Vorlesung: Steuerung- und Regelungstechnik I für Energie- und ...

Einführung in die Automatisierungstechnik (EG-AT) Prof. Dr.-Ing. Y. Ding 

Skriptum zur Vorlesung: 

Einführung in die Automatisierungstechnik (EG-AT) 

University of Applied Sciences 

FB Elektrotechnik 

Prof. Dr.-Ing. Y. Ding 

Breitscheidstrasse 2, Haus 8, Raum 2.06 

D-39114 Magdeburg 

Tel: +49-391-886 4806 

Fax: +49-391-886-8412 

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Version 3.1 für WS 2005/2006 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Vorwort 

Die Vorlesung „Einführung in die Automatisierungstechnik (EG-AT)“ ist als Pflichtfach für 

Studierenden des Fachbereichs Elektrotechnik an der Hochschule Magdeburg-Stendal (FH) gedacht. 

Der Umfang beträgt 2 SWS (Semesterwochenstunden) im 3. Semester. 

In dieser Vorlesung werden den Studierenden grundlegende Kenntnisse und Methodik der 

Automatisierung von Industrieprozessen und –anlagen vermittelt. Wegen des enormen Umfangs dieser 

klassischen Ingenieursfachdisziplin steht bei der Stoffauswahl der Überblickscharakter im 

Vordergrund, um vor allem das Interesse der Studierenden für die Fachrichtung 

„Automatisierungstechnik“ zu wecken. Im Fachstudium werden die Inhalte dann gezielt vertieft. 

Wichtige Inhalte dieses Skriptums sind auch geeignet für Studierende anderer Fachrichtungen wie 

„Technische Betriebswirtschaft“ oder „Sicherheit und Gefahrabwehr“. Da diese Studierenden 

Nachholbedarf bei den mathematischen Grundlagen wie der Booleschen Algebra bzw. der Laplace- 

Transformation haben und eine umfassende Erläuterung dieser Lehrinhalte den Rahmen dieser 

Vorlesung übersprengen würde, wird folgende Vorgehensweise vorgeschlagen: sie arbeiten bei der 

Booleschen Algebra zu Hause etwas nach, während die Anforderung für die Regelungstechnik etwas 

reduziert wird. Details dazu und die betroffenen Kapiteln/Teile werden in der Vorlesung bekannt 

gegeben. 

Das Skriptum soll nicht als der Vorlesungsersatz, sondern nur als Vorlesungsbegleitungsmaterial 

dienen, um die Abschreibarbeit während der Vorlesung für die Studierenden auf das notwendigste zu 

reduzieren. Daher ist der Inhalt sehr komprimiert und die Übungsbeispiele nur ansatzweise enthalten. 

Naturgemäß ist das Entstehen eines Vorlesungsskriptums ein langwilliger, iterativer Prozess. Daher 

bin ich für Ihr Feedback sehr dankbar, um die vorliegende Version ständig zu verbessern. 

Im November 2005 Y. Ding 

Änderung der Version 3.1 gegenüber der Version 3.0: Kap. 2.3.4 neu eingefügt. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Inhaltsverzeichnis 

Vorwort ................................................................................................................................................... 2 

Inhaltsverzeichnis.................................................................................................................................... 3 

1 Einführung....................................................................................................................................... 6 

1.1 Grundbegriffe .......................................................................................................................... 6 

1.1.1 System ............................................................................................................................. 6 

1.1.2 Prozess............................................................................................................................. 6 

1.1.3 Automatisierungstechnik als Fachdisziplin..................................................................... 6 

1.1.4 Steuerung......................................................................................................................... 7 

1.1.5 Regelung.......................................................................................................................... 8 

1.1.6 Steuern oder Regeln ?...................................................................................................... 9 

1.1.7 Leittechnik, Leitsysteme.................................................................................................. 9 

1.1.8 Mathematische Beschreibung des Systems und Modellbildung ................................... 10 

1.2 Bedeutung der Automatisierungstechnik für die Wirtschaft ................................................. 11 

1.2.1 Weltmarkt für die Automatisierungstechnik ................................................................. 11 

1.2.2 Bedeutung und Struktur der Automatisierungstechnik im Betrieb................................ 12 

1.2.3 Anwendungsfelder der Leittechnik ............................................................................... 13 

1.2.4 Besonderheiten des Studiums/Berufs der Automatisierungstechnik............................. 14 

1.3 Modellbasierter Entwurf eines Automatisierungssystems .................................................... 14 

1.3.1 Lebensphasenzyklus eines Automatisierungssystems................................................... 15 

1.3.2 Grafische Symbole ........................................................................................................ 16 

2 Grundlagen der digitalen Steuerungstechnik................................................................................. 18 

2.1 Klassifizierung von Steuerungen........................................................................................... 18 

2.2 Verbindungsprogrammierte Steuerungen (VPS)................................................................... 18 

2.3 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) ...................................................................... 19 

2.3.1 Aufbau eines Automatisierungsgerätes ......................................................................... 20 

2.3.2 Arbeitsweise einer SPS.................................................................................................. 21 

2.3.3 Programmiersprachen der SPS ...................................................................................... 23 

2.3.4 Grundlagen der Boolechen Algebra .............................................................................. 26 

2.4 Entwurf von Verknüpfungssteuerungen................................................................................ 28 

2.4.1 Definition....................................................................................................................... 28 

2.4.2 Verknüpfungssteuerung ohne Speicherverhalten .......................................................... 28 

2.4.3 Minimierung von Schaltfunktionen............................................................................... 31 

2.4.4 Verknüpfungssteuerung mit Speicherverhalten............................................................. 33 

2.4.5 Realisierung von Speicherverhalten .............................................................................. 34 

2.4.6 Realisierung von Zeitverhalten...................................................................................... 38 

2.4.7 Realisierung von Zählvorgängen................................................................................... 39 

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2.4.8 Vergleichsfunktion ........................................................................................................ 40 

2.5 Entwurf von Ablaufsteuerungen............................................................................................ 41 

2.5.1 Definition....................................................................................................................... 41 

2.5.2 Entwurfsschritte anhand eines Beispiels ....................................................................... 43 

3 Grundlagen der Regelungstechnik ................................................................................................ 48 

3.1 Wirkschaltplan, Signalflussplan............................................................................................ 48 

3.2 Dynamisches Systemverhalten.............................................................................................. 48 

3.2.1 Linearität und Zeitinvarianz .......................................................................................... 48 

3.2.2 Übertragungsfunktion, P-T1-Glied ................................................................................ 49 

3.2.3 Analogien, P-T2-Glied, D-T2-Glied............................................................................... 54 

3.2.4 Das Totzeitglied Tt ........................................................................................................ 57 

3.2.5 P-T1-Tt- als Ersatzrechenmodell für ein Verzögerungsglied n-ter Ordnung (PTn)....... 57 

3.2.6 Betrachtung des Eigenverhaltens und der Stabilität im Frequenzbereich ..................... 58 

3.3 Entwurf des einschleifigen linearen Regelkreises................................................................. 61 

3.3.1 Struktur des einschleifigen linearen Regelkreises ......................................................... 61 

3.3.2 Ziele des Regler-Entwurfs............................................................................................. 62 

3.3.3 Stabilität......................................................................................................................... 63 

3.3.4 Der universelle PID-Regler ........................................................................................... 67 

3.3.5 Auswahl geeigneter Regler............................................................................................ 69 

3.3.6 Reglereinstellung nach ZIEGLER und NICHOLS ....................................................... 69 

3.3.7 Reglereinstellung nach CHIEN-HRONES und RESWICK.......................................... 70 

3.4 Zwei- und Dreipunktregler als Beispiele für einfache nichtlineare Regler ........................... 71 

3.4.1 Zweipunktregler mit Hysterese an einer P-T1-Regelstrecke ......................................... 72 

3.4.2 Zweipunktregler ohne Hysterese an einer I-Tt-Regelstrecke ........................................ 74 

3.4.3 Zweipunktregler ohne Hysterese an einer P-T1-Tt-Regelstrecke................................... 75 

4 Prozessvisualisierung und Mensch-Maschine-Kommunikation ................................................... 76 

5 Kommunikation und Bussysteme in der Automatisierungstechnik .............................................. 80 

5.1 Informationsfluss und Kommunikation................................................................................. 80 

5.2 Varianten der Feldinstallation ............................................................................................... 81 

5.2.1 Informationsübertragung über klassische Einheitssignale............................................. 81 

5.2.2 HART SENSOR............................................................................................................ 82 

5.2.3 Dezentrale Systeme ....................................................................................................... 83 

5.3 Grundlagen der Buskommunikation...................................................................................... 84 

5.3.1 Netzwerktopologien ...................................................................................................... 84 

5.3.2 Kommunikationsmodelle .............................................................................................. 86 

5.3.3 Signalcodierung, Datensicherung, Zugriffsverfahren ................................................... 87 

5.4 Beispiele für Feldbusse ......................................................................................................... 89 

5.4.1 Profibus ......................................................................................................................... 90 

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5.4.2 AS-i-Bus........................................................................................................................ 92 

5.4.3 EIB-Bus......................................................................................................................... 93 

5.5 Ethernet-TCP/IP .................................................................................................................... 95 

5.6 Busankopplungen von SPSen und PCs ................................................................................. 96 

6 Sensorik, Messtechnik................................................................................................................... 97 

7 Aktorik .......................................................................................................................................... 97 

8 Sicherheitsteuerungen ................................................................................................................... 98 

8.1 Definition Risiko ................................................................................................................... 98 

8.2 Einfluss der MSR-Einrichtungen auf die Sicherheit ............................................................. 99 

8.3 Sicherheitsnormen und -gesetze .......................................................................................... 101 

8.4 Risikoanalyse und Sicherheitsanforderungen...................................................................... 103 

8.5 NOT-AUS-Einrichtung ....................................................................................................... 105 

8.6 Programmierbare Sicherheitssteuerungen ........................................................................... 107 

8.7 Zuverlässigkeit .................................................................................................................... 108 

8.7.1 Ausfallrate der HW-Komponenten.............................................................................. 108 

8.7.2 Fehlerarme Sicherheitssoftware .................................................................................. 110 

8.7.3 Berechnung der Systemzuverlässigkeit....................................................................... 111 

9 Anhang 1: Formelsammlung der Laplace-Transformation ......................................................... 113 

10 Anhang 2: Arbeiten mit Matlab und Simulink bzw. Simatic-Manager................................... 114 

11 Literatur................................................................................................................................... 114 

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1 Einführung 

1.1 Grundbegriffe 

1.1.1 System 

Definition: Eine Abstraktion funktioneller Aspekte eines technischen Objektes (z.B. eines 

Kraftwerkes oder eines chemischen Reaktors) bzw. eines nichttechnischen Objektes (z.B. ein 

Wirtschaftsunternehmen oder eines Lebewesens). 

Bild 1.1.1 veranschaulicht den Begriff System und seine Umgebung. 

Xe Xa 

„Ursachen“: Eingangsgrößen 

System (F) 

Systemabgrenzung 

Bild 1.1.1: System und Systemumgebung 

Systemumgebung 

„Wirkungen“: Ausgangsgrößen 

Das Verhalten eines Systems wird durch die physikalischen Gesetzmäßigkeiten zwischen den 

einzelnen Größen des Systems bestimmt. Dabei wird vielfach versucht, mit Hilfe eines (abstrakten, in 

der Regel vereinfachten) mathematischen Modells vor allem die Beziehungen zwischen den 

Eingangsgrößen xe (Ursachen) und den Ausgangsgrößen xa (Wirkungen) zu beschreiben: 

Xa = F * Xe mit F als sog. Übertragungsfunktion (Abbildungsvorschriften). 

Häufig steht das zeitliche Verhalten des Systems im Vordergrund unseres Interesses, dann sprechen 

wir von der Dynamik des Systems bzw. von einem dynamischen System. Dabei spielen spezielle 

Eigenschaften, etwa der konstruktive Aufbau oder die materielle Beschaffenheit des zu betrachtenden 

Systems keine Rolle. 

1.1.2 Prozess 

Definition nach DIN 19226: Ein Prozess ist eine Gesamtheit von aufeinander einwirkenden 

Vorgängen in einem System, durch die Materie, Energie, oder auch Information umgeformt, 

transportiert oder auch gespeichert wird. 

Das Wort „Gesamtheit“ verleitet manchmal dazu, die Begriffe „System“ und „Prozess“ synonym zu 

verwenden. Es ist in der Praxis aber zweckmäßiger, den Begriff „Prozess“ auf den gezielt zu 

beeinflussenden Teil des „Gesamtsystems“ einzuschränken. 

1.1.3 Automatisierungstechnik als Fachdisziplin 

Definition: Die Automatisierungstechnik umfasst Methoden, Verfahren und Maßnahmen sowie 

die Werkzeuge und Komponenten, die benötigt werden, um einem System ein zielorientiertes, 

sicheres und selbsttätig ablaufendes Verhalten aufzuprägen. 

Nach dieser Definition ist der Begriff Automatisierung ein Oberbegriff für Messung, Steuerung und 

Regelung (MSR). Manchmal umfasst sie sogar Funktionen der Leittechnik wie z.B. 

Prozessüberwachung und Visualisierung. Im Vordergrund steht aber stets der selbsttätige Ablauf, 

d.h., die (gezielte) Beeinflussung des Prozesses soll ohne Zutun des Menschen durch eine speziell 

dafür konstruierte Automatisierungseinrichtung vorgenommen werden, Bild 1.1.2. 

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Massen-, Energie- und Informationsfluß 

z (Störgröße) 

Prozess 

x (Eingangsgröße) 

e 

Autom.einrichtung 

y (Stellgröße) 

Stellglied 

Strecke 

Rückmeldungen 

Gesamtsystem 

Massen-, Energie- und Informationsfluß 

Bild 1.1.2: Wechselwirkungen zwischen der Automatisierungseinrichtung und dem Prozess 

x (Ausgangsgröße) 

a 

Naturgemäß stehen die Automatisierungseinrichtung und das zu automatisierende Teilsystem 

(Prozess) in Wechselwirkung, wodurch neue Gesamtsystemeigenschaften entstehen. 

Die Strecke ist de Teil des Wirkungsweges, welcher den aufgabengemäß zu beeinflussenden Bereich 

des Systems darstellt. 

Das Stellglied ist der Teil des Wirkungsweges, der unmittelbar in den Wirkungsablauf eingreift. Der 

Ort des Eingriffs heißt Stellort. 

Die Stellgröße y ist die Ausgangsgröße der Automatisierungseinrichtung, die das Stellglied steuert, 

um die Ausgangsgröße x des Systems gezielt zu beeinflussen. Diese Aufgabe wird in den meisten 

Fällen dadurch erschwert, dass die (mehr oder weniger bekannte) Störgröße z versucht, den Prozess 

vom gewünschten Verhalten abzubringen. Selbstverständlich können mehr als nur eine Störgrößen 

existieren (genauso können es mehrere Eingangs- und Ausgangsgrößen geben). Die Aufgabenstellung 

bleibt aber grundsätzliche die gleiche, so dass wir sie an dieser Stelle nicht besonders zu 

berücksichtigen brauchen. 

1.1.4 Steuerung 

Definition nach DIN 19226: Das Steuern, die Steuerung, ist der Vorgang in einem System, bei 

dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen 

aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeit beeinflussen. Kennzeichen für das 

Steuern ist der offene Wirkungsweg oder ein geschlossener Wirkungsweg, bei dem durch die 

Eingangsgrößen beeinflusste Ausgangsgrößen nicht fortlaufend und nicht wieder über dieselben 

Eingangsgrößen auf sich selbst wirken. 

z (Störgröße) 

w (Führungsgröße) 

Steuereinrichtung 

Bild 1.1.3: Steuerkette (offener Wirkungskreis) 

y (Stellgröße) Steuerstrecke 

x (Ausgangsgröße) 

Man beachte die Darstellungsweise im Bild 1.1.3, wo die Wirkungszusammenhänge der Signale 

sichtbar werden. Diese Art der Darstellung wird deshalb auch als Wirkplan bzw. Signalflussplan 

bezeichnet. 

Typisches Beispiel aus dem Alltag: Waschmaschinensteuerung. Oder die Steuerung der 

Flüssigkeitszufuhr in einer Chemieanlage: 

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Bild 1.1.4: Steuerung der Flüssigkeitszufuhr in einer Chemieanlage 

Die durch eine SPS realisierte Steuereinrichtung öffnet bei Bedarf den Zulaufventil so lange, bis der 

Behälter voll ist (erkannt durch den Niveauschalter). Danach wird der Zulaufventil abgeschaltet. Der 

Füllstand wird dabei nicht laufend erfasst. 

1.1.5 Regelung 

Definition nach DIN 19226: Das Regeln, die Regelung, ist ein Vorgang, bei dem eine Größe, die zu 

regelnde Größe (Regelgröße), fortlaufend erfasst, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, 

verglichen und im Sinne einer Angleichung der Führungsgröße beeinflusst wird. Kennzeichen 

für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf, bei dem die Regelgröße im Wirkungsweg 

des Regelkreises fortlaufend sich selbst beeinflusst. 

z 

w 

+ 

_ 

e (Regelfehler) 

Regeleinrichtung 

y(Stellgröße) Regelstrecke 

x (Regelgröße) 

Rückführung 

Bild 1.1.5: Regelkreis (geschlossener Wirkungskreis) 

Die Führungsgröße w wird auch Sollwert genannt. Die Regelgröße x wird auch Istwert genannt und 

je nach Anwendungen verschiedene physikalische Variable sein, wie z.B. Temperatur, Druck, 

Massenstrom, Füllstand, Drehzahl oder Leistung. Man beachtet das Minus-Zeichen bei der 

Rückführung (Gegenkopplung). 

Als Regelstrecke wird der Teil des Regelkreises bezeichnet, der zwischen dem Stellort und dem 

Messort liegt. 

Die Regelung hat die Aufgabe, trotz störender Einflüsse den Wert der Regelgröße an den durch die 

Führungsgröße vorgegebenen Wert anzugleichen (d.h. der Regelfehler e bzw. die Regeldifferenz xd 

mit e = xd = w – x ist im Idealfall gleich null), auch wenn dieser Angleich im Rahmen gegebener 

Möglichkeiten manchmal nur unvollkommen geschieht. 

Typisches Beispiel aus dem Alltag: Regelung der Raumtemperatur. Oder die Regelung der 

Behältertemperatur in einer Chemieanlage: 

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Bild 1.1.6: Regelung der Behältertemperatur in einer Chemieanlage 

Der IST-Wert der Temperatur im Behälter wird laufend erfasst und mit dem SOLL-Wert verglichen. 

Abweichungen zwischen werden nach einem Regelalgorithmus durch das Stellen des Kaltwasser- 

bzw. Warmwasserventils ausgeglichen. 

1.1.6 Steuern oder Regeln ? 

Die Frage, wann eine Steuerung oder eine Regelung einzusetzen ist, hängt in der Regel von den 

Rahmenbedingungen ab. Eine Steuerung wird dann vorteilhaft eingesetzt, wenn die Störgröße 

unmittelbar und nicht erst aufgrund ihrer Auswirkung auf die Regelstrecke erfasst und kompensiert 

werden kann. Eine Steuerung kann wegen ihres offenen Wirkungsablaufes nicht instabil und oft mit 

weniger Aufwand als eine Regelung gebaut werden. Eine Regelung wird immer dann vorgezogen, 

wenn unvorhergesehene oder nicht unmittelbar messbare oder mehrere wesentliche Störgrößen 

kompensiert werden sollen. Selbstverständlich kann man in der Praxis auch Regelung und Steuerung 

miteinander kombinieren, um damit die Vorteile beider Verfahren zu nutzen. 

1.1.7 Leittechnik, Leitsysteme 

Definition: Die Leittechnik umfasst Methoden, Verfahren und informationstechnische 

Maßnahmen um die zielorientierte, sichere Führung eines teilautomatisierten Systems zu 

ermöglichen. 

Dieser Begriff wurde 1980 zum ersten Mal in der Bayer AG eingeführt. Neben Aspekten der 

Automatisierung stehen hier vor allem die Bedienung und Beobachtung des (meist komplexen) 

Prozesses durch den menschlichen Bediener (Operateur) im Vordergrund. Man sprich auch von 

Visualisierungssystemen oder von SCADA-Systemen (Supervisory Control And Data Acquisition). 

Dazu sind werden Prozessinformationen erfasst, verarbeitet, protokolliert und an den Bediener 

gemeldet. Gleichzeitig werden automatische bzw. manuelle Bedienkommandos verarbeitet und an den 

Aktoren weitergegeben. Bild 1.1.7 verdeutlicht zusammenfassend das Gebilde der wichtigsten 

Funktionskomponenten eines leittechnischen Systems. Man beachte den Block 

„Schutz/Verriegelung“, dessen Aufgaben darin besteht, die Komponenten/Anlage vor unerlaubten 

Betriebszuständen zu bewahren. Ihre Priorität ist daher höher als manuellen Kommandos, da auch der 

Bediener Fehlhandlungen verursachen kann. Anschaulich wird die Leittechnik oft auch mit dem 

„Nervensystem“ einer technischen Anlage verglichen. 

Leitsysteme führen Funktionen der Leittechnik aus. Sie sind heutzutage meistens hierarchisch 

strukturierte und busgekoppelte (Echtzeit-)Rechnersysteme, die einerseits zentrale Dienste wie 

Systemkonfiguration, -dokumentation und –änderung, Diagnose und Wartung, andererseits dezentrale 

(örtlich verteilte) Ausführung der leittechnischen Aufgaben ermöglichen. Durch die verteilte 

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Information und Intelligenz wird das Thema Kommunikation immer wichtiger. Sie prägt die Struktur 

des modernen Leitsystems immer stärker mit. 

Informationsaufbereitung 

Überwachung 

Signalaufbereitung Antriebsinterface 

Prozess 

Warte 

Automatisierung 

Schutz/ 

Verriegelung 

Bild 1.1.7: Funktionale Struktur eines leittechnischen Systems 

G 

Regelung 

Bedienungseinrichtung 

Steuerung 

Schaltanlage 

antriebsbez. 

Signale 

Als Beispiele industrieller Leitsysteme seien Freelance 2000 (Fa. ABB, Hartmann & Braun) oder 

SIMATIC PCS7, TELEPERM XP (Fa. Siemens) und TELEPERM XS (Fa. Framatome ANP GmbH, 

früher Siemens Nuclear Power GmbH) genannt. 

1.1.8 Mathematische Beschreibung des Systems und Modellbildung 

Ein wichtiger Aspekt in der Unterscheidung zwischen der Steuerung und der Regelung ist die 

unterschiedliche mathematische Beschreibung. Allgemein werden in der Automatisierungstechnik 

zwischen zwei Klassen von Systemen unterschieden: 

• Zeitkontinuierliche Systeme und 

• Ereignisdiskrete Systeme. 

Beim letzteren sind die Anzahl der möglichen internen Zustände in der Regel endlich. Unter einem 

Ereignis kann sowohl ein Prozesseingriff eines Bedieners oder eine qualitative Veränderung einer 

kontinuierlichen Messgröße (von „Grenzwert noch nicht erreicht“ auf „Grenzwert überschritten“) 

verstanden werden. 

Zustand 

2 – 

Zustand 3 – 

1 – 

Ereignisse 

Kontinuierlich t Ereignisorientiert t 

Bild 1.1.8: Kontinuierliche und ereignisorientierte Systeme 

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In dieser Einteilung umfasst der Begriff zeitkontinuierliche Systeme auch solche Systeme, die durch 

die Abtastung zeitdiskret geworden sind, da ihre mathematische Behandlung von denen der 

ereignisdiskreten System unterscheiden. 

Mathematische Beschreibungsmittel der kontinuierlichen Systeme (Regelung): 

• Differentialgleichungen (im Zeitbereich) und 

• Laplace-Transformation (im Frequenzbereich) 

Mathematische Beschreibungsmittel der ereignisdiskreten Systeme (Steuerung): 

• Boolesche Algebra (Verknüpfungssteuerung) und 

• Zustandsgraphen oder Petri-Netze (Ablaufsteuerung). 

1.2 Bedeutung der Automatisierungstechnik für die Wirtschaft 

1.2.1 Weltmarkt für die Automatisierungstechnik 

Zuerst wird die die Automatisierungstechnik als Wirtschaftsfaktor betrachtet. Der Markt für 

Automatisierungstechnik kann dabei aus Sicht des Herstellers bzw. Dienstleisters nzw. des Betreibers 

betrachtet werden. Die folgende Tabelle zeigt eine Weltmarktübersicht vom Jahre 1992 /6/, man 

beachte dabei den hohen Anteil (40%) des „System Engineering“, der die Haupttätigkeitfelder eines 

„Automatisierungstechnikers“ darstellt (die Geräte- und Systemserstellung bietet erheblich weniger 

Arbeitsplätze): 

Hersteller 

53“8 (Mrd. DM) 

Wachstum 7% pa 

6“5 

17“7 

15“3 

14“3 

Systeme 

(Prozessleitsysteme, unspezifisch) 

Geräte 

(Steuerung, Regler, Kommunikation, B&B) 

Prozessankopplung 

(Sensoren, Messgeräte, Waagen, Prozessanalytik, 

Antriebe, Stellgeräte) 

System Engineering 

(Projektierung, Konfigurierung, Installation, Montage, 

Inbetriebnahme) 

Betreiber 13“0 (Projektierung, Errichtung, Instandhaltung) 

39“5 = 60% 

27“3 = 40% 

Gesamt 66“8 Summe 66“8 = 100% 

Es darf angenommen werden, dass es an der prozentualen Marktaufteilung momentan nicht viel 

geändert hat, auch wenn der Weltmarkt für die Automatisierungstechnik in den letzten Jahren im 

Vergleich zur Gesamtwirtschaft überproportional gewachsen ist. Nach einer neuen Studie der Fa. 

Mercer (Unternehmensberatung, www.mercermc.de) betrug der Automatisierungsmarkt weltweit im 

Jahr 2003 ca. 121,8 Mrd. €. Davon entfallen 62,4 Mrd. € auf Dienstleitungen, 59,4 Mrd. € auf 

Produkte. Bis 2010 wird mit einem etwas schwächren jährlichen Zuwachs von 3% gerechnet 

(marktkonform mit dem Wachstum der Industrieproduktion). Laut Verband Deutscher Maschinen- 

und Anlagenbau (VDMA) betrug der Automatisierungsmarkt in Deutschland im Jahr 2004 6,9 Mrd. €. 

Dies ist ein Zuwachs von 5% gegenüber 2003. 

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Momentan bestimmen einige große Hersteller den Weltmarkt, während viele kleinere Hersteller die 

Nischen in der Prozessankopplung und Engineeringleistung besetzen versuchen. Bild 1.2.1 zeigt die 

Situation und Entwicklung der wichtigsten Anbieter zwischen 1999 und 2003. 

Bild 1.2.1: Situation und Entwicklung der Automatisierungsanbieter zwischen 1999 und 2003 

Der Konzentrationsprozess findet auch unter den Herstellern von Geräten/Komponenten der 

Automatisierungstechnik statt. Die folgende Tabelle zeigt einige bedeutende Akquisitionen der letzten 

Jahre: 

Jahr Käufer Veräußerte Firma 

1989 

1990 

1992 

1994 

1995 

1996 

1998 

1999 

ELSAG 

Siebe 

Emerson 

ELSAG Bailey 

Siebe 

ICS 

ELSAG Bailey 

CEGELEC 

Emerson 

ABB 

Allied Signal 

Bailey Controls 

Foxboro 

Fisher Controls, Rosemount 

Fisher&Porter 

Triconex, IC Eckardt 

L&N MAX DCS 

HuB 

AEG 

Westinghouse PCD 

ELSAG Bailey/HuB 

Honeywell 

1.2.2 Bedeutung und Struktur der Automatisierungstechnik im Betrieb 

Aus Sicht eines Betreibers, d.h. eines Industriebetriebs wendet man die Automatisierungstechnik an, 

um technische Prozesse/Anlagen zu betreiben mit dem Ziel: 

• sicherer Betrieb 

• Beherrschung schwieriger Prozesse 

• wirtschaftliche und umweltschonende Produktion. 

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Die Frage, ob die Automatisierungstechnik Arbeitsplätze vernichtet, muss auf den ersten Blick 

eindeutig mit einem „Ja“ beantwortet werden, allerdings nur solche, die wirtschaftlich unrentabel sind 

und somit für ein Hochlohnland wie die Bundesrepublik auf langer Sicht sowieso nicht zu halten sind. 

Man kann sogar auch anders argumentieren: ohne den hohen Stand an Automatisierung wären noch 

mehr Arbeitsplätze von Deutschland in die Billiglohnländer verlagert worden! 

Durch die zunehmenden Rechnervernetzung im Betrieb sind die Automatisierungssysteme heute 

längst nicht mehr autarke Geräte zur Erfüllung bestimmter Ausgaben wie Regelung oder Steuerung, 

sondern sie sind meistens ein Teil eines größeren Automatisierungsverbunds zur Anlagenführung und 

Produktionssteuerung mit einer hierarchischen Struktur (s. Bild 1.2.2). 

Ganz unten ist die Prozess/Feldebene. Sie stellt die Schnittstelle des Automatisierungssystems zur 

Anlage dar. Automatisiert wird in der Regelungs- und Steuerungsebene mit übergeordneter Bedienung 

und Beobachtung durch den Operateur (auch Prozessführungsebene genannt). Bis diese Ebene decken 

klassische Leitsysteme die Aufgaben ab. Neuerdings wird immer öfter Schnittstelle zu übergeordneten 

Ebenen wie Entwicklung oder Planung geschafften, um die Produktion noch effizienter und flexibler 

zu gestalten. Kurzrum werden Automatisierungs- und Leitsysteme immer mehr als Rechnerverbund in 

die Gesamt-IT-Landschaft eingebettet, die von der Kundenbetreuung, Auftragseingang, 

Fertigungsplanung/Entwicklung bis Materiallogistik und Rechnungs- und Personalwesen umfasst. 

Bild 1.2.2: Automatisierung aus Sicht eines Betriebs 

1.2.3 Anwendungsfelder der Leittechnik 

Automatisierungs- und Leittechnik haben sich praktisch in allen technischen Bereichen parallel 

entwickelt. Dabei werden die Systeme und Lösungen sehr stark von den aufgabenspezifischen 

Erfordernissen (Prozess Know-how) geprägt. In einer groben Aufteilung spricht man auch von 

• Fertigungsleittechnik (z.B. Automobilindustrie, Werkzeugmaschinenbau etc.); 

• Prozessleittechnik (z.B. Chemie- und Pharmaindustrie, Kraftwerkstechnik etc.); 

• Verkehrsleittechnik; 

• Gebäudeleittechnik etc. 

Weitere Detaillierungen innerhalb eines Gebiets sind selbstverständlich möglich. Es gibt z.B. 

innerhalb der Verkehrsleittechnik wiederum die Bahntechnik, das makroskopische Leitwegsystem für 

PKW/LKW bzw. das mikroskopische funkgesteuerte Routenleitsystem. Im folgenden soll anhand 

eines Beispiels aus der Automobilindustrie (Bild 1.2.3) die Fertigungsautomatisierung etwas näher 

betrachtet werden. Ein Fertigungsbereich gliedert sich in mehrere Anlagen, bestehend aus mehreren 

SPS. Denen sind wiederum Stationen zugeordnet, welchen Bearbeitungsmaschinen für einen 

Prozessschritt entsprechen könnte. 

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Bild 1.2.3: Anlagengliederung eines Automobilherstellers 

Das Hauptmerkmal der Automation hier ist die hohe Flexibilität der Produktion, da sich der Markt 

schnell verändert. Andererseits soll die Produktivität durch die Flexibilität nicht beeinträchtigt werden 

- das heißt u.a., kurze Durchlaufzeiten und hohe Verfügbarkeit einer Anlage sind unerlässlich. Die 

Forderung nach mehr Flexibilität bei höherer Produktivität ist nur dann zu befriedigen, wenn die 

herkömmlich starr strukturierten und zentral gesteuerten Systemarchitekturen durch verteilte, dezentral 

arbeitende Systeme abgelöst werden, die jeweils für sich autonom arbeiten und Informationen 

austauschen (s. Kap. 5). 

1.2.4 Besonderheiten des Studiums/Berufs der Automatisierungstechnik 

Aus dem o.g. Überblick ergeben sich folgende Besonderheiten des Studiums/des Berufs als 

Automatisierungstechniker: 

• Die Inhalte des Studium der Automatisierungstechnik sind relativ umfangreich: Messtechnik, 

Computertechnik (Hardware/Software), Kommunikationstechnik, Antriebstechnik, 

Energietechnik, Verfahrenstechnik, Fertigungstechnik etc.; 

• Das Einsatzspektrum im späteren Beruf ist sehr breit: Man findet in nahezu jedem 

Industriezweig einen Job als Automatisierungstechniker; 

• Die Tätigkeitsfelder sind facettenreich: als der „Mann vor Ort“ auf jeder Ecke der Welt (für 

die IBS = Installation und Inbetriebsetzung) oder als der „Schreibtischtäter“ im Stammhaus im 

Projektierungsteam; Als Ingenieur beim Komponentenhersteller, oder Projektierer in einem 

Ingenieurbüro bzw. als Planer/Instandhalter bei einem Anlagenbetreiber; 

• Der Bedarf an Automatisierungstechniker auf dem Arbeitsmarkt schwankt zwar auch mit dem 

Konjunkturzyklus. Die Schwankungen sind aus Erfahrung allerdings deutlich geringer als 

Fachrichtungen, die nur eine Branche abdecken. 

1.3 Modellbasierter Entwurf eines Automatisierungssystems 

Das Auffinden von Lösungswegen eines Automatisierungsproblems beruht auf dem 

Ingenieurskönnen, nämlich Erfahrung, Kreativität und Anwendung von gelernten Entwurfsmethoden. 

In der Praxis werden Automatisierungssysteme heute meistens noch intuitiv entworfen und in einer 

rechnernahen Sprache programmiert. Größere, komplexere Lösungen sind daher oft unübersichtlich. 

Sie können nur mit großem Aufwand überprüft und allenfalls erweitert werden. Gewünscht wird daher 

ein modellbasierter Entwurf welcher auf einem (wieder verwendbaren) Modell des zu 

automatisierenden Prozesses und einer formalen Beschreibung des gewünschten Verhaltens basiert. 

Die daraus systematisch generierte Lösung ist „korrekt“ im Sinne der Spezifikation. Nachträgliche 

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Spezifikationsänderungen (z.B. bei der Formgebung oder Rezeptur) können schnell berücksichtigt 

werden. Das folgende Bild zeigt den „Idealfall“ des Entwurfs einer Steuerung. 

Bild 1.3.1: „Idealfall“ des modellbasierten Entwurfs einer Steuerung 

Der eigentliche Steuerungsentwurf reduziert sich quasi auf ein Beschreiben (“Beschreiben statt 

Programmieren“). Es gibt verschiedene Beschreibungsmittel auf unterschiedlicher Abstraktionsebene. 

Diese reichen von der Booleschen Algebra, über Zustandsgraphen bis hin zu Petri-Netzen, die in der 

Vorlesung nacheinander vorgestellt werden. Immer mehr moderne Werkzeuge setzen dann solche 

Beschreibungen in ausführbare Programme um und ermöglichen damit anwendungsnahe und 

problemangepasste Lösungen von Steuerungsproblemen. 

Ähnliches trifft es auch beim Entwurf eines regelungstechnischen Systems zu. Komfortable 

Softwarepakete wie Mathlab erleichtern den Entwurfsprozess enorm. 

Moderne Entwicklungsumgebung (z.B. „Simatic manager“ für die Programmierung der SPS der Fa. 

Siemens) unterstützen durchgehend den Prozess der HW-Konfiguration und der SW-Entwicklung. Die 

Tendenz geht in die Richtung der CAD-Werkzeuge, die ein Projekt von der Angebots- und bis zur 

Wartungsphase rechnerbasiert abwickeln können (z.B. das Engineering-System ES680 beim 

TELEPERM XP bzw. das SPACE-System beim TELEPERM XS). 

1.3.1 Lebensphasenzyklus eines Automatisierungssystems 

Im wirtschaftlichen Leben ist die Automatisierung nie selbst Zweck. Das Produkt eines 

Automatisierungsingenieurs ist die Lösung einer Automatisierungsaufgabe. In der Regel wird ihm 

diese Aufgabe von den Verfahrenstechnikern oder anderen Systemdesignern bzw. Kunden gestellt. 

Das folgende Bild zeigt graphisch den Gesamtprozess eines leittechnischen Projektes von der 

Akquisitionsphase bis zum Projektabschluss: 

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Task 

Customer 

PM Process 

Phase 

Manufacturing 

Process 

Procurement 

Process 

QM Process 

Documentation 

Process 

PM Mile stone: 

PA = Project finish 

PS = Project start 

PV = Project controlling 

1 

2 

5 

8 

9 

Planning Realisation Operation 

Acquisition Bid Design Implementation Manufacturing Erection Commissioning Service 

1 2 

Kon LH PH 

3 4 5 

Test 

6 

LT VT 

7 

8 

Inquiry Bid 

BS BS DF FR FAT CAT PAC 

FAC 

AS 21 PS 

22 

Contract 

PV PV PV PV PA 

32 

35 

42 52 62 72 

45 

28 38 

48 58 68 78 

29 39 

49 59 69 79 

Customer Milestone: 

BS = Procurement 

CAT = Customer acceptance test 

DF = Design freeze 

LT = I&C 

VT = Process 

Bild 1.3.2: Abwicklungsprozess eines leittechnischen Projektes 

FM 

Acceptance 

FM = Release erection 

FR = Release implementation 

FAC = Final acceptance certificate 

FAT = Factory acceptance test 

PAC = Provisional acceptance certificate 

Technisch interessant ist die Betrachtung des Lebensphasenzyklus eines Automatisierungssystems: 

1. Das Dokument mit dem Inhalt „Was soll das System leisten?“ wird auch Lastenheft genannt. 

Es soll vorrangig vom Kunden/Auftraggeber erstellt werden und möglichst technisch neutral 

sein. Die potentiellen Auftragnehmer versuchen oft, möglichst früh darauf Einfluss zu 

nehmen; 

2. Der Automatisierungsingenieur arbeitet zuerst ein Pflichtenheft aus mit dem Inhalt „Wie 

könnte die Lösung des Problems aussehen?“. Je nach der Tiefe der Ausarbeitung entsteht 

damit oder danach die Systemspezifikation. Darin oder danach wird die Systemarchitektur 

und – bei der Entscheidung für eine rechnerbasierte Lösung – die Anforderungen an 

Software und die Anforderungen an Hardware festgelegt. 

3. SW und HW werden dann - in der Regel getrennt – entworfen und realisiert. 

4. Obwohl man die SW-Lösung und HW-Lösung getrennt prüfen kann und auch testet, wird die 

volle Funktionalität meistens erst nach der Integration beider Teile validierbar. 

5. Das richtige Zusammenspiel mit den elektrischen und verfahrenstechnischen Systemen wird 

erst nach der erfolgreichen Installation und der leittechnischen bzw. verfahrenstechnischen 

Inbetriebsetzung demonstriert. 

6. Der anschließende Betrieb-, Wartung-, Modifikations-, Demontage- und Recycling- 

Schritte laufen in der Regel voll im Regie des Anlagenbetreibers. 

Von diesem gesamten Lebensphasenzyklus konzentrieren wir uns in dieser Vorlesung primär auf die 

Schritte 2 bis 3, wenn wir von Komponenten der Automatisierungssysteme sprechen. Der 

Ingenieur soll in der Praxis aber immer das ganze in Augen behalten, um auf dem international hart 

umkämpften Markt erfolgreich zu sein. 

1.3.2 Grafische Symbole 

Eine häufige Fehlerquelle beim Entwurf eines Automatisierungssystems ist die Schnittstelle zwischen 

dem Verfahrenstechniker (dem Aufgabensteller) und dem Automatisierungstechniker (I&C- 

Ingenieur). „Ein Bild sagt mehr als tausend Sätze“. Für eine eindeutige, klare Aufgabestellung sind 

einheitliche grafische Darstellungen unverzichtbar. Im Folgenden werden nur einige Grundsätze 

vorgestellt. 

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Verfahrensfließbild: Technologisches Schema zur Abbildung der Systemobjekte. DIN 28004 kennt 

u. a. folgende Symbole: 

Bild: 1.3.3: Ausgewählte Fließbildsymbole (nach DIN 28004) 

Sind im Verfahrensfließbild auch die Symbole für MSR-Einrichtungen enthalten, so spricht man auch 

vom Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild (R&I-Fließbild). Darin interessieren wir uns als 

Automatisierungstechniker vor allem für die sog. MSR-Stelle bzw. PLT-Stelle: diese sind 

symbolartige Zusammenfassungen aller für die Realisierung einer Automatisierungs- bzw. 

Prozessleitaufgabe notwendigen Funktionen und Funktionseinheiten. Das folgende Bild stellt eine 

PLT-Stelle mit Angaben des Messortes und des Stellortes dar. 

FIC 

F001 

Stellort Messort 

Bild: 1.3.4: Beispiel für eine PLT-Stelle 

PLT-Stelle 

Leittechnik 

Verfahrenstechnik 

Dabei bedeuten: F001 = Durchflussmessung 001 und FIC = Durchflussregler mit Anzeige. Noch 

allgemeiner haben die Abkürzungen folgende Bedeutungen: 

• Der 1. Buchstabe gibt die Meßgröße an, z.B.: 

- F: Durchfluss (flow); 

- L: Füllstand (level); 

- P: Druck (pressure); 

- T: Temperatur (temperature) etc. 

• Der 2. Buchstabe gibt die Umsetzfunktion an, z.B.: 

- A: alarmierend (alarming); 

- I: anzeigend (indication); 

- R: registrierend (registration) etc. 

• Durch weitere Buchstabe kann Zusatzfunktionen angegeben werden, z.B.: 

- C: Regelung (control). 

Weitere Symbole werden im Skriptum bei Bedarf erläutert. 

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2 Grundlagen der digitalen Steuerungstechnik 

2.1 Klassifizierung von Steuerungen 

Je nach Orientierung werden (nach DIN 19237) folgende Steuerungsbegriffe unterschieden: 

• Signalorientiert: analoge, digitale, binäre Steuerung; 

• Funktionsorientiert: Verknüpfungs- bzw. Ablaufsteuerung; 

• Technologieorientiert: festprogrammierte, umprogrammierbare Verbindungssteuerung (VPS); 

frei-, austauschprogrammierbare speicherprogrammierte Steuerung (SPS); Relaissteuerung, 

elektronische, pneumatische usw.; 

• Hierarchieorientiert: Einzel-, Gruppen-, und Leitsteuerung; 

• Anwendungsorientiert: Verriegelungs-, Sicherheitssteuerung, Brenner-, Produktweg-, 

Rezeptursteuerung, Fertigungssteuerung, Kraftwerkssteuerung usw. 

2.2 Verbindungsprogrammierte Steuerungen (VPS) 

Die verbindungsprogrammierte Steuerung ist eine Schütz- oder Relaissteuerung, wie sie bis zum 

„Siegeseinzug“ der Rechnertechnik in der Steuerungstechnik üblich war. Durch Verbinden oder 

Verdrahten der einzelnen Schaltelemente wird die Wirkungsweise der Steuerung festgelegt. 

Will man mit den gleichen Schaltelementen eine andere Funktion erhalten, so muss man neu 

verdrahten. 

Die Programmdokumentation bei VPS erfolgt meist in Form eines Stromlaufplanes. Obwohl die 

Bedeutung der VPS in der Praxis immer mehr abnimmt (und die der SPS immer zunimmt), spielt der 

Stromlaufplan in der Praxis immer noch eine wichtige Rolle. Oft wird die Logik der 

Maschinensteuerung im Stromlaufplan dokumentiert und dann in SPS umgesetzt. 

Zum Verständnis des Stromlaufplans sind Kenntnissse der Graphiksymbole notwendig. Diese sind 

z.B. in DIN 40900 genormt. Einige davon sind in Bild 2.2.1 wiedergegeben. 

Schließer Öffner Wechsler Taster Drehschalter 

Bild 2.2.1: Ausgewählte Symbole für Stromlaufpläne (DIN 40900) 

Relais, 

Schütz 

Die Unterscheidung eines „Schließers“ von einem „Öffner“ spielt vor allem bei der Sicherheitstechnik 

eine Rolle: 

„Schließer“ bzw. „Arbeitsstromkreis“ Betätigt => Signalzustand „1“ an der SPS 

Nicht betätigt => Signalzustand „0“ an der SPS 

„Öffner“ bzw. „Ruhestromkreis“ Betätigt => Signalzustand „0“ an der SPS 

Nicht betätigt => Signalzustand „1“ an der SPS 

Der Stromlaufplan stellt ein hardwaremäßig zu realisierendes Steuerungsprogramm anschaulich 

strompfadbezogen dar. Dabei sind folgende Regeln zu beachten: 

• Eingänge werden durch Taster, Schalter, Endschalter, Relaiskontakte, ... , repräsentiert. 

• Ausgänge werden durch Relais, Schütze (zum Schalten von Antrieben), Meldeleuchten, ... , 

dargestellt. 

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• Die Logik und Ausgangszuweisungen der jeweiligen Schaltfunktion werden vertikal zwischen 

den beiden Potentialen des Steuerstromkreises dargestellt. Die Programmabarbeitung erfolgt 

von oben nach unten und von links nach rechts. 

• Die logische Grundverknüpfungen werden wie folgt realisiert: 

1. Negation: Kontakt ist im Ruhezustand nicht geöffnet; 

2. Konjunktion (UND): Beteiligte Kontakte sind in Reihe geschaltet; 

3. Disjunktion (ODER): Beteiligte Kontakte sind parallel geschaltet. 

• Jedes Unterprogramm (Sequenz) erhält einen eigenen Strompfad mit den zugehörigen Ein- 

und Ausgängen. 

In Bild 2.2.2a ist eine Selbsthalteschaltung mit zwei Ein- und zwei Aus-Tastern dargestellt 

(Darstellung mittels Stromlaufplan). Wird der Taster S3 oder der Taster S4 betätigt, so zieht das 

Schütz K1 an und hält sich über den Haltekontakt von K1 selbst. Wird einer der beiden Taster S1 bzw. 

S2 betätigt, so fällt das Schütz K1 ab. 

Bild 2.2.2a: Selbsthalteschaltung Bild 2.2.2b: Haltegliedsteuerung 

In Bild 2.2.2b ist eine Haltegliedsteuerung mit Zweihandein- und Zweihand-Aus-Verriegelung 

dargestellt. Werden die Taster S3 und S4 gleichzeitig gedrückt, so zieht das Schütz K1 an. Werden die 

Taster S1 und S2 gleichzeitig gedrückt, so fällt das Schütz K1 wieder ab. 

Heutzutage findet VPS besonders bei einfacheren Aufgabenstellungen Anwendung. Sie wird 

manchmal in der Sicherheitssteuerungen bevorzugt eingesetzt wegen der leichteren 

Korrektheitsnachweise und des damit verbundenen geringeren Genehmigungsaufwands. Der Vorteil 

der kürzeren Reaktionszeit gegenüber SPS verliert dagegen mit zunehmender Steigerung der 

Rechnerleistungsfähigkeit immer mehr an Bedeutung. 

2.3 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) 

Anfangs war die Funktionalität der SPS auf die binäre Steuerung beschränkt. Heute gelten SPS als 

Kernstück jeder Automatisierung. Wegen ihrer ständig steigenden Rechenleistung übernehmen SPS 

inzwischen nicht nur Steuerungs-, sondern auch Regelungsaufgaben (verarbeitet damit Analoggrößen 

und komplexe mathematische Operationen). Zusätzlich übernehmen SPS zunehmend auch 

Überwachungsfunktionen wie z.B. Trenderkennung oder Protokollierung von Ereignissen. SPS ist 

deutlich flexibler und leistungsfähiger (bei komplexen Systemen auch preiswerter) als VPS und ersetzt 

die VPS und manchmal sogar auch die pneumatischen/hydraulischen Steuerungen auf immer mehr 

Gebieten. Es gibt drei Ausführungsformen der SPS: 

• Hardware-SPS (auch Schrank-SPS genannt, da die Komponenten als Einsteckkarte in einem 

Schaltschrank/Baugruppenträger mit Rückwandbus angeordnet sind); 

• Slot-SPS (CPU-Karte mit Echtzeitbetriebssystem zum Einbau in einen Host-Industrie-PC); 

• Soft-SPS (softwaremäßige Nachbildung der SPS-Funktionalität auf einem Industrie-PC). 

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Die zunehmende Konkurrenz der „klassischen“ Hardware-SPS durch die PC-basierte Soft-SPS macht 

den starken Einfluss der raschen Entwicklung der Informationstechnologie auf die 

Automatisierungstechnik deutlich. Allerdings ist die Hardware-SPS bei rauer Industrieumgebung und 

bei hoher Verfügbarkeits-/Sicherheitsanforderung immer noch der Soft-SPS überlegen (warum?). In 

dieser Vorlesung wird unter SPS (wenn nichts anderes gesagt) immer die Hardware-SPS verstanden. 

Sie ist nicht nur am meisten verbreitet, sondern ihre Entwurfsmethodik und die Anwenderprogramme 

sind im allg. auf andere SPS-Varianten übertragbar. Im vorlesungsbegleitenden Praktikum wird die 

Gerätefamilie SIMATIC S7 der Fa. Siemens eingesetzt. Das folgende Bild zeigt die Ausführungen 

dieser SPS-Familie unterschiedlicher Leistungsklassen, wobei die S7-300 in der Praxis die breiteste 

Anwendung findet. 

S7-300 

S7-200 

Bild 2.3.1: Abbild einer SPS-Familie (SIMATIC S7) 

2.3.1 Aufbau eines Automatisierungsgerätes 

S7-400 

Bei der SPS werden die Schaltelemente an die Eingänge des Automatisierungsgeräts (AG, Bild 2.3.2) 

angeschlossen, die Betätigungsspulen an die Ausgänge. 

Bild 2.3.2: Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 

Die Wirkungsweise der Steuerung wird in einem Programm festgelegt. Das Programm wird mit einem 

Programmiergerät in den Programmspeicher geschrieben. Soll nun die Selbsthalteschaltung von Bild 

2.2.2a in die Zweihandein- und Zweihand-Aus-Verriegelung von Bild 2.2.2b umgewandelt werden, so 

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wird nicht die Verdrahtung, sondern der Inhalt des Programmierspeichers mit dem Programmiergerät 

verändert („programmieren statt verdrahten“). Das Automatisierungsgerät ist in sich eine 

abgeschlossene Funktionseinheit. Es besteht im Wesentlichen aus folgenden Modulen: 

Baugruppenträger Er dient zur Aufnahme der steckbaren Baugruppen. 

Netzteil Stromversorgung der SPS 

CPU Sie ist die Zentralbaugruppe. Sie arbeitet das Anwenderprogramm 

sequentiell ab. 

Eingabe-Baugruppen Sie dienen zur Verarbeitung der externen Signale (digital oder analog). 

Ausgabe-Baugruppen Mit den Ausgabe-Baugruppen können digitale oder analoge Signale nach 

außen gegeben werden. 

Sonder-Baugruppen Diese sind Baugruppen für spezielle Funktionen. Es gibt z.B.: 

Kommunikationsbaugruppen, Reglerbaugruppen, Zählbaugruppen, 

Positionierbaugruppen 

Modularer Aufbau der Hardware 

Man spricht von der modularen Bauweise der Hardware, da man nicht nur die Baugruppen stecken 

kann, die man benötigt, sondern darüber hinaus, dass man eine CPU- Baugruppe, die in einem AG für 

die vorliegenden Aufgaben zu langsam ist, gegen eine leistungsfähigere austauschen kann, ohne sonst 

etwas am Rahmen oder an den sonstigen Baugruppen zu ändern. 

Es ist möglich, zusätzlich ein oder mehrere Erweiterungsgeräte an das Zentralgerät anzuschließen, um 

dort Baugruppen unterzubringen, die im Zentralgerät keinen Platz mehr haben. Je nach Bedarf können 

zusätzliche Baugruppen, wie z.B. weitere E/A- Baugruppen, Peripheriebaugruppen oder 

Kommunikationsbaugruppen angeschlossen werden. 

Geht man weiter ins Detail, so erkennt man bei der SPS ein Mehr an Modularität der Hardware 

dadurch, dass der Anwender in einem gewissen Rahmen den Speicher für das Steuerprogramm selbst 

strukturieren kann, so z.B., ob und wie viel Speicher in RAM, EPROM oder EEPROM gesteckt wird. 

Dieser Speicher ist häufig in Modulkärtchen realisiert und leicht von außen zugänglich. 

Softwarebausteine 

Neben den Aspekten der Modularität wie bei der Hardware kommt bei der Software der strukturierten 

Programmierung eine besondere Bedeutung zu. Üblicherweise bestehen die Steuerprogramme des 

Anwenders aus funktionell unabhängigen Teilen, den Bausteinen, die völlig getrennt erstellt und 

bearbeitet werden können. 

2.3.2 Arbeitsweise einer SPS 

Kurz soll hier auf die Arbeitsweise der Zentralbaugruppe (CPU) - das Herzstück einer SPS – 

eingegangen werden. Die CPU enthält das Steuerwerk, Programmspeicher, Prozessabbild, interne 

Zeiten, interne Zähler und Merker. Der Adressenzähler fragt den Programmspeicher Anweisung für 

Anweisung nacheinander ab und bewirkt die programmabhängige Informationsübertragung aus dem 

Programmspeicher zum Anweisungsregister. Das Steuerwerk erhält seine Anweisungen vom 

Anweisungsregister. Während das Steuerwerk die aktuelle Anweisung bearbeitet, schiebt der 

Adressenzähler die nächste Anweisung ins Anweisungsregister. Auf die Statusübertragung der 

Eingänge in das Prozessabbild der Eingänge folgen die Verknüpfung, der Einsatz der Zeitglieder, 

Zähler, Akkus und die Übertragung des Verknüpfungsergebnisses in das Prozessabbild der Ausgänge. 

Nach Erkennung des Bausteinendes (BE) im Programm erfolgt die Übertragung des Prozessabbilds 

der Ausgänge an die Ausgänge. Der Peripheriebus dient zum Datenaustausch zwischen 

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Zentralbaugruppe und der Peripherie. Zur Peripherie gehören die digitalen und analogen Ein- / 

Ausgabebaugruppen sowie Zeit-, Zähl- und Grenzwertbaugruppen. 

2.3.2.1 Zyklischer Betrieb einer SPS 

Ein wesentlicher Unterschied zwischen dem Programmablauf in der konventionellen 

Datenverarbeitung und bei der SPS besteht in der Organisation und Echtzeitverhalten des Programms. 

Bei der üblichen Datenverarbeitung wird ein Programm in der Regel einmal von oben bis unten 

durchlaufen und hält dann. Im Gegensatz dazu werden SPS-Programme in der Regel in einem „loop 

for ever“ permanent zyklisch durchlaufen. Im Einzelnen bedeutet dies: 

Zu Beginn jedes Zyklus wird der Zustand aller Eingänge in das Prozessabbild der Eingänge (interner 

Speicherbereich) kopiert. Während der Abarbeitung des Programms wird nicht direkt auf die Eingänge 

zugegriffen, sondern immer nur auf diese Kopie. Auf diese Weise können Inkonsistenten verhindert 

werden, die durch Änderung der Eingangszustände während eines Zyklus entstehen. 

Analoges gilt auch für die Ausgänge: Während der Programmbearbeitung werden die Ausgänge nicht 

direkt (rück-) gesetzt, sondern in einem internen Speicherbereich, dem Prozessabbild der Ausgänge 

gespeichert und am Ende eines Zyklus wird diese Kopie auf die physikalischen Ausgänge übertragen. 

Die Zykluszeit ist die Zeit, die zwischen zwei Ausgaben des Prozessabbildes der Ausgänge vergeht. 

Die doppelte Zykluszeit ist die Zeit, innerhalb der ein Automatisierungsgerät auf ein "normales" 

Ereignis reagieren kann (Reaktionszeit). 

Da aber ein Programm nicht immer auf die gleiche Weise durchlaufen wird, kann die Zykluszeit 

variieren. Das folgende Bild 2.3.3 veranschaulicht die Zykluszeit und die damit zusammenhängende 

Reaktionszeit bei unterschiedlicher Zykluszeit. 

Bild 2.3.3: Reaktionszeit bei verschieden langen Zyklen 

1 Prozeßabbild der Eingänge einlesen 

2 Prozeßabbild der Ausgänge ausgeben 

Die Bedeutung des Steuerprogramms ist unabhängig von der jeweiligen Zykluszeit, solange diese 

kürzer als die vom Programmierer/Anwender spezifizierte Zykluszeit ist. Die aktuelle Zykluszeit wird 

vom Betriebssystem der SPS überwacht. 

Ist man mit einem Programmiergerät online an einer laufenden CPU verbunden können Informationen 

wie aktuelle Zykluszeit, die kürzeste und längste Zykluszeit etc. angezeigt werden. 

2.3.2.2 Unterbrechung des zyklischen Betriebs 

Der permanente zyklische Betrieb hat den Nachteil, dass alle Steuerbefehle nacheinander mit der 

gleichen Priorität bearbeitet werden. Soll nun auf ein plötzlich auftretendes Ereignis sehr schnell 

reagiert werden, um z.B. sofort entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten, so kann der zyklische 

Betrieb verlassen werden. 

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Der permanente zyklische Betrieb kann unterbrochen werden durch: 

• Prozessalarme: Alarme von einer Baugruppe, entweder von einem Prozesssignal oder auf der 

Baugruppe selbst generiert. Sie werden auf einer der vorgesehenen Interruptleitungen der CPU 

geführt. Die CPU bearbeitet den aktuellen Baustein zu Ende, verlässt anschließend den Zyklus 

und bearbeitet über einen speziellen Organisationsbaustein (OB) die Alarmfunktion. 

• Weckalarme: Diese werden über spezielle OB´s veranlasst, die vom Betriebssystem in einem 

festen Zeitraster aufgerufen werden. 

• Andere Alarme wie Uhrzeitalarm, Verzögerungsalarm, Mehrprozessoralarm und Fehleralarme 

etc. 

Es besteht die Möglichkeit, diese Unterbrechungsalarme zurückzuhalten (Alarme sperren). 

Beim Aufruf eines ereignisgesteuerten Programms werden die Prozessabbilder nicht automatisch 

aktualisiert. Es sind u. U. in den Interruptroutinen direkte Peripheriezugriffe nötig (Dateninkonsistenz 

mit dem Hauptprogramm möglich!). Vor der Versuchung, Interrupt-basierte „Programmiertricks“ 

einzusetzen, nur um eine Verkleinerung der Reaktionszeit zu erreichen oder die CPU-Leistung zu 

„sparen“, sollte man sich im Sinne der Softwarepflege in der Praxis unbedingt schützen! 

2.3.3 Programmiersprachen der SPS 

Für die Programmdarstellung und Programmierung der SPS gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine 

internationale Vereinheitlichung wurde im Jahre 1992 durch die IEC-Norm 61131-3 (= DIN EN 

61131-3) erreicht, um die Anwenderprogramme herstellerunabhängiger zu machen. Dadurch wurde in 

Deutschland die (alte) DIN 19239 abgeschafft und bei Siemens die STEP 5 für SIMATIC S5 durch 

STEP 7 für SIMATIC S7 ersetzt. 

Die DIN EN 61131-3 nennt 5 Programmiersprachen: 

• Die Anweisungsliste AWL; 

• Den Strukturierten Text ST; 

• Die Funktionsbausteinsprache FBS (auch FUP=Funktionsplan genannt); 

• Den Kontaktplan KOP und 

• Die Ablaufsprache AS (Sequential Function Chart = SFC). 

AWL und ST sind textuelle Sprachen; KOP und FBS sind dagegen graphisch orientiert. Die AS ist 

eine übergeordnete Sprache mit beiden Elementen und ist besonders geeignet zur Programmierung 

von Ablaufsteuerungen, wobei die graphische Variante bevorzugt verwendet wird (z.B. im Siemens- 

Programmiersystem S7-Graph). 

AWL ist dem Wesen nach eine maschinennahe Sprache und erinnert sehr stark an die 

Assemblerprogrammierung. Sie ist mächtig, aber relativ unübersichtlich bei großen Programmen. Ihr 

Stellenwert bei unserer Vorlesung liegt vor allem darin, dass man damit die Arbeitsweise der SPS- 

Geräte tiefer verstehen kann. Ihre große Bedeutung für die Praxis liegt in der weiten Verbreitung und 

in den vielen existierenden Anwendungen. 

ST (oder SCL=Structured Control Language) stellt eine Hochsprache dar und ist daher besonders 

geeignet zur Umsetzung der Programmbeschreibungsmittel wie Struktogramme. Man denke an die 

Programmiersprache PASCAL. 

Der KOP wurde in früheren Zeiten entwickelt, um VPS-Programmierern, die gewohnt waren in 

Stromlaufplänen zu denken, den Umstieg zur SPS einfacher zu machen. Heute hat diese Form keinen 

wichtigen Stellenwert mehr. 

Die Vorteile der Beschreibung einer Aufgabenstellung im Funktionsplan (FUP) liegen vor allem 

darin, dass sie nicht nur vom Leittechniker, sondern auch vom Verfahrenstechniker leicht zu verstehen 

ist. Daher arbeitet man in modernen komplexen Leitsystemen wie TELEPERM XP oder TELEPERM 

XS nur noch mit den Funktionsplänen. Auch für die normalen Steuerungsaufgaben geht die Tendenz 

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eindeutig dorthin. Demgegenüber steht der Nachteil, dass die FUPs in der Regel nicht den gesamten 

Befehlsvorrat (wie bei der AWL möglich) abdecken. Abgesehen davon existieren in der Praxis 

Aufgabenstellungen, deren Lösungsstrukturen nur ineffizient mit Funktionsplänen darstellen lassen. 

Den Studierenden wird in seinem Studium eine gewisse Freiheit für seine Lieblingssprache 

überlassen. Im Skriptum werden FUP und AWL gleichrangig behandelt in der Absicht, im FUP auf 

abstrakterer Ebene den Lösungsweg zu finden, um anschließend in AWL die „maschinennahe“ 

Umsetzung zu üben. 

Im Folgenden werden die einige Grundsprachen der SPS-Programmierung nur soweit vorgestellt, wie 

man zum Nachvollziehen der Beispiele braucht. Die „Beherrschung“ einer bestimmten Sprache soll 

erst später im Laborpraktikum erreicht werden. 

Anweisungsliste (AWL) 

In der Anweisungsliste wird die Steuerungsaufgabe mit einzelnen Steuerungsanweisungen (=kleinste 

Einheit eines Programms) beschrieben. Die Steuerungsanweisungen (Operation und Operand) 

verwenden mnemonische (sinnfällige) Abkürzungen der Funktionsbezeichnungen. Bild 2.3.4 zeigt den 

Aufbau einer AWL-Zeile. 

Bild 2.3.4: Aufbau einer AWL-Zeile 

Eingänge in SPS in der Regel byteweise gruppiert und werden in der klassischen AWL mit E0.0 bis 

E0.7 (E1.0 ... E1.7, ...), Ausgänge mit A0.0 bis A0.7 (A1.0, ... A1.0, ...) bezeichnet. Adressen in der 

Form „E0.0“ werden auch absolute Adressen genannt. Neuere Softwarekonzepte bevorzugen die 

symbolischen Adressen. Die tatsächliche Anzahl von Ein- und Ausgängen hängt von der verwendeten 

Anlage ab. Gleiches gilt für Merker, diese sind eine Art geräteinterne Zwischenvariable, um 

komplexe logische Ausdrücke übersichtlicher zu gestalten. Als remanente Merker bezeichnet man 

Merker die ihren Zustand speichern, auch wenn die SPS abgeschaltet ist. Fester Teil der 

Anweisungsliste ist die Zuordnung. Sie hilft dem Installateur die SPS über die richtigen Anschlüssen 

mit der Anlage zu verbinden und soll Auskunft über verwendete Elemente geben. 

Zuordnungen für das Beispiel im Bild 2.3.5 könnten sein: 

E1 = E0.1 A = A0.1 

E2 = E0.2 

E3 = E0.3 

Die AWL dazu: 

U E0.1 // Kommentar: Erstabfrage 

UN E0.2 

O E0.3 

= A0.1 

BE 

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Bild 2.3.5: Beispiel für FUP, KOP und AWL 

Man erkennt hier logische Operationen wie „U“=UND, „UN“=UND NICHT, „O“=ODER bzw. den 

Zuweisungsbefehl „=“ mit den zugehörigen Operanden „E0.1“, „A0.1“ usw. Eine Anweisungsliste 

wird immer mit „BE“ (Blockende) beendet. Kommentare (optional) beginnen mit zwei 

Schrägestrichen und enden am Zeilenende. In AWLs gilt wie bei Booleschen Gleichungen UND vor 

ODER, d.h. man muss Klammern setzten wenn mehrere ODER-Verknüpfungen vor einer UND- 

Verknüpfung bearbeitet werden sollen. Da der Algorithmus in der Anweisungsliste der SPS zyklisch 

abgearbeitet wird, ist also darauf zu achten, das in Programmen keine Zustände verarbeitet werden, 

bevor sie erstmals berechnet wurden, um unerwünschte Effekte zu vermeiden. 

Funktionsplan (FUP) 

Der Funktionsplan (FUP) ist die schaltungstechnische Darstellung der Steuerungsaufgabe. Die 

einzelnen Funktionen werden durch ein Symbol mit Funktionskennzeichen (= Funktionsbaustein 

FBS) dargestellt. Auf der linken Seite des Symbols werden die Eingänge, auf der rechten Seite die 

Ausgänge angeordnet. Eingänge und Ausgänge müssen mit Operandenkennzeichen versehen werden. 

Die Software zum Erzeugen von Steuerprogrammen für SPS kann diese Darstellungsform in ein 

Anweisungsprogramm umwandeln, siehe das Beispiel in Bild 2.7. 

Kontaktplan (KOP) 

Der Kontaktplan ist die bildliche Darstellung der Steuerungsaufgabe. Er hat viel Ähnlichkeit mit dem 

herkömmlichen Stromlaufplan, jedoch sind mit Rücksicht auf die Darstellung die einzelnen 

Strompfade nicht senkrecht sondern waagrecht angeordnet. Die Symbole müssen mit 

Operandenkennzeichen versehen werden. Eingänge werden durch eckige, Ausgänge durch runde 

Klammern dargestellt. UND Verknüpfungen sind in Reihe geschaltet, ODER Verknüpfungen parallel. 

In der folgenden Tabelle sind noch einmal die wichtigsten logischen Operationen zusammengefasst. 

Auf die Sprache AS bzw. die STEP7 Variante S7-Graph wird im Rahmen der Ablaufsteuerung 

eingegangen. Außerdem bietet Siemens den S7-HiGraph zur Modellierung vom Zustandsgraph an. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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2.3.4 Grundlagen der Boolechen Algebra 

Bevor wir zum systematischen Entwurf von Steuerungssystemen kommen, sollte hier eine kurze 

Einführung in die Boolesche Algebra gegeben werden. Für die Elektrotechniker ist es eine 

Wiederholung, für die anderen Studiengänge eine notwendige Voraussetzung zum Verständnis des 

Stoffes. 

Eine Variable in der Booleschen Algebra kann nur zwei Werte annehmen: 0 oder 1, entspricht den 

logischen Zuständen wahr (TRUE) oder falsch (FALSE). Zwischenzustände gibt es nicht (im 

Gegensatz zur Fuzzy Logic = unscharfe Logik). Boolesche Variable lässt sich besonders leicht 

physikalisch realisieren, z.B. elektrischer Strom fließt oder unterbrochen, elektrische Spannung hoch 

oder niedrig etc. 

Boolesche Gleichungen sind besonders geeignet für die mathematischen Beschreibungen von 

logischen Verknüpfungen. Ein logisches UND (bzw. AND) wird entweder durch „&“, oder „∧“ oder 

vereinfacht durch ein „*“ oder gar ein Leerzeichen dargestellt; ein ODER durch „∨“ bzw. „+“. Wenn 

es also keine Verwechselungsgefahr besteht, sind folgende Darstellungsformen z.B. für das UND 

äquivalent: 

A = B AND C = B & C = B ∧ C = B * C = B C. 

Der dritte Operator ist der „NOT“ zum Negieren einer Variablen. Negierte Signale werden durch einen 

Hochstrich gekennzeichnet: S (sprich: S nicht oder nicht S), in den Übungen manchmal auch durch 

den Unterstrich S. 

Mit den 3 Operatoren UND, ORDER NOT lässt sich jede Boolesche Funktion eindeutig festlegen, 

dabei gilt immer UND vor ODER (in Analogie zur Schulalgebra Multiplikation vor Addition, auch 

Punkt-vor-Strich-Regel genannt). Selbstverständlich kann man mit Hilfe der Klammern eine andere 

Priorität herstellen (zuerst innen, dann außen). 

Da jede Boolesche Variable nur zwei Zustände besitzen kann, lässt sich eine Boolesche Funktion auch 

durch eine begrenzte, wenn auch manchmal große Wertetabellen vollständig angeben. Man nennt sie 

auch Funktionstabelle bzw. Wahrheitstabelle, z.B.: 

Nr. B C A=B*C A=B+C NAND = 

Nicht (B*C) 

NOR = 

Nicht (B+C) 

00 0 0 0 0 1 1 

01 0 1 0 1 1 0 

02 1 0 0 1 1 0 

03 1 1 1 1 0 0 

B und C sind beide Eingangs- und A die Ausgangsgrößen. Die Operatoren NAND = not and bzw. 

NOR = not or ist nur eine abgekürzte Schreibweise. Bei n Eingangsvariablen ist die vollständige 

Tabelle 2 n Zeilen lang. Von Zeile zu Zeile ändert sich die Eingangsvariable in der ganz rechten Spalte 

(in dem Fall C, auch der niedrigstwertige bit genannt = binary digit) immer seinen Zustand, die 2. 

rechte Spalte am Eingang (in dem Fall B) jede 2. Zeile, dann jede 4., jede 8. Zeile usw. 

Natürlich kann man eine Boolesche Funktion auch symbolisch darstellen. Dadurch bekommt man 

einen Funktionsplan, s. Kap. 2.3.3. 

Alle 3 Darstellungsformen sind völlig äquivalent. Sie sollten zwischen denen hin- und herwechseln 

können. Zur Generierung der Funktionstabelle genügt es, wenn man aus den Eingangskombinationen 

die Ausgangsvariable schrittweise ausrechnet, dabei kann man auch Zwischenvariablen einführen, um 

Rechenfehler zu vermeiden. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Um von der Funktionstabelle zum Booleschen Ausdruck zu kommen, bedient man sich einer de 

folgenden Darstellungsformen: 

• Disjunktive Normalform (DNF): z.B. D = S 1*S2*S3 

+ S1* S 2 *S3 

• Konjunktive Normalform (KNF): z.B. K = ( S 1+S2+S3)*(S1+ 

S 2 +S3) 

Die einzelnen „UND“-Terme der DNF werden auch als Minterm, die „ODER-Terme“ der KNF als 

Maxterm bezeichnet. 

Beispiel: 

Nr. 

0 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

S3 S2 S1 

0 0 0 

0 0 1 

0 1 0 

0 1 1 

1 0 0 

1 0 1 

1 1 0 

1 1 1 

K 

0 

1 

1 

0 

1 

0 

0 

1 

DNF (Disjunktive Normalform) : 

K = s3⋅ 

s2 

⋅ s1+ 

s3⋅ 

s2 

⋅ s1+ 

s3⋅ 

s2 

⋅ s1+ 

s3⋅ 

s2 

⋅ s1; 

KNF (Konjunktive Normalform) : 

K = ( s3 

+ s2 

+ s1) 

⋅ ( s3 

+ s2 

+ s1) 

⋅ ( s3 

+ s2 

+ s1) 

⋅ ( s3 

+ s2 

+ s1); 

Vor allem die DNF wird gerne verwendet. Dabei fasst man die Zeilen, bei denen die 

Ausgangsfunktion wahr ist (=1), durch eine UND-Verknüpfung der Eingangsvariablen (Minterme) 

und anschließend die Minterme durch die ODER-Verknüpfung zusammen. 

Boolescher Algebra besitzt in Analogie zum Schulalgebra auch einige Rechenregeln: 

• Kommutativgesetz: S1*S2 = S2*S1 bzw. S1+S2 = S2 + S1 

• Distributivgesetz: S1*S2 + S1*S3 = S1* (S2 + S3) bzw. (S1+S2) * (S1+S3) = S1+ (S2 * S3) 

• Assoziationsgesetz : S1*S2*S3 = S1*(S2*S3) bzw. S1+S2+S3 = S1+(S2+S3) 

• Reduktionsregeln: S1 + S1*S2 = S1; S1*(S1+S2) =S1 

• De Morgansche Regel: S 1+ S2 

= S1* 

S2 

bzw. S 1* S2 

= S1+ 

S2 

• Komplemente: S+ S =1; S* S =0 

• Identität: S+0=S; S+1=1 

• Neutrale Elemente: S*0=0; S*1=S 

• Idempotenz: S+S=S; S*S=S; 

Vor allem spielt die De Morgansche Regel in der Praxis eine große Rolle. 

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2.4 Entwurf von Verknüpfungssteuerungen 

2.4.1 Definition 

Nach DIN 19237: Eine Verknüpfungssteuerung ist eine Steuerung, die den Signalzuständen der 

Eingangssignale bestimmte Signalzustände der Ausgangssignale im Sinne Boolescher Verknüpfungen 

zuordnet. 

Unter Verknüpfung versteht man die Auswertung von Ausdrücken der Art: 

WENN Temperatur zu hoch 

UND Motor läuft 

DANN schalte Lüfter ein 

Hier werden die Temperaturüberschreitung und das Signal, dass der Motor läuft, zu einem 

Ausgangssignal verknüpft, das den Lüfter einschaltet. Grundsätzlich kann jedes Steuerungsproblem 

sowohl mit den Mitteln der Verknüpfungssteuerung, als auch mit den Mitteln der Ablaufsteuerung 

gelöst werden. 

Überwiegen die Probleme, die mit Bedingungen unabhängig vom zeitlichen Ablauf zu tun haben, so 

verwendet man Mitteln der Verknüpfungssteuerung. Dies ist z.B. bei den Sicherheitsfunktionen oft der 

Fall, da diese in der Regel weniger von zeitlichen Schritten im Prozess und sondern viel mehr von den 

Prozesszuständen abhängig sind. Anmerkung: In der Sicherheitsleittechnik wie in einem 

Kernkraftwerk wird diese Philosophie „schutzzielorientiertes Design“ genannt. 

Sämtliche Verknüpfungen eines Problems bzw. einer Steuerung müssen in Echtzeit (simultan) 

ausgewertet und ausgeführt werden, wie beispielsweise bei den einfachen Relaissteuerungen der 

Bilder 2.2a und 2.2b. In der Praxis genügt es jedoch, die einzelnen Verknüpfungen sequentiell in einer 

Schlaufe zu bearbeiten und diese Schlaufe immer wieder zu durchlaufen (vgl. Abschnitt 2.3.2.1 

Permanenter zyklischer Betrieb einer SPS). 

2.4.2 Verknüpfungssteuerung ohne Speicherverhalten 

Reine Verknüpfungssteuerungen sind eine statische, kombinatorische Steuerungsart, bei der der 

(binäre) Eingangsgrößenvektor x, bestehen aus dem Bedienvektor b und Messvektor q, über ein 

Boolesches (logisches) Gleichungssystem y := f (x) auf einen Ausgangsgrößenvektor y, bestehend aus 

dem Anzeigevektor a und Stellgrößenvektor r, abgebildet wird, vgl. auch Bild 2.4.1. 

x = 

b 

q 

Verknüpfungs- 

steuerung 

Bild 2.4.1: Binäre Verknüpfungssteuerung 

Kennzeichnend bei der Steuerungsart ist, dass die Ausgänge nur von den augenblicklichen Werten der 

Eingänge abhängen. Sie wird daher auch als Schaltnetz bezeichnet. 

2.4.2.1 Entwurfsschritte anhand eines Beispiels 

Gestellt sei die Aufgabe, eine Steuerung zu entwerfen, die Personen beim unbeabsichtigten Eindringen 

in den Schutzbereich einer Roboterfertigungszelle schützt. Die Entwurfsschritte orientieren sich am 

vorgestellten Schema: 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 28 - 

y = 

a 

r


2.4.2.1.1 Anlagenbild 

Das folgende Bild zeigt das Anlagenbild mit dem zu sichernden Schutzbereich. 

LS1 

LS2 

Roboterarm 

LS4 

Bild 2.4.2: Fertigungszelle mit Lichtschrankenstrecken 

LS3 

2.4.2.1.2 Verbale Funktionsbeschreibung, Sensor- und Aktoreinrichtung 

„Bei Betreten des Schutzbereichs ist die Fertigungszelle bei aktiver Steuerung stromlos zu schalten. Ist 

die Steuerung nicht aktiviert, dann soll dies durch eine Alarmlampe angezeigt werden.“ 

Als Sensoren werden an den Grenzen des Schutzbereichs 4 Lichtschrankenstrecken eingerichtet (vgl. 

LS1 – LS4 im Bild 2.4.2). Ferner wird zur Bedienung ein Schutzsystemschalter S installiert. Als 

Aktoren stehen ein Schützrelais zur Schaltung der Stromversorgung sowie eine ansteuerbare 

Alarmlampe zur Signalisierung der Außerbetriebnahme der Schutzfunktion zur Verfügung. 

2.4.2.1.3 Physikalisch/logische Zuordnung von Sensor- und Aktorsignalen 

Die Benennungen der Mess- und Stellgrößen sind Bild 2.4.3 zu entnehmen. 

Systemschalter S 

Lichtschranken LSi 

b1 

q1 

q4 

. 

. 


steuerung 

Bild 2.4.3: Schema der Verknüpfungssteuerung 

a1 

r1 

Alarmlampe AL 

Schütz 

Stromversorgung zur Zelle 

Den logischen Signalzuständen entsprechen dabei folgenden physikalischen Zuständen in der 

folgenden Zuordnungstabelle: 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Logisch Physikalisch 

qi = 0 

b1 = 0 

r1 = 0 

a1 = 0 

2.4.2.1.4 Formale Beschreibung, Entwurf 

LSi unterbrochen 

S aus 

Schütz zu 

AL aus 

Die vollständige Wahrheitstabelle (auch Schaltbelegungstabelle oder Funktionstabelle genannt) 

zwischen den Eingang- und Ausgangsvariablen der Steuerung ist recht umfangreich (genauer gesamt 

ergibt sich bei 5 Eingangsvariablen 2 5 Eingangskombinationen): 

Nr. q1 q2 q3 q4 b1 r1 a1 

0 0 0 0 0 0 0 1 

1 0 0 0 0 1 1 0 

2 0 0 0 1 0 0 1 

3 0 0 0 1 1 1 0 

. . . . . . . . 

. . . . . . . . 

31 1 1 1 1 1 0 0 

Die sog. Disjunktive Normalform (DNF) der Ausgangsfunktionen lauten: 

( q1 

∧ q2 

∧ q3 

∧ q4 

∧ b1) 

∨ ( q1 

∧ q2 

∧ q3 

∧ q4 

∧ ) ⋅⋅ 

⋅ 

( q1 

∧ q2 

∧ q3 

∧ q4 

∧ b1) 

∨ ( q1 

∧ q2 

∧ q3 

∧ q4 

∧ ) ⋅⋅ 

⋅ 

r 1 = b1 

bzw. 

a 1 = b1 

Diese lassen sich entweder mathematisch oder empirisch reduzieren. Verwendet man x als das 

Irrelevanz-Symbol („don’t care“), so erhalten wir nur 5 Signalkombinationen, die „physikalisch 

interessant“ sind: 

Nr. q1 q2 q3 q4 b1 r1 a1 

1 0 X X X 1 1 0 

2 X 0 X X 1 1 0 

3 X X 0 X 1 1 0 

4 X X X 0 1 1 0 

5 X X X X 0 0 1 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Wird der Inhalt der Tabelle in Boolesche Gleichungen umgesetzt, so erhält man die sog. 

Schaltfunktionen: 

( q1∨ 

q2 

∨ q3 

∨ q4) 

1 

r1 = 

∧ b 

a 1 = b1 

2.4.2.1.5 Implementierung 

Mit Hilfe des Strukturierten Texts wäre die Programmierung in zwei Zeilen erledigt. 

Würde man die umkomplizierten logischen Ausdrücke direkt mit Hilfe der Logikgatter in Hardware 

implementieren, so würde man eine Lösung wie im Bild 2.4.4a bekommen. 

Durch Umformen der Gleichungen (de Morgansche Regel) kann für invertierte Ausgänge der 

Steuerungsfunktion auch alleine mit NAND-Gattern verwirklicht werden, was auch eine einfache 

Realisierung mit PAL-Bausteinen ermöglichst (vgl. Bild 2.4.4b). 

Darstellungen im Bild 2.4.3 mit definierten Graphiksymbolen sind nichts anderes als die 

Funktionsbaustein-Darstellung (FBS). 

Bild 2.4.4a: Direkte Umsetzung Bild 2.4.4b: Realisierung mit NAND-Gattern 

2.4.2.1.6 Test 

Im vorliegenden Fall reichen 2 5 Testmuster aus, um die Steuerung vollständig zu testen. Bei 

umfangreicheren Anwendungen ist der vollständige Test leider nur selten möglich. Selbst eine 

softwaremäßige Simulation kann (aus Kosten- oder Zeitgründen) nicht immer vollständig 

durchgeführt werden. Daher sollte die Testbarkeit/Wartungsfreundlichkeit bereits bei der 

Projektierung bereits berücksichtigt werden. Die Verifikation (Korrektheitsnachweisführung) der 

komplexen Steuerungseinrichtungen mit Sicherheitsbedeutung ist ein aktuelles Forschungsthema. 

2.4.3 Minimierung von Schaltfunktionen 

Wie im obigen Beispiel gezeigt, spielt beim Entwurf einer Verknüpfungssteuerung nicht nur das 

Aufstellen der „richtigen“ Schaltfunktionen, sondern auch ihre Vereinfachung eine wichtige Rolle. Sie 

spart nicht nur Programmieraufwand, Rechnerspeicherplätze, erhöht die Rechengeschwindigkeit, 

sondern erhöht in der Regel auch die Zuverlässigkeit der Lösung (nach dem Motto: einfacher = 

zuverlässiger). 

2.4.3.1 Algebraisches Verfahren 

Anahand des Beispiels in der folgenden Schaltbelegungstabelle mit zwei Eingangsvariablen E1, E2 

und einer Ausgangsvariable A sollte die Vorgehensweise der systematischen Minimierung von 

Schaltfunktionen mit Hilfe der Rechenregeln der Boolesche Algebra vorgestellt werden: 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Nr. E2 E1 A 

00 0 0 0 

01 0 1 1 

02 1 0 1 

03 1 1 1 

Für die Zeile-Nummerierung werden oft Oktalzahlen verwendet, deren Nutzen später erläutert wird. 

Der Wert der Ausgangsvariable A hängt von der UND-Verknüpfung der Eingangsvariablen in 

derselben Zeile ab. Fasst man die Zeilen, in denen A wahr ist, ODER-verknüpft zusammen, so erhält 

man die DNF der Schaltfunktion: 

A = E1 

∧ E2 

∨ E1 

∧ E2 

∨ E1 

∧ E2 

Wendet man nun die Rechenregeln der Booleschen Algebra an, so ergibt sich: 

A = 

= 

( E1 

∧ E2 

∨ E1 

∧ E2) 

∨ ( E1 

∧ E2 

∨ E1 

∧ E2) 

E1 

∧ ( E2 

∨ E2) 

∨ ( E1∨ 

E1) 

∧ E2 

= E1∨ 

E2 

Mit zunehmender Anzahl von Variablen wird es immer schwieriger, die Schaltfunktionen rechnerisch 

zu vereinfachen. Die graphische oder tabellarische Vorgehensweise bringt dann eindeutig Vorteile. 

2.4.3.2 Verfahren nach Karnaugh und Veitch (KVS-Diagramm) 

Bis zu 4 (max. 6) Variablen wird in der Praxis gerne das Karnaugh-Veitch-Symmetrie (KVS)- 

Diagramm als Vereinfachungsschema herangezogen. Nach der Übernahme der Funktionswerte (z.B.) 

aus einer Funktionstabelle), werden benachbarte Felder mit den „Einsen“ zusammengefasst (da sie 

sich nur durch eine einzige Variable unterscheiden) und die betroffene Variable (die sich ändert) 

eliminiert. Es ist selbstverständlich möglich, mehr als eine Variable auf einmal zu eliminieren, wenn 

der zusammenhängende Block groß genug ist. 

Das obige Beispiel für zwei Variable sieht dann in einem KVS-Diagramm wie folgend aus: 

E 1 

E1 

E 2 00 01 I 

E2 02 I 03 I 

Ausgehend von der 1. Zeile (links E1 nicht, rechts E1) wird die 2. Zeile durch die Spiegelung um die 

Achse für E2 (oben E2 nicht, unten E2) erzeugt. Nach der Zusammenfassung benachbarter Termine 

und Eliminierung der sich jeweils ändernden Variablen erhält man das gleiche Ergebnis A = E1∨ 

E2 

. 

Für jede weitere Variable wird das vorherige Diagramm durch Spiegelung um die neue Achse für die 

neue variable verdoppelt, z.B.: 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Oder: 

E 1 E1 E1 E 1 

E 2 00 01 05 04 

E2 02 03 07 06 

E 3 E 3 E3 E3 

E 1 E1 E1 E 1 

E 2 00 01 05 04 E 4 

E2 02 03 07 06 E 4 

E2 12 13 17 16 E4 

E 2 10 11 15 14 E4 

E 3 E 3 E3 E3 

Man beachte die Oktalzahlen in den Feldern, die symmetrisch zu der Spiegelachse liegen. Zum 

Schluss sei noch erwähnt, dass es in der Praxis häufig auch die etwas vereinfachte Darstellung des 

KVS-Diagramms anzutreffen ist, z.B. für 4 Variable: 

E 3E4 

E3 E4 

E3E4 

E3 E 4 

E 1E2 

E 1 E2 E1E2 E1 E 2 

Auch hier ist darauf zu achten, dass sich benachbarte Felder nur um eine Variable unterscheiden. 

2.4.4 Verknüpfungssteuerung mit Speicherverhalten 

Die Schalfunktionen der bisher betrachteten Steuerung bestehen aus reiner kombinatorischer Logik. 

Viele Steuerungsaufgaben erfordern allerdings, dass die aktuellen Ausgänge nicht nur von 

momentanen Werten der Eingänge, sondern zusätzlich auch noch von der „Vorgeschichte“ der 

Systemzustände abhängen. Eine derartige Steuerung wird auch als Schaltwerk bezeichnet. In der 

Informatik wird ein solches System auch „ein endlicher Automat“ bezeichnet (um diesen dann mit der 

„Automatentheorie“ zu behandeln). Dementsprechend ist das Modellierungsschema im Bild 2.10 mit 

Hilfe eines Zustandsspeichers zu erweitern (vgl. Bild 2.4.5). 

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x = 

b 

q 


steuerung 

Zustand 

y = 

Bild 2.4.5: Verknüpfungssteuerung mit Speicherverhalten 

a 

r 

Nächste Zustand 

Man beachte die Rückkopplungsschleife durch den Zustandsspeicher, der sich mit Hilfe der Merker 

leicht realisieren lässt. 

Mathematisch ausgedrückt: y (k) = f (x; y (k-1) ) mit y (k-1) als Vorgeschichte. 

2.4.5 Realisierung von Speicherverhalten 

Beispiel: Ein Lüftermotor kann durch je einen Taster ein- und ausgeschaltet werden. Werden jedoch 

beide Taster gleichzeitig betätigt, soll der Zustand „Aus“ erreicht werden. 

Die Zuordnungstabelle sieht wie folgend aus: 

Die Schaltbelegungstabelle: 


E1 = 1 

E2 = 1 

Taster 1 gedrückt 

Taster 2 gedrückt 

A = 1 Lüftermotor „ein“ 

Nr. A (vorher) E2 E1 A (nachher) 

00 0 0 0 0 

01 0 0 1 1 

02 0 1 0 0 

03 0 1 1 0 

04 1 0 0 1 

05 1 0 1 1 

06 1 1 0 0 

07 1 1 1 0 

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DNF: A = E1E2 

A ∨ E1E2A 

∨ E1E2A 

Minimierte Gleichung: A = E2 

( E1∨ 

A) 

Realisierung der Funktion: 

E 1 E1 E1 E 1 

E 2 00 01 05 04 

E2 02 03 07 06 

A A A A 

Bild 2.4.6a: Schütz mit Selbsthaltung (Stromlaufplan) Bild 2.4.6b: Schütz mit Selbsthaltung (FBS) 

Da die Speicherfunktion sehr oft gebraucht wird, wird ein Extra-FBS definiert (Bild 2.4.7): 

Bild 2.4.7a: Speicher-Symbol (Standard) Bild 2.4.7b: Speicher-Symbol (mit Vorzugsrichtung) 

Die Tatsache, dass das Rücksetzen dominant ist (Vorrang hat), wird im Bild 2.4.7a dadurch 

gekennzeichnet, dass „R“ unter „S“ steht. Manchmal sieht man auch das Symbol im Bild 2.4.7b: Der 

dicken Balken auf der rechten Seite bedeutet die Vorzugsstellung nach dem Rechnerhochlauf, was 

besonders bei SPS wichtig zu wissen ist. Man beachte das „1“ neben dem S (das Setzen hat Vorrang). 

Die AWL zu 2.4.7a) wäre: 

Zuordnung: E1 = E0.1 E2 = E0.2 A = A0.1 

U E0.1 

S A0.1 

U E0.2 

R A0.1 

BE 

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- 35 -


„R“ und „S“ würden jeweils der Zuweisung „=“ entsprechen. Das kurzzeitige Setzen des Ausgangs 

findet nur im Prozessabbild statt. Der (externe) Ausgang der dazugehörenden Ausgabebaugruppe wird 

nicht beeinflusst, da die CPU erst am Ende des Programmzyklus das Prozessabbild zur 

Ausgabebaugruppe überträgt. 

Übung: Wie sieht die Schaltung und die logische Gleichung eines dominant setzenden Speichers aus? 

Einsatz des Speichers: 

1. Verriegelung von Speichern: Oft darf ein Speicher nur dann gesetzt werden, wenn 

bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Die Verriegelung kann über den Setz-Eingang oder auch 

über den Rücksetz-Eingang realisiert werden. 

Beispiel: Ein Behälter kann durch drei parallel angeordnete Fülleinrichtungen gefüllt werden. 

Das Einschalten der Fülleinrichtungen mit den Anschlussleistungen M1= 50 kW; M2 = 12 

kW; M3 = 60 kW erfolgt durch die Taster (E1, E2, E3), das Ausschalten durch die Taster (A1, 

A2, A3). Entwerfen Sie die Steuerung für das Füllen der Behälter in FUB oder AWL unter 

Beachtung der Forderung, dass 100 kW Anschlussleistung nicht überschritten werden darf. 

Geben Sie bitte zuerst die Signalzuordnungstabelle an. 

2. Flankenauswertung („Wischer“) 

Realisierung des „Wischer“s mit „UND + Speicher“ 

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E IO � E 

FO 

& 

IO 

S 

E R 

Q 

FO 

Wichtig: IO dauert nur ein Zyklus ! 

Übung: Realisieren Sie bitte eine negative Flankenerkennung in FUB! 

3. Impulsgenerator (Binäruntersetzer): Eine Meldeleuchte soll durch kurzzeitiges Betätigen des 

Tasters E1 eingeschaltet werden. Wird Taster E1 erneut getätigt, wird die Meldeleuchte A wieder 

ausgeschaltet, usw. 

Lösung: 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 37 -


2.4.6 Realisierung von Zeitverhalten 

Zur Beschreibung des zeitlichen Verhaltens zwischen Ein- und Ausgangsgrößen werden die sog. 

Zeitfunktionen benötigt. In DIN EN 61131-3 werden vor allem folgende Zeitfunktionen definiert: 

Impuls (TP): Bei einem Zustandswechsel des Eingangssignals (=VKE) von „0“ auf „1“ wird der 

binäre Ausgang des Zeitgliedes für eine definierte Zeitdauer (unabhängig von der Entwicklung des 

Eingangssignals) auf 1 gesetzt. 

Einschaltverzögerung (TON): Bei einem Zustandswechsel des Eingangssignals von „0“ auf „1“ wird 

der binäre Ausgang des Zeitgliedes erst nach Ablauf einer definierten Zeitdauer auf 1 gesetzt. 

Ausschaltverzögerung (TOF): Bei einem Zustandswechsel des Eingangssignals von „1“ auf „0“ wird 

der binäre Ausgang des Zeitgliedes erst nach Ablauf einer definierten Zeitdauer auf 0 gesetzt. 

Im Bild 2.4.8 sind einige Beispiele der Zeitglieder nach Definition STEP 7 von Fa. Siemens 

wiedergegeben, die geringe Unterschiede zu der IEC-Norm aufweisen. Dabei bedeuten: 

Zeitkonstante KT[Faktor].[Basis] mit Faktor = Zahl zwischen 1 und 999 und Basis = Zeitraster: 

0 = 0,01s; 1 = 0,1s; 2 = 1s; 3 = 10s. „KT 50.1“ entspricht damit einer Zeitkonstante von 5 s. 

1) 

2) 

3) 

4) 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 38 -


Bild 2.4.8: Beispiele der Zeitglieder nach STEP 7 

Den Zeitstatus einer Zeitfunktion T n lässt sich durch Binäroperationen abfragen, z.B.: U T n bzw. O 

T n, etc. Außerdem kann man bei den Zeitgliedern neben dem binären Steuerungsausgang auch 

digitale Zeitwortausgänge (DU=dual oder DE=BCD codiert) abfragen, um die aktuelle „Restlaufzeit“ 

zu erhalten. Manche Hersteller bieten noch weitere Zeitfunktionen wie „die speichernde 

Einschaltverzögerung“ etc. an. 

Beispiel Taktgenerator: Es ist ein Taktgenerator beim gedrücktem Schalter E zu entwerfen, Frequenz 

1 Hz, Impuls-Pausen-Verhältnis 1:2. 

Lösung: 

Variable 

Schalter 

Ausgang 

Betriebsmittelkennzeichen 

2.4.7 Realisierung von Zählvorgängen 

E 

A 

Logische Zuordnung 

gedrückt E=1 

leuchtet A = 1 

Viele Steuerungsaufgaben haben das Ziel, Mengen, Wegeeinheiten oder Stückgutanzahl zu erfassen 

und die Schaltvorgänge abhängig vom aktuellen Zählerstand zu veranlassen. Um zählen zu können, 

muss die CPU einen Zustandswechsel des Eingangssignals erkennen. Der zu zählende Impuls (oder 

Pause) muss daher mindestens einen Programmzyklus lang stehen. Anderenfalls müssen sog. 

„schnelle Zähler“ durch separate Signaleingänge auf der CPU benutzt werden. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 39 -


Eine typische Zählfunktion ist im Bild 2.4.9 dargestellt. 

Bild 2.4.9: Zählfunktion 

Folgende Operationen sind möglich: 

Vorwärtszählen: Der Zähler wird bei einem Wechsel von 0 nach 1 um eins erhöht. 

Rückwärtszählen: Der Zähler wird bei einem Wechsel von 0 nach 1 um eins verringert. In STEP 7 

findet ein Zählen mit negativem Zählwert nicht statt (Zähler bleibt auf Null stehen). 

Zähler setzen: Der Zahlenwert an ZW (Inhalt des Akkumulator 1, Positiver Wert im BCD-Code von 

0 bis 999) wird bei einem Wechsel von 0 nach 1 in den Zähler übernommen. 

Rücksetzen: Der Zähler wird auf Null gesetzt wenn eine 1 anliegt, erst nach einem Wechsel auf 0 

kann wieder gezählt werden. 

Dual Ausgang: Hier liegt der Zählerstand als Dualwort an und kann durch den Aufruf L zur 

Verarbeitung abgerufen werden (nach dem Laden steht die Zahl im Akkumulator als positive 

Integerzahl zur Verfügung). 

Dezimal Ausgang: Hier liegt der Zählerstand als BCD-codiertes Wort an und kann durch den Aufruf 

LC zur Verarbeitung abgerufen werden. 

Steuerausgang: Der Binärausgang ist 0 bei einem Zählerstand von Null und 1 wenn der Zählerstand 

ungleich Null ist. 

2.4.8 Vergleichsfunktion 

Im Zusammenhang mit der Realisierung von Zähleraufgaben werden oft Vergleichsfunktionen 

benötigt. Auch dafür werden FBS definiert, z.B.: 

Bild 2.4.10: Vergleichsfunktion 

Ausgang = 1, wenn das Vergleichsergebnis positiv ist; Ausgang = 0, wenn das Vergleichsergebnis 

negativ ist. Z1 und Z2 können vom Typ I, D oder R (I=Integer; D=Doppelinteger; R= Real) sein. 

Beispiel Pufferspeicher: In einer Montagestraße befindet sich ein Pufferspeicher für Bildröhren. Der 

Zu- und Abgang von Einheiten wird durch Lichtschranken kontrolliert, deren Impulse einem Zähler 

zugeführt werden. Steigt der Bestand auf den oberen Grenzwert (30), dann soll der 

Transportbandmotor abgeschaltet werden. Unterschreitet der Vorrat den unteren Grenzwert (10), so ist 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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dies durch eine Meldelampe anzuzeigen. Der Aktuelle Bestand des Pupperspeichers soll an einer 

Zifferanzeige ZE angezeigt werden. Das Löschen des Zählers erfolgt zu Beginn der Schicht durch 

Drücken des Tasters S1, wenn der Pufferspeicher leer ist. 

Lösung: Zähler mit Vorwärts- und Rückwärtsbelegung und zwei Vergleichern. 

2.5 Entwurf von Ablaufsteuerungen 

2.5.1 Definition 

Nach DIN 19237: Eine Ablaufsteuerung ist eine Steuerung mit einem zwangsläufig schrittweisen 

Ablauf, bei der das Weiterschalten von einem Schritt auf den programmgemäß folgenden abhängig 

von Weiterschaltbedingungen erfolgt. 

Überwiegen zeitliche Abläufe, Probleme der Parallelbearbeitung usw. löst man das 

Steuerungsproblem mit den Mitteln der Ablaufsteuerung. Sind die Weiterschaltbedingungen nur von 

der Zeit abhängig, spricht man von den rein zeitgeführten Ablaufsteuerungen. Dagegen spricht man 

von prozessgeführten Ablaufsteuerungen, wenn die Weiterschaltbedingungen von den Signalen der 

gesteuerten Anlage (Prozess) abhängen. 

Die meisten Probleme in der Fertigungstechnik und viele Probleme der Verfahrenstechnik haben 

zumindest teilweise mit zeitlichen Abläufen zu tun, die als Folge von Schritten beschrieben werden 

können. Bei einer Ablaufsteuerung wird ein Problem in Schritte unterteilt, wobei immer nur ein 

Schritt aktiv sein kann, bzw. mehrere Schritte nur dann, wenn diese explizit als mögliche simultane 

Schritte programmiert wurden. 

Ablaufsteuerungen können mit den Mitteln der Verknüpfungssteuerung beschrieben werden. 

Geeigneter dazu sind jedoch die „Schrittketten“ oder „Ablaufketten“ (vgl. Bild 2.5.1). 

Die zugehörige Programmiersprache nach IEC 61131-3 ist die „Sequential Function Chart“ (SFC), die 

im Wesentlichen dem französischen „Grafcet“ entspricht. SFC erlaubt – neben der Darstellung von 

sequentiellen Schrittketten – die explizite (graphische) Unterscheidung von alternativen Teilprozessen 

und unabhängigen (sog. parallelen) Teilprozessen (vgl. Bild 2.5.2). Die Firma Siemens bietet das 

Programmierwerkzeug S7-Graph dafür an. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Bild 2.5.1: Beispiel einer Schritt- bzw. Ablaufkette 

Bild 2.5.2: Darstellung alternativer und paralleler Teilprozesse nach IEC 61131-3 

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Im linken Fall spricht man auch von einer „1 aus n-Verzweigung“ bzw. ODER-Verzweigung, 

während man im rechten Fall auch von einer UND-Verzweigung spricht. Jedes ODER-Strangende 

muss eine eigene Transitionsbedingung zum Verlassen des Kettenstrangs aufweisen, während es bei 

der Zusammenführung der UND-Verzweigungen nur eine gemeinsame Transitionsbedingung geben 

darf. 

Der Vollständigkeitshalbe sei noch erwähnt, dass es in der Ablaufkette auch Schleifen und Sprünge 

geben kann, die die Programmstruktur etwas noch komplizierter machen. Noch allgemeiner betrachtet 

handelt es sich bei diesen Ablaufgraphen entweder um einen Zustandsgraphen oder (anderer 

mathematischen Methode zu Grunde gelegt) um spezielle Petri-Netze, deren mathematische 

Behandlung im späteren Studium erfolgt. 

2.5.2 Entwurfsschritte anhand eines Beispiels 

Nun sollen die ingenieurmäßigen Entwurfsschritte einer Ablaufsteuerung anhand eines Beispiels 

demonstriert werden. 

2.5.2.1 Anlagenbild 

Bild 2.5.3 zeigt schematisch eine Anlage mit Steuereinrichtungen für einen einfachen 

verfahrentechnischen Chargenprozess. Kennzeichnend für einen solchen Prozess ist die 

diskontinuierliche, portions- oder rezeptorientierte Arbeitsweise. 

Bild 2.5.3: Ablaufsteuerung eines Chargenprozesses 

2.5.2.2 Verbale Funktionsbeschreibung, Sensor- und Aktoreinrichtung 

Der normale Produktionsablauf kann wie folgt beschrieben werden: 

„Fülle eine bestimmte Menge von Produkt A in den Reaktor ein, heize A unter Rühren auf, lasse 

Produkt A zu Produkt B reagieren, fülle Produkt B ab und Warte eine gewisse Zeit bis zum nächsten 

Start.“ 

Als Sensoren werden Füllstandsgrenzwertgeber Hu und Ho, Temperaturgrenzwertgeber Tu und To, 

und ein programmierbarer Mengezähler MZ verwendet. Die notwendige Aktorik bildet, die Pumpe Pu, 

die Absperrventile AS, V1 und V2 und der Rührwerkmotor RM. Ferner existieren der Starttaster ST, 

Anzeigen AL und AR sowie steuerungsinterne programmierbare Uhren U1 und U2. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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2.5.2.3 Physikalisch/logische Zuordnung von Sensor- und Aktorsignalen 

Auch hier müssen die logisch/physikalischen Zuordnungen der Eingangsvariablen: 


To = 1 

Tu = 1 

Ho = 1 

Hu = 1 

MZ = 1 

ST = 1 

U1 = 1 

U2 = 1 

bzw. der Ausgangsvariablen definiert werden: 

Temperatur >= Tmax 

Temperatur = Lmax 

Füllstand = Vmax 

Ein 

Reaktion läuft (tR) 

Warten läuft (tW) 


AL = 1 

AR = 1 

AS = 1 

V1 = 1 

V2 = 1 

Pu = 1 

RM = 1 

2.5.2.4 Formale Beschreibung, Entwurf 

EIN 

EIN 

AUF 

AUF 

AUF 

EIN 

EIN 

Da der Zeitaspekt bei der Ablaufsteuerung im Vordergrund steht, empfiehlt sich als weiterer Schritt 

einen Überblick der Zeitverläufe zu verschaffen. Dabei ist es zweckmäßig, den Prozessablauf in eine 

Sequenz individueller Phasen zu untergliedern. Jeder Phase entspricht dabei eine unterschiedliche 

Kombination von Ausgangssignalen. Ein solches Abbild wird auch Schaltfolgediagramm genannt 

(vgl. Bild 2.5.4). 

Demgemäß besteht der betrachtete Chargenprozess aus 5 Phasen (= 5 Schritte in der Schrittkette): 

P1: Füllen 

P2: Heizen 

P3: Reaktion 

P4: Entleeren 

P5: Warten 

Aufbauend auf den 5 Phasen lässt sich das steuerungstechnische Ablaufmodell entwickeln, Bild 2.5.5. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Bild 2.5.4: Schaltfolgediagramm der Rührkesselsteuerung 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Bild 2.5.5: Zustandsgraph der Rührkesselsteuerung 

Die Zustände werden nummeriert und beschriftet (z.B. „1 Füllen“), daneben die aktivierte 

Ausgangssignale (auch Stellaktionen genannt: „V1 AUF“ = dicke Balken im Bild 2.5.4). Der 

„geknickte“ Eingang jeden Zustandsknoten stellt logische Verknüpfungen für einen Zustandswechsel 

dar, der in der Regel durch Kombinationen von bestimmten Eingangssignalen ausgelöst wird. Es wird 

hier angenommen. Dass alle Stellaktionen bei einem Zustandswechsel immer zurückgenommen 

werden. Dies gilt auch dann, wenn sie im Folgezustand erneut gesetzt werden müssen. 

Der Vollständigkeit wegen sei erwähnt, dass eine Steuereinrichtung nicht nur den Normalbetrieb 

berücksichtigen muss, sondern auch mit Prozessanomalien oder eigenen Fehlern umgehen soll. So ist 

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z.B. durch die ODER-Verknüpfung (Ho EIN) OR (MZ >= Vmax) dafür gesorgt, dass der Reaktor 

nicht überfüllt wird, selbst wenn ein defekter Mengenzähler vorliegt. 

2.5.2.5 Implementierung 

Die Umsetzung einer Ablaufsteuerung in ein Steuerungsprogramm kann mit Hilfe eines modernen 

Programmierwerkzeuges (wie z.B. das S7-Graph von Siemens) automatisch geschehen. Möglich ist 

jedoch auch die Realisierung der Ablaufsteuerung mit den grundlegenden Programmiermitteln. Bei 

der Umsetzung in einen Funktionsplan oder eine Anweisungsliste wird z.B. jedem Zustand ein RS- 

Speicherglied zugewiesen, das gesetzt wird, wenn alle Bedingungen zum Wechsel in den Zustand 

erfüllt sind. Es muss rückgesetzt werden wenn der Zustand verlassen wird. 

Beispiel: Gegeben sei folgender Graph: 

Der Zustand 3 wird nun wie folgt realisiert: 

Am Ende der Anweisungsliste werden dann die Ausgänge je nach Zustand durch ODER-Verknüpfung 

der Merker geschaltet, z.B.: 

O M0.1 

O M0.2 

= A0.3 

Übung: als Übungsaufgabe soll der Zustandsgraph im Bild 2.5.5 in FUP oder AWL realisiert werden. 

2.5.2.6 Test 

Das Austesten von Ablaufsteuerungen ist in der Regel schwieriger als bei der 

Verknüpfunkenssteuerung, da die Anwendungen in der Regel komplexer sind (mehr innere Zustände) 

und das Zeitverhalten zusätzlich eine Rolle spielt. Man ist hier daher noch mehr auf rechnergestützte 

Testmethoden z.B. Simulation oder Testmodell angewiesen. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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3 Grundlagen der Regelungstechnik 

3.1 Wirkschaltplan, Signalflussplan 

Der Begriff „Regelung“ soll nun anhand eines Beispiels der konstanten Abstandshaltung zweier 

Fahrzeuge näher betrachtet werden. 

Es bedeuten: V1(t) und V2(t) = Geschwindigkeiten der Fahrzeuge; a(t) = Abstand zwischen den beiden. 

Frage a) Was sind in diesem Fall die Führungsgröße, die Regelgröße, die Stellgröße und typische 

(denkbare) Störgrößen ? Zeichnen Sie diese bitte in einen Wirkschaltplan nach dem Muster im Kap. 

1.1.5 ein ! 

Antwort: s. Wirkschaltplan: 

Frage b) Wie lassen sich die auftretenden Meß- und Stellaufgaben technisch lösen ? 

Antwort: Abstandsmessung z.B. mit Impulsradar; Stellmotoren für Gaspedal und Bremse. 

Ein Beispiel für den „quantitativen“ Signalflussplan ist dem nachfolgenden Kapitel zu entnehmen. 

Darin die mathematischen Beziehungen zwischen den Signalen herleiten oder umgekehrt. 

3.2 Dynamisches Systemverhalten 

Um eine Regelstrecke mit einer entsprechenden Regeleinrichtung zufriedenstellend regeln zu können, 

muss das dynamische Verhalten der Strecke wie des Regelkreises bekannt sein. Das dynamische 

Verhalten eines Regelkreisgliedes oder eines gesamten Regelkreises lässt sich rechnerisch oder 

experimentell ermitteln. 

3.2.1 Linearität und Zeitinvarianz 

In dieser Vorlesung konzentrieren wir uns auf solcher System, die linear sind und zeitinvariant sind. 

Lineare Übertragungssysteme gehorchen dem Gesetz der Homogenität und Superposition und lassen 

sich durch eine gewöhnliche Differentialgleichung (DGL) beschreiben. Sind die Koeffizienten der 

DGL zusätzlich Konstante (unabhängig von der Zeit), dann ist das System zeitinvariant. 

Homogenität: aus xe(t) => xa(t) folgt c*xe(t) => c*xa(t) für c=Konstante 0; 

Superposition: aus xe1(t) => xa1(t) und xe2(t) => xa2(t) folgt xe1(t) + xe2(t) => xa1(t) + xa2(t); 

Zeitinvariant: aus xe(t) => xa(t) folgt xe(t - τ) => xa(t - τ) mit τ = beliebige Zeitkonstante. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Viele nichtlineare Systeme in der Praxis y = f(x) können um den sog. Arbeitspunkt A(x0, y0=f(x0)) 

liniearisiert werden. 

∆y = k * ∆x mit 

dy 

dx 

k = . 

x0 

Bei mehreren Variablen verwendet man die Formel des totalen Differentials. 

Beispiel: Gegeben sei ein nichtlineares System mit y = x²; um den Arbeitspunkt (x0, y0) lässt sich das 

System linearisieren zu : y = y0 + ∆y mit ∆y = 2 * x0 * ∆x bzw. y0 = x0². 

3.2.2 Übertragungsfunktion, P-T1-Glied 

Beispiel RC-Glied: 

Ue(t) 

R 

C 

i 

c 

ia =0 

dU a 

DGL im Zeitbereich: T ⋅ + U a = U e; 

dt 

Ua(t) 

Mit T = RC, Zeitglied des Systems 1. Ordnung. Oft wird das System im Wirkplan dargestellt: 

3.2.2.1 Lösung im Zeitbereich 

Die vollständige Lösung der DGL setzt sich aus der homogenen und der partikulären Lösung 

zusammen: 

xa(t) = xah(t) + xap(t) 

λt 

mit (t) C * e und x 

x ah = ap(t) vom Typ xe(t). 

Die homogene Lösung beschreibt die freie Bewegung des Systems, wenn die Eingangsgröße xe =0. 

Die partikuläre Lösung die durch xe (t) erzwungene Lösung im Beharrungszustand. 

Nach Einsetzung der beiden Ansätze in die DGL des Beispiels bekommt als Antwortfunktion für die 

Sprungfunktion am Eingang (unter der Anfangsbedingung Ua(0) = 0): 

(t) 

x a 

= K 

* ( 1 

− e 

−λt 

) 

mit λ = 1/T (λ ist der Eigenwert der sog. charakteristischen Gleichung der entsprechenden DGL). 

Das folgende Bild zeigt die Sprungantwort des RC-Gliedes: 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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63%K 

Nach der Zeit t = T wird etwa 63% und nach t = 3T etwa 95% des Endwertes erreicht! 

Verallgemeinerung: 

Eine allgemeine lineare Differentialgleichung (DGL) n-ter Odnung hat folgende Form: 

Zur Lösung der DGL sind folgende Schritte durchzuführen: 

1. Lösen der homogenen DGL 

a) recht Seite (Erregung, Eingangsgröße) zu 0 setzen 

λt 

b) charakteristische Gleichung aufstellen durch Ansatz (t) C * e (x 

c) Eigenwerte λi berechnen (Wurzel der charakteristischen Gleichung) 

x a = a (n) wird durch λ n ersetzt) 

d) homogene Lösung xah angeben (beachte ob λi reell, komplex oder mehrfach reell, mehrfach 

komplexe λi sind dagegen selten anzutreffen) 

falls λi reell und einfach: 

x 

ah 

(t) = C * e 

1 

+ C 

* e 

+ ... + C 

* e 

λ1t 

λ2t 

λnt 

2 

n 

falls λ1, λ2 konjugiert komplex (λ1 = σ + jω und λ2 = σ – jω): 

falls λ1 = λ2 = ... = λk reell und mehrfach: 

x 

ah 

(t) = C * e 

[ C cos( jω) 

+ C sin( jω) 

] 

σ 

x ah (t) e 1 

2 

t 

= 

1 

+ C 

* t * e 

+ ... + C 

* t 

* e 

λ1t 

λ2t 

k −1 

λnt 

2 

n 

2. Partikuläre xap und damit allgemeine Lösung xa bestimmen (vereinfachte Lösung, da z.B. höhere 

Ableitungen verschwinden, stationär) 

a) Aus folgender Tabelle Lösungsansatz in Anhängigkeit der xe vom „Typ der rechten Seite „ suchen 

b) Lösungsansatz und dessen Ableitung in DGL einsetzen 

c) Konstanten der partikulären Lösung durch Koeffizientenvergleich mit rechter Seite ermitteln 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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d) Allgemeine Lösung angeben: xa = xah + xap 

3. Bestimmung der Konstanten Ci durch Anfangs- bzw. Randbedingungen 

a) n-1 Ableitungen der allgemeinen Lösung bilden 

b) n Randbedingungen einsetzen (z.B. xa(t=0) =0; xa (1) (t=0) =0; ...) 

c) n Konstanten Ci aus den n Gleichungen berechnen 

d) Konstanten in die Lösung eintragen. 

3.2.2.2 Lösung im Frequenzbereich (mit Hilfe der Laplace-Transformation) 

In der Elektrotechnik arbeitet man gerne im sog. Bildbereich. Mit Hilfe der Laplace-Transformation 

wird die DGL ins Bildbereich transformiert und in ein Polynom umgewandelt. Dort lässt sich die 

Lösung mit einfachen Rechenoperation ermitteln, um zum Schluß wieder die Lösung im Zeitbereich 

durch die Rücktransformation zu bekommen. 

Definition der Laplace-Transformation (Details s. Vorlesung „Signale und Systeme“): 

Gegeben sei die Zeitfunktion f(t), dann ist ihre Laplace-Transformierte F(s) definiert als: 

∞ 

∫ 

0 

−st 

F(s) = L {f} = f ()⋅ t e ⋅dt; 

mit s = α + jω 

Durch die inverse Laplace-Transformation kommt man auf f(t) wieder zurück: 

α + j∞ 

f(t) = L -1 1 

st 

{F} = ⋅ ∫ F( 

s) 

⋅ e ⋅ ds ; mit L 

2πj 

-1 {F}= 0 für t ≤ 0. 

α − j∞ 

In der Praxis werden die Transformationen mit Hilfe der Formelsammlung durchgeführt. Einige 

wichtige Terme sind im Anhang 1 aufgelistet. In diesem Zusammenhang wird auch das Softwarepaket 

„Matlab + Simulink“ empfohlen (s. Anhang 2). 

Wichtigste Eigenschaften der Laplace-Transformation: 

c ⋅ f () t + c ⋅ f () t = c ⋅ F () s + c ⋅F () s ∀c 

, c ∈ 

• Linearitätssatz: L { } C, R 

• Ähnlichkeitssatz: L { } ⎟ 

a ⎝ a ⎠ 

• Verschiebungssatz: L { f t − a) 

} 

1 1 2 2 1 1 2 2 1 2 

f ( at) 

1 ⎛ s ⎞ 

= ⋅ F⎜ 

−as 

( = e ⋅ F( 

s) 

• Dämpfungssatz: 

α 

L { e ⋅ f ( t) 

} = F( 

s −α 

) 

t 

• Differentiationssatz: L { f ( t) 

} = s ⋅ F( 

s) 

− f ( −0) 

& 

( n) 

n 

n−1 

n−2 

( n−1) 

L { f ( t) 

} = s ⋅ F( 

s) 

− f ( −0) 

⋅ s − f& 

( −0) 

⋅ s + K+ 

f ( −0) 

t ⎧ ⎫ 1 

• Integrationssatz: L ⎨∫ 

f ( τ ) ⋅ dτ 

⎬ = ⋅ F( 

s) 

⎩ 

s 

0 ⎭ 

• Faltung: L -1 

• Grenzwertsätze: 

t 

t 

1( 

⋅ 2 ∫ 1 2 ∫ 2 1 

1 2 

0 

0 

{ F s) 

F ( s) 

} = f ( τ ) ⋅ f ( t −τ 

) ⋅ dτ 

= f ( τ ) ⋅ f ( t −τ 

) ⋅ dτ 

= f ( t) 

∗ f ( t) 

lim f ( t) = lim s⋅F( s) 

t→∞ s→0 

lim f ( t) = lim s⋅F( s) 

t→0s→∞ EG-AT.doc 03.11.2005 

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Die Grenzwertsätze liefern nur dann richtige Ergebnisse, wenn die Grenzwerte im Zeitbereich 

existieren! 

Angewandt auf unser Beispiel RC-Glied, so bekommen wir folgendes: 

L -Transformation anwenden: L { T ´ + u }= L {ue}; 

⋅ u a a 

Linearität ausnutzen: T . L { u´ a }+ L {ua}= L {ue} 

Differentiationssatz: [ s ⋅U 

( s) 

− U 0 ] + U ( s) 

= U ( s) 

T a 

a a 

e 

⋅ ; 

Ausdrücke in Ua(s) und Ue(s) zusammenfassen und ausklammern: 

Anfangswert = 0: 

⎛ 1 ⎞ ⎛ T ⎞ 

U a ( s) 

= ⎜ ⎟ ⋅U 

e ( s) 

+ ⎜ ⎟ ⋅U 

a 

⎝1 

+ sT ⎠ ⎝1 

+ sT ⎠ 

U a ( s) 

⇒ = G( 

s) 

= ˆ Übertragungsfunktion 

U ( s) 

e 

AW = 0 

1 

Im vorliegenden Fall ist also G( 

s) 

= , ein solches System wird PT1-System genannt 

1+ 

sT 

(proportional verzögerndes System 1. Ordnung). 

Anmerkung: Das gleiche Resultat hätten wir auch bekommen, wenn man von den aus der Vorlesung 

der Elektrotechnik bekannten komplexen Impedanzen + Spannungsteiler ausgegangen wäre und 

1 

ua 

jωC 

anschließen jω durch s ersetzt hätte: G( 

jω) 

= = 

. 

ue 

R + 1 

jωC 

Die Übertragungsfunktion G(s) bestimmt die Dynamik des Systems auf eine Eingangsanregung. Oder 

anders formuliert: der Zeitverlauf des Ausgangssignals wird durch die Eigendynamik des Systems 

(beschrieben durch die Übertragungsfunktion) und den Einfluss des Eingangssignals bestimmt. 

U e(s) Ua(s) 

G(s) 

Die Inverse Laplace-Transformierte von G(s): g(t)= L -1 {G(s)} heißt die Gewichtsfunktion 

(Impulsantwort - impulse response / Stoßantwort) 

⎧0 

für t ≤ 0 

Berechnung des Ausgangssignals ua(t), wenn ue(t) = Einheitssprung σ ( t ) = ⎨ 

⎩1 

für t > 0 

U a 

1 

( s) 

= G( 

s) 

⋅ 

s 

t 

u a ( t) 

= g( 

t) 

∗σ 

( t) 

= ∫ g( 

τ ) ⋅ dτ 

= h( 

t) 

⎧ ⎫ 

= ⎨ ⋅ ⎬ = ∫ ⋅ 

⎩ ⎭ 

−1 

1 

h( 

t) 

L G( 

s) 

g( 

τ ) dτ 

heißt die Übergangsfunktion (oder allgemeiner: Sprungantwort 

s 0 

bzw. step response, wenn u(t) kein Einheitssprung ist, z.B. u(t) = u0*σ(t) ); 

Während man g(t) messtechnisch nur schwer erfassen kann, ist h(t) einfach zu messen! 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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t 

0 

0


Verallgemeinerung: 

m 

bs m + K+ 

b0 

G(s) ist meist vom Typ G()= s n n−1 

s + a s + K+ 

a 

n−1 

0 

A1 

= 

s−s An 

+ L+ 

s−s ∞1∞n mit m < n 

Mit Hilfe der Partialbruchzerlegung erhält man die (einfacheren) Terme der Übertragungsfunktion 

mit den Polen s∞1, s ∞2, K, s∞n, während A1, A2, K, 

Anals Residuen bezeichnet werden. Die Residuen 

lassen sich durch Koeffizientenvergleich (oder mit Hilfe anderer „schlauen Methoden“) ermitteln. 

Liegen reelle mehrfache Pole vor, lässt sich G(s) in folgender Form zerlegen: 

P( 

s) 

A0 

A1 

A2 

G( 

s) 

= = + + + L+ 

( )( ) ( ) ( ) q 

q 

2 

s − s s − s s − s s − s s − s s − s 

∞0 

∞i 

∞0 

∞1 

Die einzelnen Terme lassen sich leicht durch die inverse Laplace-Transformation in den Zeitbereich 

zurück transformieren, selbst wenn G(s) nicht direkt in der Korrespondenztabelle zu finden ist. Auf 

diese Weise kann man die Impulsantwort bzw. Sprungantwort analytisch ermitteln. 

a k1 

k2 

Beispiel 1: Partialbruchentwicklung bei Vorlage reeller einfacher Pole G( 

s) 

= = + , 

s s + b s s + 

∞2 

A 

q 

∞q 

( ) b 

durch Koeffizientenvergleich bekommt man: k1 = a/b und k2 = -a/b; d. h. L -1 a 

−bt 

{ G s) 

} = [ ( t) 

− e ] 

( σ . 

b 

Eine andere Lösungsvariante wäre: k1 = s*G(s) | s=0 bzw. k2 = (s+b)*G(s) | s=-b. Bei mehrfachen Polen 

bildet man zuerst die (q-j)-fache Ableitungen von (s-s∞j) q *G(s), um anschließend diesen 

Lösungsansatz anzuwenden, d.h.: 

A 

i 

q [ ( s − s ) F ( s ] 

q− 

j 

1 d 

= q− 

j ∞j 

) 

( q − j)! 

ds 

Beispiel 2: Partialbruchentwicklung bei Vorlage von konjugiert komplexen Polen 

s= 

s 

20 

20 

C1 

C2 

C3 

Gs () = 

= 

= + + 3 2 

s + 12s + 22s+ 20 ( s+ 10)( s+ 1+ j)( s+ 1− j) 

s + 10 s+ 1+ j s+ 1− 

j 

, , j , , j , 

Gs () = + 

s + s j s j 

− − 

+ 

+ + 

− + 

0 243 0 128 1 095 0 128 1 095 

10 1 

+ 1− 

( C2 = C3 = 1102 , ) ( beachte: C3 = C2) 

g(t) = L -1 −10t −1t − jt −1t + jt 

{ Gs () } = 0, 234e − (, 0 128 + j1, 095) ⋅e⋅e−(, 0 128 − j1, 095) 

⋅e⋅e; t 

∞j 

[ ( )( ) ( )( ) ] 

[ ] 

[ ] 

−10t −t 

g( t) = 0, 234e − e 0, 128 + j1, 095 cost − jsin t + 0, 128 − j1, 095 cost + jsint ; t ≥ 0 

−10t −t 

gt ( ) = 0, 234e − e 0, 128cos t+ 1, 095sin t+ 0, 128cos t+ 1, 095sint ; t≥ 

0 

−10t −t 

gt () = 0, 234e − e 0, 256cos t+ 2, 19 sint 

( ) 

−10t −t 

oder: gt () = 0, 234e −e⋅ 2, 204 sint+ arctan ( 0, 1168) 

≥ 0 

; t ≥ 0 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 53 -


3.2.3 Analogien, P-T2-Glied, D-T2-Glied 

Die mathematischen Modelle vieler physikalischen Systeme aus unterschiedlichen Fachgebieten 

(elektrisch, mechanisch, hydraulisch etc.) haben eine erstaunlich ähnliche Struktur. Diese Tatsache 

führt nicht nur dazu, dass es für dasselbe technische System unterschiedliche Lösungen geben kann 

(Bild), sondern auch dazu, dass unterschiedliche technische Systeme zum gleichen mathematischen 

Modell führen können. 

Bild a) Mechanischer Füllstandsregler Bild b) Elektronischer Füllstandsregler 

Es ist daher wünschenswert und auch machbar, das Verhalten solcher Systeme verallgemeinert 

(unabhängig von der Art und Medium des Systems) zu betrachten. Man spricht dann auch von 

physikalischen Analogien. So entspricht in diesem Zusammenhang die elektrische Spannung der 

mechanischen Kraft (beide ein gewisses „Potential“), eine elektrische Kapazität einer Feder eines 

mechanischen Systems (beide Energiespeicher), ein elektrischer Widerstand einem Dämpfungsglied 

(beide Energieverbraucher), etc. Auf dieser Weise lässt sich ein Feder-Masse-System der Mechanik 

mit Hilfe eines elektrischen Reihenschwingkreises in Analogie modellieren, Bild a), b). Uns 

(Elektrotechnikern) steht damit alle bekannten Werkzeuge der Schaltungsanalyse zur Verfügung. 

L 

R C 

Xe=U(t) Xa=i(t) 

Bild a) Feder-Masse-System Bild b) Reihenschwingkreis 

Die Kraftgleichung für das mechanische System lautet: 

dv 

K = m ⋅ + d ⋅ v + c∫ 

v dt; 

dt 

Die Spannungsgleichung für den elektrischen Schwingkreis lautet: 

di 1 

U = L ⋅ + R ⋅i 

+ ∫ i dt; 

dt C 

Damit erhält man die Übertragungsfunktion zwischen der Ausgangsgröße Strom und der 

Eingangsgröße Spannung: 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 54 -


I( 

s) 

1 

C ⋅ s 

F(s) = = 

= 

2 

U ( s) 

1 1+ 

CR ⋅ s + CL ⋅ s 

L ⋅ s + R + 

C ⋅ s 

Das System besitzt ein D-T2-Verhalten. 

In der Praxis ist das Übertragungsglied mit dem P-T2-Verhalten (auch Verzögerungsglied 2. Ordnung 

genannt) wichtiger. Die DGL dafür lautet: 

•• 

• 

2 

2 x + 2 dT2 

+ xa 

= 

T 

a xa 

Kx 

e 

Für die Übertragungsfunktion existieren in der Literatur zwei Varianten der Standardformen: 

mit dem Verstärkungsfaktor K, der Zeitkonstanten T2 und dem Dämpfungsfaktor d bzw. 

mit dem Verstärkungsfaktor K, dem Dämpfungsgrad ζ und der natürlichen oder ungedämpften 

Kreisfrequenz ωn des Übertragungssystems. Es gelten offensichtlich folgende Beziehungen: 

d = ζ bzw. T2 = 1/ ωn 

Im Normalfall (0


In diesem Fall lautet die Sprungantwort: 

mit 

Das folgende Bild zeigt die Sprungantwort eines schwingfähigen P-T2-Gliedes: 

In Spezialfällen (ζ =1) bzw. (ζ >1) bekommt man zwei gleiche bzw. verschiedene reelle Pole, dann 

spricht man auch vom aperiodischen Grenzfall (ζ =1) bzw. übergedämpften Fall (ζ >1). Das folgende 

Bild zeigt die Sprungantworten eines P-T2-Gliedes mit dem Dämpfungsgrad ζ als Parameter. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 56 -


3.2.4 Das Totzeitglied Tt 

In manchen technischen Systemen (z.B. bei einem Förderband) vergeht eine bestimmte Zeit, bis eine 

Änderung der Eingangsgröße am Systemausgang eine von Null verschiedener Reaktion hervorruft. In 

der Regelungstechnik wird diese Zeit Tt die Totzeit bzw. Verzugszeit genannt, s. Bild. 

Modellierung im Zeitbereich: xa(t) = xe(t - Tt); 

Übertragungsfunktion: G(s) = exp(-s*Tt). 

Tt 

Die Totzeitglieder sind zwar selbst stabil, aber in einem geschlossenen Regelkreis potenzielle 

Stabilitätskiller (s. Nyquist-Kriterium !). 

3.2.5 P-T1-Tt- als Ersatzrechenmodell für ein Verzögerungsglied n-ter Ordnung (PTn) 

Ein Verzögerungsglied n-ter Ordnung lässt sich durch ein P-T1-Tt- als Ersatzrechenmodell behandeln, 

s. Bild. 

Dabei ändert man die Eingangsgröße (=die Stellgröße y(t)) einer Regelstrecke sprungförmig (z.B. 

durch plötzliches Öffnen oder Schließen eines Stellventils) und zeichnet die Sprungantwort der 

Strecke (=Übergangsfunktion v(t)) auf. Der Verlauf des Ausgangssignals wird nun mit Hilfe der 

Wendetangente angenähert. Eine wichtige statische Größe ist der Proportionalbeiwert Ks: 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 57 - 

ue(t) 

ua(t) 

Ks


K 

s 

∆v 

= 

∆y 

t→∞ 

Zwei wichtige dynamische Kenngrößen sind die Verzugszeit Ta ( = Totzeit Tt ) bzw. die Ausgleichszeit 

Ta. Das Verhältnis Tu/Ta ist ein Indiz dafür, ob eine Strecke gut oder schlecht regelbar ist. 

Tabelle 3.1: Erfahrungswerte zur Beurteilung der Regelbarkeit 

Tu / Ta Regelbarkeit Regelaufwand 

< 0,1 Sehr gut Gering (P-, PI-Regelung) 

0,1 ... 0,2 Gut Mittel (PI-, PID-Regelung 

0,2 ... 0,4 Befriedigend Groß (erweiterte Regelkreisstruktur) 

0,4 ... 0,8 Schwer Sehr groß (Prädikative Steuerung) 

> 0,8 Sehr schwer Besondere Maßnahmen und Regelschaltungen erforderlich 

(Prädikative Steuerung) 

3.2.6 Betrachtung des Eigenverhaltens und der Stabilität im Frequenzbereich 

Die Beurteilung der Eigendynamik von Übertragungssystemen ist die Voraussetzung für die 

Stabilitätsuntersuchung eines Regelsystems. Dazu bietet sich besonders der Frequenzbereich an. 

3.2.6.1 Darstellung und Interpretation der Pole und Nullstellen von G(s) 

Dazu wird die Übertragungsfunktion nicht nur mit Hilfe der Pole, sondern noch der Nullstellen 

s01, s02 , K, 

s0mdargestellt: G( 

s) 

= 

s 

n 

b 

m 

+ a 

s 

m 

n−1 

+ K+ 

b 

s 

n−1 

0 

+ K+ 

a 

0 

= b 

m 

⋅ 

( s − s01 

)( s − s02 

) K( 

s − s0m 

) 

( s − s )( s − s ) K( 

s − s ) 

∞1 

Die Pole und Nullstellen von G(s) lassen sich im Pol-Nullstellenplan (P/N-Plan) der komplexen s- 

Ebene am besten darstellen und interpretieren. 

Interpretation der Pole für folgende Fälle: 

X 

O 

X 

X 

O 

j Im{s} 

X 

∞2 

∞n 

s-Ebene 

O - Nullstellen 

X - Polstellen 

Re{s} 

1. Alle Pole von G(s) sind reell und negativ, Re{si∞} < 0: das betrachtete System zeigt ein 

aperiodisch abklingendes Verhalten; 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 58 -


2. Alle Pole haben einen negativen Realteil + konjugiert komplexe Pole vorhanden: das System 

zeigt zu periodisch abklingendes Verhalten; 

3. Es existieren keine Pole mit positivem Realteil, ein einfacher reeller Pol liegt jedoch im 

Ursprung: das System stellt sich auf einen konstanten Wert < ∞ ein (Stabilitätsgrenze); 

4. Es existieren keine Pole mit positivem Realteil, aber einfache imaginäre Pole vorhanden: das 

System zeigt einen Schwingvorgang mit konstanter Amplitude (Stabilitätsgrenze); 

5. Mindestens ein Pol mit positivem Realteil oder mehrfache reelle Pole im Ursprung: das 

System zeigt ein aufklingendes Verhalten, ist also instabil ! 

Die obigen Aussagen lassen sich sehr leicht beweisen, indem man die entsprechende 

Übertragungsfunktion in den Zeitbereich zurücktransformiert und die Impulsantwort (=Eigendynamik) 

sich anschaut. 

Interpretation der Nullstellen: 

Die eigentliche Wirkung einer Nullstelle ist am besten ersichtlich, wenn die Nullstelle in der Nähe 

eines Poles liegt. Liegt nämlich eine Nullstelle in der Nähe eines Poles, so lässt sich der entsprechende 

gemeinsame Faktor in Zähler und Nenner „kürzen“; d.h. die Nullstelle „neutralisiert“ den Pol. Der 

entsprechende Pol hat keine „Wirkung“, was sich in der Partialbruchzerlegung von G(s) darin äußert, 

dass dessen zugehörige Residuum verschwindet bzw. sehr klein ist. Man spricht von einer sog. „Pol- 

Nullstellen-Kompensation“. 

3.2.6.2 Frequenz- und Phasengang, Bodediagramm, Ortskurve 

Wird die s-Variable in der Übertragungsfunktion durch jω ersetzt, so erhält man den aus der 

Elektrotechnik-Vorlesung her bekannten Frequenzgang. Die Zusammenhänge zwischen den 

verschiedenen Funktionen und Transformationen lassen sich gut grafisch veranschaulichen: 

g(t) h(t) 

G(s) 

ω 

G(j ) 

∫dt 

d/dt 

Gewichts- Übergangsfunktion 

funktion 

L L L L -1 

-1 

Übertragungsfunktion 

s→ jω jω → s 

Frequenzgang 

1/s 

s 

H(s) 

Oft wird der Frequenzgang in der Form dargestellt: G( jω) 

= A( 

ω) 

⋅ e 

jϕ 

( jω 

) 

Zeitbereich 

Frequenzbereich 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 59 -


2 

2 

mit dem Amplitudengang A(ω) = G ( jω) 

= Re { G( 

jω) 

} + Im { G( 

jω) 

} 

{ } 

{ } 

Im G( 

jω) 

und dem Phasengang φ(ω) = arctan 

Re G( 

jω) 

Bode-Diagramme: 

Eine spezielle Darstellungsform des Frequenzgangs ist das Bode-Diagramm, dabei werden: 

• Amplituden- und Phasengang als separate Kurve dargestellt; 

• Die Frequenzachse (Abszisse) logarithmische und die Amplitudenachse (Ordinate) in dB 

(Dezibel) geteilt, d.h. G( ω) = 20 ⋅ log G( 

ω) 

dB 

Eine mögliche (kompakte) Darstellung eines Bode-Diagramms wird unten angegeben (man beachte 

den Unterschied zwischen der linken und der rechten y-Achse): 

Ortskurve: 

Eine andere Darstellungsart des Frequenzgangs ist die Ortskurve. Dabei werden der Betrag und die 

Phase des Frequenzgangs in einem komplexen Zeiger kombiniert und dessen Verlauf in Abhängigkeit 

von der Kreisfrequenz ω dargestellt: 

Es ist offensichtlich, dass beide Darstellungsformen eindeutig ineinander überzuführen sind. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 60 -


3.3 Entwurf des einschleifigen linearen Regelkreises 

3.3.1 Struktur des einschleifigen linearen Regelkreises 

Per Definition besteht der einschleifige Regelkreis aus einer Rückkopplungsschleife. Man 

unterscheidet dabei zwischen der Gegenkopplung und Mitkopplung: 

a) Gegenkopplung: 

W(s) E(s) V(s) 

G(s) 

- 

H(s) 

G(s) 

1+G(s) . H(s) 

W(s) V(s) 

b) Mitkopplung: 

W(s) E(s) V(s) 

G(s) 

+ 

H(s) 

G(s) 

1-G(s) . H(s) 

W(s) V(s) 

V ( s) 

= G( 

s) 

⋅ ( W ( s) 

− H ( s) 

⋅V 

( s) 

) 

( 1+ 

G( 

s) 

⋅ H ( s) 

) ⋅V 

( s) 

= G( 

s) 

⋅W 

( 

V ( s) 

G( 

s) 

= 

W ( s) 

1+ 

G( 

s) 

⋅ H ( s) 

mit G(s) = Vorwärtsverstärkung und 

G(s)* H(s) = Kreisverstärkung. 

Merkregel für Gegenkopplung: 

V ( s) 

Vorwärts 

= 

W ( s) 

1 + Kreis 

V ( s) 

G( 

s) 

= 

W ( s) 

1 − G( 

s) 

⋅ H ( s) 

Merkregel für Mitkopplung: 

V ( s) 

Vorwärts 

= 

W ( s) 

1 − Kreis 

Das folgende Schema zeigt den allgemeinen Fall eines einschleifigen Regelkreises mit Störgrößen: 

W(s) V(s) 

- 

G (s) G (s) 

1 2 

G (s) 

3 

- 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 61 - 

Z 1 

Z 

- 

2 

(s) 

(s) 

s)


Dabei beschreiben die Übertragungsglieder G1, G2 und G3 die jeweiligen Eigenschaften des Reglers, 

der Regelstrecke bzw. der Messeinrichtung. 

Bei linearen Systemen gilt das Superpositionsprinzip, so dass man das Führungsverhalten Gw und das 

Störverhalten Gz des Systems getrennt untersuchen kann: 

G 

G 

G 

w 

z 

z 

1 

2 

V ( s) 

( s) 

= 

W ( s) 

V ( s) 

( s) 

= 

Z ( s) 

1 

V ( s) 

( s) 

= 

Z ( s) 

2 

Z = 0 

Z = 0 

1 

2 

Z 2 = 0 

W = 0 

Z 1 = 0 

W = 0 

G1 

( s) 

⋅ G 2 ( s) 

⎫ 

= + 

⎪ 

1 + G1 

( s) 

⋅ G 2 ( s) 

⋅ G 3 ( s) 

⎪ 

⎪ 

⎪ 

G ( ) 

beachte : 

2 s ⎪ 

= − 

⎬ 

1 + G1 

( s) 

⋅ G 2 ( s) 

⋅ G 3 ( s) 

⎪ gleicher Nenner 

⎪ 

⎪ 

G1 

( s) 

⋅ G 2 ( s) 

⋅ G 3 ( s) 

⎪ 

= + 

1 + G1 

( s) 

⋅ G 2 ( s) 

⋅ G 3 ( s) 

⎪ 

⎭ 

Ein optimales Führungsverhalten ist vor allem bei Folgeregelungen (Regelgröße soll möglichst dem 

zeitlichen Verlauf der Führungsgröße folgen) von Bedeutung, während ein optimales Störverhalten 

besonders bei Festwertregelungen (Ist-Wert soll wird laufend an einen vorgegebenen Sollwert 

angeglichen) wichtig ist. 

Schränken wir uns auf den Fall G3(s) = 1 und Z2(s) = 0 ein (optimale Messung, auch 

Einheitsrückführung genannt), dann wird das Verhalten des Systems allein durch das Zusammenspiel 

zwischen G1 (Regler, dessen Design in unserer Hand liegt) und G2 (Regelstrecke, deren Eigenschaften 

durch den Prozess bestimmt und in der Regel hingenommen werden müssen) bestimmt ! 

Mit s) 

= G ( s) 

⋅G 

( s) 

wird die Führungsübertragungsfunktion des Regelkreises zu: 

GO ( 1 2 

GO() s 

GW() s = 

1+ 

G () s 

O 

3.3.2 Ziele des Regler-Entwurfs 

Übertragungssysteme, die man in die Regelstrecke schaltet und die den Frequenzgang der offenen 

Schleife in geeigneter Weise verbiegen, nennt man Regler. 

Folgende Wunschvorstellungen sind beim Regler-Entwurf zu berücksichtigen: 

• Stabilität: Nur „stabile“ Regelkreise sind in der Praxis brauchbar. 

• Hohe Regelgüte (Regelgenauigkeit): hierin unterscheidet man zwischen Führungsverhalten 

und Störverhalten: 

- Gutes Führungsverhalten (Folgeverhalten): Ausgangssignal soll möglichst unverzögert 

dem Eingangssignal folgen, im Idealfall: v(t)=w(t) für alle t; 

- Gutes Störverhalten (Störunterdrückung): ideal: v(t) unabhängig von z(t) für alle t; 

- Weiterhin unterscheidet man zwischen der Regelgüte im Beharrungszustand bzw. der während 

des Einschwingvorgangs. 

• Andere Nebenbedingungen: 

- Realisierbarkeit 

- Stellgrößenaufwand 

- Störgrößenaufwand 

- Unempfindlichkeit gegenüber inneren Störungen („Robustheit“). 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 62 - 

! ! !


3.3.3 Stabilität 

Wegen des geschlossenen Wirkungskreises besteht bei unzweckmäßig ausgelegten Regelsystemen die 

Möglichkeit von Instabilität. Stabilitätsuntersuchungen stellen deshalb einen wichtigen Aspekt beim 

Entwurf von Regelungen dar. 

Asymptotische Stabilität: Ein Übertragungssystem ist asymptotisch stabil, wenn jeder Eigenvorgang 

für t -> ∞ gegen 0 abklingt. Dazu müssen alle Pole von G(s) einen negativen Realteil haben. 

BIBO-Stabilität: Ein Übertragungssystem ist stabil, wenn zu jeder beschränkten Eingangsfunktion 

eine beschränkte Ausgangsfunktion gehört. Dazu darf kein Pol von G(s) einen positiven Realteil 

haben und alle Pole mit Re{si∞} = 0 (d.h. auf der Imaginärachse bzw. im Koordinatenursprung) 

müssen einfach sein. 

Der Abstand der (negativen) Realteil der Pole zur Imaginärachse wird auch Stabilitätsreserve 

genannt. 

3.3.3.1 (Routh)-Hurwitz-Kriterium 

Von den vielen Methoden zur Überprüfung der Stabilität ist das (Routh)-Hurwitz-Kriterium wohl die 

einfachste (allerdings nicht immer anwendbar). Demnach ist das System stabil, wenn 

• Alle Koeffizienten der charakteristischen Gleichung (Nennerpolynom von G(s)) vorhanden 

sind und positive Vorzeichen haben und 

• Alle Unterdeterminanten der Hurwitz-Determinante (entlang der „nordwestliche“ Hauptachse) 

einen Wert > 0 besitzen. D.h. 

H 

a 

a 

1 

a 

a 

a 

a 

n−1 

n 

s 

n 

+ a 

n 

n−1 

n−1s 

+ K 

+ a 

0 2 4 

n 

⎡ 1 3 5 ⎤ 

0 a1 

a3 

... an 

−1 

0 

⎡a1 

a3 

⎤ 

nxn = , H1 = a1; H 2 = , … 

0 a0 

a2 

a4 

... ... 

⎢ ⎥ H 

⎢ ⎥ 

3 = a 

⎣a0 

a2 

⎦ 

⎢ 0 a2 

a4 

⎥ 

⎢ ⎥ 

0 0 a1 

a3 

... ... 

⎣ 0 a1 

a3 

⎦ 

0 

3 

0 

Beispiel: Gegeben sei folgender Regelkreis: 

... 

a 

0 

a 

... 

a 

2 

a 

0 

... 

a 

0 

0 

Für welche Kp-Werte ist das System stabil (obwohl jedes Teilsystem Regler + Strecke für sich immer 

stabil ist) ? 

Lösung: aus der Führungsübertragungsfunktion 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 63 - 

0 

a 

a 

a


Folgt: 

11 

H = 6 + K 6 0 , damit sind folgende Hurwitz-Bedingungen zu erfüllen: 6+Kp>0 und 

3x 3 

p 

0 

1 

11 

D1=11 > 0; D2= 11*6 – 1*(6+Kp) > 0; d.h. –6 < Kp < 60. 

0 

1 

Hurwitz-Kriterium ist relativ leicht handhabbar, scheitelt allerdings z.B. dort, wo Totzeit im Spiel ist 

und die charakteristische Gleichung nicht mehr rein rationale Form hat. Dort könnte z.B. die 

graphische Methode nach Nyquist helfen. 

3.3.3.2 Nyquist-Kriterium 

Betrachten wir statt der Übertragungsfunktion die Frequenzgänge des Regelkreises: 

W(j ω ) E(j ω ) Y(j ω ) 

- 

G (j ω ) G (j ω ) 

R S 

G (j ω ) 

Der Term G ( jω) G ( jω) G ( jω) ( G ( j ) ) 

M 

O R S M 

Kreisübertragungsfrequenzgang genannt. 

Aus 

G 

W 

Z(j ω ) 

V(j ω ) 

= ⋅ ⋅ ω wird Schleifenfrequenzgang oder 

GO 

( jω) 

( jω) 

= lassen sich offenbar folgende Grobabschätzungen ableiten: 

1+ 

G ( jω) 

O 

a) für diejenigen ω-Werte, wo GO ( jω 

) >> 1 gilt: G ( jω) 

≈ 1 

b) für diejenigen ω-Werte, wo GO ( jω 

)


c) Amplitudendurchtrittsfrequenz ω d (Transitfrequenz ω T ) 

d) Phasenrand bzw. Phasenreserve Φ r = 180° + φ(ωd) 

• Ortskurvendarstellung: 

Φ 

r >0 

-1 

Α r 

ω p 

ω d 

j Im{z} 

• BODE-Diagramm (nur Phasenrand dargestellt): 

|G O (j ω )|dB 

0 

arg{G O (j ω )} 

-45° 

-90° 

-135° 

-180° 

>0 

Φ r 

1 

Re{z} 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 65 - 

ω d 

ω 

ω


Offensichtlich ist der geschlossene Regelkreis dann stabil, wenn der offene Regelkreis stabil ist und es 

gilt: 

a) G ( ω ) < 1am 

Punkt φ(ωp) = -180°; 

O j 

p 

b) φ(ωd) > -180° an der Stelle G ( ω ) = 1 

O j 

d 

Sowohl der Amplitudenrand als auch der Phasenrand sind wichtige Kenngrößen der Stabilitätsreserve 

und lassen sich in einem gewissen Bereich parametrieren. In der Praxis wird etwa angestrebt: 

30° < Φ r < 75° bzw. 2 < Ar < 6 (zum Vergleich: Ar 

= 2 bedeutet 6 dB, da 20*log2≈6dB). 

Nyquist formuliert folgende Stabilitätskriterium: Ein geschlossener Regelkreis ist dann und nur 

dann stabil, wenn der Frequenzgang des offenen Kreises G0(jω) beim Durchlaufen der Frequenz 

von -∞ bis +∞ den kritischen Punkt (-1 + j0 ) so oft in positivem Sinn umfährt, wie die Anzahl 

der instabilen Pole (mit P bezeichnet) von G0 (s) ist. 

In der Praxis wird häufig das vereinfachte Nyquist-Kriterium (auch Linke-Hand-Regel genannt): 

Hat der offene Regelkreis G(s) keine Pole in der rechte Halbebene (der komplexen Ebene) , also 

P=0 , so ist der geschlossene Regelkreis dann und nur dann stabil, wenn der kritische Punkt ( - 

1+j0 ) beim Durchlaufen der Frequenz ω von 0 bis +∞ immer links von G0 (jω) liegt. 

Folgende Beispiele im Bild verdeutlicht den Sachverhalt: 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 66 -


3.3.4 Der universelle PID-Regler 

⎡ 1 ⎤ 

Ein Regler mit folgender Übertragungsfunktion: G( 

s) 

= K P ⋅ ⎢1 

+ + sTv 

⎥ bzw. 

⎣ sTn 

⎦ 

2 

⎡1 

+ sTn + s TnTv ⎤ 

Gs ()= KP⋅⎢ 

⎥ wird PID-Regler genannt. 

⎣ sTn 

⎦ 

Beschreibung im Zeitbereich: 

u(s) v(s) 

G(s) 

v( t) = K ⋅ ut ( ) + K ⋅ u( ) ⋅ d + K ⋅ut 

&( ) 

P I 

t 

∫ τ τ 

0 

t 

⎡ ⎛ 1 ⎞ 

⎤ 

bzw. v( 

t) = K P ⋅ ⎢u( 

t) 

+ ⎜ 

⎟ ⋅∫ 

u( 

τ ) ⋅ dτ 

+ T ⋅ u& 

v ( t) 

⎥ 

⎣ ⎝ Tn 

⎠ 0 

⎦ 

Offensichtlich besitzt ein PID-Regler drei (unabhängige) Parameter: Proportionalbeiwert Kp; 

Nachstellzeit Tn und Vorhaltzeit Tv. Die Bedeutungen der Parameter lassen sich leichter anhand der 

Übergangsfunktion (Sprungantwort) bzw. Anstiegsantwort erklären. Aus Platzgründen wird nur der 

prinzipielle Verlauf der Sprungantwort dargestellt: 

Ist zum Zeitpunkt die Regeldifferenz u 0, greift der P- bzw. D-Anteil sofort in die Strecke ein, 

während der I-Anteil der Feinregelung dient. Die Nachstellzeit ist jene Zeit, welche bei der 

Sprungantwort benötigt wird, um auf Grund der I-Wirkung eine gleichgroße Stellgrößenänderung zu 

erzielen, wie sie infolge der P-Wirkung sofort entsteht. Die Vorhaltzeit ist jene Zeit, die bei der 

Anstiegsantwort benötigt wird, um auf Grund der P-Wirkung eine gleichgroße Stellgrößenänderung zu 

erzielen, wie sie infolge der D-Wirkung sofort entsteht. Der D-Anteil ist sehr empfindlich gegenüber 

hochfrequente Störsignale und auch bei Strecke mit großer Totzeit wenig geeignet. 

Der Dirac-Stoß durch den D-Anteil ist technisch nicht realisierbar. Daher wird das PID-Glied in der 

Praxis häufig durch ein PID-T1-Glied angenähert mit folgender DGL: 

t 

⎡ ⎛ 1 ⎞ 

⎤ 

τ ⋅ v& 

( t) 

+ v( 

t) 

= K P ⋅ ⎢u( 

t) 

+ ⎜ 

⎟ ⋅ ∫ u( 

τ ) ⋅ dτ 

+ Tv 

⋅ u& 

( t) 

⎥ bzw. 

⎣ ⎝ Tn 

⎠ 0 

⎦ 

⎡ 1 ⎤ 

⎢1 

+ + sTv 

⎥ 

sTn 

der Übertragungsfunktion: Gs ()= KP⋅ 

⎣ 

⎦ 

. 

1+ sτ 

Dadurch ändert sich der prinzipielle Verlauf der Übergangsfunktion: 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 67 - 

D


Der PID-Regler wird in der Industrie in großem Umfang eingesetzt, da er in seiner Kombination von 

Einfachheit und Wirksamkeit kaum zu übertreffen ist. Dabei kommen nicht in jedem Falle alle 

Verhaltensweisen bzw. Anteile zum Einsatz. Falls KI=0 (ohne Integralanteil) oder KD=0 (ohne 

Differentialanteil) geht ein PID-Regler in P-, PI-, PD-Regler usw. über. Am häufigsten ist der PI- 

Regler anzutreffen. Er regelt mit vertretbarer Geschwindigkeit genau auf die jeweilige Führungsgröße 

(Sollwert) ein. Werden keine hohen Forderungen an die statische Genauigkeit der Regelung gestellt, 

das heißt, ist eine bleibende (kleine) Regelabweichung zulässig, dann genügt bereits ein P-Regler. Der 

PD-Regler kommt zum Einsatz, wenn die Ausregelung möglichst schnell erfolgen soll und ein kleiner 

statischer Regelfehler toleriert wird. Der volle PID-Algorithmus kommt dagegen zur Anwendung, 

wenn sowohl eine hohe statische Genauigkeit der Regelung als auch möglichst kurze Ausregelzeiten 

gefordert werden. Seit Mitte der fünfziger Jahre werden zur industriellen Regelung sog. 

„Universalregler“ – früher auf Analogrechentechnikbasis heute digital und mikroprozessorgesteuert – 

eingesetzt, Bild. 

Universalregler können vom Anwender als P-, PI- oder PID-Regler konfiguriert und dann 

entsprechend parametriert werden. Die Einstellwerte für die Reglerparameter sind oft Erfahrungswerte 

oder werden anhand von Faustregeln (z.B. nach Ziegler-Nichols, s. Kap. 3.3.6) bestimmt. Typische 

Einstellbereiche sind: Kp = 5 ... 500 %; Tn = 1 s ... 60 min und Tv = 0 ... 3 min. 

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- 68 -


3.3.5 Auswahl geeigneter Regler 

Für elementare Strecken- bzw. Reglerglieder lassen sich zeigen, dass bestimmte Kombinationen 

unabhängig von den Reglerparametern (d.h. a-priori) stabil sind, z.B.: 

Strecke P P-T1 P-T2 I P P-T1 I P P-T1 P P P-T1 

Regler P P P P P-T1 P-T1 P-T1 I I I-T1 PI PI 

Manche Kombinationen wie z.B. Strecke-I/Regler-I sind dagegen a-priori instabil. 

Das Zusammenspiel Regler/Strecke verändert in der Regel die Dynamik der ursprünglichen 

(ungeregelten) Strecke. Dies soll anhand des Beispiels P-T1-Strecke gezeigt werden: 

A) PT1-Strecke mit P-Regler 

Das Führungsverhalten ist wieder vom PT1-Typ mit folgenden neuen Eigenschaften: 

• Die resultierende Zeitkonstante ist kleiner -> System wird schneller; 

• Für eine endliche Kp bleibt immer eine stationäre Regeldifferenz übrig; 

• Genauso wird das Störverhalten durch Kp bestimmt. 

B) PT1-Strecke mit I-Regler 

Das Führungsverhalten ist nun vom PT2-Typ mit folgenden neuen Eigenschaften: 

• Die stationäre Regeldifferenz verschwindet; 

• Die Eigenfrequenz und die Dämpfung kann durch Wahl des Reglerparameters KI beeinflusst 

werden; 

• Kompromiss zwischen einem guten dynamischen Führungsverhalten und dynamischen 

Störverhalten nötig. 

Obwohl die mathematische Herleitung erst in weiterführenden Vorlesungen gebracht werden soll, 

kann der „fleißige“ Student es schon jetzt versuchen, indem er einen einfachen Regelkreis mit 

Einheitsrückführung betrachtet und die Fr(s) und Fs(s) durch entsprechende Typen ersetzt, um 

anschließend die Gesamtübertragungsfunktion zwischen W(s) und V(s) auszurechnen: 

W(s) e 

V(s) 

- 

- 

Z 1 

(s) 

F (s) F (s) 

r s 

3.3.6 Reglereinstellung nach ZIEGLER und NICHOLS 

Ziegler und Nichols ermittelten empirisch Einstellregeln für P, PI und PID-Regler. Die mit dieser 

Methode erzielbaren Richtwerte sind grob (und manchmal unbrauchbar), jedoch in der Praxis 

manchmal schnell und zuverlässig zu ermitteln. Das zugrundeliegende Vorgehen nennt man den 

Schwingversuch. 

Beim Schwingversuch stellt man die Vorhaltezeit Tv auf Null, die Nachstellzeit Tn => ∞ ein. Da 

praktisch Tn = ∞ nicht gesetzt werden kann, stellt man Tn deshalb auf den maximalen Wert. Man 

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erhält damit (mehr oder weniger) einen reinen P-Regler. Seinen Proportionalbeiwert Kp drehe man auf 

den Minimalwert zurück. 

Als Führungsgröße schalte man wiederholt Sprungfunktionen auf und erhöhe mit jedem Mal langsam 

die Reglerverstärkung Kp. Dabei beobachte man die Reaktion der Regelgröße v(t). Nach mehreren 

Versuchen wird die Stabilitätsgrenze des Systems erreicht. D.h. derjenige Einstellwert, bei dem v(t) 

und alle anderen Systemgrößen ungedämpft schwingen. Praktisch ist es nicht immer ratsam, die 

Verstärkung bis zum Erreichen der Stabilitätsgrenze aufzudrehen. Es genügt bei praktischen 

Anwendungen vollauf, wenn die gemessene Ausgangsgröße 6 - 8 feststellbare Schwingungsperioden 

durchläuft. Im Falle einer Simulation kann man den Schwingungsversuch natürlich bis zur 

Stabilitätsgrenze durchführen. An der Stabilitätsgrenze stellt man den Wert der kritischen 

Reglerverstärkung und die kritische Periodendauer der sich einstellenden Schwingung fest. Nun geben 

ZIEGLER und NICHOLS folgende Einstellregeln an: 

3.3.7 Reglereinstellung nach CHIEN-HRONES und RESWICK 

Auch bei diesem Einstellverfahren wird mit einem beschränkten experimentellen Aufwand versucht, 

eine gewisse Information über die Regelstrecke zu ermitteln. Man schaltet einen Stellgrößensprung auf 

die Regelstrecke allein und mißt deren typische ´Sprungantwort´ (ihr ‘Übergangsverhalten’). Diese 

kann prinzipiell verschiedenste Formen annehmen. Für zweiwichtige Typen der Sprungantwort 

entwickelten nun CHIEN-HRONES und RESWICK Formeln, mit denen man geeignete 

Reglerparameter einstellen kann. 

3.3.7.1 Nichtschwingfähiges Übergangsverhalten der Regelstrecke mit Ausgleich 

Gegeben sei der prinzipielle Verlauf der Sprungantwort einer nichtschwingfähigen Regelstrecke vom 

Typ Verzögerungsglied n-ter Ordnung (s. Kap. 3.2.5). Die Einstellung nach CHIEN-HRONES und 

RESWICK erfolgt nun folgendermaßen: 

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3.3.7.2 Übergangsverhalten der Regelstrecke ohne Ausgleich 

Angenommen, die bisherige Stellgröße einer Regelstrecke besitzt den Wert Y0=0. Wenn nun 

´zusätzlich´ ein Sprung an ihrem Eingang aufgeschaltet wird, so soll die Regelgröße eine 

Sprungantwort mit folgendem Verlauf haben: 

Mit Hilfe der gemessenen Verzugszeit Tu und der berechneten Integrationszeitkonstante 

∆Y 

* ∆T 

Ti = erfolgt die Einstellung nach CHIEN-HRONES und RESWICK nun folgendermaßen: 

∆ν 

3.4 Zwei- und Dreipunktregler als Beispiele für einfache nichtlineare Regler 

Bei verschiedenen Anwendungen werden keine hohen Anforderungen an die Regelgüte gestellt; d.h. 

Schwankungen der Regelgröße innerhalb gewisser Schranken werden durchaus toleriert. In solchen 

Fällen wird aus wirtschaftlichen Gründen das aufwendige (lineare) Stellglied durch einen einfachen 

Leistungsschalter ersetzt, der durch einen Zweipunktregler (Relais) angesteuert wird. Beispielsweise 

wird bei der Raumtemperatur-Regelung mit Sollwertvorgabe durch einen Thermostaten die Heizung 

(das Stellglied) ein- bzw. ausgeschaltet. Die Steuergröße kann entsprechend den beiden 

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Schalterstellungen „Ein“ und „Aus“ nur zwei Werte annehmen. Beim Auftreten einer positiven 

Regeldifferenz, was einer zu geringen Raumtemperatur entspricht, wird die Heizung auf „Ein“, bei 

negativer Regeldifferenz auf „Aus“ geschaltet. Um im Arbeitspunkt (Sollwert) eine zu hohe 

Schalthäufigkeit zu vermeiden, sind in der Praxis die Schaltkurven mit einer Schaltdifferenz 

ausgestattet (auch Hysterese genannt). Die Schaltdifferenz entsteht beim Thermostaten dadurch, dass 

er erst bei einer höheren als der Soll-Temperatur ausschaltet bzw. erst nach dem Unterschreiten des 

unteren Schwellwertes wieder auf die entgegengesetzte Schalterstellung zurückschaltet. Die Differenz 

zwischen dem oberen und unteren Schwellwert nennt man Schaltdifferenz. Aufgrund dieser Hysterese 

pendelt die Regelgröße (Raumtemperatur) mit der Schaltdifferenz um den Sollwert. Nebenbei sei 

erwähnt, dass bei Regelstrecken mit Totzeit („Transportzeit“) bzw. bei Strecken höherer Ordnung 

auch Relais ohne Hysterese eingesetzt werden können. Neben Zweipunktreglern werden auch 

Mehrpunktregler (sehr häufig Dreipunktregler) eingesetzt. Wir beschränken uns aus Gründen des 

Stoffumfangs zunächst nur auf den Zweipunktregler. Bild 3.4 zeigt schematisch den Zweipunktregler 

ohne (a) und mit Hysterese (b) bzw. den Dreipunktregler (c). 

Bild 3.4 (a): Zweipunktregler ohne Hysterese 

Bild 3.4 (b): Zweipunktregler mit Hysterese 

Bild 3.4 (c): Dreipunktregler 

3.4.1 Zweipunktregler mit Hysterese an einer P-T1-Regelstrecke 

Bild 3.4.1 zeigt das Führungsverhalten eines Regelkreises mit einer P-T1-Strecke und einem 

Zweipunktregler mit Hysterese xL. Bei einem Sprung der Führungsgröße w > xL schaltet der Regler 

zunächst seine Ausgangsgröße y = m ein. Die Regelgröße x steigt nach einer Exponentialfunktion mit 

der Zeitkonstante Ts an. Hat die Regelgröße den Wert w + xL erreicht, so schaltet der Regler ab. Die 

Regelgröße sinkt sofort ab, bis nach der Minderung um 2* xL der Regler wieder einschaltet. Die 

Regelgröße steigt und fällt zwischen w + xL und w - xL. Folgende Kenngrößen sind für die 

Arbeitsbewegungen im Beharrungszustand charakteristisch: 

Schwankungsbreite: xB = 2 * xL ; Je kleiner xB ist, desto höher ist die Regelgüte (desto kleiner muss 

die Hysteresebreite sein). 

Die Einschaltzeit: 

t 

E 

2⋅ 

xL 

⋅Ts 

= 

x − w 

max 

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- 72 -


Die Ausschaltzeit: 

t 

A 

⋅ 

= 2 

τ = t 

xL 

⋅T 

w 

+ t 

Die Periodendauer: s E A 

max 

( ) 

Der Stellgrad: 

_ 

y = 

t 

E 

s 

2 ⋅ x 

= 

w ⋅ x 

tE 

w 

⋅m 

= ⋅m 

+ t x 

Die mittlere bleibende Regeldifferenz: 

A 

max 

L 

max 

_ 

x d st 

⋅Ts 

− w 

⋅ x 

_ 

= w − x 

Bild 3.4.1: Führungsverhalten eines Regelkreises mit einer P-T1-Strecke und einem Zweipunktregler 

mit Hysterese 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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3.4.2 Zweipunktregler ohne Hysterese an einer I-Tt-Regelstrecke 

Bild 3.4.2: Führungsverhalten eines Regelkreises mit einer I-Tt-Strecke (z.B. eine 

Füllstandsregelstrecke) (z.B. eine Füllstandsregelstrecke) und einem Zweipunktregler ohne Hysterese 

Physikalische Bedeutung: 

z = einer konstanten Störung (Behälterabfluss); 

y = Behälterzufluss; 

x = Behälterfüllstand (Regelgröße). 

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3.4.3 Zweipunktregler ohne Hysterese an einer P-T1-Tt-Regelstrecke 

Bild 3.4.3: Führungsverhalten eines Regelkreises mit einer P-T1-Tt-Strecke und einem 

Zweipunktregler ohne Hysterese 

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4 Prozessvisualisierung und Mensch-Maschine-Kommunikation 

Bild 4.1 zeigt eine typische Struktur eines Prozessleitsystems (in diesem Falle basierend auf dem 

SIMATIC PCS7 von Fa. Siemens). 

Kommunikation mit anderen 

Systemen (BLE) wie SAP R/3 

etc. 

Standard Ethernet 

Industrial Ethernet (oder PROFIBUS) 

SIMATIC NET 

DP/PA - Link 

PROFIBUS-PA 

S7-400 mit zentraler Peripherie 

PROFIBUS-DP 

Operator Station (OS) 

zentrales 

BuB 

Automatisierungsysteme (AS) 

S7-300 

Dezentrale Peripherie 

PROFIBUS-DP 

S5-95F 

Bild 4.1: Struktur eines Prozessleitsystems (SIMATIC PCS7) 

lokales 

BuB 

S7-400 

DP-Feldgeräte: 

SIWAREX, SIMOCODE, 

SIMOVERT, SIPART etc. 

Engineering 

Station (ES) 

ET 200M mit 

HART Baugruppe 

PCS 7 Compact 

OS 

ES 

AS 

Erweiterung 

mit S7-400 

ET 200M 

HART-Meßumformer 

Neben den automatisierten Funktionen wie Regelung, Steuerung, Überwachung und Meldung auf den 

unteren Ebenen spielen die Bedien- und Beobachtungsfunktionen (B&B) in der Warte/Leitstelle auch 

eine große Rolle, da „menschlose“ Kraftwerke bzw. Fabriken auf absehbare Zeit eine Illusion bleiben 

werden. Zur Realisierung unterschiedlicher B&B-Funktionen bietet die Produktfamilie SIMATIC von 

Siemens z.B. eine Fülle von Hardware- und Softwarewerkzeuge an, Bild 4.2. 

Push 

Button 

Panels 

Text Displays, 

Operator Panels, 

Touch Panels 

Bild 4.2: SIMATIC HMI -vom Push Button zu WinCC 

Panel PC oder OS 

WinCC 

MPI 

Multi Panels 

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Die Mittel der Prozessvisualisierung und der sog. Mensch-Maschine-Kommunikation ist eine 

Wissenschaft (Ergonomie) für sich und entwickeln sich nicht weniger rasant wie die 

Automatisierungssysteme. Dabei sind die Maschinen möglichst an die Fähigkeiten des menschlichen 

Bedieners anzupassen und geeignete Maßnahmen zu treffen bzgl. des Automatisierungsgrades, der 

Informationsdarstellung (Bedienfenster, Schriftgrößen, Farben, Kurven und Diagramme, 

Hierarchieanordnung etc.), um Fehlbedienungen (besonders in Stresssituationen) zu vermeiden. Die 

Tendenz geht z.B. immer mehr von hartverdrahtete Warte weg zur Bildschirmwarte. Bild 4.3 zeigt 

eine Kraftwerkswarte von den 60zigen Jahren und eine andere von heute. 

Bild 4.3a: Wärmewarte Kraftwerk Emden, Siemens, 1960 

Bild 4.3b: Doppelblockwarte im Braunkohlekraftwerk Schwarze Pumpe (2x800 MW), Siemens, 2000 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Moderne Prozessführungssysteme realisieren durch eine (graphische) Mensch-Maschine-Schnittstelle 

(MMI bzw. HMI = Human Machine Interface) vor allem Funktionen der Prozessführung (Bedienung), 

Prozessinformation (Beobachtung) und Prozessmanagement. Oft werden auf der Basis eines 

Standardbetriebssystems (z.B. UNIX oder Windows-NT) Zusatzpakete wie ein Datenbanksystem, ein 

Graphiksystem und ein Kommunikationssystem verwendet, um die erforderlichen 

Anwenderfunktionen wirtschaftlich zu realisieren, Bild 4.4. 

Prozeßführung 

Datenbank- 

Managementsystem 

Bild 4.4: Aufbau eines Prozessführungssystems 

Man-Machine-Interface 

Prozeßinformation 

Grafiksystem 

UNIX System V 

Prozeßmanagement 

Kommunikationssystem 

Das folgende Bild zeigt z.B. die Umsetzung eines traditionellen Tischfeldes in ein Bedienfenster im 

Leitsystem TELEPERM XP (Siemens AG). 

Sperre / Freigabe 

der Bedienung 

frei projektierbare 

Tasten 

z.B. Anwahl 

Kurvenbild 

Prozeßbedienelement: 

Ausbefehl 

Screen-operation 

Operation-window "Motor" 

KKS-Kennzeichen 

Funktionsname, Klartext 

M 

0 1 

Textausgabe 

Ausführen Schließen 

Bedienhinweise z.B. 

"Eingabefehler" 

"Handfreigabe fehlt" 

Anwahl Window- 

Erweiterung 1 

Anwahl des 

Funktionsplanes 

Piktogramm 

Öffnen das Detail- 

Windows 

Öffnen Notizbuch-Windows 

Prozeßbedienelement: 

Einbefehl 

1 Lampe AUS (ZU) 

2 Lampe Störung 

3 Lamp EIN (AUF) 

Kein Licht 

Ruhig-Licht 

Bild 4.5: Tischfeldbasierte (rechts) und Fensterbasierte (links) Bedienung im Kraftwerk 

Operation 

mit Tischfeld 

1 2 3 

6 

4 5 

4 Taster AUS (ZU) 

5 Taster EIN (AUF) 

6 Beschriftungsfeld 

Mögliche Signalzustände 

der Lampen: 

Blinklicht mit 2 Hz 

Flimmerlicht mit 8 Hz 

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A 

W arnung 

T 

A W T F 

Prozeßmeldungen Leittechnikmeldungen 

larm 

oleranz 

F 

B 

B 

unktionsfehler 

edienerführung 

Bild 4.6: Beispiele für typische Prozessmeldungen und Leittechnikmeldungen 

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5 Kommunikation und Bussysteme in der Automatisierungstechnik 

5.1 Informationsfluss und Kommunikation 

Betrachtet man die verschiedenen Funktionen im Zusammenhang mit der Automatisierung von 

Produktionsprozessen, so stellt man fest, dass diese mit tätigkeitsspezifischen Zeiträumen verbunden 

sind; z .B. Planungshorizont von einem Jahr, Quittieren von Alarmen innerhalb von Minuten, 

Reaktionszeiten und Abtastzeiten im ms-Bereich. Unter diesem Gesichtspunkt sieht der 

Kommunikationsbedarf im Automatisierungsverbund der Hierarchie-Pyramide vom Bild 1.2.1 wie 

folgend aus: 

Ebene Automatisierungsgrad Zeitliche Anforderung Räumlicher Abstand 

Disponieren 

Leiten 

Steuern/Reg. 

Gering 

Mittel 

Hoch 

Offline 

Online 

Echtzeit (Real time) 

Prozessfern 

Prozessfern 

Prozessnah 

Das folgende Bild gibt die Größenordnungen des Informationsaustausches zwischen den Ebenen an: 

Innerhalb und zwischen den Hierarchieebenen findet ein Informationsaustausch (vertikale und 

horizontale Kommunikation in beiden Richtungen) mit unterschiedlichen Übertragungsanforderungen 

statt. Informationen aus dem Prozess (z.B. Messwerte) sind zur örtlichen Steuerungsebene zu 

übertragen. Dies kann entweder über klassische „Einheitssignale“ oder bereits über Bussysteme 

geschehen (s. z.B. Kap. 5.2.1 und Kap. 5.4). Es handelt sich um kleine Datenmengen von kurzer 

Aktualität aber mit hohen Anforderungen an die Geschwindigkeit der Übermittlung (Meldung von 

Gefahrenzuständen zwecks Schnellabschaltung). Je höher die Hierarchie, desto mehr 

Datenverarbeitungscharakter haben die übertragenen Daten (große Datenpakete mit längerer 

Gültigkeitsdauer). Um diese fast gegensätzlichen Anforderungen (kostengünstig) zu erfüllen, sind zur 

Zeit zwei verschiedene Bussysteme notwendig: 

• Feldbus (Beispiele: Profibus, CAN, Interbus-S, LON, ...) 

− echtzeitfähig (deterministische Reaktionszeiten, meist zentrale Bussteuerung)) 

− zyklischer Datenverkehr (z.B. Abtastregelung) 

− asynchrone, kurze Meldungen (z.B. Alarme) 

• Prozess- und Bürobus (Beispiele: Ethernet, Token-Ring, ...) 

− Filetransfer, Jobtransfer, Mail, … 

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− Protokolle für die Produktion/Fertigung: Mini-MAP, MAP (Level 7: MMS) 

Die beiden Bussysteme werden üblicherweise auf der Steuerungsebene vernetzt. Die SPS erfüllt also 

die wichtige Funktion eines „Gateway“. Hier sei noch erwähnt, dass bereits heute der sog. „Switched 

Ethernet“ mit TCP/IP als Feldbus (Profinet) eingesetzt wird. 

5.2 Varianten der Feldinstallation 

Verbindungen zwischen den Geräten vor Ort (Sensoren/Aktoren im Feld) und der 

zentralen/dezentralen Leittechnik werden Feldinstallation genannt. Im wesentlichen können vier 

Varianten unterschieden werden (vgl. Bild 5.1). 

Bild 5.1: Entwicklung der Feldinstallation 

5.2.1 Informationsübertragung über klassische Einheitssignale 

Unter Feldverkabelung versteht man alle Verbindungen von den Feldgeräten (von Sensoren und 

Stellgeräten) bis hin zur Informationsverarbeitungseinrichtung im Schaltraum. Um den 

Informationsfluss zwischen Feldebene und Steuerungs- bzw. Prozessleitebene sicherzustellen, werden 

heutige neue Anlagen bzw. Anlagenteile weitgehend noch mit herkömmlicher (und bewährter) 

Technik ausgerüstet: 

• Übertragung analoger Signale (0 .. 10 V bzw. 0/4 .. 20mA); 

• (parallele) Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (Zweidrahtleitungen, ev. 3- Draht); 

• in explosionsgefährdeten Bereichen (sog. Ex-Bereich) Beschränkung der Signal+ 

Versorgungsleistung auf ca. 40mW. 

Das „4-20mA Stromsignal“ (current loop) 

Ein erste Standardisierung der Signale bzw. Signalübertragung im Feldbereich erreichte man mit der 

Einführung der Norm des 4-20mA Stromsignals, wobei 4mA einem Wert von 0% und 20mA einem 

von 100% der Prozessgröße entsprechen (DIN 19230). Die Vorteile des 4-20mA Stromsignals sind – 

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neben der Unabhängigkeit des Stromsignals vom ohmschen Leitungswiderstand bzw. von der 

Leitungslänge – eine einfache Kalibrierung (insbesondere des Nullpunkts) sowie ein auf dem 

Stromsignal beruhendes leicht zu realisierendes „fail-safe“ Verhalten des Systems. Demgegenüber 

steht die etwas geringe Auflösung aufgrund des Skalenbereichs von nur 16mA. Die folgenden 

Abbildungen illustrieren die Übertragung einer Prozessgröße vom Sensor via Tramsmitter in den 

Schaltraum. 

Bild 6.1: Signalübertragung vom Sensor in den Schaltraum (rechts mit mehreren Anzeigegeräten) 

Bild 6.2: Prinzipskizze eines Transmitters 

Bild 6.3: Beispiel eines Durchflussmessgeräts 

In DIN 19230 sind noch weitere Einheitssignale definiert: Spannung (0–10V); Druckluft (0,2–1,0bar). 

5.2.2 HART SENSOR 

Die zunehmenden Anforderungen an Sensoren (Genauigkeit, Fernkalibrierung etc.) einerseits und die 

technologischen Fortschritte (Mikroprozessoren, Mikrosystemtechnik) anderseits führen dazu, dass 

bereits im Sensor eine Informationsverarbeitung stattfindet und dass mehr Information –und dies in 

beide Richtungen– übertragen werden muss (sog. “Smart Sensors“). Diese zusätzliche Information 

wird beim amerikanischen HART-Protokoll (Highway Addressable Remote Transducer) durch 

Überlagerung eines entsprechenden FSK-Signals (Frequency Shift Keying) übertragen, wobei das 

analoge 0/4 .. 20mA Messsignal als Modulationsträger dient. 

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Konventionell HART-Kommunikation 

Meßwert 

20 mA 

4 mA 

Ausgangsstrom 

Zeit 

Meßwert 

20 mA 

4 mA 

Bild 6.4: Prinzip des HART-Sensors 

2200 Hz 

"0" 

1200 Hz 

"1" 

Zeit 

HART- 

Modem 

Speisegerät 

Das sinusförmige 2200 Hz-Signal entspricht logisch 0 und das 1200 Hz-Signal logisch 1. Die 

Übertragungsrate beträgt 1200 bit/s. Über die HART-Multiplexer lassen sich bis zu mehrere Tausend 

HART-fähige Geräte fern steuern, wobei die Zykluszeit bis zu 30 Minuten dauern kann, da der 

HART-Bus ein relativ langsamer Bus ist. 

5.2.3 Dezentrale Systeme 

Aufgrund der eindeutigen Vorteile der Busvariante werden in der Automatisierungstechnik heute 

verstärkt Feldbusse eingesetzt, dabei werden nicht nur Kabelmengen gespart, sondern es findet zum 

Teil eine Intelligenzverlagerung an den Prozess vor Ort statt, Bild 5.2. 

Zentrale Leittechnik 

Prozessnahe Komponente 

Überwachung 

Trend 

Meßgröße 

Feldgerät 

4...20mA 

Grenzwert 

Bild 5.2: Von der zentralen zur dezentralen Leittechnik 

Meßgröße 

Dezentrale Leittechnik 

Prozessnahe Komponente 

Überwachung 

Feldgerät 

Feldbus 

Trend Grenzwert 

Als weitere Vorteile der Feldbusse sind noch zu nennen: Diagnosefunktion im Fehlerfall, bessere 

Flexibilität/Erweiterbarkeit sowie reduzierter Engineering-Aufwand. 

Das wohl wichtigste Merkmal der Feldbusse ist die Echtzeitfähigkeit, die besonders von den 

Feldgeräten gefordert wird. Bei der Ebene drüber (Datenkommunikation) steht dagegen der Durchsatz 

(zu übertragende Datenmenge) im Vordergrund. Verschiedene Bussysteme sind für verschiedene 

Anwendungen geeignet. So werden z.B. der AS-i-Bus und der EIB-Bus ausschließlich für die 

Feldkommunikation eingesetzt, während der Profibus sowohl für die Daten- als auch für die 

Feldkommunikation geeignet ist. Dagegen wird der industrielle Ethernet primär für die 

Datenkommunikation eingesetzt, Bild 5.3. 

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SPS 

Datenkommunikation 

Daten- und Feldkommunikation 

PROCESS FIELD BUS 

Bild 5.3: Moderne Kommunikationsbusse in der Automatisierungstechnik 

5.3 Grundlagen der Buskommunikation 

Feldkommunikation 

Bevor die verschiedenen Busvarianten der Automatisierungstechnik erörtert werden, sollen hier kurz 

die Grundlagen der Buskommunikation vorgestellt werden /7/. 

5.3.1 Netzwerktopologien 

Oft sollen Informationen von einer Automatisierungseinrichtung (Rechner) zu einer oder mehreren 

Einrichtungen (Rechnern) übertragen werden. Dabei entsteht ein Netzwerk mit in der Regel mehr als 

zwei Teilnehmern. Die Netzwerktopologie legt die geometrische bzw. logische Anordnung der 

Teilnehmer (Station) fest. Folgende Topologien werden häufig angetroffen. 

5.3.1.1 Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (peer to peer) 

Bei dieser Topologie ist jeder Teilnehmer mit jedem über Kommunikationsleitungen verbunden. 

Dabei entsteht ein engmaschiges Netz, Bild 5.4a. 

Bild 5.4a: Punkt-zu-Punkt-Verbindungen Bild 5.4b: Sterntopologie 

⎛n 

⎞ 

Bei n Teilnehmern werden (n-1) Schnittstellen pro Teilnehmer und ⎜ ⎟ Verbindungsleitungen 

⎝2 

⎠ 

benötigt. Die Kosten für Verkabelungen sind daher sehr hoch. Vorteile sind die leichte Diagnose und 

die beschränkte Auswirkung beim Ausfall eines Teilnehmers oder eines Kommunikationskanals. 

5.3.1.2 Sterntopologie 

Bei dieser Struktur sind alle Stationen mit einer zentralen Vermittlungsstelle (Hub bzw. Sternkoppler) 

verbunden, Bild 5.4b. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Der Hauptvorteil dieser Topologie besteht darin, dass der Ausfall einer Station keine Folgen für die 

Netzfunktion besitzt. Lediglich der Ausfall des Hubs führt zu einem Netzausfall. Der 

Verkabelungsaufwand ist niedriger als die Punkt-zu-Punkt-Struktur, aber immer noch höher als die 

Bus- bzw. Ringtopologie. 

5.3.1.3 Bustopologie 

Auch Linientopologie genannt. Dies ist ein Netzwerkaufbau, bei dem die Rechner an eine Leitung 

(den Bus) angeschlossen werden, das zwei Endpunkte besitzt (häufig mit dem Wellenwiderstand 

abgeschlossen), Bild 5.5a. 

Bild 5.5a: Bus- bzw. Linientopologie Bild 5.5b: Baumtopologie 

Die Anbindung der Teilnehmer an das Buskabel geschieht über kurze Stichleitungen (Dropkabel). 

Jeder Teilnehmer kann über den Bus mit jedem anderen Teilnehmer kommunizieren. Ethernet- 

Netzwerke sind ein Beispiel für diese Topologie. Der Vorteil der Linienstruktur ist in der leichten 

Erweiterbarkeit und dem geringen Verkabelungsaufwand zu sehen. Ein Nachteil besteht darin, dass 

ein Ausfall des zentralen Mediums gleichbedeutend mit einem Netzausfall ist. Weiterhin muss man 

häufig einen Kompromiss zwischen der Übertragungsrate und der max. Leitungslänge schließen. 

5.3.1.4 Baumstruktur 

Die Baumstruktur stellt eine Weiterentwicklung der Linienstruktur dar (Bild 5.5b), kann aber größere 

Flächen abdecken als die Bustopologie. Zur Signalverstärkung werden an der Baumzweigen oft 

Verstärkerelemente (Repeater) eingesetzt. 

5.3.1.5 Ringtopologie 

Ein lokales Netz, dessen Aufbau einem Ring entspricht. Das bedeutet, dass jede Station zwei 

Nachbarn besitzt und mit diesen durch ein Übertragungsmedium verbunden ist. Da ein Ring gerichtet 

ist, besteht für Nachrichten eine vorgegebene Umlaufrichtung. Der Vorteil dieser Struktur besteht im 

geringen Verkabelungsaufwand, der relativ großen Reichweite und der leichten Erweiterbarkeit; ein 

Nachteil ist aber der Ausfall der Ringleitung, der gleichbedeutend mit einem Netzausfall ist. Um 

diesem Manko zu begegnen werden Ringe manchmal doppelt ausgelegt, wobei der Sicherheitsring die 

entgegengesetzte Rotationsrichtung aufweist. 

Von großer Bedeutung für die Praxis ist der sog. „Virtuelle Ring“, der auch als ein Sonderfall der 

Linienstruktur angesehen werden kann. Bild 5.6 zeigt eine beispielhafte (virtuelle) Ringstruktur eines 

Industrial Ethernets aus dem Leitsystem TELEPERM XP der Fa. Siemens, die tolerant gegenüber 

Busunterbrechung (Einzelfehler) ist. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 85 -


Ü 

Über - 

wachungslogik 

Virtueller Ring 

Sternkoppler Sternkoppler Sternkoppler 

OM-PU 

AS 

Sternkoppler Sternkoppler 

1............64 

.... .... 

Ü 

1............64 1............64 

Überwachungslogik 

Teilnehmer 

.... 

Sternkoppler 

Information 

CP 

CP 

AS 

CP 

LWL 

Optische 

Transceiver 

Drop cable 

Ein Fehler am Bus führt 

zum Durchschalten der 

Busverbindung an der 

Überwachungslogik Ü 

Nach Reparatur wird 

die Busverbindung 

durch die 

Überwachungslogik 

automatisch geöffnet 

Bild 5.6: Einsatz des „Virtuellen Ring“ im Leitsystem TELEPERM XP (Siemens) 

5.3.2 Kommunikationsmodelle 

Physikalische Verbindungen zwischen den Rechnern ist nicht alles. Kommunikation von Rechnern 

untereinander zum Zweck des Datenaustausches erfordert viel mehr Vereinbarungen darüber, in 

welcher Art und Weise sie stattfinden soll. Die Festlegung vom Format und Regeln zum 

Datenaustausch zwischen Stationen eines Netzes wird auch (Kommunikations-)Protokoll genannt. 

Ein Protokoll regelt ferner: 

• die Art der Fehlerkontrolle 

• das Datenkompressionsverfahren 

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• die Art wie die sendende Station das Ende der Nachricht mitteilt 

• die Anzeige des Empfängers, erfolgreich eine Nachricht erhalten zu haben. 

Die Normungsbasis vieler heutigen Bussysteme ist das ISO/OSI-Referenzmodell 

(Siebenschichtenmodell, ISO 7458), das von der ISO (International Standard Organisation) für die 

Entwicklung offener Kommunikationsprotokolle (OSI = Open System Interconnection) in den 

achtziger Jahren entwickelt wurde, Tabelle 5.1. 

Tabelle 5.1: Das ISO/OSI-Referenzmodell in der Buskommunikation 

Nr. Bezeichnung Aufgaben 

7 Anwendungsschicht 

(Application Layer) 

6 Darstellungsschicht 

(Presentation Layer) 

5 Sitzungsschicht 

(Session Layer) 

4 Transportschicht 

(Transport Layer) 

3 Netzwerkschicht 

(Network Layer) 

2 Datenverbindungsschicht 

(Data Link Layer) 

1 Physikalische Schicht 

(Physical Layer) 

Funktionen für den Anwender (z.B. Email, Datenbankabfrage, 

oder andere Datenübertragungsdienste) 

Syntax der Datentypen vereinbaren („Sprache“), Formatierung/ 

Komprimierung/Verschlüsselung, Zeichensatz 

Schnittstelle zur Benutzung der logischen Kanäle, Dienste zum 

Aufbau und Abbau von Sitzungen 

Verbindungen auf-/abbauen (Bereitstellung logischer Kanäle), 

Daten in Paketen zerlegen/transportieren, Quittieren 

Vermittlung, Wegfindung (Routing, Festlegung des Datenweges 

von der Quelle bis zum Ziel) 

Datenformate/Datensicherung („des Datenrahmens“, data frames), 

Zugriffsverfahren 

Pegeldefinition/Signalcodierung, elektr./mech. Eigenschaften des 

Übertragungsmediums 

Die Schichten 1-4 sind für die Datenübertragung zwischen den Endgeräten zuständig, während die 

Schichten 5-7 das Zusammenwirken zwischen dem Anwenderprogramm und dem Betriebssystem des 

Rechners beschreibt. Die Schichteneinteilung dient der Abstraktion des Kommunikationsprozesses 

(aufgabenorientiert) und enthält keine Angaben über die Implementierung, d.h. das physikalische 

Medium und die Anwendung selbst sind in diesem Modell nicht berücksichtigt. Jede Schicht N 

(service provider) stellt bestimmte Dienste bereit, die die drüberliegende Schicht N+1 (service user) 

nutzen kann. Jede Schicht im System ist austauschbar, ohne dass die anderen Schichten davon 

betroffen sind. So kann die Schicht 1 z.B. in Glasfasern wie in Kupferleitungen realisiert worden sein, 

ohne dass seine Definition sich ändert. 

Auf jeder Schicht verlaufen die Handlungen auf der Sender- und Empfängerseite meist in umgekehrter 

Reihenfolge. So kodiert die Schicht 1 auf der Sendeseite die zu sendende Information (in Bitfolge) auf 

dem Trägersignal, während die Empfängerseite genau das Gegenteil tut. Nicht alle Schichten müssen 

immer und überall vorhanden sein, einige Schichten können bewusst weggelassen werden (z.B. 

bleiben Schichten 3 bis 6 bei der Profibus-Definition leer). 

5.3.3 Signalcodierung, Datensicherung, Zugriffsverfahren 

Die Arbeitsweise der Schicht 1 soll nun anhand des Beispiels der Signalcodierung etwas näher 

betrachtet werden. Grundsätzlich kann digitale Information (logisches 0 oder 1) in der Amplitude, in 

der Flanke, in der Phase oder in der Frequenz eines elektrischen/optischen Signals übertragen werden. 

Zwei am häufigst verwendete Codierverfahren sind das NRZ-Verfahren (Non Return to Zero, 

„0“=Masse, „1“=positiv, Taktinformation geht verloren, nicht frei vom Gleichanteil) und das 

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Manchester-II-Codierung („0“=negative Flanke in der Taktmitte, „1“=positive Flanke, 

Taktinformation bleibt erhalten; Oft wird sie zusammen mit der sog. Alternierenden Puls Modulation 

= AMP verwendet: zwei aufeinander folgende Impulse besitzen dabei eine unterschiedliche Polarität, 

so dass es auf den Leitungen ein bitserieller gleichstromfreier Datenstrom fließt), Bild 5.7. 

Takt 

Binärfolge 

NRZ 

(PROFIBUS-DP) 

Manchaster 

Biphase L 

(PROFIBUS-PA, 

AS-i) 

0 

Bild 5.7: NRZ- und Manchester-II-Codierung 

0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 

„1“ 

+ 

0 

„0“ 0 

Bleibt die Taktinformation enthalten, dann kann eine zusätzliche Taktleitung bei einer synchronen 

Datenübertragung entfallen. Ist die Kodierung frei von Gleichanteilen (z.B. bei Manchester Biphase 

L), ist eine Datenübertragung über Energieversorgungsleitung möglich, sofern diese mit Gleichgrößen 

vorgenommen wird. Als Nachteil der Manchester-II-Codierung ist zu nennen, dass die maximal 

auftretende Frequenz doppelt so hoch sein kann wie die maximal auftretende Frequenz beim NRZ- 

Verfahren ist. Dadurch ist die Störabstrahlung relativ hoch. 

Werden die Informationen zeichenweise übertragen und durch Start- und Stoppbits immer wieder 

synchronisiert, dann spricht dann auch von UART(Universal Asynchronous Reciever and Transiver)- 

Zeichen-Übertragung. Nach DIN 66022/66023 sind pro Zeichen 11 Bits nötig: 

Startbit Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit 7 Parität Stoppbit 

0 LSB x x x x x x MSB gerade 1 

Der Startbit ist immer logisch Null, gefolgt vom niedrigstwertigen Datenbit Bit 0 (LSB), ... bis zum 

höchstwertigen Datenbit Bit 7, gefolgt vom Paritätsbit (gerade) und Stoppbit (immer logisch 1). 

Als wesentliche Inhalte der Schicht 2 sind die Datensicherung und Zugriffsverfahren zu nennen. 

Bekannte Verfahren der Datensicherung sind: 

• Codierung durch Hamming-Distanz: d = e + 1 mit e=Anzahl der sicher erkennbaren Fehler. 

bei d = 2 ist z.B. ein einziger Fehler sicher erkennbar (durch Verwendung des Paritätsbits). In 

Feldbus-Systemen ist d = 4 üblich (durch die Blocksicherung, sehr hohe 

Sicherheitsbedürfnisse erfüllt d = 6); 

• Blocksicherung: auch FCS (Frame Check Sequence) genannt. Es werden z.B. 7 ASCII- 

Zeichen nebst Paritätsbit gesendet. Dann folgt 8. Oktett P, das die Spaltenparität enthält. 

Dadurch lassen bis zu 3 Bitfehler erkennen, also d = 4; 

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„1“ 

„0“ 

+ 

0 

- 

+ 

0 

-


• CRC-Summe (Cyclic Redundancy Check): die zu übertragende Information wird unabhängig 

von ihrer Länge als Zahl aufgefasst und durch eine feste Zahl, das sog. Generatorpolynom G 

im Sender dividiert. Der Quotient Q wird verworfen, der resultierende Rest R wird zusammen 

mit der Information I übertragen. Der Empfänger dividiert die empfangenen Daten durch 

dasselbe Polynom G und erhält bei fehlerfreier Übertragung den Rest R=0 (Details in DIN 19 

244). Die Länge des Polynoms ist maßgeblich für die erreichbare Hamming-Distanz (z.B. d = 

6 nach DIN 19244); 

Zugriffsverfahren regeln vor allem das Senderecht auf der Busleitung. Folgende Varianten sind in der 

Praxis von Bedeutung: 

• Master/Slave-Verfahren: Bei diesem Verfahren stellt die Bussteuereinheit, der sog. Master, 

die Verbindung zum passiven Teilnehmer, dem Slave, her. Dieser antwortet auf eine 

Datenanforderung des Masters unmittelbar. Die in der Regel zyklische Abfrage des Slaves 

durch den Master wird auch Polling genannt. Der Vorteil der Einfachheit dieses Verfahrens 

geht spätestens dann verloren, wenn die Slaves untereinander verstärkt Daten austauschen 

wollen; 

• Token-Passing: Hier sind alle Teilnehmer in der Lage, die Kommunikationssteuerung zu 

übernehmen. Dabei wird das Senderecht durch eine spezielle Nachricht, dem sog. Token, 

koordiniert. Nur der Teilnehmer im Besitz des Tokens darf senden. Danach wird der Token 

weitergereicht. Mit Hilfe eines Tokens lässt sich aus einem Linienbus ein logischer Ring 

aufbauen (s. z.B. IEEE-Norm 802.4). Sind zum aktiven Teilnehmer zusätzlich noch passive 

Teilnehmer vorhanden, so spricht man auch vom hybriden Zugriffsverfahren, da die passiven 

Teilnehmer zweckmäßigerweise durch Master/Slave-Verfahren angesprochen werden; 

• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): Ein senderwilliger 

Teilnehmer hört die gemeinsame Busleitung ab (Carrier Sense) und sendet, falls diese nicht 

belegt ist. Sollte die Busleitung gerade von einem anderen Teilnehmer besetzt sein, zieht er 

sich zurück und versucht, zu einem späteren Zeitpunkt (z.B. nach einem Zufallszeitintervall) 

die Sendung zu wiederholen (Multiple Access). Ist die Busleitung frei und zwei (oder mehr) 

Teilnehmer senden gleichzeitig, dann kommt es zu einer Kollision auf der Busleitung, in der 

Regel mit der Folge der Zerstörung des Telegramminhaltes. Dies muss erkannt (Collision 

Detection) und der Sendevorgang muss (z.B. wieder zufallsbedingt) wiederholt werden. Da 

bei diesem Verfahren keine maximale Reaktionszeit garantiert werden kann, ist das Verfahren 

nicht echtzeitfähig und wird daher mehr im Bürokommunikation eingesetzt (z.B. Ethernet); 

• CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance): Zur Steigerung der 

Effizienz des CSMA muss die Datenkollision vermieden werden (Collision Avoidance). Dies 

kann am einfachsten dadurch geschehen, dass den Teilnehmern Priorität vergeben werden. 

Dabei wird die Sendung ständig überwacht und im Konfliktfall zieht sich der Teilnehmer mit 

der niedrigeren Priorität zurück. 

Die Verwendung einzelner Zugriffsverfahren wird zusammen mit Vorstellungen der verschiedenen 

Feldbusse vorgestellt. 

5.4 Beispiele für Feldbusse 

Feldbus verbindet bekanntlich die Feldgeräte mit der Steuerungseinheit (SPS). Die Tendenz geht auf 

dem Gebiet immer mehr von firmenspezifischen Lösungen in offene Standards über. Tabelle 5.2 fasst 

den Marktanteil verschiedener Feldbusse in Europa im Jahr 2001 nach einer Studie des 

Marktforschungsunternehmens Frost & Sullivan zusammen. 

Tabelle 5.2: Marktanteile der Feldbusse in Europa (2001) 

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Feldbus Marktanteil 

Profibus 54% 

Fieldbus Foundation 10% 

Interbus 8% 

Modbus 8% 

AS-i 6% 

Einige Busvariante dominieren in den jeweiligen Anwendungsbereichen. So spielt der EIB (European 

Installation Bus, Initiator Siemens AG) in der Gebäudeautomatisierung eine große Rolle, während der 

CAN-Bus (Controller Area Network, Initiator Bosch AG) den Automobilbereich beherrscht. Auch der 

mit 2,5% noch auf Rang 8 dieser Studie liegende Ethernet dürfte dagegen neuerdings stark an 

Bedeutung zugenommen haben. 

5.4.1 Profibus 

Unter den Feldbuslösungen ist der Profibus (= Process Field Bus) der eindeutige Marktführer in 

Europa. Die deutsche Nationalnorm wurde in der Neunziger Jahren unter dem Verbundprojekt 

„Feldbus“ durch 14 Hersteller und Institute ausgearbeitet und vom damaligen Bundesministerium für 

Forschung und Technologie (BMFT) gefördert und später in die selbsttragende Profibus- 

Nutzerorganisation (PNO) mit Hauptsitz in Karlsruhe fortgesetzt. Profibus wurde zunächst in DIN 19 

245 Teil 1 und Teil 2 als Deutsche Norm verabschiedet und seit 1996 durch die EN DIN 50170 und 

später durch IEC 61158 weltweit akzeptiert. Unter dem Oberbegriff Profibus existieren 3 Varianten: 

• Profibus-FMS (=Fieldbus Message Specification); 

• Profibus-DP (=Dezentrale Peripherie) und 

• Profibus-PA (=Prozess-Automatisierung). 

Profibus-FMS ermöglichst Master-Master-Kommunikation, ist aber zu langsam für die Feldebene. Sie 

wird heute als Low-cost-Zellenbus empfohlen. Hier steht die azyklische Übertragung von 

strukturierten Datensätzen, z.B. Fertigungsaufträge und Rezepten unter Beachtung der verschiedenen 

Datentypen im Vordergrund. Gegenüber Industrie-Ethernet verliert er immer mehr an Bedeutung. 

PROFIBUS-DP ist für die Anbindung von DP-Normslaves an ein Mono-Master-System in der 

unteren Feldebene geschaffen. Sie kann als eine Art vereinfachter Version des Profibus-FMS 

angesehen werden. Sie ist relativ schnell und damit echtzeitfähig, d.h. mindestens einmal während 

einer Zykluszeit des Steuerungsprogramms werden die Daten aktualisiert. 

Profibus-PA ist eine kommunikationstechnisch kompatible Erweiterung von Profibus-DP für den Ex- 

Bereich. Der sog. eigensichere Stromkreis (Symbol EEx i mit EEx = Explosionsschutz, i = Strom) 

garantiert, dass die Explosionsgefahr durch Begrenzung der Stromstärke ausgeschlossen ist. Im 

Gegensatz zu DP wird bei der PA die Feldgeräte über die Datenleitung gleichzeitig mit einer für ihren 

Betrieb nötigen Hilfsenergie gespeist (Busspeisung). Auch das verwendete gleichstromfreie 

Codierungsverfahren – Manchester-II-Codierung – ist verschieden im Vergleich zur NRZ-Codierung 

vom DP. Details zur Übertragungstechnik der Profibis-PA sind in IEC-61158-2 spezifiziert. Für den 

Übergang von Profibus-DP auf –PA stehen sog. Segmentkoppler zur Verfügung (Die 

Übertragungsgeschwindigkeit beträgt 45,45KBd auf DP-Seite und 31,25KBd auf PA-Seite), die 

außerhalb des Ex-Bereichs bleiben müssen. 

Die Datenübertragung des Profibus geschieht per Telegramme (Kette aus den UART-Zeichen, 

asynchron, halbduplex). Man unterscheidet zwischen Informationstelegramme ohne Daten mit einer 

festen Länge von 6 Bytes und Datentelegramme mit fester oder variablen Länge (max. 255 Bytes). Da 

es innerhalb eines Telegramms Datenmenge von max. 246 Bytes verschickt werden können, ist er sich 

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auch für die Datenkommunikation eignet. Die Datenübertragung bei der Profibus-DP und -PA basiert 

auf der Schicht 1 und 2 des ISO/OSI-Referenzmodells und ist durch eine Hamming-Distanz = 4 

gesichert, d.h. der spezielle ASIC-Chip erkennt bis zu 3 gleichzeitig auftretende Bitfehler bei der 

Übertragung. Profibus-FMS nutzt zudem die Schicht 7 aus. Zusammenfassend sind nun die 

wichtigsten Merkmale des Profibusses zusammengefasst: 

• Genormt nach EN 50 170 Vol. 2; 

• Max. 125 Teilnehmer; 

• Buszugriffsverfahren Token-Passing mit unterlagertem Master-Slave; 

• Übertragungsraten bis 12 MBit/s; 

• Datenübertragung über Zweidrahtleitung und Lichtwellenleiter; 

• Großes Angebot von Komponenten für den Anschluss an den Feldbus; 

• Flächendeckend einsetzbar; 

• Programmierung der Master- und Slave-Geräte über den Feldbus möglich; 

• Modular ausbaubar (der Feldbus kann mit den Anforderungen mitwachsen); 

• Automatische Erkennung der Übertragungsrate bei den Slaves; 

• Offenes System; auch Feldgeräte anderer Hersteller anschließbar; 

• Übersichtliche Architektur; rein prozessbezogene Projektierung. 

Als wesentliche Vorteile sind zu nennen: 

• Slave-Station austauschbar ohne Busunterbrechung; 

• Hohe Verfügbarkeit; 

• Hohe Datensicherheit; 

• Standard-Telegrammstruktur; 

• Rückwirkungsfreies Zu- und Abschalten von Busteilnehmern während des Betriebs; 

• Weniger Verkabelungsaufwand; 

• Leichtere Änderbarkeit / Erweiterbarkeit. 

Im folgenden wird die Profibus-DP etwas näher betrachtetet, da diese Variante in der Praxis am 

häufigsten zu treffen ist. Profibus-DP wird häufig als ein serielles Bussystem in Linientopologie 

eingesetzt, wobei die Linientopologie durch Repeatereinsatz variiert werden kann. 

Busabschlusswiderstände in Höhe des Wellenwiderstands der Leitung an beiden Enden sind nötig. 

Diese Busstruktur hat den Vorteil der möglichen Zu-/Abschaltung von Teilnehmern während des 

laufenden Betriebs, da dies unterbrechungslos geschehen kann. Ein weiterer Vorteil ist die einfache 

Anschlusstechnik der Teilnehmer (quasiparallele Ankopplung eines Sende- und Empfangsverstärkers). 

Problematisch kann jedoch die Fehlersuche bei Auftreten eines Kurzschlusses im System werden, da 

keinerlei Kommunikation mehr möglich ist. 

Durch das Buszugriffsprotokoll wird ein sog. logischer Tokenring für die Profibus-Master gebildet, 

selbst wenn der physikalischer Bus kein Ring ist. Das Token ist ein spezielles Telegramm, das über 

den Bus übertragen wird. Spätestens nach Ablauf der Token-Haltezeit (wird bei der 

Systemkonfiguration festgelegt), wird das Token von einem Master zum nächsten Master 

weitergegeben (obwohl es beim Profibus-DP in der Praxis oft nur einen Master gibt). Slaves sind vom 

Token-Passing ausgeschlossen. Der Hauptvorteil des Token-Passing, Master-Slave-Verfahrens ist die 

Echtzeitfähigkeit des Systems, die durch die Token-Umlaufzeit parametrierbar ist. 

Der Ausfall des Masters führt dazu, dass er sich nicht mehr im logischen Ring befindet. Mit der 

Diagnosesoftware können die Busteilnehmer und ein solcher Ausfall erkannt werden. Die Reihenfolge 

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der Master im Ring ist durch die Busadresse festgelegt. Der DP-Master kann in der CPU der SPS 

integriert sein oder als eine eigene Baugruppe (Kommunikationsprozessor CP) zur Verfügung stehen. 

Ein DP-Master steuert 31 DP-Slaves in einem Segment oder bis zu 126 im gesamten Netz. Die 

Hauptaufgabe des DP-Masters ist die Durchführung des Datenaustausches mit seinen Slaves und 

entlastet damit die CPU, damit diese sich voll der Durchführung des Steuerungsprogramms widmet. 

Das elektrische Übertragungsverfahren beruht auf dem US-Standard EIA RS 485. Bevorzugt wird eine 

verdrillte Zweidrahtkupferleitung mit Schirm (shielded TP, twisted pair) und symmetrischer 

Verbindung. Generell gilt die Damenregel: TP-Kabel bis einige Mbit/s; bei höheren Datenraten 

empfiehlt sich der Koaxkabel bzw. Lichtwellenleiter (LWL). Die Baudrate bei PROFIBUS-DP kann 

man abhängig von der zulässigen Länge in einem Segment (Subnetz) von 9,6 kBit/s bis 12 MBit/s 

einstellen (Standard 1,5 MBit/s). Eine hohe Datenrate weist auf hohe Frequenz hin. Höherfrequente 

Signale erfahren auf einer Übertragungsleitung eine stärkere Dämpfung als niederfrequente Signale. 

Richtwerte: 

• Bei 500 kBit/s bis zu 400 m, 

• bei 1,5 Mbit/s bis zu 200 m, 

• bei 12 Mbit/s zu 100 m. 

Die Segmente können durch Repeater RS485 bis zu einer Entfernung von 1000 m verlängert werden. 

Repeater sind Verstärkerstationen, die ankommenden Datenbits 1:1 auf den Ausgang kopiert, ohne 

deren Inhalt zu interpretieren. Somit arbeiten Repeater auf der Schicht 1 des ISO/OSI-Protokolls und 

eignen sich zur Kopplung gleichartiger Netze (zusammenhängende Begriffe: Bridges arbeiten auf der 

Schicht 2; Router arbeiten auf der Schicht 3 und Gateways arbeiten auf der Schicht 4). Die max. 

Ausdehnung des Netzes beträgt bei geschirmter Zweidrahtleitung 9,6 km bzw. bei einem LWL bis zu 

23,8 km. Der Einsatz eines LWL basiert auf unidirektionalen (bzw. bidirektional über ein 

Sender/Empfänger-Paar) Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Über die sog. OLMs (optical link modul) 

lassen sich die Linie-, Ring- und Stern-Topologie realisieren. 

Profibusfähige Geräte werden über die Device Description Language (DDL) beschrieben. Dadurch 

wird eine herstellerunabhängige Darstellung der Gerätefunktionen erlaubt. 

5.4.2 AS-i-Bus 

Untersuchungen haben gezeigt, dass die überwiegende Anzahl (ca. 80%) aller Sensoren und Aktoren 

binäre Aktoren und Sensoren sind (zwei Zustände: z.B. Ventile „ein/aus“ oder Grenzwertgeber 

„überschritten/nicht überschritten“). Das Actor-Sensor-interface ist ein Vernetzungssystem für genau 

diese einfachen Geräte im untersten Feldbereich, um die Kommunikationsfähigkeit bei vertretbarem 

Kostenaufwand zu realisieren. Initiiert durch die Firma Siemens AG (Altname: SINEC S1), umfasst 

das AS-interface-Konsortium (heute: der Asi-Verein) mehr als 250 Mitgliedsfirmen. Der AS-i-Bus ist 

in EN 50295/IEC 62026-2 genormt mit einem aktiven Busmaster und reaktiven Busslaves. 

AS-i-Netzwerktopologie: Stern-, Linie- bzw. Linie mit Stichleitungen und Baumstruktur (außer 

Ringtopologie) sind frei wählbar. Dabei können „intelligente“ Sensoren/Aktoren mit integriertem ASi-Chip 

direkt und konventionelle Sensoren/Aktoren über einen AS-i-Modul angesprochen werden, 

Bild 5.8. 

Das hauptsächlich verwendete Übertragungsmedium des AS-i-Systems ist eine elektrische Zweidraht- 

Flachbandleitung, ungeschirmt und nicht verdrillt. Daneben sind auch noch ein Standard-Rundkabel 

zulässig. Um Daten und Energie für alle Sensoren und Aktoren auf einem Kabel übertragen zu 

können, wird die Manchester-II-Codierung verwendet. Mit diesem Codierverfahren und den 

geforderten Leitungseigenschaften sind Bitzeiten von 6 µs realisierbar, was einer Bitrate von 167 

kBit/s entspricht. Es sind keine Leitungsabschlusswiderstände erforderlich. Leitungslänge beträgt max. 

100 m (durch Repeater erweiterbar auf max. 300 m) mit max. 31 Slaves pro Strang (begrenzt durch 5 

bit Adressen; Neuerdings ist eine Erweiterung der Teilnehmerzahl von 31 auf 62 Slaves je AS-i-Strang 

möglich bei Verwendung einer zweiten Art von Slaves und Benutzung des Informationsbits I3 im 

Master-Telegramm als Hilfs-Adressbit). Master fragt Slaves zyklisch ab (Polling, bei 31 Teilnehmer 

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max. alle 5 ms einmal = Zykluszeitgarantie, d.h. ein AS-i-Slave wird mindestens 200 mal in der 

Sekunde angepollt). 

Bild 5.8: Typische AS-i-Konfiguration 

Eine Asi-Nachricht besteht aus einem Masteraufruf, einer Masterpause, einer Slaveantwort sowie einer 

Slavepause. Das Telegramm des Masteraufrufes beträgt 14 bit (davon 5 Adressbits des Slaves 

A0...A4, 1 Parameterbit I4 zur Übertragung von Parameterdaten, 4 Informationsbits I0...I3), die 

Slaveantwort 7 bit (davon 4 Informationsbits I0...I3). Ein Satz von Regeln bzgl. des Telegramms 

gestattet die Erkennung von Störungsbits, so dass gestörte Telegramme mit hoher Wahrscheinlichkeit 

erkannt und erneut übertragen werden. 

Es ist möglich, den AS-i-Bus über einen Kommunikationsprozessor (z.B. CP 342-2 an eine S7-300) 

und über DP/AS-Interface Link (Gateway in Form von Profibus-Slave und AS-i-Bus-Master) an 

PROFIBUS-DP anzukoppeln. Der CP 342-2 kann in zwei Betriebsarten eingesetzt werden: 

• Standardbetrieb: Es sind nur Datenbits der Slaves im Analog-Adressraum der S7-300 

ansprechbar. 

• Erweiterter Betrieb: AS-i-Masteraufrufe möglich, um z.B. Parameterwerte zu übertragen. 

5.4.3 EIB-Bus 

EIB = European Installation Bus (auch instabus genannt). 1990 durch EIB Association (EIBA) in 

Europa genormt. Das Hauptanwendungsgebiet des EIB liegt in der Gebäudeautomation und der 

Gebäudeleittechnik. Infolgedessen lehnt sich die Topologie des EIB an diesen Bereich an und weist 

einem Gebäude ähnliche Struktur auf. Bild 5.9 zeigt die Topologie eines typischen EIB-Busses. Die 

kleinste funktionsfähige Einheit ist die Linie (Sub line) mit 64 (TP64) oder 256 (TP256) Teilnehmern. 

Die Geräte einer Linie werden gemeinsam von einer Kleinspannungsversorgung (BPSU = Bus Power 

Supply Unit, 30 V DC) über die Busleitung ferngespeist. Da die Fernspeisung und die 

Datenübertragung über ein Adernpaar erfolgt, wird eine Drossel eingesetzt zur Entkopplung zwischen 

der Gleichspannung (wirkt niederohmig) und der Wechselspannung „Daten“ (wirkt hochohmig). Die 

Linien können mit Hilfe der Koppler über Hauptlinien (Main line) miteinander verbunden werden. 

Erfolgt die Kopplung zwischen gleichen Medien, heißt der Koppler Linienkoppler (LC=Line 

Coupler), sonst Medienkoppler. Maximal 15 (im Moment nur 12 freigegeben, 3 für zukünftige 

Anwendungen reserviert) Linien bilden dann einen Bereich (Zone). Sollen noch größere Anlagen 

realisiert werden, lassen sich nochmals bis zu 15 Bereiche über Bereichskoppler (BC=Backbone 

Coupler) zusammenfassen. Daraus resultiert eine max. mögliche Teilnehmerzahl von 256*15*15 = 

57600 Stück. 

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Die einzelnen Geräte werden mittels Zweidrahtleitung, Powerline (eigenleitungslos), Funk oder 

Infrarot verbunden. Durch Einsatz von Repeatern ist es möglich, mehr als 64 Teilnehmer pro Linie 

miteinander zu verbinden und eine Ausdehnung von mehr als 1000 m zu erreichen, da diese die 

elektrischen Signale des Netzwerks regeneriert und die Busarbitrierung separiert. Die Bereichs- und 

Linienkoppler haben zusätzlich die Aufgabe, als Router zu agieren, d.h. sie filtern die empfangenen 

Datenrahmen und lassen nur jene durch, die im gekoppelten Bereich bzw. in der Linie benötig werden. 

Diese Maßnahme spart Ressourcen und Bandbreite. 

Bild 5.9: Topologie eines EIB-Busses 

Die EIB-Standardleitung (z.B. YCYM 2x2x0,8) ist eine geschirmte und verdrillte Mantelleitung mit 

einem oder zwei Adernpaaren (Polarität: + = rot bzw. dunkelblau; - = schwarz bzw. blau). Die 

folgende Tabelle fasst die bei der Verwendung einer EIB-Standardleitung YCYM 2x2x0,8 geltenden 

globalen Regeln für eine Linie zusammen (Tabelle 5.3): 

Tabelle 5.3: Globalen Regeln für eine Linie 

Parameter Wert 

Übertragungsreichweite (Abstand zwischen 2 Teilnehmern) Max. 700 m 

Leitungslänge Max. 1000 m 

Abstand von Spannungsversorgungen inkl. Drosselmodul zu Teilnehmern Max. 350 m 

Abstand zweier Spannungsversorgungen inkl. Drosselmodul Min. 200 m 

Teilnehmerzahl Max. 64 bzw. 256 

Insgesamt ist das Feldbussystem EIB ein reines Peer-to-Peer-Netzwerk, wobei als 

Buszugriffsverfahren das CSMA/CA verwendet wird. Dieses Verfahren erlaubt eine verlustlose 

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Busarbitrierung, da jeder Teilnehmer bereits zu Beginn der Übertragung Prioritätsbits sendet und 

sogleich nach jedem übertragenen Bit den Buspegel überprüft. Stell er einen Unterschied zum 

aufgeschalteten Bitpegel (0 oder 1) fest, wird der Sendevorgang gestoppt und im Anschluss an der 

laufenden Sendung wiederholt. Zur Verhinderung der Busblockierung durch fehlerhafte Teilnehmer 

wird die Zeitdauer eines Buszugriffs begrenzt. Außerdem muss nach der Übertragung jeder 

Teilnehmer eine „Zwangspause“ einlegen. Die Übertragungsgeschwindigkeit beträgt 9600 bit/s bei 

einer Leitungslänge von 1000 m. Der Datenaustausch zwischen den Teilnehmern erfolgt mittels 

Datenrahmen (bis zu 16 Bytes lang). Jeder dieser Rahmen enthält neben den eigentlichen Daten noch 

Adress-, Kontroll- und Sicherungsinformationen. 

Ein EIB-Gerät besteht üblicherweise aus einer Bus Coupling Unit (BCU) und einem 

Applikationsmodul. Die BCU stellt somit das Bindeglied zwischen den beiden „Welten“ Applikation 

und Kommunikation dar. Jedes EIB-Gerät hat eine eindeutige physikalische Adresse, die aus 

Bereich-, Linien- und Gerätnummer besteht und zwei Byte lang ist (z.B. 1.2.010 = 

Bereich.Linie.Gerät). Neben dieser „physikalischer Adressierung“, die hauptsächlich zur 

Initialisierung, Programmierung und Diagnose einzelner Geräte dient, findet auch die 

„Gruppenadressierung“ Anwendung, um mehrere Geräte gemeinsam ansprechen zu können. Ein 

Sensor darf nur an eine Gruppe senden, während ein Aktor aus mehreren Gruppen empfangen kann. 

Der Informationsaustausch wird durch Datenrahmen realisiert. Ein Datenrahmen enthält neben dem 

Kontroll- (1 Byte) und Adressfeld (33 Bits), Routing/Länge-Feld (7 Bits), 1-16 Bytes an Nutzdaten, 

sowie ein 1 Byte großes Datensicherungsbyte. 

Durch den EIS (EIB Interworking Standard) ist es möglich, EIB-Komponenten von verschiedenen 

Herstellern miteinander kommunizieren zu lassen. Ein wichtiges Werkzeug ist dabei der EIB Tool 

Software (ETS) der nicht gewinnorientierten EIBA-Zentrale in Brüssel. ETS unterstützt die 

Projektierung, Inbetriebnahme sowie die Verwaltung der zertifizierte Produkte aller Hersteller. Eine 

Demoversion des ETS ist im Internet kostenlos verfügbar (www.EIBA.com). 

5.5 Ethernet-TCP/IP 

Die auf dem Ethernet-TCP/IP besierende Datenkommunikation/Vernetzung ist aus unserem Alltag 

(Bürokkomunikation) kaum wegzudenken. Im Bereich der Automatisierungstechnik nimmt die 

Bedeutung des Ethernets genauso ständig zu. Momentan scheint diese Technik die optimalste 

Verbindung zwischen den auf Feldbussen basierenden Echtzeit-SPSen und den Büro-PCs darzustellen. 

Dadurch werden nicht nur die Prozessdaten-Visualisierung und –Verarbeitung erleichtert. Die Web- 

Server-Funktionalität ist auch für die Fernwartung und Ferndiagnose von enormer Bedeutung. Die 

Anlagen können dabei nicht nur auf Fernzugriff reagieren, sondern auch aktiv per Email/SMS 

Servicepersonal anfordern. Auch wenn das auf dem CSMA/CD basierenden Protokoll nicht 

deterministisch ist, kann das Ethernet der Echtzeitanforderung bei vielen Industrieanwendungen 

erfüllen unter der Voraussetzung, dass die Buslast klein bleibt. 

Zur Zeit ist 10 BASE-T nach IEEE802.3 das Standard-Verfahren des Ethernets: 

• Datenrate 10 MBit/s bzw. 100 MBit/s, 

• Verteilertypen: Hub und Switch, 

• Leitungslänge max. 100 m vom Endgerät bis zum Verteiler, 

• Tristed Pair Kabel mit Wellenwiderstand 100 Ω nach ISO/IEC 11801 (Kategorie 5 bedeutet 

bis zu 100 MHz), 

• Zugriffsverfahren CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), d.h. 

der Sendende erfährt durch das gleichzeitige Abhören des Busses, ob seine gesendeten Daten 

durch einen anderen Sender zerstört werden. In diesem Fall wird nach einer zufälligen 

Wartezeit der Sendevorgang wiederholt. Da die Gefahr einer nochmaligen Kollision nicht 

auszuschließen ist, ist insbesondere bei hoher Busbelastung die Echtzeit nicht gewährleistet. 

• RJ 45-Stecker. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 95 -


Industrial Ethernet: Verwendung des TCP/IP-Protokolls, aber mit industriellen Ausführungen der 

Netzkomponenten z.B. der Industrial Twisted Pair-Leitung (ITP) gegen stärkere mechanische und 

EMV-belastete Beanspruchungen. Mehr zum Thema s. Vorlesung „Kommunikation und Netze“. 

5.6 Busankopplungen von SPSen und PCs 

Im folgenden werden anhand von einigen Beispielen typische Lösungen für die Busankopplung der 

SIMATIC-NET-Komponenten für AS-i, PROFIBUS und Indusrial Ethernet and SPSen und PCs 

vorgestellt, Bild 5.10. 

DP/AS-i 

link 

Actuator/Sensor interface 

Bild 5.10: Busankopplung SPSen und PCs 

DP-Slave 

Anbindung über den Kommunikationsprozessor (CP) 

PLC or PC with PROFIBUS 

PROFIBUS-DP, up to 12 Mbit/s 

24 V 

PROFIBUS-PA 

DP/PA coupler, 

DP/PA link 

PA - 31.25 kBd 

Beispiel: die Baugruppe CP 342-5 kann mit 124 DP-Slaves einschließlich anderer CP 342-5, die als 

DP-Slaves parametriert sind, kommunizieren. Als DP-Master konfiguriert wickelt der CP den 

Datentransfer mit seinen Slaves selbständig ab. Die Verbindung zur S7-CPU muss über 

Funktionsaufrufe aus dem Anwenderprogramm aus hergestellt werden (DP-SEND: FC1; DP- 

RECEIVE: FC2). 

Beispiel: CP 343-1 IT: Anschluß an Ethernet, Autosensing für 10 Mbit/s- oder 100 Mbit/s- 

Datenpakete. E-Mail und Web-Server-fähig. 

Anbindung über die CPU 315-2 DP : Anschließbar sind 64 DP-Slaves. Sie werden wie zentrale 

Peripherie behandelt. 

SIMATIC NET CP 2413 als AS-I-Master : Kurze AT-Karte (ISA) für 31 AS-i-Slaves. Bis zu 4 CP 

2413 je PC einsetzbar. OPC-fähig. 

SIMATIC NET CP 5412 (A2) als Profibus-DP-Master für Soft-PLC : Kurze ISA-Karte für 64 

DP-Slaves bis 12 Mbit/s. 

Slot-PLC CPU 416-2DP ISA mit bis zu 96 Profibus-DP-Stationen. 

Der Kommunikationsprozessor entlastet die SPS-CPU von Kommunikationsaufgaben. Über eine CP 

342-2 können bis zu 31 AS-i-Slaves angeschlossen werden. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 96 -


6 Sensorik, Messtechnik 

Zum Themenkomplex der Automatisierungstechnik bzw. MSR-Technik (Messen, Regeln und 

Steuern) gehört auch das Fachgebiet „Elektrische- und Prozessmesstechnik“, deren ausführliche 

Behandlung in anderen Vorlesungen „Elektrische Messtechnik“, „Prozessmesstechnik“ bzw. 

„Sensorik“ erfolgen. Interessierte Leser finden auch viele gute Lehrbücher (z.B. /5/). 

7 Aktorik 

Definition Aktor: Komponente, die den ausgangsseitigen Informationsfluss eines Automatisierungs- 

bzw. Prozessleitsystems in einen Materialfluss umformt. Der Aktor beeinflusst somit den Prozess 

durch Eingriffe in mechanische Systeme und/oder in Massen- und Energieströme. 

Aktoren stellen somit eine Schnittstelle zwischen dem Automatisierungssystem und dem zu 

automatisierenden Prozess dar. Sie sind in der Regel auch energetische Entkopplungsstellen. Aus der 

Sicht der Projektanten sind sie zudem die Schnittstelle zwischen dem Automatisierungsingenieur und 

dem Verfahrenstechniker. 

Klassisch hat man immer vom Stellantrieb und Stellglied gesprochen. Bild 7.1 zeigt die Einordnung 

der Stelleinrichtungen im Regelkreis nach DIN 1926. 

Bild 7.1: Stellketten in der Automatisierungstechnik 

Der „modernere“ Begriff Aktor umfasst häufig komplexe Stelleinrichtungen mit z.B. folgenden 

Funktionseinheiten: 

• Aktor- oder Stelleingriff (Stellglied): bewältigt die unmittelbare Beeinflussung des Massen- 

und Energiestromes und ist häufig mit der Anlage konstruktiv verbunden; 

• Aktor- oder Stellantrieb: betätigt den Stelleingriff motorisch oder auch von Hand; 

• Aktorsteuerung: nimmt Anpassungen-, Überwachungs- und Meldeaufgaben ggf. 

Kommunikation zum Automatisierungssystem wahr; 

• Ggf. noch Einrichtungen zur Hilfsenergieversorgung. 

Darüber hinaus umfasst der Begriff Aktor im Zusammenhang mit dem neuen Fachdisziplin 

Mechatronik auch mikromechanische oder sogar biologische Antriebselemente. 

Der Themenkomplex „Aktorik“ wird den Studenten der Fachrichtung „Industriesteuerung“ als 

Spezialvorlesung angeboten, die auch vom Energie- bzw. Kommunikationstechniker als technisches 

Wahlfach belegt werden kann. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 97 -


8 Sicherheitsteuerungen 

8.1 Definition Risiko 

Viele Mess-, Steuer- und Regel(MSR)-Einrichtungen besitzen Sicherheitsbedeutung. Man denke an 

die Chemieindustrie, Bahntechnik, Luftfahrtindustrie oder Kernkraftwerke. 

Was ist aber Sicherheit aus Sicht eines Ingenieurs ? Nach DIN VDE 31 000 Teil 2 ist die Sicherheit 

eine Sachlage, bei der das Risiko nicht größer als das Grenzrisiko ist, Bild 8.1. In umgekehrter 

Situation spricht man von der Gefahr. 

Sicherheit Gefahr 

klein 

Grenzrisiko 

Risiko 

Bild 8.1: Grundbegriffe (Risiko, Sicherheit, Gefahr) 

groß 

R = H x S 

H=Schadenshäufigkeit 

S=Schadensausmaß 

Das Risiko, das von einer technischen Einrichtung ausgeht, wird durch eine zusammenfassende 

Wahrscheinlichkeitsaussage beschrieben aus der Kombination (=Multiplikation) von 

• die zu erwartende Häufigkeit des Eintritts eines zum Schaden führenden Ereignisses H 

• das beim Ereigniseintritt zu erwartende Schadensausmaß S 

R = H x S 

Das Schadensausmaß muss danach beurteilt werden, ob das geschädigte Rechtsgut repariert oder 

ersetzt werden und damit durch eine Geldmenge wieder hergestellt werden kann, oder ob irreversible 

Schäden auftreten und die Bewertung mit anderen Maßstäben erfolgen muss. Die Bewertung aller 

Schäden an Rechtsgütern, bei denen nicht wieder der Zustand vor Schadenseintritt hergestellt werden 

kann, ist abhängig vom Kulturkreis und Zeitalter und deren Bewertungsmaßstäbe. Für diese Schäden 

gibt es keinen einheitlichen, allumfassenden Maßstab. Genauso wenig ist die Bereitschaft der 

Gesellschaftsgruppen, das Grenzrisiko bzw. Restrisiko zu akzeptieren. Dies kann durch folgendes 

Beispiel verdeutlicht werden: Die Anzahl Todesopfer, die der Strassenverkehr jährlich in Europa 

fordert, entspricht der Bevölkerung einer mittleren Stadt. Würde durch ein Kernkraftwerks-Versagen 

alle 10 Jahre eine Stadt ausgelöscht, so wäre das ein 10 mal kleineres Risiko. Doch braucht man gar 

nicht darüber zu diskutieren, ein solches Risiko würde als absolut unakzeptabel eingestuft. Daraus 

wird klar ersichtlich, dass das Ausmass eines Schadens in der Bevölkerung sehr viel stärker gewichtet 

wird als die Wahrscheinlichkeit des Eintritts (vor allem dann, wenn ein Schaden im Prinzip jeden 

treffen kann). 

Oft kommt es in der Praxis nicht so sehr auf den absoluten Wert eines Risikos an, sondern es wird der 

relative Maß verschiedener Schadensarten miteinander verglichen: Hi*Si gegenüber Hj*Sj. Manchmal 

wird auch das Gesamtrisiko einer technischen Einrichtung mit n verschiedenen Schadensarten 

betrachtet: 

n 

∑ 

R = R = H * S 

i= 

1 

i 

Die Forderung der Genehmigungsbehörde bzw. des Betreibers lautet dann z.B., dass das von der 

Anlage ausgehende Risiko unter einem bestimmten Grenzwert bleiben soll. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 98 - 

n 

∑ 

i= 

1 

i 

i


8.2 Einfluss der MSR-Einrichtungen auf die Sicherheit 

Als Ursachen des Schadenseintritts kommt technisches oder menschliches Versagen in Betracht. Die 

Aufgabe eines Sicherheits-/Steuerungsingenieurs besteht darin, potentielle Schadensursachen zu 

bekämpfen und die Schutzfunktionen (=Sicherheitssteuerungen) so zu konzipieren, dass der zu 

steuernde Prozess (über das Grenzrisiko hinaus) weder 

• Mensch 

• Umwelt 

• Anlage noch 

• Produkt 

Schaden zufügen werden. Man beachte die Reihenfolge, die im allg. den Prioritäten des Schutzziels 

entsprechen. Es sei denn, dass ein fehlerhaftes Produkt wie Medizin oder Nahrungsmittel auch zum 

Verlust vom Menschenleben führen kann. 

Konkret lässt sich der Einfluss der Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen (MSR-Einrichtungen) auf 

die Sicherheit mit folgenden Punkten zusammenfassen: 

- MSR-Einrichtungen reduziert ein von der Anlage ausgehendes Risiko (Bild 8.2) und 

ermöglicht damit überhaupt erst die Errichtung und den Betrieb einer solchen Anlage; Die 

durch MSR-Einrichtungen eingeleiteten Maßnahmen werden häufig „aktive“ Maßnahmen 

genannt. Dabei wird der Einsatz der Nicht-MSR-Einrichtungen zur Risikoreduktion (sog. 

„passive“ Maßnahmen) nicht ausgeschlossen. 

- MSR-Einrichtungen überwacht den Normalbetrieb und verhindert bzw. 

vermindert Schäden an Menschen/Umwelt/Anlagen/Produkt; 

- Versagen der MSR-Einrichtungen kann allerdings selber auch Schäden verursachen (z.B. das 

fehlerhafte Öffnen eines Ventils einer chemischen Amlage durch MSR-Einrichtungen kann 

zur Freisetzung schädlicher Gase führen). 

Tatsächlich 

verbleibendes 

Risiko 

Teilrisiko, 

Abgedeckt von 

MSR-Schutz- 

einrichtungen 

Grenzrisiko 

vertretbares 

Risiko 

Risiko ohne 

MSR-Schutz- 

Maßnahme 

Notwendige 

Mindest-Risikoreduzierung 

Tatsächliche Risikoreduzierung 

Bild 8.2: Risiko-Reduktion durch MSR-Schutzeinrichtungen 

Teilrisiko, 

Abgedeckt von 

Nicht-MSR-Schutz- 

einrichtungen 

Risiko ohne 

Schut z- 

maßnahme 

Risiko 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 99 -


Das folgende Beispiel zeigt die Kombination der passiven und aktiven Maßnahmen zur Sicherung 

eines Druckbehälters, Bild 8.3. 

2. Passive Maßnahme 

(federbelastete Entlastungsventil) 

� 

SPS 

p 

100 bar 

p 

SPS 

1. Aktive Maßnahme (Regelung) 

2. Aktive Maßnahme (Steuerung) 

1. Passive Maßnahme 

(dickere Behälterwand) 

Bild 8.3: Kombination der passiven und aktiven Maßnahmen zur Sicherung eines Druckbehälters 

Passive und aktive Maßnahmen haben jeweils eigene Vor- und Nachteile: 

Vorteile Nachteile 

Passive Maßnahmen „Eigensicher“ Schlecht testbar 

Aktive Maßnahmen Leicht testbar Kann versagen („Nichtanregung“) 

Gefahr der „Fehlanregung“ 

In komplexeren Anlagen werden Sicherheitsmaßnahmen hierarchisch angewandt, Bild 8.4. 

Organisatorische 

Maßnahmen 

MSR - Maßnahmen 

Anfor- 

derungen 

Störfallbegrenzende 

Maßnahmen 

Schutz 

Schutzeinrichtungen 

Überwachung 

Überwachungseinrichtungen 

Automatisierung 

Betriebseinrichtung 

Bild 8.4: Hierarchisches Sicherheitskonzept 

Minimierung von 

Störfallfolgen 

Verhinderung von Personenschäden 

und großen Umweltschäden 

Vermeidung von unerwünschten 

Betriebszuständen und 

Umweltbelastungen 

Minimierung betrieblicher Umweltbelastung 

und Ressourcenverbrauch 

Die Ebene „Automatisierung“ entspricht etwa der „Regelung“ im Bild 8.3. Beim Überschreiten dieses 

Bereichs wird der Operateur zum Handeln aufgefordert („Überwachung“), sollte seine Aktionen ohne 

Erfolg bleiben, wird die Anlage durch die Ebene „Schutz“ automatisch abgefahren. Sollte auch diese 

Ebene versagen („Restrisiko“), dann bleiben nur noch organisatorische Maßnahmen, um die 

Störfallfolgen zu minimieren. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 100 -


8.3 Sicherheitsnormen und -gesetze 

Es gibt verschiedene allgemeine und branchenspezifische Sicherheitsgesetze und Industrienormen zur 

Auslegung und Genehmigung der sicherheitsrelevanten MSR-Einrichtungen. Diese leiten sich in der 

Regel aus den Normen/Gesetzen zum Personen-, Anlagen- bzw. Umweltschutz ab. Die Welt der 

Normen ist eine Wissenschaft in sich. Man muss heutzutage schon ein Experte sein, um für sich und 

seine Firma die relevanten Normen richtig zu interpretieren. In diesem Kapitel kann daher nur eine 

Orientierung zur Sicherheitsnormung gegeben werden. 

Generell lässt sich feststellen, dass die Nationalnormen (z.B. DIN) gegenüber europäischen Normen 

immer mehr an Bedeutung verlieren. Die Europäische Komitee für Normung (CEN) kennt 3 Typen 

von Normen zur Maschinensicherheit, Bild 8.5. Diese sind Grundnormen (A-Normen, Bild 8.6), 

Gruppennormen (B-Normen, Bild 8.7) bzw. Produktnormen (C-Normen, Bild 8.8). 

Bild 8.5: Struktur der CEN-Sicherheitsnormen 

Bild 8.6: Grundnormen (A-Normen) 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 101 -


Bild 8.7: Gruppennormen (B-Normen) 

Bild 8.8: Produktnormen (C-Normen) 

Existiert für einen Maschinentyp eine C-Norm, sollte diese auch unbedingt eingehalten werden, da es 

bei deren Einhaltung „vermutet“ wird, damit auch die „höheren“ Normen einzuhalten. Wegen den 

unterschiedlichen technischen Anforderungen werden oft zwischen der Sicherheitstechnik in der 

Prozeßindustrie (zuständig in Deutschland: TÜV) bzw. in der Fertigungsindustrie (zuständig in 

Deutschland: BIA = Berufsgenossenschaftliches Institut für Arbeitsschutz bzw. SUVA in der 

Schweiz) unterschieden, Bild 8.9. 

Laut einer Marktstudie betrug der Weltmarkt für die Sicherheitsprodukte 2001/2002 ca. 1.5 Mrd. € 

(davon 50% Prozessindustrie, 42% Fertigungsindustrie, 8% Personentransport + sonstige 

Anwendungen) mit einer jährlichen Wachstumsrate von 8%. Der Grund des hohen Wachstums ist 

sicher in wachsender Arbeits- und Umweltschutzauflagen zu sehen. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 102 -


Bild 8.9: Sicherheitstechnik in der Prozeß- und Fertigungsindustrie 

8.4 Risikoanalyse und Sicherheitsanforderungen 

Die abgestuften Anforderungen an die Sicherheitstechnik basieren auf der Risikoanalyse. In 

Deutschland war lange Zeit der Risikograph nach DIN V 19250 „Grundlegende Betrachtungen für 

MSR-Schutzeinrichtungen“ die breit akzeptierte Methode, vgl. das Beispiel der Bahnsignaltechnik im 

Bild 8.10. 

S1 

S2 

S3 

S4 

A1 

A2 

A1 

A2 

G1 

G2 

G1 

G2 

Bild 8.10: Bahnsignalanlagen 

W3 W2 W1 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

8 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

niedrig 

A 

n 

f 

o 

r 

d 

e 

r 

u 

n 

g 

e 

n 

hoch 

Risikoparameter: 

- Schadenausmaß (Personenschaden) 

S1: leichte Verletzung 

S2: Schwere irreversible Verletzung einer oder 

mehrerer Personen oder Tod einer Person 

S3: Tod mehrerer Personen 

S4: katastrophale Auswirkungen, 

sehr viele Tote 

- Aufenthaltsdauer (im Gefahrbereich) 

A1: selten bis öfter 

A2: häufig bis dauernd 

- Gefahrenabwendung 

G1: möglich unter bestimmten Bedingungen 

G2: kaum möglich 

- Eintrittswahrscheinlichkeit des 

unerwünschten Ereignisses 

W1: sehr gering 

W2: gering 

W3: relativ hoch 

Im Rahmen der Harmonisierung von EU-Richtlinien findet dieser Gedankengut – leicht modifiziert – 

in der Norm DIN EN 1050 „Sicherheit von Maschinen – Leitsätze zur Risikobeurteilung“ wieder, Bild 

8.11. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

- 103 -


Bild 8.11: Risikoanalyse nach DIN EN 1050 

Das 1. Kriterium ist klar der Schadensausmaß. Das 2. und 3. Kriterium ergeben zusammen die 

Schadenshäufigkeit ohne Schutzeinrichtungen. Die notwendigen Schutzeinrichtungen müssen nun so 

ausgelegt sein, dass das Restrisiko für die Genehmigung akzeptabel wird. 

Die abgestuften Anforderungen an die Schutzeinrichtungen werden mehr oder weniger konkret in den 

Normen festgelegt. Wichtig für die Fertigungsindustrie sind vor allem der Vornorm prEN ISO 13849- 

1 „Sicherheitsbezogene Teil von Steuerungen“ (für elektrische, hydraulische, pneumatische und 

mechanische SRP/CS) bzw. die EN-954-1. Für die Prozessindustrie ist die EN DIN IEC 61508 

„Funktionale Sicherheit von elektrischen, elektronischen und programmierbaren Steuerungen“ 

bindend. Aufbauend auf IEC 61508 werden wiederum branchenspezifische Normen wie IEC 62061 

bzw. IEC 61511 etc. abgeleitet. Die prEN ISO 13849-1 teilt den sog. „Performance-Level“ der 

Sicherheitssteuerungen in fünf Klassen (PL a bis e, entsprechend in EN 954-1 den 

Sicherheitskategorien B, 1, 2, 3, 4) ein, während die IEC 61508 vier „safety integrity levels“ (SIL 1 bis 

4), Bild 8.12. 

Bild 8.12: Performance Levels vs. SIL-Levels 

Der nicht dargestellte SIL 4 hat keine Entsprechung in PL. Er deckt die Fälle der “katastrophalen” 

Ereignisse (viele Tote) ab und fordert eine Wahrscheinlichkeit der gefährlichen Fehler je 

Betriebsstunden zwischen 10 -8 und 10 -9 . Wird die Steuerung als Schutzsystem ausgelegt, dann wird 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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nicht die Wahrscheinlichkeit der gefährlichen Fehler pro Betriebsstunde, sondern die 

Versagenswahrscheinlichkeit pro Anforderung (des Schutzsystems) quantitativ betrachtet. Die 

zahlenmäßigen Grenzwerte im entsprechenden SIL-Level sind dann 10 4 mal größer als in der obigen 

Tabelle angegeben (d.h. eine Anforderung / Jahr, bzw. pro 10 4 Betriebsstunden). 

Eine Kurzfassung der Anforderungen nach EN 954-1 entsprechend der ermittelten 

Sicherheitskategorie ist in der folgenden Tabelle dargestellt: 

Kategorie Kurzbeschreibung Systemverhalten Prinzip zum Erhalten 

der Sicherheit 

B Steuerung gemäß dem Stand 

der Technik 

1 Verwendung 

sicherheitstechnisch 

bewährter Prinzipien 

2 Prüfung der 

Sicherheitsfunktion durch 

die Maschinensteuerung 

3 Redundanz mit partieller 

Fehlererkennung, soweit 

nach dem Stand der Technik 

praktikabel 

4 Selbstüberwachung, 

frühzeitige Fehlererkennung 

8.5 NOT-AUS-Einrichtung 

Ein Fehler kann zum Verlust 

der Sicherheitsfunktion 

führen 

Wie B aber 

sicherheitsbezogene 

Zuverlässigkeit größer 

Verlust der 

Sicherheitsfunktion zwischen 

den Prüfabständen 

Einzelfehler führt nicht zum 

Verlust der Sicherheit 

Eine Fehlerhäufung führt in 

der Regel nicht zum Verlust 

der Sicherheit 

Durch Auswahl von 

Bauteilen und 

Sicherheitsprinzipien 

Durch den Aufbau 

Designmerkmale der Sicherheitssteuerung hängen im Detail von der verwendeten Technik ab 

(elektrisch oder nicht elektrisch, speicherprogrammierbar oder festverdrahtet). Generell gilt das 

Maxim: einfacher Lösung = bessere Lösung (bei gleicher Funktionalität), da ein einfacher Aufbau 

oft zur leichteren Genehmigung und weniger Fehlermöglichkeiten führt. Ab SIL 2 wird das 

Einzelfehlerkriterium verlangt, d.h. ein einzelner Fehler in der Schaltung darf nicht zum Verlust der 

Sicherheitsfunktion führen. 

Eine der wichtigsten Sicherheitssteuerung ist in der Praxis die sog. „NOT-AUS-Schaltung“. Sie wird 

häufig als festverdrahtete Lösung angeboten. Im Bild 8.13 sind die wichtigsten Eigenschaften der 

„NOT-AUS-Einrichtung“ in DIN EN 418 zusammengefasst. 

An einem Beispiel im Bild 8.14 wird gezeigt, wie das Ausschalten der Steuerung durch Betätigen des 

NOT-AUS-Tasters mit größter Sicherheit funktioniert. Durch die Schützsicherheitskombination K1 

und K2 funktioniert das Abschalten der Anlage auch dann noch, wenn einer der beiden Schütze 

versagt. Zusätzlich wird K3 nicht nur durch SPS, sondern auch durch K1 und K2 direkt abgeschaltet, 

um den Motor sicher auszuschalten. 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Bild 8.13: Eigenschaften der NOT-AUS-Einrichtung 

Bild 8.14: Stromversorgung mit NOT-AUS 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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8.6 Programmierbare Sicherheitssteuerungen 

Die Tendenz in der Automatisierungstechnik geht immer mehr von der festverdrahteten 

Sicherheitssteuerung (nicht zuletzt aus Angst vor Softwareproblemen lange bevorzugt eingesetzt) in 

die speicherprogrammierbare Sicherheitssteuerung, nicht nur wegen der Flexibilität der SW, sondern 

auch wegen der Durchgängigkeit der Steuerung. So wirbt eine deutsche Elektro-Weltfirma schon 

lange mit dem Schlagwort „safety integrated“. 

Dabei werden für die in den Regelwerken geforderte Fehlertoleranz verschiedene Lösungsansätze 

angewandt. Typischer Beispiele hierfür ist der von der Power Generation Division der Fa. Siemens 

entwickelte APF (Automatisierungsprozessor fehlersicher) für den Kesselschutz im Leitsystem 

TELEPERM XP bzw. der von der Automation and Drives Division derselben Fa. Entwickelte 

SIMATIC S7-400F. 

Bild 8.15 zeigt die Struktur des APF, die nicht nur fehlersicher, sondern zugleich auch noch 

hochverfügbar ist. Zwei redundante CPUs auf der jeweiligen Hälfte verarbeiten die gleichen 

Prozesssignale und überwachen sich gegenseitig taktsynchron. Man spricht in diesem Fall auch von 

einer (2 aus 2)-Konstruktion. Im Fall des Fehlers wird auf die andere Hälfte umgeschaltet (1 auf 2). 

Die Software-Komponenten werden in der Regel durch unabhängige Prüfer z.B. TÜV zertifiziert. 

2 v 2 

Vergleich 

Gruppenleitebene AP 

AP-F1 AP-F2 

CPU 1 

Taktsynchron 

CPU 2 

Interface 

Zyklussynchron 

Interface 

Einzelleitebene (FUM-F) 

Bild 8.15: Struktur des fehlersicheren Automatisierungsprozessors 

CPU 1 

Tak tsynchron 

CPU 2 

2 v 2 

Vergleich 

Eine preiswertere Lösung verfolgt der S7-400F. Dabei wird verstärkt auf die On-line 

Selbstüberwachungsroutine der CPU gesetzt, plus eine Art (quasi) Software-Diversität, um eine hohe 

Fehlererkennung zu erreichen, s. Bild 8.16. Es dürfen nur vom TÜV zertifizierte Software-Bausteine 

für die Sicherheitssteuerung verwendet werden. 

Bild 8.16: Verarbeitung der Sicherheitsfunktion in S7-400F 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Hardwaremäßig kann man dann zwei S7-400F zu einem S7-400FH (fehlersicher und hochverfügbar) 

in (1 aus 2) konfigurieren, Bild 8.17. 

F-fähige S7-400 H- 

System 

RUN- 

RU 

STO 

CMRE 

RUN- 

RU 

STO 

CMRE 

Standard-SM´s 

F-SM´s 

Standard PROFIBUS-DP-Peripherieanbindung mit zusätzlicher 

fehlersicherer DP-Kommunikation (ProfiSafe) 

Bild 8.17: Sicherheitslösung des SIMATIC-S7-Systems 

Sicherheitsbusse und –Feldgeräte 

Zum Anschluss der fehlersicheren Steuerung an den Prozess werden Sicherheitsbusse wie Profisafe 

(Sicherheitsvariante des Profibusses, Kap. 5.4.1) oder AS-Interface Safety at Work (Kap. 5.4.2) 

entwickelt. 

PROFIsafe ist ein geschützter Markenname für die sichere Kommunikation mit dem PROFIBUS. Es 

ist über der Schicht 7 des ISO/OSI-Modells implementiert und verfügt über einen 

Datensicherungsmechanismus mit Hilfe der CRC-Prüfsumme. Jeder Teilnehmer verfügt über eine 

einstellbare Zeitüberwachung, welche nach dem Eintreffen des Telegramms zurückgesetzt wird. Zur 

Gewährleitung der Teilnehmerberechtigung („security“) überprüfen beide Teilnehmer (Master/Slave) 

außerdem die Authentizität des Telegramms im Netzwerk anhand einer eindeutigen Kennung. 

Außerdem stehen fehlersichere Variante der Signalmodule (z.B. SM326F oder SM336F) zur 

Prozessanbindung (Analog oder Digital I/O) zur Verfügung. 

8.7 Zuverlässigkeit 

Anders als der Begriff der „Sicherheit“ haben die Begriffe „Verfügbarkeit“ und „Zuverlässigkeit“ mit 

möglichen Folgen von auftretenden Fehlern nichts zu tun. 

In DIN 40041 die Zuverlässigkeit ist definiert als die Fähigkeit einer Betrachtungseinheit, innerhalb 

einer gegebener Zeitdauer die an sie gestellte Anforderungen zu erfüllen. Sie wird mathematisch bei 

nichtreparierbaren Systemen durch die Überlebenswahrscheinlichkeit, und bei reparierbaren 

Systemen durch die Verfügbarkeit charakterisiert. Die Verfügbarkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass 

eine Betrachtungseinheit zu einem gegebenen Zeitpunkt (evt. nach einer Reparatur) funktionsfähig ist. 

Die Zuverlässigkeit bestimmenden Größen eines Systems sind die Ausfallrate der Komponenten, die 

Fehlertoleranz des System(aufbau)s und die Reparierbarkeit des Systems. 

8.7.1 Ausfallrate der HW-Komponenten 

Hardwarekomponenten können bekanntlich ausfallen. Ihr Ausfallverhalten hängen in der Regel von 

den Belastungsfaktoren ab (z.B. Umgebungstemperatur, chemische, radiologische oder mechanische 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Belastung) ab und wird durch die s.g. Ausfallrate λ charakterisiert. Trägt man sie über die Zeit auf, 

ergibt die im folgenden erläuterte sogenannte "Badewannenkurve" (Bild 8.18). 

λ 

1 2 3 t 

1 = Frühausfallphase 2 = Normalbetriebsphase 3 = Lebensdauerende 

Bild 8.18: Zeitlicher Verlauf der Ausfallrate von Hardware ( Badewannenkurve ) 

Sie unterscheidet 3 Phasen: 

1. Frühausfallphase: Bei der Hardware werden relativ viele Fertigungsfehler aufgedeckt. 

2. Normalbetriebsphase: Es treten überwiegend Zufallsfehler auf. Die Ausfallrate ist 

praktisch konstant (Zufallsausfälle). 

3. Ende der Lebensdauer: Es treten überwiegend Verschleißfehler auf. Die Ausfallrate steigt 

rapid an (Spätausfälle, Verschleißausfälle). 

In sicherheitsrelevanten Anwendungen bemüht man sich, die Phase 1 durch „Burn In“ und 

Testbetrieb, Phase 3 durch Austausch zu vermeiden, so dass bei vielen Berechnungen die Ausfallrate 

immer als konstant angenommen wird. Damit existiert unter Annahme der Expotentialverteilung der 

Lebensdauer einer Komponente folgende wichtige Beziehung zwischen der Zuverlässigkeit 

R(=reliability) und der Ausfallrate λ: 

R(t) = exp(-λ*t) 

Mit der Ausfallrate λ hängt eine wichtige Größe - die mittlere Dauer zwischen zwei Ausfällen MTBF 

(= mean time between failure): MTBF = 1/λ - zusammen. 

Beispiel: eine elektronische Baugruppen hat eine vom Hersteller angegebene Ausfallrate von 10000 fit 

(failure in time = 10 -9 /h). Dann ist (statistisch gesehen) zu erwarten, dass es zwischen zwei Ausfällen 

etwa 10 5 h (also gut 10 Jahre) vergeht. 

Nehmen wir nun an, dass bei Ausfall dieser (und nur diese) Baugruppe das Automatisierungsgerät 

nicht mehr funktionsfähig ist und von der Ausfallerkennung bis zum Austausch der Baugruppe und 

Wiederinbetriebnahme des Systems 10 h vergeht, dann ergeben sich folgende Zahlenwerte: 

Die s.g. Reparaturrate µ beträgt 1/10h = 10 -1 /h. Der Kehrwert von µ wird auch MTTR (= mean time 

to repare) genannt. Manchmal trifft man noch einen anderen Begriff MDT (= mean down time). 

EG-AT.doc 03.11.2005 

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Und damit die Verfügbarkeit A(=availability) des Automatisierungsgerätes: 

A = µ / (λ + µ) = MTBF / (MTBF+MTTR) = 0,9999 = 99,99%. 

Entsprechend beträgt die Nichtverfügbarkeit U (=unavailability) = 1 – A = 0,01%. 

8.7.2 Fehlerarme Sicherheitssoftware 

Die Funktionsfähigkeit programmgesteuerter Systeme mit Sicherheitsaufgaben wird nicht nur durch 

die Hardware, sondern auch durch die Software bestimmt. Software hat generell ein anderes 

Fehlerverhalten als Hardware. Sie unterliegt zwar keinen Abnutzungserscheinungen, ist jedoch 

inhärent fehleranfällig und enthält nur systematische oder Entwurfsfehler, die ständig gegenwärtig 

sind, so dass man in der Praxis kaum von der Fehlerfreiheit, sondern nur von der Fehlerarmut 

sprechen kann. Programme sind weiterhin nicht stetig in dem Sinne, dass Auswirkungen kleiner 

Fehler nicht unbedingt gering sind. 

Um zuverlässige SW zu entwickeln, wird in der Praxis dem gesamten SW-Entwicklungsprozess (nicht 

das fertige Produkt alleine !) einer Qualitätssicherung unterworfen. Oft der SW-Entwicklungsprozess 

nach dem sog. Lebenszyklus-Modell in Phasen unterteilt, um die Zwischenprodukte jeder Phase mit 

Hilfe der Spezifikationen zu verifizieren und schließlich das Endprodukt gegen die funktionalen 

Anforderungen zu validieren (V&V), Bild 8.19. 

Anforderungsspezifikation 

Verifizierung 

System-spezifikation 

Verifizierung 

Entwurf 

Verifizierung 

Implementierung 

Implementierungsunterlagen 

Entwurfsunterlagen 

Verifizierung 

Verifizierung 

Pflichtenheft 

Lastenheft 

Verifizierung 

Verifizierung 

Verifizierung 

Validierung 

Installation 

Installationsunterlagen 

Validierung 

Bild 8.19: Software V&V nach dem Phasenmodell 

Die Entwicklung von Verfahren zur Sicherheitsüberprüfung von Rechnerprogrammen steht noch ganz 

am Anfang und der erreichte Stand ist völlig unzureichend. So lassen sich formale 

Korrektheitsbeweise bisher nur für relativ kleine Programmeinheiten erfolgreich durchführen – 

worunter erfreulicherweise bereits viele sicherheitskritische Automatisierungsfunktionen fallen. Bei 

komplexeren Anwendungen wird der Einsatz von formalen, graphischorientierten Methoden 

(Funktionsplan, Petri-Netz etc.) bevorzugt, um einerseits den mathematischen Korrektheitsnachweis 

zu ermöglichen und andererseits das Potential des Missverständnisses zwischen Verfahrenstechnikern 

und Leittechnikern zu minimieren. 

Je höher die Sicherheitsanforderungen an Steueranwendungen sind, desto höher muss die 

Vertrauenswürdigkeit sein, mit der die Korrektheit von Steuerungsprogrammen nachgewiesen werden 

kann. Es liegt in der Natur der Sache, dass diese Vertrauenswürdigkeit umso höher ist, je einfacher, 

verständlicher und beherrschbarer die eingesetzten Programmiermethode, 

Korrektheitsnachweisverfahren und natürlich auch die Programme selbst sind. Auf der Grundlage 

dieser Überlegungen wurden die verfügbaren Programmierparadigmen, Programmiersprachen und 

Verifikationsverfahren auf ihre Eignung im Sicherheitsbereich hin untersucht. In der folgenden 

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Tabelle 8.1 werden – quasi als Empfehlung – jeder der vier in der Norm IEC 61508-1 definierten SIL- 

Levels eine möglichst kleine Menge von Sprachkonstrukten, eine entsprechende typische 

Programmiersprache bzw. -methode sowie geeignete Verifikationsverfahren zugeordnet. Die 

Methoden werden so ausgewählt, dass die Vertrauenswürdigkeit ihres Einsatzes mit dem 

Sicherheitsniveau zunimmt. Dies wird mit abnehmender Ausdrucksfähigkeit und Flexibilität erkauft. 

Sicherheitsklasse 

(Safety 

integrity 

level) 

Versagenswahrschein 

-lichkeit 

pro Anforderung 

SIL 4 10 -5


Würde jeder einzelne, statistisch unanhängige Ausfall dieser Komponenten direkt zum Systemausfall 

führen, müsste man alle Ausfallraten summieren (da man die einzelnen Ausfallwahrscheinlichkeit 

multiplizieren muss, Serienschaltung), um die Gesamtausfallrate des Systems zu bekommen. Der so 

ermittelte Wert würde um Faktor bis Größenordnungen schlechter sein als die Realität und deshalb oft 

unbrauchbar. 

Der Grund liegt im fehlertoleranten Design des Systems, so dass nur bestimmte Kombinationen von 

(gleichzeitigen) Komponentenausfällen zum Systemausfall führt. Eine Methode zum systematischen 

Auffinden dieser kritischen Kombinationen und damit zur Ermittlung der richtigen Systemwerte ist die 

Fehlerbaumanalyse (vgl. DIN 25424). 

Als wirkungsvolle Maßnahmen gegen gefährliche Hardwareversagen sind zu nennen: Konservative 

Auslegung, hochqualitative Herstellung, Einsatz von Online-Selbstüberwachungsmethoden und richtig 

geplanten wiederkehrenden Prüfungen, Einsatz redundanter Einrichtungen unter gleichzeitiger 

Berücksichtigung von Fehlern gemeinsamer Ursachen (auch CCF = common cause failure genannt), 

Einsatz funktionaler oder gerätetechnischer Diversität etc. Man setzt z.B. zwei unabhängige 

Parallelsysteme (Parallelschaltung) ein, obwohl jedes für sich die Aufgabe erfüllen würde (Beispiel 

SIMATIC S7-400F mit aktiver Redundanz, auch Hot-Standby genannt). 

Bei der Software spielt die Diversität eine größere Rolle. Man realisiert z.B. eine Schutzfunktion mit 

physikalisch unterschiedlichen Schutzkriterien (funktionale Diversität), oder man programmiert die 

gleiche Funktion unterschiedlich (SW-Diversität, z.B. in SIMATIC S7-400F) oder man setzt Geräte 

mit der gleichen Funktion aber von unterschiedlichen Herstellern (mit der Hoffnung von 

unterschiedlichen Technologien) ein (Gerätediversität). 

Zum Schluss sei noch erwähnt, dass nicht alle Hard- und Softwarefehler im Sinne der Sicherheit 

gefährlich sind. Die genaue Untersuchung der Fehlermechanismen und –auswirkungen wird auch 

FMEA (Fehlermode und –effektanalyse) genannt (DIN 25448). 

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9 Anhang 1: Formelsammlung der Laplace-Transformation 

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10 Anhang 2: Arbeiten mit Matlab und Simulink bzw. Simatic- 

Manager 

Die Software Matlab und Simulink (http://www.mathworks.de) ist ein wichtiges Hilfsmittel für die 

Regelungstechnik. Sie ist auch für die Vorlesungen „Signale und Systeme“ sowie „Modellbildung und 

Simulation“ einsetzbar und im ZKI bzw. im PC-Pool vorhanden. Die Studentenversion zum 

Eigengebrauch kostet ca. 100 US$. Ihre Handhabung wird als Wahlfach im Fachbereich angeboten. 

Als Alternative kann man auch andere Programme wie „Winfact“ (http://www.winfact.de/) einsetzen, 

das beim Laboringenieur Herr Schmied vorhanden ist. 

Für den Teil Steuerungstechnik wäre der Simatic-Manager der Fa. Siemens 

(http://www.ad.siemens.de/) hilfreich. Studentenversion kostet ca. 100 €, 90 Tage gültig (danach 

kommen lästige Fehlermeldungen). Als Alternative kommt die SW „Trysim“ in Frage 

(http://www.trysim.de/). Studentenversion ist kostenlos, auch wenn es scheinbar unerklärliche Fehler 

vorhanden sind. 

11 Literatur 

1. Jürgen Bergmann: Automatisierungs- und Prozessleittechnik; Fachbuch Verlag Leipzig 1999 

(Anmerkung: Einführung für Ingenieure und Wirtschaftsingenieure) 

2. Herbert Bernstein: Automatisierungstechnik und Visualisierung, VDE Verlag 2002 (Anmerkung: 

weniger Theorie, für IHK-Weiterbildung zum Industriemeister) 

3. Günter Wellenreuther und Dieter Zastrow: Steuerungstechnik mit SPS; Viewegs Fachbücher der 

Technik; 1998 

4. L. Merz, H. Jaschek: Grundkurs der Regelungstechnik; Oldenbourg Verlag München Wien 1996 

5. Elmar Schrüfer: Elektrische Messtechnik; Carl Hanser Verlag München Wien 1995 

6. Eckehard Schnieder: Methoden der Automatisierung; Vieweg Verlag 1999 

7. Gerhard Schnell (Hrsg.): Bussysteme in der Automatisierungstechnik, Vieweg Verlag 1996 

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Vorlesung: Steuerung- und Regelungstechnik I für Energie- und ...

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