SPS und Steuerungstechnik: Wiederholung und Übungsaufgaben

SPS und Steuerungstechnik: Wiederholung und Übungsaufgaben

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https://oer-informatik.de/sps-uebungsaufgaben

SPS, Steuerungstechnik, Schütz, Selbsthaltung, Wendeschaltung, Verriegelung, Funktionsplan, IEC 61131-3, Drahtbruchsicherheit, NOT-HALT, Übungsaufgaben, Prüfungsvorbereitung

tl/dr; (ca. 72 min Lese- und Bearbeitungszeit): Wiederholung und Übungsaufgaben zu SPS und Steuerungstechnik – vom EVA-Prinzip über Relais, Schütze, Selbsthaltung und Verriegelung bis zu SPS-Zyklus, Funktionsplan, Zeiten, Zählern, Drahtbruchsicherheit und NOT-HALT. Zu jeder der 17 Aufgaben lässt sich eine Lösung einblenden [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 13.11.2026)

Diese Übungsaufgaben gehören zu den Artikeln SPS-Grundlagen und Schützsteuerungen.

Schon fit in diesem Thema? Nutze die Kann-Liste und die Leitfragen unter dem Artikel als Checkliste, ob Du die relevanten Kompetenzen bereits hast. Hier klicken, um Kann-Liste ein- oder auszublenden

Fast jede Anlage wird von einer Steuerung geführt. Zum Kernwissen der Geräte- und Systemtechnik gehören das EVA-Prinzip, Relais und Schütze, Selbsthaltung und Verriegelung in verbindungsprogrammierten Steuerungen (VPS), Aufbau und Arbeitsweise einer SPS, Funktionsplan und Kontaktplan, Zeiten und Zähler sowie Drahtbruchsicherheit und NOT-HALT. GRAFCET und Schrittketten behandelt der Artikel Ablaufsteuerungen mit GRAFCET.

Dieser Artikel ist in sieben Schritten aufgebaut. Schritt 7 verbindet alles in einer Anlage. Jeder Schritt beginnt mit einer kurzen Wiederholung, danach folgen Aufgaben:

• gebundene Aufgaben (Auswahlaufgaben): Genau eine der fünf Antworten ist richtig.

• ungebundene Aufgaben: Lösungsweg mit Ansatz und Ergebnis.

Betriebsmittel sind nach DIN EN 81346-2 gekennzeichnet: Taster -S, Sensoren und Positionsschalter -B, Schütze und Relais -Q, SPS -K, Leuchtmelder -P, Motoren -M, Motorschutzrelais -F. In älteren Unterlagen heißen Schütze noch -K. SPS-Operanden stehen in deutscher Schreibweise: E0.3 ist Eingang Byte 0, Bit 3; A steht für Ausgänge, M für Merker.

Hinweise zur Bearbeitung: Bei Auswahlaufgaben ist genau eine Antwort richtig; begründe für Dich auch, warum die anderen nicht stimmen. Die Beispiellösungen sind immer gleich aufgebaut: Unter Geg. steht, was gegeben ist (bei mehreren Teilaufgaben gemeinsam in der ersten), unter Ges., was gesucht ist. Jede Formel steht zuerst in ihrer Grundform; Umstellungen sind Äquivalenzumformungen, deren Rechenschritt grau rechts neben dem senkrechten Strich steht (Division mit „:“). Einfache Formeln werden römisch nummeriert und ineinander eingesetzt („I in II“), längere Rechnungen nacheinander mit drei signifikanten Stellen. Ergebnisse stehen mit drei signifikanten Stellen doppelt unterstrichen, gerundete mit \approx; wurde mit gerundeten Zwischenergebnissen gerechnet, steht das Ergebnis ohne Rundung darunter. Rechne selbst ebenso mit Formel, eingesetzten Werten und Einheit. Signalzustände gibst Du mit 0 und 1 an; ein Öffner, der nicht betätigt ist, liefert 1-Signal. In logischen Gleichungen steht \land für UND, \lor für ODER und ein Überstrich für die Negation. Bei „nennen“ genügen Stichworte, bei „beschreiben“, „erklären“ und „begründen“ antwortest Du in ganzen Sätzen. Schreib Deine Lösung zuerst vollständig auf, bevor Du die Beispiellösung einblendest.

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Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.

Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/sps-grundlagen
- https://oer-informatik.de/schuetzsteuerungen
- https://oer-informatik.de/ablaufsteuerung-grafcet
- https://oer-informatik.de/steuerungssicherheit
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/sps-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- SPS
- Steuerungstechnik
- Schütz
- Selbsthaltung
- Wendeschaltung
- Verriegelung
- Funktionsplan
- IEC 61131-3
- Drahtbruchsicherheit
- NOT-HALT

Kompetenzstufe: Kernkompetenz (alternativ: Basiskompetenz, Profilkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan

Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
   abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
   zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
   Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
   Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
   Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
   danach frage.

1 Steuern, Regeln und das EVA-Prinzip

Grundlagen

• Steuern (Steuerkette): Eingangsgrößen beeinflussen Ausgangsgrößen in einem offenen Wirkungsablauf. Ob das Ziel erreicht wird, meldet niemand zurück.

• Regeln (Regelkreis): Die Regelgröße wird fortlaufend gemessen und mit der Führungsgröße (Sollwert) verglichen; die Regelabweichung wirkt auf das Stellglied zurück (geschlossener Wirkungsablauf).

• Jede Steuerung arbeitet nach dem EVA-Prinzip:

• VPS (verbindungsprogrammierte Steuerung): Die Funktion steckt in der Verdrahtung von Kontakten und Spulen.

• SPS (speicherprogrammierbare Steuerung): Geber und Stellglieder werden nur an Ein- und Ausgänge angeschlossen; die Verknüpfung steht im Programm. Kleinsteuerungen sind kompakte SPS mit wenigen Ein- und Ausgängen.

Aufgabe 1.1 (gebunden)

Was kennzeichnet eine Steuerung im Unterschied zu einer Regelung?

1. Die Ausgangsgröße wird über eine Rückführung mit dem Sollwert verglichen.

2. Die Ausgangsgröße wird fortlaufend gemessen.

3. Der Wirkungsablauf ist offen; das Ergebnis wird nicht auf den Eingang zurückgemeldet.

4. Eine Steuerung verarbeitet ausschließlich analoge Signale.

5. Eine Steuerung gleicht Störgrößen selbsttätig aus.

Aufgabe 1.2 (gebunden)

Welchen Vorteil hat eine SPS gegenüber einer verbindungsprogrammierten Steuerung?

1. Eine SPS arbeitet ohne Hilfsenergie.

2. Die Ausgänge einer SPS schalten Motorströme beliebiger Größe direkt.

3. Ein NOT-HALT lässt sich allein im Programm einer Standard-SPS sicher ausführen.

4. Die Funktion lässt sich durch Ändern des Programms anpassen, ohne die Verdrahtung zu ändern.

5. Eine SPS verarbeitet alle Signale gleichzeitig und hat daher keine Reaktionszeit.

Aufgabe 1.3 (ungebunden, 6 Punkte)

Eine Pumpstation füllt einen Hochbehälter. Folgende Betriebsmittel sind eingebaut: Starttaster -S_1, Schwimmerschalter -B_1 (oberer Füllstand), Drucksensor -B_2 (4 … 20 mA), Kleinsteuerung -K_1, Pumpenschütz -Q_1, Pumpenmotor -M_1, Leuchtmelder „Pumpe läuft“ -P_1.

1. Ordne die Betriebsmittel den Bereichen Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe zu. (4 Punkte)

2. In einer zweiten Ausbaustufe hält -K_1 den Druck im Netz konstant: Sie misst den Druck mit -B_2 und verstellt die Drehzahl der Pumpe über einen Frequenzumrichter. Begründe, ob es sich dabei um eine Steuerung oder eine Regelung handelt. (2 Punkte)

2 Relais und Schütze

Grundlagen

• Ein Relais oder Schütz ist ein elektromagnetisch betätigter Schalter: Fließt Strom durch die Spule (Anschlüsse A1/A2), zieht der Anker an und betätigt die Kontakte. Der Steuerstromkreis ist dabei galvanisch vom Laststromkreis getrennt.

• Leistungsschütze haben Hauptkontakte für den Laststrom (1-2, 3-4, 5-6) und Hilfskontakte für den Steuerstromkreis; Hilfsschütze haben nur Hilfskontakte.

• Kontaktbezeichnung der Hilfskontakte (zweistellig): Die erste Ziffer ist die Ordnungsziffer (Nummer des Kontakts), die zweite die Funktionsziffer:

• Die Gebrauchskategorie beschreibt, wofür ein Kontakt ausgelegt ist, z. B. AC-1 (ohmsche Last), AC-3 (Käfigläufermotoren), DC-13 (Gleichstrom-Elektromagnete). Bemessungsspannung und -strom des Kontakts dürfen nicht überschritten werden.

• SPS-Ausgänge gibt es als Relaisausgang (potenzialfreier Kontakt, Gleich- und Wechselspannung) und als Transistorausgang (24 V DC, meist plusschaltend, mit Grenzstrom je Ausgang und je Gruppe). Ein Koppelrelais zwischen SPS-Ausgang und Last trennt galvanisch und schaltet Lasten, die der Ausgang nicht direkt schalten darf.

Aufgabe 2.1 (gebunden)

Ein Hilfsschütz hat neben A1 und A2 die Anschlüsse 13, 14, 21, 22, 31, 32, 43 und 44. Welche Aussage ist richtig?

1. Das Hilfsschütz hat vier Schließer.

2. Das Hilfsschütz hat zwei Schließer und zwei Öffner.

3. Das Hilfsschütz hat drei Öffner und einen Schließer.

4. Das Hilfsschütz hat zwei Hauptkontakte und zwei Hilfskontakte.

5. Das Hilfsschütz hat einen Wechsler und drei Schließer.

Aufgabe 2.2 (ungebunden, 8 Punkte)

An einem Transistorausgang (24 V DC, max. 0,5 A) einer SPS soll ein Koppelrelais -Q_1 betrieben werden. Datenblatt des Koppelrelais: Spule 24 V DC, 0,48 W; Kontakt (Schließer) 250 V AC, 6 A (AC-1).

1. Berechne den Spulenstrom und den Spulenwiderstand. Prüfe, ob der Ausgang das Relais schalten darf. (3 Punkte)

2. Über den Kontakt von -Q_1 soll eine Heizung mit 230 V/1,5 kW geschaltet werden. Prüfe, ob das zulässig ist, und nenne eine Abhilfe. (3 Punkte)

3. Nenne zwei Vorteile eines Transistorausgangs gegenüber einem Relaisausgang. (2 Punkte)

3 Selbsthaltung und Verriegelung

Grundlagen

• Tippbetrieb: Das Schütz ist nur angezogen, solange der Taster gedrückt ist.

• Selbsthaltung: Ein Schließer des Schützes liegt parallel zum Ein-Taster. Nach dem Loslassen hält sich das Schütz über den eigenen Kontakt, bis der Aus-Taster (Öffner) den Kreis unterbricht. Je nachdem, wo der Aus-Taster liegt, setzt sich bei gleichzeitiger Betätigung beider Taster das Ausschalten („dominierend AUS“) oder das Einschalten („dominierend EIN“) durch.

• Verriegelung: Zwei Schütze dürfen nicht gleichzeitig anziehen, z. B. bei der Wendeschaltung: -Q_1 schaltet den Motor für Rechtslauf, -Q_2 vertauscht zwei Außenleiter für Linkslauf.

  • Schützverriegelung: Ein Öffner des einen Schützes liegt im Spulenstromkreis des anderen.

  • Tasterverriegelung: Ein Öffner des einen Ein-Tasters liegt im Spulenstromkreis des anderen Schützes.

• Unter den Spulen steht im Stromlaufplan oft der Kontaktspiegel: Er zeigt, in welchem Strompfad die Schließer und Öffner des Schützes liegen.

Aufgabe 3.1 (gebunden)

Welche Aussage trifft auf die abgebildete Schaltung zu?

1. Die Schaltung ist eine Selbsthaltung „dominierend AUS“.

2. -Q_1 lässt sich mit -S_0 nicht ausschalten.

3. -Q_1 ist nur angezogen, solange -S_1 gedrückt ist.

4. -P_1 leuchtet, solange -S_0 betätigt ist.

5. Werden -S_0 und -S_1 gleichzeitig betätigt, zieht -Q_1 an.

Aufgabe 3.2 (ungebunden, 10 Punkte)

Der Steuerstromkreis einer Wendeschaltung ist im Bild dargestellt. -F_2 ist der Öffner des Motorschutzrelais.

1. Der Motor läuft rechts. Nun wird -S_2 gedrückt. Beschreibe, was geschieht, und gib an, wie der Bediener auf Linkslauf umschaltet. (3 Punkte)

2. Begründe, warum -Q_1 und -Q_2 nie gleichzeitig angezogen sein dürfen. (2 Punkte)

3. Bei einer Prüfung stellt sich heraus, dass der Öffner 21-22 von -Q_2 im Strompfad 1 überbrückt ist. Beschreibe, bei welcher Bedienung jetzt ein Fehler entsteht. (2 Punkte)

4. Die Schaltung soll zusätzlich eine Tasterverriegelung erhalten. Beschreibe, welche Kontakte Du wo einbaust, und nenne die Auswirkung auf die Bedienung. (3 Punkte)

4 Aufbau und Arbeitsweise einer SPS

Grundlagen

• Baugruppen: Stromversorgung, Zentralbaugruppe (CPU mit Prozessor, Programm- und Datenspeicher), digitale Ein- und Ausgabebaugruppen (mit Optokopplern zur galvanischen Trennung und Eingangsverzögerung gegen Störimpulse), Analogbaugruppen und Kommunikationsbaugruppen. Kompaktsteuerungen enthalten alles in einem Gehäuse, modulare Steuerungen werden aus Baugruppen zusammengesetzt.

• Operanden: Eingänge (E), Ausgänge (A), Merker (M, interne Speicherbits), Zeiten und Zähler. Merker, Zeiten und Zähler lassen sich bereichsweise als remanent einstellen: Sie behalten ihren Wert über einen Spannungsausfall. Nicht remanente Operanden werden beim Anlauf der SPS auf 0 gesetzt.

• Die SPS arbeitet das Programm zyklisch ab:

• Während der Programmbearbeitung fragt die SPS nicht die Klemmen ab, sondern das Prozessabbild der Eingänge (PAE). Ergebnisse werden zuerst in das Prozessabbild der Ausgänge (PAA) geschrieben und erst am Zyklusende an die Klemmen ausgegeben.

• Reaktionszeit: Im ungünstigsten Fall gilt mit der Eingangsverzögerung t_\mathrm{E}, der Zykluszeit t_\mathrm{Z} und der Schaltzeit des Ausgangs t_\mathrm{A}:

t_\mathrm{R,max} = t_\mathrm{E} + 2 \cdot t_\mathrm{Z} + t_\mathrm{A}

• Ein kurzer Impuls wird nur sicher erkannt, wenn er länger ansteht als t_\mathrm{E} + t_\mathrm{Z}. Für schnellere Signale gibt es schnelle Zähleingänge oder Alarmeingänge.

Aufgabe 4.1 (gebunden)

Während die SPS ihr Programm bearbeitet, wechselt der Eingang E0.2 von 0 auf 1. Wann wirkt sich die Änderung im Programm aus?

1. Erst im nächsten Zyklus, weil das Programm mit dem Prozessabbild der Eingänge arbeitet.

2. Sofort bei der nächsten Anweisung, die E0.2 abfragt.

3. Erst nach einem Neustart der SPS.

4. Erst, wenn das Programm neu in die SPS geladen wird.

5. Sofort, weil die SPS alle Eingänge gleichzeitig verarbeitet.

Aufgabe 4.2 (gebunden)

Eine Kleinsteuerung zählt die Paletten auf einer Pufferstrecke vor einer Wickelmaschine. Der Zählerstand steht im Merkerwort MW20. Bei der Projektierung wurde nur der Bereich MW0 … MW10 als remanent eingestellt. Nachts fällt die Netzspannung für 15 Minuten aus; auf der Strecke stehen in dieser Zeit 7 Paletten. Welchen Zählerstand verwendet das Programm nach Netzwiederkehr und Anlauf der SPS?

1. 7, weil Merker ihren Wert bei einem Spannungsausfall grundsätzlich behalten.

2. 0, weil MW20 außerhalb des remanenten Bereichs liegt und beim Anlauf gelöscht wird.

3. 7, weil die Lichtschranken die Paletten beim Anlauf erneut zählen.

4. Einen zufälligen Wert, weil nicht remanente Merker nach dem Anlauf undefiniert sind.

5. 7, weil das Prozessabbild der Eingänge den Zählerstand über den Ausfall rettet.

Aufgabe 4.3 (ungebunden, 8 Punkte)

Eine SPS hat eine Eingangsverzögerung von 3 ms, eine Zykluszeit von 8 ms und Relaisausgänge mit 10 ms Schaltzeit.

1. Berechne die größte Reaktionszeit zwischen einer Signaländerung am Eingang und dem Schalten des Ausgangs. Begründe, warum die Zykluszeit zweimal eingeht. (3 Punkte)

2. Eine Lichtschranke erfasst Teile von 20 mm Länge auf einem Förderband mit 1,5 m/s. Berechne die Dauer des Sensorsignals und prüfe, ob die SPS jedes Teil sicher erkennt. (3 Punkte)

3. Berechne die größte Bandgeschwindigkeit, bei der die Teile noch sicher erkannt werden. (2 Punkte)

5 Verknüpfungen in FUP und KOP, Zeiten und Zähler

Grundlagen

• Die Norm IEC 61131-3 (DIN EN 61131-3) beschreibt die SPS-Programmiersprachen: Kontaktplan (KOP), Funktionsplan (FUP), Strukturierter Text (ST) und Ablaufsprache (AS). Die Anweisungsliste (AWL) ist seit der Ausgabe von 2013 als veraltet gekennzeichnet, wird aber noch verwendet.

• Das Programm fragt den Signalzustand am Eingang ab, nicht die Kontaktart: Ein unbetätigter Öffner liefert 1-Signal, ein betätigter 0-Signal. Soll eine Aktion erfolgen, wenn ein Öffner betätigt ist, wird der Eingang negiert abgefragt (FUP: Negationskreis, KOP: Öffnerkontakt).

• Umsetzen eines Stromlaufplans: Reihenschaltung → UND, Parallelschaltung → ODER, Selbsthaltung → Speicherglied. Beim RS-Speicher setzt sich bei gleichzeitigem Setzen und Rücksetzen das Rücksetzen durch (R1), beim SR-Speicher das Setzen (S1). Software-Verriegelungen ersetzen die Hardware-Verriegelung im Laststromkreis nicht.

• Zeitglieder:

  • TON (Einschaltverzögerung): Q wird 1, wenn IN mindestens PT lang ununterbrochen 1 ist; Q fällt mit IN ab.

  • TOF (Ausschaltverzögerung): Q wird mit IN sofort 1 und fällt erst PT nach der fallenden Flanke von IN ab.

  • TP (Impuls): Eine steigende Flanke an IN erzeugt einen Impuls der Länge PT.

• Zähler CTU (Vorwärtszähler): Jede steigende Flanke an CU erhöht den Zählwert CV um 1; Q ist 1, solange \mathrm{CV} \geq \mathrm{PV}; R setzt CV auf 0. CTD zählt rückwärts, CTUD in beide Richtungen.

Aufgabe 5.1 (gebunden)

Welche Aussage zum abgebildeten Funktionsplan ist richtig?

1. Führt E0.1 1-Signal, wird A0.1 sofort gesetzt.

2. A0.1 wird gesetzt, wenn E0.1 mindestens 5 s ununterbrochen 1-Signal führt, während E0.2 0-Signal und E0.3 1-Signal führen.

3. Das Zeitglied realisiert eine Ausschaltverzögerung von 5 s.

4. Führt E0.3 1-Signal, kann A0.1 nicht zurückgesetzt werden.

5. Liegen an S und R1 gleichzeitig 1-Signale, führt A0.1 1-Signal.

Aufgabe 5.2 (ungebunden, 10 Punkte)

Die Pumpensteuerung im Bild soll durch eine SPS ersetzt werden. -B_1 ist ein Schwimmerschalter, der bei Hochstand öffnet; -F_2 ist das Motorschutzrelais mit Öffner 95-96 und Schließer 97-98.

Zuordnungsliste:

1. Gib die Bedingungen zum Setzen und zum Rücksetzen von A0.0 als logische Gleichungen an. (3 Punkte)

2. Zeichne den Funktionsplan für A0.0 mit einem Speicherglied. Begründe die Wahl des Speichertyps. (4 Punkte)

3. Gib die Verknüpfungen für A0.1 und A0.2 an. (2 Punkte)

4. Begründe, warum -S_0 auch an der SPS als Öffner angeschlossen bleibt, statt ihn durch einen Schließer zu ersetzen. (1 Punkt)

Geg.: Stromlaufplan der Pumpensteuerung; Zuordnungsliste E0.0 … A0.2

a) Ges.: Setz- und Rücksetzbedingung für A0.0

Im Stromlaufplan schaltet -S_1 ein; -F_2, -S_0 und -B_1 liegen in Reihe und schalten aus, sobald einer von ihnen öffnet. Ein geöffneter Öffner liefert 0-Signal, er wird deshalb negiert abgefragt:

S = \mathrm{E0.1}

R = \overline{\mathrm{E0.0}} \lor \overline{\mathrm{E0.2}} \lor \overline{\mathrm{E0.3}}

\underline{\underline{S = \mathrm{E0.1};\quad R = \overline{\mathrm{E0.0}} \lor \overline{\mathrm{E0.2}} \lor \overline{\mathrm{E0.3}}}}

b) Ges.: Funktionsplan für A0.0; Speichertyp

Gewählt wird ein \underline{\underline{\text{RS-Speicher (rücksetzdominant)}}}: Die VPS ist eine Selbsthaltung „dominierend AUS“ – bei gleichzeitigem Drücken von -S_0 und -S_1 oder bei Hochstand muss die Pumpe aus bleiben. Das ist der sichere Zustand.

c) Ges.: Verknüpfungen für A0.1 und A0.2

\underline{\underline{\mathrm{A0.1} = \mathrm{A0.0}}} (Betriebsmeldung folgt dem Pumpenschütz; im Stromlaufplan der Schließer 23-24 von -Q_1).

\underline{\underline{\mathrm{A0.2} = \overline{\mathrm{E0.3}}}}: Löst -F_2 aus, öffnet 95-96, E0.3 wird 0, die Störmeldung leuchtet. Der Schließer 97-98 wird für die SPS nicht mehr gebraucht.

d) Ges.: Begründung Öffner

\underline{\underline{\text{Drahtbruchsicherheit}}}: Ein Leitungsbruch wirkt beim Öffner wie „Aus“ (E0.0 = 0), die Pumpe schaltet ab. Ein Schließer würde einen Bruch nicht melden, die Pumpe ließe sich dann nicht mehr ausschalten. Im Programm wird E0.0 deshalb negiert abgefragt.

Aufgabe 5.3 (ungebunden, 8 Punkte)

An einer Abfüllanlage werden Flaschen in Kartons zu je 12 Stück gepackt. Eine Lichtschranke an E0.4 liefert für jede Flasche einen Impuls. Ist der Karton voll, soll A0.3 den Kartonwechsel auslösen. Ein Sensor an E0.5 meldet mit einem kurzen Impuls, dass ein leerer Karton eingefahren ist.

1. Beschreibe die Beschaltung eines Vorwärtszählers CTU (Eingänge CU, R, PV und Ausgang Q) für diese Aufgabe. (3 Punkte)

2. Das Band fördert 90 Flaschen je Minute. Berechne, wie lange das Füllen eines Kartons dauert. (1 Punkt)

3. Ein Eingang E0.6 führt 1-Signal von 0 s bis 2 s und von 4 s bis 9 s, sonst 0-Signal. Er ist mit dem IN-Eingang eines TON und eines TOF verbunden, beide mit PT = 3 s. Gib an, in welchen Zeiträumen Q des TON und Q des TOF 1-Signal führen. (4 Punkte)

6 Drahtbruchsicherheit und NOT-HALT

Grundlagen

• Drahtbruchsicherheit: Ein Leitungsbruch muss zum sicheren Zustand führen. Deshalb werden Befehle, die eine Bewegung beenden (Halt, Endlage, Störung), mit Öffnern gegeben (Ruhestromprinzip), Einschaltbefehle mit Schließern. Bei Messsignalen erfüllt der lebende Nullpunkt 4 … 20 mA denselben Zweck.

• Erdschlusssicherheit: Der Steuerstromkreis wird einseitig geerdet (M mit PE verbunden). Schaltglieder liegen auf der L+-Seite, Spulen und Eingänge auf der M-Seite.

• NOT-HALT (DIN EN ISO 13850, DIN EN 60204-1): Rot-gelbes Befehlsgerät mit zwangsöffnenden Kontakten, das nach dem Betätigen einrastet. Stopp-Kategorie 0 trennt die Antriebe sofort von der Energie, Stopp-Kategorie 1 bremst gesteuert und trennt danach. Das Entriegeln darf die Maschine nicht wieder anlaufen lassen; dafür ist ein neuer Startbefehl nötig.

• Sicherheitsfunktionen werden nicht allein über das Programm einer Standard-SPS ausgeführt, sondern über Sicherheitsschaltgeräte oder Sicherheits-SPS, meist zweikanalig (Redundanz): z. B. zwei Schütze in Reihe, deren Öffner im Rückführkreis überwacht werden.

Aufgabe 6.1 (gebunden)

Der Endschalter „Tor oben“ ist als Öffner an E0.3 einer SPS angeschlossen. Seine Leitung bricht, während das Tor geschlossen ist. Wie reagiert die Steuerung?

1. Die SPS bemerkt den Bruch nicht; das Tor fährt beim nächsten Öffnen über die obere Endlage hinaus.

2. E0.3 führt dauerhaft 1-Signal.

3. Die SPS wertet die Endlage „oben“ als erreicht; das Tor lässt sich nicht öffnen.

4. Die Sicherung des Steuerstromkreises löst aus.

5. Das Tor fährt selbsttätig in die Gegenrichtung.

Aufgabe 6.2 (ungebunden, 8 Punkte)

Der Halt-Taster -S_0 einer Förderbandsteuerung soll an E0.0 einer SPS angeschlossen werden. Das Bild zeigt zwei Varianten. Der Steuerstromkreis ist mit geerdetem 0-V-Leiter aufgebaut.

1. Begründe, welche Variante drahtbruchsicher ist, und gib an, wie E0.0 in dieser Variante im Programm zum Rücksetzen abgefragt wird. (3 Punkte)

2. Die Leitung zwischen dem Starttaster -S_1 (Schließer, wie Variante a angeschlossen) und E0.1 bekommt einen Erdschluss. Beschreibe, was geschieht, wenn der Taster unbetätigt ist und wenn er gedrückt wird. (2 Punkte)

3. Ein Kollege schlägt vor, den NOT-HALT-Taster des Förderbands genauso wie -S_0 nur auf einen Eingang der Standard-SPS zu legen. Beurteile den Vorschlag und beschreibe eine geeignete Lösung. (3 Punkte)

7 Anwendung: Rolltorsteuerung mit Kleinsteuerung

Grundlagen

Bei der Planung einer SPS-Steuerung entsteht zuerst eine Zuordnungsliste (Operand, Betriebsmittel, Kontaktart, Bedeutung). Danach werden der Anschlussplan und das Programm erstellt. Bei der Inbetriebnahme helfen die Status-LEDs der Ein- und Ausgänge: Leuchtet die LED eines Eingangs, liegt dort 1-Signal an; leuchtet die LED eines Ausgangs, schaltet die SPS ihn ein. Fehler hinter einem Ausgang sucht man mit dem Spannungsprüfer oder Multimeter entlang des Strompfads.

Daten zu Anlage 1:

• -S_0 Halt (Öffner) an E0.0, -S_1 Auf (Schließer) an E0.1, -S_2 Zu (Schließer) an E0.2

• -B_1 Endschalter oben (Öffner, betätigt bei geöffnetem Tor) an E0.3, -B_2 Endschalter unten (Öffner, betätigt bei geschlossenem Tor) an E0.4

• -B_3 Einweg-Lichtschranke in der Toröffnung, Empfänger an E0.5: 1-Signal bei freiem Lichtweg; Stromaufnahme Sender und Empfänger zusammen 60 mA (Versorgung des Senders nicht dargestellt)

• -Q_1 Schütz Auf an A0.0, -Q_2 Schütz Zu an A0.1; Spulen je 24 V DC, 4,0 W; Abfallzeit 15 ms

• -P_1 Warnleuchte 24 V/5 W an A0.2: leuchtet, solange das Tor fährt

• -K_1: Stromaufnahme 0,25 A, Eingangsverzögerung 3 ms, Zykluszeit 6 ms; Schaltzeit der Transistorausgänge vernachlässigbar

• -G_1 (nicht dargestellt): Netzteil 24 V DC, 1,0 A

• -M_1: Drehstrom-Asynchronmotor 400 V; -Q_1 und -Q_2 bilden eine Wendeschaltung (Hauptstromkreis nicht dargestellt)

• Torgeschwindigkeit 0,25 m/s; Nachlaufweg des Antriebs nach dem Abfallen des Schützes 40 mm

Funktion: -S_1 öffnet das Tor bis zur oberen Endlage, -S_2 schließt es bis zur unteren Endlage. -S_0 hält das Tor jederzeit an. Wird die Lichtschranke beim Schließen unterbrochen, hält das Tor sofort an.

Aufgabe 7.1 (ungebunden, 12 Punkte)

1. Begründe, warum -S_0, -B_1 und -B_2 als Öffner angeschlossen sind. (2 Punkte)

2. Zeichne den Funktionsplan für A0.0 und A0.1 mit je einem Speicherglied. Berücksichtige Halt, Endlagen, Lichtschranke und eine gegenseitige Verriegelung im Programm. (6 Punkte)

3. Begründe, warum zusätzlich die Öffner von -Q_1 und -Q_2 in den Ausgangsstromkreisen verdrahtet sind. (2 Punkte)

4. Gib die Verknüpfung für die Warnleuchte A0.2 an. (2 Punkte)

Geg.: Anlage 1, Zuordnung E0.0 … E0.5, A0.0 … A0.2

a) Ges.: Begründung Öffner

Halt und Endlagen beenden eine Bewegung. Als Öffner angeschlossen führt ein Leitungsbruch zu 0-Signal und damit zu \underline{\underline{\text{„Halt“ bzw. „Endlage erreicht“ – dem sicheren Zustand}}} (Drahtbruchsicherheit). Mit Schließern würde ein Bruch nicht erkannt; das Tor ließe sich nicht anhalten oder führe über die Endlage.

b) Ges.: Funktionsplan für A0.0 und A0.1

S_\mathrm{auf} = \mathrm{E0.1} \qquad R_\mathrm{auf} = \overline{\mathrm{E0.0}} \lor \overline{\mathrm{E0.3}} \lor \mathrm{A0.1}

S_\mathrm{zu} = \mathrm{E0.2} \qquad R_\mathrm{zu} = \overline{\mathrm{E0.0}} \lor \overline{\mathrm{E0.4}} \lor \overline{\mathrm{E0.5}} \lor \mathrm{A0.0}

Beide Speicher sind \underline{\underline{\text{rücksetzdominant (RS)}}}, damit Halt, Endlage und Lichtschranke immer Vorrang haben. Die Abfrage des jeweils anderen Ausgangs im Rücksetzzweig ist die Verriegelung im Programm. Auch eine Lösung, die \overline{\mathrm{A0.1}} bzw. \overline{\mathrm{A0.0}} zusätzlich UND-verknüpft in den Setzzweig legt, ist richtig.

c) Ges.: Begründung der Hardware-Verriegelung

Die Programmverriegelung wirkt nur, solange SPS und Ausgänge fehlerfrei arbeiten. Legiert ein Transistorausgang durch, hängt ein Schütz mechanisch oder wird ein Ausgang beim Test zwangsgesetzt, könnten beide Schütze anziehen – \underline{\underline{\text{Kurzschluss zwischen zwei Außenleitern}}}. Die Öffner von -Q_1 und -Q_2 verhindern das unabhängig vom Programm.

d) Ges.: Verknüpfung A0.2

\underline{\underline{\mathrm{A0.2} = \mathrm{A0.0} \lor \mathrm{A0.1}}}: Die Warnleuchte leuchtet, solange das Tor auf- oder zufährt.

Aufgabe 7.2 (ungebunden, 10 Punkte)

Verwende Anlage 1.

1. Berechne den Spulenstrom eines Schützes und prüfe, ob der Transistorausgang ihn schalten darf. (2 Punkte)

2. Berechne die größte Stromaufnahme aus -G_1 während einer Torfahrt und prüfe, ob das Netzteil ausreicht. (3 Punkte)

3. Beim Schließen wird die Lichtschranke unterbrochen. Berechne im ungünstigsten Fall die Zeit bis zum Abfallen von -Q_2 und den gesamten Weg, den das Tor danach noch zurücklegt. (3 Punkte)

4. Bei der Inbetriebnahme wird -S_1 gedrückt. Die LEDs von E0.1 und A0.0 leuchten, das Tor fährt aber nicht. Grenze den Fehler ein und nenne zwei mögliche Ursachen. (2 Punkte)

Leitfragen

1. Woran unterscheidet man eine Steuerung von einer Regelung? Antwort

Eine Steuerung hat einen offenen Wirkungsablauf (Steuerkette): Eingangsgrößen beeinflussen die Ausgangsgrößen, ob das Ziel erreicht wird, meldet niemand zurück, und Störgrößen werden nicht ausgeglichen. Bei einer Regelung wird die Regelgröße fortlaufend gemessen und mit dem Sollwert verglichen, die Abweichung wirkt auf das Stellglied zurück (geschlossener Regelkreis) – siehe Abschnitt „Grundlagen“ und Aufgabe 1.3 (ungebunden, 6 Punkte).

2. Welche Funktion hat ein Kontakt mit der Bezeichnung 21-22, 13-14 oder 95-96? Antwort

Die zweite Ziffer ist die Funktionsziffer: 21-22 ist ein Öffner (Ordnungsziffer 2), 13-14 ein Schließer (Ordnungsziffer 1), und 95-96 ist der Öffner am Motorschutzrelais, der bei Auslösung öffnet (97-98 wäre dessen Schließer) – siehe Abschnitt „Grundlagen“ und Aufgabe 2.1 (gebunden).

3. Wie unterscheiden sich Selbsthaltung „dominierend AUS“ und „dominierend EIN“? Antwort

Entscheidend ist, wo der Aus-Taster liegt: Bei „dominierend AUS“ liegt er vor der Parallelschaltung aus Ein-Taster und Selbsthaltekontakt, sodass sich bei gleichzeitiger Betätigung das Ausschalten durchsetzt. Bei „dominierend EIN“ liegt der Ein-Taster direkt vor der Spule und der Aus-Taster nur im Selbsthaltezweig, sodass sich das Einschalten durchsetzt – siehe Abschnitt „Grundlagen“ und Aufgabe 3.1 (gebunden).

4. Warum müssen die Schütze einer Wendeschaltung verriegelt werden, und welche Arten der Verriegelung gibt es? Antwort

Das Schütz für Linkslauf vertauscht zwei Außenleiter; zögen beide Schütze gleichzeitig an, entstünde ein Kurzschluss zwischen zwei Außenleitern. Bei der Schützverriegelung liegt ein Öffner des einen Schützes im Spulenstromkreis des anderen, bei der Tasterverriegelung ein Öffner des einen Ein-Tasters im Pfad des anderen Schützes (direktes Umschalten möglich); bei SPS-Steuerungen ergänzt eine Programmverriegelung die Hardware-Verriegelung, ersetzt sie aber nicht – siehe Abschnitt „Grundlagen“, Aufgabe 3.2 (ungebunden, 10 Punkte) und Aufgabe 7.1 (ungebunden, 12 Punkte).

5. Wie arbeitet eine SPS ihr Programm ab, und wie groß ist die Reaktionszeit im ungünstigsten Fall? Antwort

Die SPS arbeitet zyklisch: Sie liest die Eingänge ins Prozessabbild (PAE), bearbeitet das Programm damit, schreibt die Ergebnisse ins Prozessabbild der Ausgänge (PAA) und gibt diese am Zyklusende aus. Im ungünstigsten Fall ändert sich ein Signal direkt nach dem Lesen, daher gilt t_\mathrm{R,max} = t_\mathrm{E} + 2 \cdot t_\mathrm{Z} + t_\mathrm{A}; ein Impuls wird nur sicher erkannt, wenn er länger als t_\mathrm{E} + t_\mathrm{Z} ansteht – siehe Abschnitt „Grundlagen“ und Aufgabe 4.3 (ungebunden, 8 Punkte).

6. Wie wird ein Öffner im Funktionsplan abgefragt, und wann wählt man einen RS- oder SR-Speicher? Antwort

Das Programm fragt den Signalzustand ab: Ein unbetätigter Öffner liefert 1, ein betätigter 0; soll ein betätigter Öffner wirken, fragst Du ihn negiert ab (FUP: Negationskreis, KOP: Öffnerkontakt). Den RS-Speicher (rücksetzdominant) wählst Du, wenn Aus, Halt oder Störung Vorrang haben sollen (sicherer Zustand, wie „dominierend AUS“); den SR-Speicher, wenn sich das Setzen durchsetzen soll – siehe Abschnitt „Grundlagen“ und Aufgabe 5.2 (ungebunden, 10 Punkte).

7. Wie verhalten sich TON, TOF und CTU? Antwort

TON (Einschaltverzögerung) setzt Q erst, wenn IN mindestens PT lang ununterbrochen 1 ist, und Q fällt mit IN ab. TOF (Ausschaltverzögerung) setzt Q sofort mit IN und lässt es erst PT nach der fallenden Flanke von IN abfallen. CTU erhöht CV bei jeder steigenden Flanke an CU, Q ist 1, solange \mathrm{CV} \geq \mathrm{PV}, und R setzt CV auf 0 – siehe Abschnitt „Grundlagen“ und Aufgabe 5.3 (ungebunden, 8 Punkte).

8. Warum werden Aus-Befehle mit Öffnern gegeben, und warum gehört ein NOT-HALT nicht allein in die Standard-SPS? Antwort

Mit Öffnern wirkt ein Leitungsbruch wie ein Aus- oder Haltbefehl und führt damit zum sicheren Zustand (Drahtbruchsicherheit, Ruhestromprinzip); mit einem Schließer bliebe der Bruch unbemerkt und die Anlage ließe sich nicht mehr stoppen. Ein NOT-HALT darf nicht allein von einer Standard-SPS abhängen, weil Programmfehler, durchlegierte Ausgänge oder CPU-Fehler ihn unwirksam machen könnten; er gehört zweikanalig auf ein Sicherheitsschaltgerät oder eine Sicherheits-SPS – siehe Abschnitt „Grundlagen“ und Aufgabe 6.2 (ungebunden, 8 Punkte).

Links und weitere Informationen

• zu den Lehrartikeln: SPS-Grundlagen, Schützsteuerungen, Ablaufsteuerungen mit GRAFCET, Steuerungssicherheit

• Wikipedia: Speicherprogrammierbare Steuerung

• Wikipedia: Schütz (Elektrotechnik)

• Wikipedia: Selbsthaltung

• Wikipedia: IEC 61131

• Wikipedia: Not-Halt

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Dieser Artikel und seine Texte, Bilder, Grafiken, Code und sonstiger Inhalt sind - sofern nicht anders angegeben - lizenziert unter CC BY 4.0. Nennung gemäß TULLU-Regel bitte wie folgt: “SPS und Steuerungstechnik: Wiederholung und Übungsaufgaben” von oer-informatik.de (H. Stein), Lizenz: CC BY 4.0. Der Artikel wurde unter https://oer-informatik.de/sps-uebungsaufgaben veröffentlicht, die Quelltexte sind in weiterverarbeitbarer Form verfügbar im Repository unter https://gitlab.com/oer-informatik/elektrotechnik/steuerungstechnik. Erstellt mit KI-Assistenz; von mir umfassend redaktionell überarbeitet, geprüft und freigegeben. Stand: 13.11.2026.

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