Adressierung von Eingängen, Ausgängen und Merkern

Stell dir vor, an einer Steuerung hängen zwanzig Sensoren und fünfzehn Aktoren. Im Programm muss jede Programmzeile genau wissen, von welchem Sensor sie gerade redet und welchen Aktor sie schaltet. Würde man die Geräte nur über Drähte unterscheiden, käme niemand mehr mit. Also bekommt jedes Signal eine feste, eindeutige Bezeichnung — und über diese Bezeichnung greift das Programm darauf zu.

Diese Bezeichnung heißt Operand. Ein Operand setzt sich immer aus zwei Teilen zusammen: einem Operandenkennzeichen, das sagt um welche Art von Signal es geht (Eingang, Ausgang, Merker), und einer Adresse, die sagt welches konkrete Signal gemeint ist. Aus E0.0 liest man also: ein Eingang (das Kennzeichen E), und zwar der ganz bestimmte mit der Adresse 0.0.

Ein Vergleich, der das greifbar macht: Eine Postanschrift besteht auch aus mehreren Teilen — Straße, Hausnummer, Türnummer. Erst die Kombination macht sie eindeutig. Genauso ist es bei der SPS-Adresse. Das Kennzeichen ist gewissermaßen die Postleitzahl-Region (Eingang oder Ausgang oder Merker), die Adresse darin der konkrete Briefkasten.

Wichtig ist die Trennung zwischen der physischen Klemme an der Hardware und der logischen Adresse im Programm. Die Klemme ist der Metallanschluss, an den der Draht angeschraubt wird. Die Adresse ist the Name, unter dem die Steuerung den Zustand dieser Klemme intern führt. Beide gehören zusammen, sind aber nicht dasselbe — und genau diese Zuordnung herzustellen ist die eigentliche Arbeit beim Adressieren.

Eine SPS unterscheidet im Kern drei Bereiche, mit denen man im Programm arbeitet. Sie heißen Eingang, Ausgang und Merker — und sie haben grundlegend verschiedene Aufgaben.

Der Eingang (Kennzeichen E, in der IEC-Schreibweise I für Input) bildet ab, was von außen an die Steuerung gemeldet wird. An einem Eingang hängt ein Sensor, ein Taster, ein Endschalter, ein Näherungsschalter. Der Eingang sagt dem Programm: Dieses Signal ist gerade da oder nicht da. Man liest Eingänge — beschreiben kann man sie nicht, ihr Zustand kommt aus der realen Welt.

Der Ausgang (Kennzeichen A, in IEC Q für Output) ist die Gegenrichtung. Hier hängt ein Aktor: ein Schütz, ein Magnetventil, eine Meldeleuchte, ein Relais. Das Programm beschreibt den Ausgang und schaltet damit das angeschlossene Gerät ein oder aus. Ausgänge werden also vom Programm gesetzt.

Der Merker (Kennzeichen M) ist der interessante Sonderfall: Er hat keinen physischen Anschluss. Ein Merker ist eine interne Speicherzelle, ein Hilfsbit, das nur innerhalb der Steuerung existiert. Man nutzt ihn, um Zwischenergebnisse festzuhalten oder einen Zustand zu merken. Klassisches Beispiel: Ein Taster wird kurz gedrückt und wieder losgelassen, die Anlage soll aber dauerhaft laufen. Den Dauerzustand „läuft“ speichert man in einem Merker, weil der Eingang ja nach dem Loslassen sofort wieder auf 0 fällt. Merker sind das Gedächtnis des Programms.

So fließen die Signale durch die Steuerung:

Eingänge und Ausgänge werden in der SPS nicht direkt von der Hardware verarbeitet, sondern über ein internes Abbild im Speicher — das Prozessabbild der Eingänge (PAE) und der Ausgänge (PAA). Wie dieses Abbild zyklisch eingelesen und ausgegeben wird, gehört zum EVA-Prinzip und ist dort ausführlich erklärt. Für die Adressierung reicht zu wissen: Wenn das Programm E0.0 liest, liest es diesen Wert aus dem Prozessabbild, nicht direkt von der Klemme.

Bevor man Adressen sicher bilden kann, muss eine Frage geklärt sein: Wie viel Information passt eigentlich in eine Adresse? Die Antwort hängt von der Datenbreite ab. Hier kommen vier Begriffe ins Spiel.

Ein Bit ist die kleinste Einheit: ein einzelner Zustand, entweder 0 oder 1. Ein digitaler Sensor liefert genau ein Bit — er ist betätigt (1) oder nicht (0). Mehr Zustände gibt es bei ihm nicht.

Acht Bit zusammengefasst ergeben ein Byte. Die acht Bits in einem Byte werden von rechts nach links durchnummeriert, von Bit 0 bis Bit 7. Diese Nummerierung ist später für die Adressbildung entscheidend.

Zwei Byte ergeben ein Wort (englisch Word), also 16 Bit. Und zwei Wort wiederum ergeben ein Doppelwort (Double Word), also 32 Bit. Größere Werte — eine Temperatur, eine Drehzahl, ein Analogmesswert — brauchen mehr als ein einzelnes Bit und belegen deshalb ein ganzes Wort oder Doppelwort.

So ist ein Byte aufgebaut:

Der Zusammenhang in der Übersicht:

Der praktische Kern: Ein digitaler Ein- oder Ausgang belegt genau ein Bit. Ein Analogwert dagegen passt nicht in ein Bit — er braucht den feineren Wertebereich eines ganzen Wortes.

Jetzt setzt sich alles zusammen. Eine Bit-Adresse besteht aus drei Teilen: dem Operandenkennzeichen, der Byteadresse, einem Punkt und der Bitadresse. Am Beispiel E0.0:

• E ist das Operandenkennzeichen — hier ein Eingang.
• 0 vor dem Punkt ist die Byteadresse — das nullte Byte.
• .0 nach dem Punkt ist die Bitadresse — das nullte Bit in diesem Byte.

Gelesen also: erstes Bit des ersten Eingangsbytes. Bei A4.7 entsprechend: das achte Bit (Bit 7) des fünften Ausgangsbytes (Byte 4). Bei M10.3: das vierte Bit (Bit 3) des elften Merkerbytes (Byte 10).

Die Bitadresse läuft immer von 0 bis 7, weil ein Byte nun einmal acht Bit hat. Nach E0.7 kommt also nicht E0.8 — diese Adresse existiert nicht. Stattdessen springt es ins nächste Byte: E1.0. Das ist eine der häufigsten Stolperfallen beim Adressieren.

Daneben gibt es Adressen, die nicht ein einzelnes Bit, sondern eine ganze Datenbreite ansprechen. Sie tragen einen zusätzlichen Buchstaben für die Breite und haben keinen Punkt mehr:

Ein Wort wie EW0 umfasst dabei zwei aufeinanderfolgende Bytes — also Byte 0 und Byte 1 zusammen. Das nächste lückenlose Wort wäre EW2.

Klassische und IEC-Schreibweise

In der Praxis trifft man auf zwei Schreibweisen für dasselbe. Die klassische Schreibweise (lange durch Siemens geprägt) nutzt die deutschen Kennzeichen E, A, M. Die genormte Schreibweise nach IEC 61131-3 nutzt englische Kennzeichen mit vorangestelltem Prozentzeichen und einem zusätzlichen Buchstaben für die Datenbreite (X für Bit, B für Byte, W für Wort).

Beide meinen exakt denselben Speicherplatz. Welche Schreibweise im Programm erscheint, hängt vom Hersteller und der Programmierumgebung ab — verstehen muss man beide.

In der Werkstatt steht man vor einer realen Baugruppe mit einer Klemmenleiste. Daran sind Drähte angeschlossen. Im Programm tauchen Adressen wie E0.0 auf. Die Brücke zwischen beidem ist die Zuordnungsliste (oft kurz ZUL genannt) — eine Tabelle, die jeder Klemme bzw. jedem Signal eine Adresse und einen Klartextnamen zuordnet.

Eine solche Liste sieht im Kern so aus:

Mit dieser Liste arbeitet man in beide Richtungen: vom Stromlaufplan zur Adresse (welche Adresse bekommt der Draht an Klemme X?) und von der Adresse zum Bauteil (welches Gerät schaltet das Programm, wenn A4.0 gesetzt wird?).

Wie eine Baugruppe den Adressraum belegt

Hier liegt der entscheidende Punkt für die Praxis. Eine Digital-Eingangsbaugruppe hat nicht ein Bit, sondern viele Kanäle — typischerweise 8, 16 oder 32. Jeder Kanal ist eine Klemme, und jeder Klemme belegt genau ein Bit im Adressraum.

Eine 16-Kanal-Digitaleingangskarte belegt also 16 Bit. Und 16 Bit sind genau zwei Bytes. Beginnt die Karte an der Startadresse Byte 0, dann gilt:

• Die ersten 8 Kanäle liegen in Byte 0: E0.0 bis E0.7
• Die nächsten 8 Kanäle liegen in Byte 1: E1.0 bis E1.7

Der erste Kanal der Karte ist E0.0, der letzte ist E1.7. Wer also auf der Klemmenleiste den neunten Eingangskanal verdrahtet, muss im Programm E1.0 ansprechen — nicht E0.8, denn diese Adresse existiert nicht. Genau dieser Sprung von Byte 0 ins Byte 1 ist es, der in der Praxis am häufigsten verwirrt: Die Klemme ist physisch die neunte in der Reihe, die Adresse springt aber auf ein neues Byte.

Absolute und symbolische Adressierung

E0.0 is eine absolute Adresse — sie zeigt direkt auf den physischen Speicherplatz. Daneben gibt es die symbolische Adressierung: Statt E0.0 schreibt man im Programm den Klartextnamen, etwa Starttaster. Die Programmierumgebung verknüpft den Namen über die Zuordnungsliste mit der absoluten Adresse.

Symbolische Namen machen ein Programm lesbar. Eine Zeile wie „wenn Starttaster und nicht Stopptaster, dann Motorschütz“ versteht man auf Anhieb. Dieselbe Zeile mit E0.0, E0.1 und A4.0 erfordert ständiges Nachschlagen in der Zuordnungsliste. In der modernen Programmierung arbeitet man deshalb fast durchgehend symbolisch — die absolute Adresse läuft im Hintergrund mit.