Zeitfunktionen in der SPS: TON, TOF und TP

Stell dir eine ganz einfache Aufgabe vor: Ein Signal soll erst fünf Sekunden nach dem Tastendruck den Ausgang setzen. Mit einem reinen Logik-Programm kommst du da nicht weiter. Die SPS durchläuft ihr Programm tausende Male pro Sekunde — eine Verknüpfung wie „Taster UND Ausgang“ ist sofort wahr oder sofort falsch. Es gibt im normalen Kontaktplan nichts, das „warte fünf Sekunden“ bedeutet.

Früher hat man das in der Schützsteuerung mit Zeitrelais gelöst — kleinen Geräten, die nach einer eingestellten Zeit einen Kontakt umlegen. In der SPS ist dieses Zeitrelais durch einen Zeitbaustein ersetzt: ein Stück Programm, das im Hintergrund mitzählt und nach Ablauf von der vorgegebenen Zeit sein Ausgangssignal ändert. Der Vorteil liegt auf der Hand. Die Zeit wird nicht mehr an einem Drehrad eingestellt, sondern im Programm hinterlegt, und sie lässt sich jederzeit ohne Schraubendreher ändern.

Damit der Baustein die Zeit korrekt misst, nutzt er die interne Systemuhr der Steuerung. Bei jedem Programmdurchlauf prüft er, wie viel reale Zeit seit dem letzten Zyklus vergangen ist, und addiert sie auf. So entsteht trotz des starren Zyklus ein verlässliches Zeitmaß.

Das Schöne an den drei Timern: Sie haben alle dieselbe Schnittstelle. Wenn du einen verstanden hast, kennst du die Anschlüsse aller drei. Sie unterscheiden sich nur darin, wann sie ihr Ausgangssignal schalten — nicht darin, welche Anschlüsse sie haben.

Jeder Zeitbaustein hat zwei Eingänge und zwei Ausgänge:

• IN — der Eingang, der den Timer steuert (die Startbedingung, meist ein Taster, Sensor oder ein Merker).
• PT — Preset Time, die vorgegebene Zeit. Hier steht der Sollwert, also wie lange verzögert oder wie lang der Impuls werden soll.
• Q — der Ausgang, der das Ergebnis liefert: ein boolesches Signal, das je nach Timer-Typ zu unterschiedlichen Zeitpunkten HIGH oder LOW wird.
• ET — Elapsed Time, die abgelaufene Zeit. Dieser Ausgang zeigt fortlaufend an, wie viel Zeit der Timer gerade schon zählt. Praktisch für Anzeigen oder um Zwischenwerte weiterzuverarbeiten.

Die Zeitbausteine sind in der ÖNORM EN 61131-3 (der in Österreich übernommenen Fassung der internationalen Norm für SPS-Programmiersprachen) festgelegt. Dadurch sind TON, TOF und TP herstellerübergreifend einheitlich definiert.

Der Datentyp TIME

Die Zeitwerte an PT und ET haben einen eigenen Datentyp: TIME. Eine Zeitkonstante schreibt man als Zeitliteral mit dem Präfix T# (in manchen Systemen auch TIME#). Dahinter folgen Zahl und Einheit:

• T#5s bedeutet 5 Sekunden
• T#500ms bedeutet 500 Millisekunden
• T#10m bedeutet 10 Minuten
• T#2h bedeutet 2 Stunden

Die gängigen Einheiten sind ms (Millisekunden), s (Sekunden), m (Minuten) und h (Stunden). In der Praxis programmiert man selten glatte Sekundenwerte. Ein Filter braucht vielleicht 250 Millisekunden, eine Taktung läuft über mehrere Stunden. Deshalb lassen sich Zeitwerte auch zusammensetzen:

• T#1h30m bedeutet 1 Stunde, 30 Minuten
• T#1h2m3s bedeutet 1 Stunde, 2 Minuten, 3 Sekunden
• T#2s500ms bedeutet 2 Sekunden, 500 Millisekunden

Die Einheiten werden dabei ohne Leerzeichen aneinandergereiht, von der größten zur kleinsten. So lässt sich jede praxisreale Zeit fehlerfrei angeben.

Ein Zeitbaustein wird im Programm als Funktionsbaustein aufgerufen — er merkt sich also seinen Zustand von Zyklus zu Zyklus. Für diesen Beitrag reicht die logische Sicht auf die Schnittstelle IN/PT/Q/ET. Wie die zugehörigen Speicherdaten verwaltet werden und welche Bausteintypen es allgemein gibt, gehört zum Thema der Programmiersprachen und Bausteintypen und wird dort systematisch behandelt.

TON steht für Timer On-Delay, die Einschaltverzögerung. Sie ist der mit Abstand am häufigsten verwendete Timer.

Das Verhalten: Wird IN auf HIGH gesetzt, beginnt der Timer zu zählen. Erst wenn IN für die volle Dauer PT ununterbrochen HIGH geblieben ist, wird der Ausgang Q ebenfalls HIGH. ET läuft währenddessen mit und zeigt die bereits verstrichene Zeit. Sobald ET den Wert von PT erreicht, bleibt ET auf diesem Wert stehen und Q ist gesetzt.

Der entscheidende Punkt ist die Bedingung „ununterbrochen“. Fällt IN ab, bevor PT erreicht ist, wird der Timer sofort zurückgesetzt — ET springt zurück auf null und Q bleibt LOW. Beim nächsten HIGH an IN beginnt das Zählen wieder von vorne. Es gibt kein Aufaddieren über mehrere Versuche.

Fällt IN ab, nachdem Q schon HIGH war, geht Q sofort wieder auf LOW und ET wird zurückgesetzt. Q folgt dem Eingang also mit Verzögerung beim Einschalten, aber ohne Verzögerung beim Ausschalten.

Im Diagramm sieht man beides: Beim ersten, langen IN-Impuls wird Q nach Ablauf von PT gesetzt und folgt dann dem Abschalten sofort. Beim zweiten, kurzen IN-Impuls reicht die Zeit nicht — Q bleibt aus, ET wird wieder zurückgesetzt.

TOF steht für Timer Off-Delay, die Ausschaltverzögerung. Sie ist gewissermaßen das Spiegelbild des TON.

Das Verhalten: Wird IN auf HIGH gesetzt, geht Q sofort ebenfalls auf HIGH — ohne jede Verzögerung. Spannend wird es beim Abschalten. Fällt IN auf LOW, bleibt Q noch für die Dauer PT weiter HIGH und schaltet erst danach ab. ET beginnt erst beim Abfall von IN zu zählen und misst, wie lange Q noch nachläuft.

Geht IN wieder auf HIGH, bevor PT abgelaufen ist, wird die Nachlaufzeit abgebrochen: Q bleibt durchgehend HIGH und ET wird zurückgesetzt. Q verzögert also beim Ausschalten, nicht beim Einschalten — genau umgekehrt zum TON.

Q startet im Gleichtakt mit IN, läuft beim Abschalten aber noch um PT nach.

TP steht für Timer Pulse, den Impulsgeber. Dieser Timer erzeugt einen Ausgangsimpuls von fest definierter Länge.

Das Verhalten: Eine steigende Flanke an IN — also der Wechsel von LOW auf HIGH — startet einen Impuls. Q geht auf HIGH und bleibt für genau die Dauer PT HIGH, unabhängig davon, wie lange IN selbst HIGH bleibt. Der Eingang darf nach dem Auslösen sofort wieder abfallen oder dauerhaft anliegen — die Impulslänge richtet sich allein nach PT. ET zählt während des Impulses von null bis PT hoch.

Ein wichtiges Detail: Während der Impuls läuft, ist TP nicht nachtriggerbar. Eine neue steigende Flanke an IN während eines laufenden Impulses wird ignoriert. Erst wenn der Impuls vollständig abgelaufen ist und IN zwischendurch auf LOW war, kann eine neue Flanke einen neuen Impuls auslösen.

Beim ersten Auslöser ist IN nur kurz HIGH, der Impuls läuft trotzdem die volle PT-Zeit. Beim zweiten Auslöser bleibt IN länger HIGH — der Impuls endet trotzdem nach PT, nicht erst mit dem Abfall von IN.

Wenn man die drei nebeneinanderlegt, wird das Muster klar. Der Unterschied steckt allein darin, wann Q kommt und wann Q wieder geht.

Die Auswahl in der Praxis folgt einer einfachen Frage. Soll etwas verzögert eingeschaltet werden? Dann TON. Soll etwas verzögert ausgeschaltet werden, also nachlaufen? Dann TOF. Soll ein fester Impuls entstehen, egal wie lang das Auslösesignal ist? Dann TP.

Für komplexere Abläufe kombiniert man Timer. Schaltet man den Q-Ausgang eines TON auf den IN-Eingang eines zweiten TON, addieren sich die Wartezeiten — so entstehen mehrstufige Verzögerungsketten. In Verbindung mit einer Selbsthaltung lassen sich daraus blinkende oder taktende Signale aufbauen; die Selbsthaltung selbst ist ein eigenes Thema und wird dort behandelt.