromversorgung 

CPU-Baugruppe 

Eingangsbaugruppen 

Ausgangsbaugruppen 

Kommunikationsbaugruppen 

Funktionsbaugruppen 

Programmiergerät 

Bedieneinheit 

optional 


Stromversorgung 

• Bereitstellung der 

Betriebsspannung 

– 5 / 10 / 24V 

• Ggf. zusätzliche Wandler 

für Leistungsbaugruppen 

• Batterie zur Speicherpufferung 

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CPU-Baugruppe 

Prozessor 

Speicher 

Schlüsselschalter 

EPROM mit Programm 

(optional) 

Speicherkarte 

Programmierschnittstelle 

(optional) 

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Eingabebaugruppen 

• Digitaleingabebaugruppen 

– DC 24 V, AC 120/230 V, f < 50 Hz 

– Potentialtrennung mit Optokopplern 

– Entstörmaßnahmen 

– Lokale Anzeige mit Leuchtdioden 

• Analogeingabebaugruppen 

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– Spannung (+- 10V) 

– Strom (4 bis 20 mA) 

– Widerstand (0…300 Ohm) 

– Thermoelement (E, N, K) 

– Widerstandsthermometer ( Pt 100, …) 

– Üblicherweise Auflösung 9-15 Bit + Vorzeichen, 

Messbereich, Grenzwerte parametrierbar 


Ausgabebaugruppen 

• Digitalausgabebaugruppe 

– Lastspannung DC24V, AC120/230V 

– Spezifizierte Strombelastbarkeit 

– Potenzialtrennung 

– Lokale Anzeigen 

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– f < 100 Hz 

• Analogausgabebaugruppen 

– Spannung (+- 10 V) 

– Strom (0 bis 20 mA) 

– Auflösung 12-15 bit 

– Alarmierung bei Fehlern 


Kommunikationsbaugruppen 

• Feldbusse (ASI, Profibus ...) 

• Industrial Ethernet 

• Programmierschnittstellen 

• Serielle Schnittstellen 

– RS232, RS422, RS485 

– z.B. für Waagen 

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Funktionsbaugruppen 

• Positionierbaugruppen 

• Reglerbaugruppen 

• Nockensteuerwerke 

• Zählerbaugruppen 

• Uhrenbaugruppen 

• Bildauswertungsmodul 

• usw. 

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Bedieneinheiten 

• Operator Panels 

• Touch Screens 

• Text Displays 

• Tastaturen 

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Programmiergeräte 

• Handprogrammiergeräte: 

– kleinere Projekte, z.B. 

Fehlersuche, Kontrolle und 

Anpassung vor Ort 

– überwiegend textbasierte 

Programmierung 

• Bildschirmprogrammiergeräte 

– große Funktionalität 

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– gute Debugging-Möglichkeiten 

– übersichtliche Darstellung 

– grafische Programmierung 

– Simulation 


Gibt es die SPS? 

• Mehr als 100 verschiedene Hersteller 

• Verschiedene Grundtypen 

– Modulare SPS: Wie vorgestellt, Bausteinkonzept 

– Kompakt SPS: alle Funktionen in einem Block 

– Slot SPS: SPS als Steckkarte eines Industrie PCs 

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– Soft SPS: SPS als Software auf einem Industrie PC, 

Ankopplung an Prozess über IO-Karten 

• Auswahlkriterien 

– Preis (Anschaffung, Projektierung, Wartung, Ersatz) 

– Funktionalität (Leistung µP, Baugruppen, Erweiterbarkeit, 

Ausfallsicherheit, Zertifizierbar) 

– Integration (CAE, Programmiersystem, Kommunikation) 


Herstellerübersicht: Industrie PC als SPS 

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www.beck-ipc.com 

www.festo.de 

www.ferrocontrol.de 


Herstellerübersicht 2 

www.keyence.com 

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www.kuhnke.de 



www.schneiderelectric.com 

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www.phoenix-contact.de 



www.moeller.net 

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www.siemens.de 


Kompatibilitätsprobleme 

Viele (>100) Hersteller von SPS, mit proprietären 

Standards, die Vor- und Nachteile bieten. 

Nachteil: Anwender müssen häufig mit SPS-Systemen 

verschiedener Hersteller gleichzeitig arbeiten können 

Schulung, Fehler, … 

Kommunikation verschiedener SPS-Systeme 

untereinander nur bedingt möglich 

Kompatibilität zwischen alten und neuen Systemen? 

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Lösungsansatz IEC 61131 

IEC 61131 (DIN EN 61131) legt in 5 Blättern eine 

weltweite einheitliche Basis der SPS-Technik fest. 

– Begriffsbestimmungen und Funktionsmerkmale 

– Elektrische, mechanische und funktionelle Anforderungen 

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– Fünf Programmiersprachen 

– Anwenderrichtlinien für alle Projektphasen 

– Kommunikation von SPSen unterschiedlicher Hersteller 

Die Implementierung der Norm ist bei den Herstellern 

noch nicht abgeschlossen ! 

PLCOpen – Gesellschaft zur Förderung 

herstellübergreifender PLC-Programmierung 


Ein wenig Geschichte… 

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(aus John & Tiegelkamp, 2001) 


61131-3 SPS-Softwaremodell 

Ressource 

Task Task 

Programm Programm 

FB FB 

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Konfiguration 

Ressource 

Task Task 


Global und direkt dargestellte Variablen und Instanz -spezifische 

Initialisierungen 

Zugriffspfad 

FB FB 

Pfad des 

Variablenzugriffs 

Variable 

Pfad der 

Ausführungs- 

Steuerung 

Funktionsbaustein 


FB

61131-3 Softwaremodell 

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Ressource 

Task Task 


FB FB 

Konfiguration 

Ressource 

Task Task 


Global und direkt dargestellte Variablen und Instanz -spezifische 

Initialisierungen 

• Konfiguration: 

– SPS-System, enthält ggf. mehrere Ressourcen (~SPS) 

• Ressource: 

– Signalverarbeitungsfkt incl. Sensor/Aktorschnittstellen 

(~CPU+IO-Bus) 

– Enthält ggf. mehrere Programme 

• Programm 

– wird unter Steuerung von Tasks ausgeführt 

– Kann mehrere Funktionsbausteine oder andere 

Sprachelemente enthalten 

Zugriffspfad 


FB FB 

FB 

Pfad des 

Variablenzugriffs 

Variable 

Pfad der 

Ausführungs - 

Steuerung 

Funktionsbaustein

61131-3 Softwaremodell: Starten/Stoppen von 

Konfiguration und/oder Ressourcen 

• Starten einer Konfiguration 

– Schritt 1: Initialisierung der globalen Variablen 

– Schritt 2: Starten aller Ressourcen 

• Starten einer Ressource 

– Schritt 1: Initialisierung aller Variablen der Res. 

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– Schritt 2: Freigabe aller Tasks der Res. 

• Stoppen einer Ressource 

– Sperren aller Tasks 

• Stoppen einer Konfiguration 

– Stoppen aller Ressourcen 


Anfangswerte der Variablen beim Starten eines 

Konfigurationselements 

• Verschiedene Anfangswerte möglich: 

– gepufferter Wert (als das KE gestoppt wurde - RETAIN), 

– anwender-spezifizierten Anfangswert, 

– voreingestellter typ-spezifischer Anfangswert 

• Regeln zur Ermittlung des Anfangswertes 

– Warmstart: gepufferte V nehmen gepufferte Werte an 

– Kaltstart: gepufferte V nehmen anw-spez Wert ein, wenn 

nicht definiert typ-spez Wert 

– Nichtgepufferte V nehmen anw-spez Wert ein, wenn nicht 

definiert typ-spez Wert 

– Eingangsvariblen werden implementierungsabhängig 

initialisiert 

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Wiederanlauf nach Spannungsausfall oder 

Störung 

• Kaltstart: Alle dynamischen Daten (Variablen, Register, Zähler, 

Zeitglieder, Prozessabbid) werden auf definierten Zustand 

zurückgesetzt 

– Automatisch oder manuell 

• Warmstart: Wiederanlauf von einem vorbestimmten Zustand 

des Anwendungsprogramms und vorbestimmer Menge an Rest- 

Daten 

– Status-Merker zur programmtechnischen 

Berücksichtigung 

• Heißstart: Alle dynamischen Daten sind unverändert 

– Netzunabhängige Echtzeituhr, um Zeit seit Stromausfall 

bestimmen zu können 

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Programm-organisationseinheiten 

Programm (PRG): Hauptprogramm, Zuordnung der 

Peripherie und der globalen Variablen 

– Kann FB und FC aufrufen 

Funktionsbaustein (FB): Baustein mit Eingangs-, 

Ausgangs- und statischen Variablen (= Gedächtnis) 

– Kann FB und FC aufrufen 

Funktion (FC): Unterprogramm mit Eingangs- 

und Ausgangsvariablen 

– Darf keine internen Zustandgrößen besitzen 

– Kann weitere FC aufrufen 

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IEC 61131-3 definiert 5 Programmiersprachen: 

Textbasiert Grafisch 

Anweisungsliste (AWL) 

Strukturierter Text (ST) 

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Ablaufsprache (AS) 

Kontaktplan (KOP) 

Funktionsbausteinsprache (FBS) 


Gemeinsame Elemente der 

Programmiersprachen 

• Zeichensatz 

– Textelemente Saplten 002-007 der ISO/IEC-646 IRV 

– Zusätzlich Kleinbuchstaben (aber nicht case sensitiv), # 

oder £, $ oder ¤, | oder ! 

• Bezeichner: 

– Folge von Buchstaben, Ziffern und Unterstrich 

– Muss mit Buchstaben oder Unterstrich beginnnen 

– Mehrere oder angehängte Unterstriche sind nicht zulässig 

– Mindestens sechs Zeichen werden zur eindeutigen 

Unterscheidung genutzt, Maximum impl.-abh. 

• Leerzeichen, Kommentare (* *), Numerische 

Literale, Zeichenfolgeliteral, Zeitdauer 

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Zahlen und Zeitdauerliterale 

• Zahlen 

– Unterstriche zur Strukturierung erlaubt 

• 100_000_000 3.14159_26 

– Basis 2/8/16 Literale möglich 

• 2#1111_1111 8#377 16#ff 

– Literale mit Typangaben 

• BOOL#0 UINT#16#FF 

• Zeitdauern 

– kurzes/langes Präfix 

• TIME#14ms T#14.7s 

– mit/ohne Unterstrichen 

• t#5d14h12m18s3.5ms t#5d_14h_12m_18s_3.5ms 

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Elementare Datentypen 

• Wahrheitswert: BOOL 1 

• Ganzzahl mit/ohne Vorzeichen: SINT 8 , INT 16 , 

DINT 32 , LINT 64 / USINT 8 , UINT 16 , UDINT 32 , ULINT 64 

• Reele Zahl: REAL 32 , LREAL 64 

• Zeiten: TIME, DATE, TIME_OF_DAY/TOD, 

DATE_AND_TIME/DT 

• Variabel lange Zeichenkette: STRING 8 , WSTRING 16 

• Bit-Folgen: BYTE 8 , WORD 16 , DWORD 32 , LWORD 64 

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Hierarchie der allgemeinen Datentypen 

(zur Festlegung von Ein/Ausgängen von POE) 

ANY 

+---- ANY_DERIVED 

+---- ANY_ELEMENTARY 

+---- ANY_MAGNITUDE 

| +---- ANY_NUM 

| | +---- ANY_REAL 

| | | +---- LREAL, REAL 

| | | 

| | +---- ANY_INT 

| | +---- LINT, DINT, INT, ULINT, SINT, 

| | ULDINT, UDINT, UINT, USINT 

| +---- TIME 

| 

+---- ANY_BIT 

| +---- LWORD, DWORD, WORD, BYTE, BOOL 

| 

+---- ANY_STRING 

| +---- STRING, WSTRING 

| 

+---- ANY_DATE 

+---- DATE_AND_TIME, DATE, TIME_OF_DAY 

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Abgeleitete Datentypen 

Anwender- oder herstellerdefinierte Datentypen 

• TYPE Bezeichner : ... END_TYPE 

• Aufzählung 

– TYPE A_SIG : (SINGLE, DIFF) ; END_TYPE 

• Bereich 

– TYPE A_DATA : INT (-32000..32512) ; END_TYPE 

• Feld 

– TYPE A_8IN : ARARY [1..16] OF A_DATA; END_TYPE 

• Struktur 

– TYPE Bezeichner : STRUCT ... END_STRUCT; END_TYPE 

– Kann geschachtelt werden 

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Einzelelementvariablen 

(Verwendung nur in PRG,FB zulässig!) 

% Q X 7.3 Adresse der Variablen 

I0.1 

I0.0 

Speicherort 

I Eingang 

Q Ausgang 

M Merker 

Kennung einer direkten Variablen (Optional) 

& 

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Q1.1 

X (Einzel-)Bit-Größe 

kein (Einzel-)Bit-Größe 

B Byte(8 Bit)-Größe 

W Word(16 Bit)-Größe 

D Doppelwort(32 Bit)-Größe 

L Langwort(64 Bit)-Größe 

Schalter 1 

Schalter 2 


& 

Lampe

Weitere Details → DIN EN 61131 

• Speicherprogrammierbare Steuerungen. Teil 3: 

Programmiersprachen (225 S.) 

– viele weitere Details, Regeln und Beispiele 


Beiblatt 1. Leitlinien für die Anwendung und 

Implementierung von Programmiersprachen (100) 


Allgemeine Informationen 

– Eigenschaften, Programmieren, Anlauf, Dokumentation, 

Archivierung, Stromversorgung, Verfügbarkeit & 

Zuverlässigkeit. 

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Siemens STEP7 vs. IEC 61131-3 

Aus TIA, Anhang II, IEC 61131: 

Die Programmiersprachen KOP und FUP entsprechen den in der Norm 

DIN EN 61131-3 (int. IEC 61131-3) festgelegten Sprachen 

„Kontaktplan“ und „Funktionsbaustein-Sprache“. […] 

AWL entspricht der in der Norm DIN EN 61131-3 (int. IEC 61131-3) 

festgelegten Sprache „Anweisungsliste“, wobei hinsichtlich der 

Operationen wesentliche Unterschiede bestehen. […] 

Die Ablaufsprache S7-GRAPH entspricht der in der Norm DIN EN 

61131-3 (int. IEC 61131-3) festgelegten Sprache „Sequential 

Function Chart“. 

Zusätzlich S7-HiGraph (Zustandsgraphen) 

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IEC 61131-3 definiert 5 Programmiersprachen: 

Textbasiert Grafisch 

Anweisungsliste (AWL) 

Strukturierter Text (ST) 

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Ablaufsprache (AS) 

Kontaktplan (KOP) 

Funktionsbausteinsprache (FBS) 


Beispiel für alle Programmiersprachenbeispiele 

• Q1.1 = ( I0.1 v I0.2 v Q1.1) I0.3 I0.4 

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KOP (engl. Ladder Diagramm, LD, STEP7: KOP) 

• Funktionen werden durch Schaltsymbole aus der 

Elektrotechnik dargestellt: 

– Schließer, Öffner usw., die schaltbildähnlich zu 

Netzwerken zusammengefügt werden. 

– An den Seiten befinden sich zwei Stromschienen, 

zwischen denen die Relaislogik liegt (90° Drehung zur 

Anpassung an Computer/Textschreiben) 

• Programmiersprache beschränkt sich im 

Wesentlichen auf boolsche Signale 

– Reihenschaltung: UND 

– Parallelschaltung: ODER 

– Negation: Arbeitskontakt / Ruhekontakt 

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KOP Beispiel 

I0.1 

I0.2 

Q1.1 

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I0.3 I0.4 Q1.1 

( ) 

Eingang: Schaltkontakt --| |-- 

Ausgang: Relaisspule --( )-- 

Negation: --|/|-- 

--(/)-- 


FBS (engl. Function Block Language, FB, 

STEP7: FUP) 

Symbolik der Digitalen-Schaltungen 

• UND- , ODER-Gatter, 

• INVERTIERTER Eingang, usw. 

gut strukturierte und übersichtliche Programmierung 

bool´scher Verknüpfungen. 

Grafisch anschauliche Programmierung des 

Informationsfluss von ganzzahligen und Gleitkomma- 

Operationen. 

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FBS Beispiel 

I0.1 

I0.2 

Q1.1 

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>1 

I0.3 

I0.4 

& 

Q1.1 


=

AWL (engl. Instruction List, IL, STEP7: AWL) 

AWL: universell einsetzbare Maschinensprache, 

vergleichbar mit einem Assembler. 

– Nach wie vor am weitesten verbreitet. 

– wenig Möglichkeiten zur strukturierten Programmierung. 

Syntax: 

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– Zum Teil unterschiedliche Operatoren und Sprachumfänge 

[Sprungmarke:] Operator Operand [(* Text *)] 


AWL Beispiel 

LD %IX0.1 (* Lade Eingang 0.1 in Akku *) 

OR %IX0.2 (* Akku=Akku oder Eingang 0.2 *) 

OR %QX1.1 (* Akku=Akku oder Ausgang 1.1 *) 

AND %IX0.3 (* Akku=Akku und Eingang 0.3 *) 

AND %IX0.4 (* Akku=Akku und Eingang 0.4 *) 

ST %QX1.1 (* Ausgang 1.1=Akku *) 

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ST, engl. Structured Text (ST), STEP7 SCL 

Pascal-ähnliche, höhere Programmiersprache 

Vorteile: 

– sehr kompakte Formulierung 

– abstrakte maschinenferne Befehle 

– übersichtlicher Aufbau durch Anweisungsblöcke 

Nachteile: 

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– umfangreiche, komplexe Aufgaben realisierbar 

– Qualität des Maschinencode ist abhängig von Compiler 

(Übersetzer). 

– Bei einigen Compilern Effizienzverlust zur Laufzeit durch 

höhere Abstraktion (ST-Code i.d.R. langsamer als AWL- 

Code) 


ST Beispiele (Viele Wege führen nach Rom) 

Beispiel 1: 

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Q1.1:=(I0.1 OR I0.2 OR Q1.1) AND I0.3 AND I0.4; 

Beispiel 2: 

Q1.1:=0; 

IF (I0.1 OR I0.2 OR Q1.1) THEN 

IF (I0.3 AND I0.4) THEN 

Q1.1:=1; 

END_IF; 

END_IF; 

Beispiel 3: 

Q1.1:=((I0.1+I0.2+Q1.1)>0)*I0.3*I0.4 


AS (engl. Sequential Function Chart Language 

(SFC)) 

Industrielle Automatisierungsaufgaben lassen sich 

häufig als Sequenz einzelner Schritte darstellen. 

– Die Ausführung der Schritte hängt vom Erreichen einer 

Bedingung ab 

– Verschiedene Schritte können/müssen auch parallel 

ausgeführt werden 

Vereinfachte Petrinetze: 

– Übergang von einem Schritt zu einen oder mehreren 

(parallelen) folgenden Schritten erfolgt durch eine 

Übergangsbedingung (Transition). 

– Aktionen und Transitionen werden in einer der 

vorgenannten Sprachen spezifiziert. 

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AS Beispiel 

I0.1 

I0.2 I0.3 I0.4 

I0.3 

I0.4 

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S0 

S1 

T0 

T1 

S0 

Step 0 

R Q1.1 

Step 1 

S Q1.1 


Operationen einer SPS 

Binäre Abfragen und Verknüpfungen 

• Negation 

• UND-Verknüpfung 

• ODER-Verknüpfung 

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Negation 

Funktion: Inversion des Signalwerts 

Notationen: 

E A 

0 1 

1 0 

E 1 A 

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E=A 

E=! A 

E=¬A 

24V 

E 

A 0V 


Beispiel: Werkzeugbrucherkennung 

Bohrerkontrolle mit Lichtschranke: Ist der Bohrer 

nicht abgebrochen, so wird der Lichtstrahl unterbrochen 

und ein Freigabesignal für den Bohrvorgang 

erteilt. Im umgekehrten Fall wird die Freigabe 

unterdrückt. 

(Bildquelle: www.renishaw.com) 

Eingangsvariable 

Lichtschranke 

Ausgangsvariable 

Freigabe 

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Symbol 

E 

A 

Datentyp 

BOOL 

BOOL 

Logische Zuordnung Adresse 

Unterbrochen E=0 

Keine Freigabe A=0 

I X 0.0 

Q X 4.0 


Implementierung in den verschiedenen 

Sprachen der EN ISO 61131-3 

AWL 

LDN %IX0.0 LD %IX0.0 LD %IX0.0 

ST %QX4.0 NOT STN %QX4.0 

ST %QX4.0 

ST 

%QX4.0 := NOT %IX0.0 

FUP 

KOP 

NOT 

%IX0.0 %QX4.0 

%IX0.0 %QX4.0 %IX0.0 %QX4.0 

|----|/|------( )------| |----| |------(/)------| 

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UND-Verknüpfung 

Funktion: Der Ausgang ist 1 wenn alle Eingänge 1 sind 

Notationen: 

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E1 

0 

0 

1 

1 

E2 A 

0 0 

1 0 

0 0 

1 1 

A=E ∧ E2 

A=E1 & E2 

A =E1 E2 

E1 

E2 & A 

E1 E2 

24V A 0V 


Beispiel: optisches Schutzgitter 

Die Presse führt den Arbeitshub nur 

aus, wenn die Lichtstrahlen nicht unterbrochen 

sind und der Starttaster S1 betätigt ist. 


Taster Start 

Lichtgitter 


Pressenschütz 

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Symbol 

S1 

S2 

K 

Datentyp 

BOOL 

BOOL 

BOOL 


Betätigt S1=1 

Nicht Unterbrochen S2=1 

Arbeitshub K=1 

(Bildquelle: www.leuze.de) 

IX 0.1 

IX 0.2 

QX 4.0 


ODER-Verknüpfung 

Funktion: Der Ausgang ist 1 wenn ein oder mehrere Eingänge 1 

sind. 

Notationen: 

E1 

0 

0 

1 

1 

E2 A 

0 0 

1 1 

0 1 

1 1 

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A=E ∨ E2 

A=E1 | E2 

A = E1+E2 

E1 

E2 

E2 

E1 

≥1 

24V A 0V 


A

Beispiel: Turbinenüberwachung 

H 

Die Alarmleuchte einer Turbine geht an, 

wenn die Drehzahl zu hoch oder die 

Lagertemperatur zu hoch oder der 

Kühlkreislauf ausgefallen ist 


Drehzahl n 

Lagertemperatur ϑ 

Kühlkreislauf K 


Alarmleuchte 

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Symbol 

S1 

S2 

S3 

H 

Datentyp 

BOOL 

BOOL 

BOOL 

BOOL 

(Bildquelle: www.leuze.de) 


n zu groß S1=0 

ϑ zu hoch S2=0 

In Betrieb S3=0 

Ein H=1 

IX 0.1 

IX 0.2 

IX 0.3 

QX 4.0 


K 

ϑ> 

n>


Systementwurf für binäre 

Steuerungen 

•Wahrheitstabelle & Normalformen 

•Minimierungsverfahren 

•(Zustandsmodelle)

Wahrheitstabelle und Normalformen 

Tabellarische Auflistung aller Systemzustände 

des Schaltnetzes 

– Üblicherweise Eingänge links, Ausgang rechts 

– 1 = Wahr; 0 = Falsch; X oder 0/1 = don‘t care 

Disjunktive (DNF) und konjunktive Normalform (KNF) 

• DNF: Alle Zeilen mit Ausgang = 1, 

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– UND-Verknüpfung der Eingänge einer Zeile, 

– ODER-Verknüpfung der Zeilen 

• KNF: Alle Zeilen mit Ausgang=0 

– ODER-Verknüpfung der Eingänge einer Zeile 

– UND-Verknüpfung der Zeilen A = E1vE2 

ODER-Verknüpfung 

E1 

0 

0 

1 

1 


E2 A 

0 0 

1 1 

0 1 

1 1 

A=E1E2vE1E2vE1E2

Algebraische Minimierung 

Neutrale Elemente 

E∨0=E E∨1=1 

E∧1=E E∧0=0 

E∨E=E E∨E=1 

E∧E=E E∧E=0 

Reduktionsregeln 

E1∨�E1∧E2�=E1 

E1∧�E1∨E2�=E1 

E1∧�E1∨E2�=E1∧E2 

E1∨�E1∧E2�=E1∨E2 

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Kommutativgesetz 

E1∨E2=E2∨E1 

E1∧E2=E2∧E1 

Assoziativgesetz 

E1∨E2∨E3=E1∨�E2∨E3�=�E1∨E2�∨E3 

E1∧E2∧E3=E1∧�E2∧E3�=�E1∧E2�∧E3 

Distributivgesetz 

�E1∧E2�∨�E1∧E3�=E1∧�E2∨E3� 

�E1∨E2�∧�E1∨E3�=E1∨�E2∧E3� 


KVS-Diagramm 

Karnaugh-Veitch-Symetrie-Diagramm: Symetrischer 

Aufbau einer Funktionstabelle durch wechselweises 

Spiegeln 

Ziffern in den Zellen 

im Octalsystem! 

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Zuordnung Zeilen zu Feldern 

Nr 

0 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

X3 

0 

0 

0 

0 

1 

1 

1 

1 

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X2 

0 

0 

1 

1 

X1 

0 

1 

0 

1 

A 

0 

1 

1 

1 


5 

7 

x3 

4 

6

! E1 & E2 

Grafische Minimierung 

• Zusammenfassen von maximal viel 1-er Feldern: 

- Anzahl der Felder: Potenzen von 2, d.h. 1,2,4,8 

- Überlappung erlaubt 

- Wegen Symetrie Fortsetzung über die Ränder 

E1 

! E1 

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E2, E3 

0 

1 

!E2, E3 

1 

1 

! E2 & E3 

!E2,!E3 

1 

0 

E1 & ! E2 

E2,!E3 


0 

1


Speicherfunktionen, 

Zeit- und Zählerbausteine

Speicherfunktion 

Ein/Austaster für Meldeleuchte H: 

Leuchte wird durch kurzeitiges 

Betätigen eines EIN-Tasters S1 

ein, durch kurzzeitiges Betätigen 

eines AUS-Tasters S0 wieder 

ausgeschaltet werden. 

Auswirkung auf H abhängig von 

Vorgeschichte 

Einführung einer neuen 

Zustandsvariablen Q (für 

Vorgeschichte) → vollständige 

Funktionstabelle 

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Nr 

0 

1 

2 

3 

Nr 

1 

2 

3,4 

5,6 

7,8 

S1 

0 

0 

1 

1 

S1 

0 

0 

0 

1 

1 

S0 

0 (S0 dominant) 

1 (S1 dominant) 


0 

1 

0 

1 

S0 

0 

0 

1 

0 

1 

H 

0 (S0 war 1) 

1 (S1 war 1) 

0 

1 

Q 

0 

1 

? 

? 

? 

H 

0 

1 

0 

1 

0 (S0 dom.)

H 

S1 

Disjunktive Normalform 

Alle Elemente H=1 

H=S1 S0HvS1S0HvS1S0H 

Nach Minimierung 

H=HS0∨S1S0=S0�H∨S1� 

≥1 

S0 

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& 

H 

Nr 

1 

2 

3,4 

5,6 

7,8 

0 

1 

1 

S0 

Schütztechnik Selbsthaltung 

L1 

S0 

S1 

K1 

N 

S1 

0 

0 


0 

0 

1 

0 

1 

K1 

H 

0 

1 

0/1 

0/1 

0/1 

K1 

H 

0 

1 

0 

1 

0 (S0 dom.)

Hausübung: Sammelbecken 

Der Inhalt eines Beckens wird mit zwei 

Schwimmschalter überwacht. Übersteigt 

der Level den oberen Signalgeber S2 

(S2=1), so ist über Ablaufventil Y 

vollständig zu Leeren. Ist das Becken entleert, Y 

meldet der untere Schwimmschalter S1=0 und das Ventil Y ist zu 

schließen. 

• Stellen Sie eine Zuordnungstabelle der Ein- und Ausgänge auf 

• Stellen Sie den Zusammenhang zwischen Eingangsvariablen S1, 

S2 und Y in einer Funktionstabelle dar 

• Lesen Sie die Schaltfunktion ab und Minimieren sie ggf. 

• Implementieren Sie die Schaltfunktion als FUP/KOP/AWL 

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S2 

S1 


RS-Speicherbaustein 

H 

S1 

S0 

S 

R 

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≥1 

& 

S1 S 

H 

Q S0 R Q H 

H=S0�H∨S1� 

RS 


Verriegelungen 

• Gegenseitiges Verriegeln: Zwei Speicher sind nicht 

gleichzeitig „ein“ 

– GVS) Verriegelung über Setz-Eingang (&,n) 

– GVR) Verriegelung über Rücksetzeingang (≥1) 

• Reihenfolgeverriegelung: Damit eine Speicherfunktion 

gesetzt werden kann, muss vorher ein 

anderer gesetzt sein 

– RVS) Verriegelung über Setz-Eingang (&) 

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– RVR) Verriegelung über Rücksetzeingang (≥1,n) 


Verriegelung von Speichern 

Verriegelung durch Setzeingang 

Setz-Befehl wird nur wirksam, 

wenn der andere Speicher auf 0 

gesetzt ist 

S1 

A2 

S3 

A1 

& 

& 

S2 

S4 

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S 

R Q 

S 

R Q 

A1 

A2 

S2 

A2 

S4 

A1 

… durch Rücksetzeingang 

Bei Verwendung von Rücksetzdominanten 

Speicherbausteinen 

kann ein Speicher ebenfalls nur 

eingeschaltet werden, wenn der 

andere auf 0 gesetzt ist 

S1 

>=1 

S3 

>=1 


S 

R Q 

S 

R Q 

A1 

A2

E 

Flankenauswertung = Änderung 

Positive Flanke 

• Merken des letzten Wertes eines Flankenoperanden (FO) in Flankenmerker 

FM 

• Setzen des Merkers mit E * ¬ FM 

• Rücksetzen des Merkers mit ¬E 

Negative Flanke 

• Merken des letzten Wertes eines Flankenoperanden (FO) 

• Setzen des Merkers mit E 

• Rücksetzen des Merkers mit ¬E * FM 

FO 

& 

FM S 

E 

R Q 

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FM 

FM 

0 

0 

1 

1 


E 

0 

1 

1 

0 

FO 

0 

1 

0 

0

Zeitfunktionen 

Verarbeitung von zeitlicher Information ist essentieller 

Bestandteil von Steuerungen 

• Warte- und Überwachungszeiten, Zeitmessungen, 

Taktimpulse, ... 

• EN ISO 61131-3: drei Standardfunktionsbausteine 

– TP: Erzeugen eines Impulses 

– TON: Einschaltverzögerung 

– TOF: Ausschaltverzögerung 

• Häufig weitere firmenspezifische Bausteine 

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Zeitdiagramm TON 

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Zeitdiagramm TOF 

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Zeitdiagramm TP 

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Zweihandverriegelung mit 

Feststellungsschutz 

Die Presse soll in Gang gesetzt werden, 

wenn die Taster S1 und S2 innerhalb 

0.5 Sekunden betätigt werden. Loslassen 

eines Tasters stoppt die Presse. 


Taster links 

Taster rechts 


Pressenschütz 

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Symbol 

S1 

S2 

K 

Typ 

BOOL 

BOOL 

BOOL 

M K1 

S1 S2 




Angezogen K=1 

IX 0.1 

IX 0.2 

QX 4.0 



Ablaufsprache

Ablaufsprache 

Formulierung eines Steuerungsproblems als Automat mit 

– Schritten (definiert durch Aktionen) und 

– Übergängen (definiert durch Bedingungen) 

Aktionen: In jedem Schritt wird eine Anzahl von Aktionen solange 

ausgeführt, bis der Übergang „scharf“ geschaltet ist 

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– N Ausführen/Setzen solange Aktion aktiv 

– R Rücksetzen (bis nächstes S) 

– S Setzen (bis nächstes R) 

– L Ausführen/Setzen solange Aktion aktiv, jedoch maximal 

x Zeiteinheiten 

– DZeitverzögert Ausführen/Setzen 

– PEinmalige Ausführung/Impuls bei Betreten des Schritts 

– SD, DS, SL - verzögert und gespeichert, gespeichert und 

verzögert, gespeichert und zeitbegrenzt 


Beispiel: Ampelschaltung 

• “Rezept” 

– Schritt 1: 10 Sekunden 

ROT 


ROTGELB 


GRÜN 


GELB 

– Schritt 5: weiter bei 

Schritt 1 

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Alternativ & Parallelverzweigung 

• Alternativverzweigung 

– Es wird genau ein Ast abgearbeitet 

– Transitionen in die einzelnen Äste nach der Verweigung 

– üblicherweise komplementär zueinander, auswertung von 

links nach rechts 

• Parallelverzweigung 

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– Es werden alle Äste parallel abgearbeitet 

– Transitionen vor der Verzweigung 

– Bei der Zusammenführung geht es erst weiter, wenn alle 

Äste “angekommen” sind. 


Beispiel 

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Beispiel Beschickungsanlage 

Wenn Starttaster S0=1 und Wagen an 

Rampe (S2=1), dann 

1. erst Transportband an (K1=1) und 

2. nach 3 Sek. Förderschnecke an 

(K2=1) 

Wenn Wagen gefüllt (S3=1), Stoptaster 

bedient (S1=0), oder Wagen nicht 

mehr an Rampe (S2=0), dann 

1. Förderschnecke abschalten (K2=0) 

2. nach 5 Sek. Transportband aus 

(K1=0) 

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Förderschnecke 

M 

K1 

E-1 

M 

K2 

Transportband 

Waage 


S3 

S0 Start 

S1 Stop 

S2

Entwurf Beschickungsanlage 

• Vier Zustände 

– Z0: ( Initialisierung, K1=0, K2=0 ) 

– Z1: ( Befüllen, K1=1, K2=0 ) 

– Z2: ( Befüllen, K1=1, K2=1 ) 

– Z3: ( Anhalten, K1=1, K2=0 ) 

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– ( Anhalten, K1=0, K2=0 ) = ( Initialisieren, K1=0, K2=0) 

S0 S2 3 sec S1v¬S2v¬S3 

Z0 Z1 Z2 Z3 

5 sec 


Analyse Beispiel 

Schritte 

S001, S002, S004, S005 

Transitionen 

Zustandsgesteuert 

S001� S002 

Zeitgesteuert 

S002�S004 

S004�S005 

Aktionen 

N: Setze Variable solange in 

Schritt 

D: Setze zeitverzögert einen 

Impuls 

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S0 

S2 

S1 

S2 

A ND 

O R 


T 1 

T 1 

S001 

S002 N K1 

D 

T ime #3s 

S004 N K1 

N K2 

T 1 

S005 N K1 

D 

T ime #5s 

T 1

Übungsaufgabe Baustellenampel 

Wenn Induktionschalter anschlägt, soll die zugehörige Ampel nach 10 

Sekunden auf grün schalten (die andere auf rot) 

Eine Grünphase soll mindestens 20 Sekunden dauern. Liegt keine 

Meldung eines Induktionsschalters vor, bleibt die Anlage in ihrem 

jeweiligen Zustand. 

Spricht während der Grünphase 

einer Ampel der gegenüberliegende 

Induktionsschalter an, sollen beide 

Ampeln für 10 Sekunden auf rot gehen, 

bevor die gegenüberliegende Seite 

grün bekommt. 

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I1 

H1 H3 

H2 H4 


I2


Strukturierte SPS- 

Programmierung

Strukturierte SPS-Programmierung 

Ziel: Lesbare, verstehbare und wartbare SPS-Programme mit hohem 

Wiederverwendungsgrad 

Lösungsansatz: Prinzipien der Objektorientierung 

• Modellierung/Spiegelung der automatisierten Welt 

– Verwendung von (globalen) Strukturen zur Beschreibung 

der Automatisierungskomponenten (Sensoren, Motoren, 

Ventile, u.s.w.) 

• Kapselung, Geheimnisprinzip, Seperation of Concern 

– “Verstecken” der jeweils feldgeräte-spezifischen Logik in 

wiederverwendbaren Funktionsbausteinen 

– Trennung von Steuerungs-/Prozesslogik und Gerätelogik 

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Vorgehensmodell strukturierte SPS- 

Programmierung (Seitz 2008) 

1) Softwarestrukturierung / Objektmodellierung 

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– Ein FBS und Anwenderdatentyp pro Feldgerätetyp 

– Je ein Ansteuerprogramm & Strukturvariable je Gerät 

2) Entwurf von FBS und Funktionen 

– Deklaration von Ein- und Ausgangsvariablen 

– Entwurf der Schaltungslogik 

3) Entwurf der Programme 

– Deklaration von Variablen für Mess- und Stellsignale und deren 

E/A Zuordnung 

– Dekl. globaler Variablen für Steuer- und Statussignale (für jeden 

Gerätetyp gesammelt als AWD) 

– Instanziierung der FBS von 2) 

– Entwurf von Zusatzlogik 


Strukturierte SPS-Programmierung / Forts. 

1) Softwarestrukturierung / Objektmodellierung 

2) Entwurf von FBS und Funktionen 

3) Entwurf der Programme 

4) Implementierung 

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– Implementierung der entworfenen PRG, FBS, AWD und Variablen 

– Festlegung der Steuerungskonfiguration 

– Taskzuordnung 

5) Test und Inbetriebnahme 

– Test in der Simulation 

– Laden der Software in die SPS 

– Inbetriebname und Protokollierung 



Modellierung von Aktoren 

Individual Drive Function (IDF) 

Einzelsteuerfunktion (ESF)

Typische Motorbausteine 

• Motor mit einer Drehrichtung 

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– Steuersignale: EIN, AUS 

– Stellsignale: STELL 

• Motor mit zwei Drehrichtungen 

• Schrittmotor 

– Steuersignale: LINKS, RECHTS, AUS 

– Stellsignale: STELL_L, STELL_R 

– Steuersignale: LINKS, RECHTS, AUS, TAKTZEIT 

– Stellsignale: STELL, RECHTSLAUF, TAKT 

• Polumschaltbarer Einrichtungsmotor 

– Steuersignale: SCHNELL, LANGSAM, AUS 

– Stellsignale: A_SCHNELL, A_LANGSAM 


Einrichtungsmotor, IDF1 

• IDFBasic 

– ON, OFF → RS-Flipflop → OUT 

• Verriegelung / Überschreiben des Ein-Signals 

– LOCK (Temporäres Ausschalten) 

• Betriebsartenumschaltung 

– Vorort-Bedienung, Manuell, Automatik 

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– Gleichberechtigung/Hierarchie abhängig von 

Betreiberphilosophie! 

• Lauf(richtungs)rückmeldung 

– Läuft, Geschwindigkeit, Stromaufnahme, ... 


Betriebsartenumschaltung 

Start Befüllen 

Ende Befüllen 

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MAN/AUT ◙ 

EIN ◙ AUS ◙ 

IDF 

VO/FERN ◙ 

EIN ◙ AUS ◙ 


M

MANUEL – ORT - AUTOMATIK 

• Umschaltung zwischen 3 Betriebsarten 

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Analogwertverarbeitung

Analoge Steuersignale 

Physikalische Größen sind häufig 

kontinuierliche Größen: Druck, 

Temperatur, Geschwindigkeit, 

Drehzahl, ph-Wert, Abstand 

Können von SPS nicht direkt 

verarbeitet werden, Ein/- 

Ausgabebaugruppen arbeiten 

nur mit elektrischen Signalen 

(Strom, Spannung) � 

Messumformer 

Analoges Signal: Kann innerhalb 

technischer Grenzen beliebige 

Werte annehmen. 

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Induktiver Näherungsmesser: 

20mA 

4mA 

24V 

0V 

Arbeitsbereich 


I 

U 

R L

Analogwertdarstellung 

Umsetzung des analogen Prozesssignals in einen 

diskontinuierlich proportionalen Digitalwert mittel 

Analog-Digital-Umsetzer (ADU) 

Auflösung: Anzahl der Bits (8-15 & Vorzeichen) 

– Bei weniger als 15 bit erfolgt Eintrag linksbündig in 

Akkumulator. 

– Je höher die Auflösung, desto länger die Umsetzzeit und 

umso kleiner die Frequenz der Störunterdrückung 

– Je nach Karte/Hersteller sind Auflösung, A/D-Zeit oder 

Störfrequenzunterdrückung parametrierbar 

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Messarten 

Verschiedene Messarten 

– Spannung, Strom (Widerstand, Temperatur) 

– verschiedene Messbereiche. 

Konfiguration herstellerabhängig einstellbar 

durch 

– Art der Verdrahtung, 

– Messbereichsmodul, und/oder 

– Parametrierung. 

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Messbereichsmodul (Siemens SM331) 

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Messbereiche Phoenix Contact 

IB IL AI 2/SF 

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Messbereiche Siemens SM331 

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Analoge Messwerte einlesen und normieren 

Messwert steht als WORD im Prozessabbild 

Kann als 16-Bit Ganzzahl interpretiert werden 

Digitales Rohsignal, Normierung notwendig 

Beispiel: AE_Norm = 500/27648 * AE_Nenn 

Physikalische 

Größe 

[m³/h] 

0 

500 

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Ausgang des 

Sensors 

[mA] 

4 

20 

Digitaler 

Eingangsnennwert 

AE_Nenn 

0 

27648 

Normierter 

Wert AE_Norm 


0 

500

Allgemeine 

Normierungsvorschrift 

AE: Digitalisierter Eingangswert 

REAW: Normierter 

Analogeingabewert 

OGREB, UGREB: Grenzen 

Eingangsnennbereich 

OGRNB, UGRNB: Grenzen 

Normierungsbereich 

U1,U2: Spannungsmessbereich 

UAE: Anliegende Spannung 

REAW = 

UGRNB + (AE − 

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ΔGRNB 

UGREB) 

ΔGREB 

AE 

REAW 

UGRNB 

UGREB 

U1 UAE U2 


OGREB 

OGRNB

Realisierung als Funktion AEnorm in AWL (IL) 

Realisierung als IEC-61131 

Funktion in AWL 

Ein-Address Maschine, alle binären 

Operationen ziehen verknüpfen 

den Akkumulator mit dem 

angegebenen Operanden und 

legen Verknüpfungs-ergebnis 

(VKE) dort wieder ab 

Sprache ist typsicher, d.h. nur 

Operatoren gleichen Typs 

können verknüpft werden � 

Wandlungsoperatoren *_TO_* 

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Benötigter Sprachumfang für 

diese AE 

LD op (* vke := op *) 

ST op (* op := vke *) 

ADD op (* vke := vke + op *) 

SUB op (* vke := vke - op *) 

MUL op (* vke := vke * op *) 

DIV op (* vke := vke / op *) 

INT_TO_REAL (* vke := float(vke) 

*) 

WORD_TO_REAL (*vke � float(vke) 

*) 

AE ist als WORD Variable definiert 


Normierungsbaustein 

in AWL 

Funktion (ohne output- 

variablen) 

3 lokale Variablen 

UIn 

-3 0000 

+30000 

-1 0.0 

+10.0 

A ENorm 

w A E 

iUGREB 

iO GREB 

fUGRNB 

fO GRNB 

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fUIn 



SPS-SPS Kommunikation

Übersicht 

• SPS-SPS-Kommunikation 

• IEC 61131-5 

• Netzvariablen a la CoDeSys 

• IEC 61499 

• OPC 

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SPS-SPS-Kommunikation 

• Vertikale Integration: Vernetzung der Prozessdaten 

mit überlagerten Führungssystemen 

– SCADA / HMI 

– MES / ERP 

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– Kleinere Abtastrate, Bulkdaten 

• Horizontale Integration: Quervernetzung mit 

anderen Steuerungs-”inseln” 

– Anbindung intelligenter Feldgeräte ( VL Bussysteme, 

→ 

PRLT) 

– SPS-SPS-Querverkehr 

– Hohe Abtastraten, kleine Datenvolumina 



IEC 61131-5

61131-5: Bausteine zur Kommunikation 

• Definition von Variablen für Fernzugriff 

– REMOTE_VAR 

• Funktionsbausteine für 

– Statusabfrage: USTATUS, STATUS 

– Datenaustausch ohne Aufforderung: USEND, URCV 

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– Koordinierter Datenaustausch: SEND, RCV 

– Steuerung durch Client: WRITE 

– Polling: READ 

– Ereignisbehandlung: NOTIFY, ALARM 

– Verbindungssteuerung: CONNECT 


STATUS, USTATUS 

• USTATUS: liest Status zyklisch solange EN=TRUE 

• STATUS: liest Status bei steigender Flanke auf REQ 

• Ausgabe: 

– NDR: Neuer Status empfangen 

– ERROR: Fehler aufgetreten 

– STATUS: Fehlerstatus 

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– PHYS: Physikalischer Status des Partners 

– LOG: Logischer Status des Partners 

– PCSTATE: Lokaler Status d. Partners 

EN 

ID 

USTATUS 

NDR 

ERROR 

STATUS 

PHYS 

LOG 

PCSTATE 


Status anzeigende Teile (PCSTATUS) 

• Teilsysteme 

– 1. SPS (als Ganzes) 

– 2. E/A Teilsystem 

– 3. Verarbeitungseinheit 

– 4. Stromversorgungs-Teilsystem 

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– 5. Speicher-Teilsystem 

– 6. Kommunikations-Teilsystem 

– 7. Herstellerspezifisch 

• Befinden: GUT/WARNUNG/SCHLECHT (2 bit, 1 var) 

• Zustand: teilsystemspezifisch, bis 14 bit, z.B. SPS 

– Läuft, Lokal, Keine Ausgänge abgeklemmt, keine 

Eingänge abgeklemmt, E/A zwangsgesetzt, ... 


READ – Auslesen von Daten 

• Daten vom Typ VAR_ACCESS (61131-3) 

können via READ ausgelesen werden 

– Steigende Flanke in REQ triggert auslesen 

– V1 .. Vn sind die Pfade zu den Variablen 

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REQ 

ID 

V_1 

... 

V_2 

READ 

NDR 

ERROR 

STATUS 

RD_1 

... 

RD_n 


USEND – URECV (Lesen ohne Aufforderung) 

• USEND: schreibt bei steigender Flanke auf REQ 

• URECV: Empfangsbereit, wenn EN_R=TRUE 

REQ 

ID 

R_ID 

SD_1 

... 

SD_n 

USEND 

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DONE 

ERROR 

STATUS 

EN_R 

ID 

R_ID 

URECV 

NDR 

ERROR 

STATUS 

RD_1 

... 

RD_n 


Zusammenfassung 

• IEC 61131-5 definiert Dienste und 

Funktionsbausteine zur Kommunikation 

– Status, Kommunikationsschema, Verhalten genormt 

– Verbindungsaufbau & Zugriffspfade hersteller- und 

netzwerkabhängig 

– Erlaubt flexible, anforderungsgerechte Programmierung 

der Kommunikation 

• Umfrage SPS/IPC/Drives 2009 

– ca. 80% geben an, IEC61131-5 in der eigenen Familie zu 

unterstützen, 

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– Stichproben der Fragebögen lassen vermuten, dass diese 

Angaben zu großen Teil falsch sind → 

Nacharbeit! 



Netzvariablen a la 

CoDeSys

Netzwerkvariablen 

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>> CoDeSys: 

Kommunikation.project 

• Master-SPS verteilt eine globale Variablenliste (GVL) 

im Netzwerk 

– Einstellung der Kommunikationsparameter für GVL 

– Netzwerkart, Task, Cyclic/On Change, ... 

• Slave-SPSen definieren eine identische Globale 

Netzwerkvariablenliste (NVL) 

– NVL identisch zu GVL 

– Slave-SPS kann diese Werte nur auslesen! 

• Bidirektionaler Verkehr? 

– Beide SPS-en definieren einen eigenen netzweiten GVL 

– Achtung! VARs befinden sich im gleichen Namensraum 


Kommunikation mittels Broadcast 

Device 1 

Task 

GVL 

Transport 

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Publish/Subscribe 

Device 2 

NVL 

Transport 

Device 3 

NVL 

Transport 

Identische 

variablenvereinbarung 


Beispiel: Erkennen von Netzausfall/Aussetzern 

• Sender erzeugt “Heartbeat”: gB = 1 XOR gB 

• Empfänger prüft auf Ausbleiben der Flanken 

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Empfänger 

Sender 



IEC/EN 61499 

Grafiken von James H. Christensen, 

http://knol.google.com/k/james-christensen/iec-61499#

IEC/EN 61499: Infrastruktur zur Projektierung 

von AT mit verteilten intelligenten Geräte 

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Project 

Repository 

Software 

Tools 

CONFIGURABILITY 

INTEROPERABILITY 

PORTABILITY 

Distributed intelligent devices & machines 

Software 

Libraries 


Kaspelung und Wiederverwendung von EN 

61131-3 Funktionsblöcken 

IN 

DB_TIME 

IN 

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ON_TMR 

TON 

PT ET 

OFF_TMR 

TON 

IN 

Q 

Q 

PT ET 

DEBOUNCE 

BOOL IN OUT BOOL 

TIME 

DB_TIME 

DB_FF 

S1 Q1 

R 

SR 

External Interface Specification 

Control Algorithm Specification 

OUT 

IN 

|/| 

DB_TIME 

IN 

| | 

DB_TIME 

OFF_TMR 


TON 

IN 

Q 

PT ET 

ON_TMR 

TON 

IN 

Q 

PT ET 

OUT 

(R) 

OUT 

(S)

IEC/EN 61499 Execution Control Chart: verteilte 

ereignisgesteuerte Ausführungskontrolle 

Event inputs Event outputs 

Input variables 

Execution 

Control 

Chart 

Type identifier 

Algorithms 

(IEC 1131-3) 

Internal 

variables 

Output variables 

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1 

EC initial state 

START 

INIT EX 1 

INIT INIT INITO 

EC action 

MAIN EX EXO 

EC state 

algorithm 

event 

Event inputs Event outputs 

Input variables 

Execution 

Control 

Type identifier 


Output variables


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IEC/EN 61499: Service Interface Function 

Blocks 

(application-initiated transactions) (resource-initiated transactions) 

QO 

STATUS 

INITIATOR 

SD_m 

: 

SD_1 

CNF 

REQ 

INITO 

: 

RD_n 

RD_1 

IND 

RSP 

INIT INITO 

QO 

STATUS 

PARAMS 

RESPONDER 

SD_m 

: 

SD_1 

: 

RD_n 

RD_1 

QI QO 

STATUS 

PARAMS 

RESPONDER 

SD_m 

: 

SD_1 

: 

RD_n 

RD_1 

QI 

resource 

application 

PARAMS 

QI 

INIT 

STATUS 

INITO(+) 

STATUS 

INITO(+) 

RD_1,...,RD_n 

CNF(+) 

STATUS 

RD_1,...,RD_n 

CNF(+) 

STATUS 

t 

startService 

startService 

writeOutputs 

writeOutputs 

readInputs 

readInputs 

PARAMS 

INIT(+) 

PARAMS 

INIT(+) 

ANY 

BOOL 

EVENT 

ANY 

BOOL 

EVENT 

REQ(+) 

SD_1,...,SD_m 

REQ(+) 

SD_1,...,SD_m 

ANY 

: 

ANY 

EVENT 

ANY 

: 

ANY 

EVENT 

BOOL 

ANY 

EVENT 

BOOL 

ANY 

EVENT 

ANY 

: 

ANY 

EVENT 

ANY 

: 

ANY 

EVENT 

BOOL 

ANY 

EVENT 

BOOL 

ANY 

EVENT 

INIT(-) 

INIT(-) 

STATUS 

INITO(-) 

STATUS 

INITO(-) 

endService 

endService 

EVENT 

: 

ANY 

ANY 

EVENT 

: 

ANY 

ANY 

RSP(+) 

SD_1,...,SD_m 

RSP(+) 

SD_1,...,SD_m 

resource 

application 

BOOL 

ANY 

EVENT 

BOOL 

ANY 

EVENT 

PARAMS 

INIT(+) 

PARAMS 

INIT(+) 

STATUS 

INITO(+) 

STATUS 

INITO(+) 

RD_1,...,RD_n 

IND(+) 

STATUS 

RD_1,...,RD_n 

IND(+) 

STATUS 

startService 

startService 

writeOutputs 

writeOutputs 

readInputs 

readInputs 

INIT(-) 

INIT(-) 

STATUS 

INITO(-) 

STATUS 

INITO(-) 

endService 

endService 

EVENT 

: 

ANY 

ANY 

EVENT 

: 

ANY 

ANY


• IEC/EN 61499 definiert ein Modularisierungs- und 

Kommunikationskonzept für verteilte AT 

– Execution Control Chart 

– Service Interface Function Blocks 

• Bislang vor allem Forschung, erste Produkte 

vorhanden 

– http://www.holobloc.com/ 

– http://iec61499.de/ 

• Umfrage SPS/IPC/Drives 2009: Standard bei den 

Befragten weitgehend unbekannt. 

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OPC / OPC-UA 

Openness, Productivity & Collaboration 

- the Standard formerly known as 

OLE for Process Control

Hintergrund 

• Harmonisierung des 

Schnittstellenzoos 

• OPC auf Basis von 

Microsofts COM/DCOM 

• OPC Server 

– Datenlieferant 

– Hardware, SPS 

• OPC Client 

– Datennutzer 

– Software, HMI, MES, ... 

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Quelle: Matthias Damm, ascolab 


Probleme mit COM/DCOM 

• Nicht gut geeignet für Embedded Systems, keine 

Verfügbarkeit jenseits Windows CE 

• Weitere Probleme: 

– Verteilung, Timeout, Zuverlässigkeit 

– Redundanz, mehrere Server 

– Fehlende Echtzeitinformation 

– Abhängigkeit von proprietärer Technik 

• 

→ OPC Unified Architecture (PC UA) 

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OPC-UA Objektmodell 

• Objekt besteht aus 

– Variablen 

– Ereignisse 

– Methoden 

• Komplexe Objekte 

– Complex Data Types 

– State Machine 

– Programm 

– Historie 

• Informationsmodellierung 

– Metainformationen 

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Variables 

___ 

___ 

___ 

OPC UA Object 

Events 

Methods 

___() 

___() 

___() 


Pressure 

Transmitter 

OPC-UA Adressraum 

• Hierarchie → Netz 

Root 

Fieldbus Sensor Bus Areas 

Valve Area 1 

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Pressure 

Xmitter 

Field 

Bus 

Valve 

Current Value 

Temp 

Xmitter 


Root 

Sensor 

Bus 

Hi Limit Lo Limit 

Lo Alarm Lo Alarm 

“Located In” 

reference 

Areas 

Area 1 

Area 2 

Area 3

Schichtenmodell 

• Wenige Basisdienste 

• Binär/XML 

• Performance 

– UA Binary schneller als DCOM 

– UA Binary langsamer als COM 

– UA Binary 20 mal schneller 

als XML-HTTP 

– XML-HTTP + WS-Secure 

2 x langsamer als XML-HTTP 

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OPC & CoDeDys 

• OPC-Server 

– OPC-DA 

• Mehrstufig über 

Gatewayprozess 

– DRAM (1) 

– UDP (2) 

• Konfiguration einer 

“Symbolkonfiguration” 

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OPC.project 



• OPC-UA ist ein offener Middlewarestandard in der AT 

– Datenmodellierung 

– unterschiedliche Transportwege 

– Kooperation mit verschiedenen Initiativen und Standards 

zur Datenmodellierung (S88/IEC61512, S95/IEC62264, 

ECT-EDD/IEC61804, FDT, FDI, Open O&M) 

• Umfrage SPS/IPC/Drives 2009 

– 20% der Hersteller kennen OPC-UA nicht, 

– über 50% der Hersteller planen OPC-UA in den nächsten 

beiden Jahren auf den Markt zu bringen. 

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• Verschiedene Ansätze zur Standardisierung der SPS- 

SPS-Kommunikation 

– EN 61131-5 Spezifikation lässt zuviel Freiraum 

– EN 61499 Forschung 

– OPC “mühsame” horizontale Integration 

– OPC UA Zukunftsweisend durch Modellierung 

und breiten Ansatz 

• Zusammenfassung Umfrage SPS/IPC/Drives 2009 

– SPS-SPS Kommunikation wird von den meisten 

Herstellern (noch?) stiefmütterlich behandelt, 

– Ansprechpartner auf Messe sind vielfach nicht informiert. 

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Umfrage 

SPS/IPC/Drives 2009

Umfrage zur SPS-SPS-Kommunikation 

SPS/IPC/Drives 2009 

• 26 Hersteller 

– ausgewählt durch Eintrag “SPS” bzw. “SPS-Komponenten” 

im messago Ausstellerkatalog 

• Befragung mittels Fragebogen mit Items zu 

• SPS-Programmiermodell 

– EN 61131-3 

• SPS-SPS-Kommunikation 

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– EN 61131-5 

– EN 61499 

– OPC / OPC-UA 


Programmiermodell nach IEC EN 61131-3 

• IEC EN 61131-3 hat sich im SPS-Umfeld 

durchgesetzt 

– EN 61131 ≠ CoDeSys 

– Anzahl Firmen CoDeSys (50%) ≠ Marktanteil ! 

25 

20 

15 

10 

5 

0 

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Seitenfelder hierher ziehen 

Engineering mit einem EN 61131-3 konformem 

SPS-Modell 

Anzahl von Firma 

23 

2 

ja weitgehend 

Eng 61131-3 

Reihenfelder hierher ziehen 

14 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 


Einsatz von CoDeSys als Engineering 

Software 


13 12 

CoDeSys Eigene SW 

CoDeSys 



Kommunikationsmodell nach IEC EN 61131-5 

• > 70% behaupten EN 61131-5 einzusetzen; 

– Ergebnis spiegelt die Marktlage nicht wieder 

– CoDeSys implementiert diesen Standard nicht 

– Der Vertreter eines Marktführers, der den Standard 

definitiv implementiert, verneint dies. 


EN61131-5 SPS-SPS- 

Kommunikation 


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Reihenf elder hierher ziehen 

EN 61131-5 

ja 

nein 

unbekannt 

15 

10 

5 

0 



EN61131-5 SPS-SPS-Kommunikation 

ja unbekannt ja nein unbekannt 

CoDeSys Eigene SW 

Ergebnis 10 3 10 1 1 

CoDeSys EN 61131-5 



Kommunikationsmodell nach IEC EN 61499 

• ~ 30% behaupten EN 61499 einzusetzen; 

– Davon verwenden 3/5 CoDeSys, das diesen Standard 

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definitiv nicht implementiert. 

• Mehr als 60% kennen diesen 

Standard nicht. 


Kommunikationsmodell EN 

61499 


Reihenf elder hierher ziehen 

EN 61499 


ja 

nein 

unbekannt

OPC / OPC-UA 

• 70% bieten einen OPC-Server an 

– ähnlich viele auch einen OPC-Client? Frage? Verständnis? 

• Drei Firmen haben OPC-UA Produkte, vier planen 

– OPC-UA ist noch nicht ausreichend bekannt! 

TU Dresden, 13.10.2009 

30 

20 

10 

0 

Hat die SPS einen 

integrierten OPC- 

Client/OPC-Server? 

9 

15 

7 

17 

nein 

ja 

OPC-Client OPC-Server 

Setzen Sie OPC-UA ein 

oder planen Sie bereits 

Produkte? 

36% 

32% 

Produkt 

Planung 

nein 

14% 

18% 


k.A.

CoDeSys - Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik ...

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