Sensoren und Aktoren an die SPS verdrahten (PNP/NPN)

Eine SPS sieht von der realen Anlage nur das, was an ihren Klemmen ankommt. Auf der einen Seite die Eingänge, an denen Sensoren ihre Zustände melden, auf der anderen Seite die Ausgänge, über die Aktoren angesteuert werden. Wie die SPS intern ihr Programm abarbeitet, ist eine eigene Geschichte — hier zählt nur, was elektrisch an den Anschlüssen geschieht.

Eine digitale Eingangsbaugruppe (DI, von digital input) wertet pro Klemme aus: liegt eine bestimmte Spannung an oder nicht. Bei der in der Industrie üblichen 24-V-Technik bedeutet ein Pegel nahe 24 V ein 1-Signal, ein Pegel nahe 0 V ein 0-Signal. Die digitale Ausgangsbaugruppe (DO, von digital output) macht das Umgekehrte: sie schaltet eine Klemme aktiv auf einen Pegel, um eine Last anzusteuern.

Damit das funktioniert, braucht jede dieser Baugruppen ein Bezugspotential. Eine Spannung ist immer eine Differenz zwischen zwei Punkten — „24 V“ allein sagt nichts, solange nicht klar ist, worauf sich diese 24 V beziehen. Bei der SPS sind das die beiden Versorgungspotentiale: L+ (meist +24 V) und 0V (auch M oder GND genannt). Jedes Eingangssignal wird gegen eines dieser beiden Potentiale gemessen.

Genau hier entscheidet sich, ob die Verdrahtung später sauber läuft. Ein Sensor liefert sein Signal entweder als Pluspotential oder als Minuspotential — und die Eingangskarte muss das passende Gegenstück bilden. Stimmt diese Paarung nicht, misst die Karte gegen das falsche Bezugspotential und erkennt den Schaltvorgang nicht. Welche beiden Varianten es gibt und wie sie zusammenpassen müssen, ist der rote Faden der nächsten beiden Kapitel.

Ein punkt vorab, der später viel Fehlersuche erspart: Sobald mehrere Netzteile im Spiel sind — etwa ein eigenes Netzteil für die Sensorik und eines für die SPS — müssen deren 0V-Potentiale miteinander verbunden werden. Nur dann haben Sensor und Eingangskarte denselben Bezug. Ohne diese gemeinsame Masse „schwebt“ das Signal, und die Karte erkennt nichts Verlässliches. Wie man das richtig macht, steht in Kapitel 6.

Analoge Signale (etwa 0–10 V oder 4–20 mA von einem Druck- oder Temperatursensor) folgen eigenen Regeln und sind hier nicht das Thema — es geht durchgehend um digitale Ein- und Ausgänge.

Ein elektronischer Dreidraht-Sensor hat drei Anschlüsse: Versorgung L+, Masse 0V und eine Signalleitung. Über die ersten beiden wird der Sensor mit Spannung versorgt, über die dritte gibt er sein Schaltsignal aus. Die entscheidende Frage ist: Wenn der Sensor schaltet — welches Potential legt er auf die Signalleitung?

Hier gibt es genau zwei Bauarten. Beim PNP-Sensor schaltet der Ausgang im aktiven Zustand L+ auf die Signalleitung. Der Sensor liefert also ein Pluspotential, das Signal führt im geschalteten Zustand +24 V. Man nennt diesen Ausgang darum auch plusschaltend. Beim NPN-Sensor ist es umgekehrt: der Ausgang schaltet 0V auf die Signalleitung, das Signal führt im geschalteten Zustand Minuspotential. Dieser Ausgang ist minusschaltend.

Wichtig ist nur das Verhalten des Signaldrahts — er wirkt wie ein Schalter, der entweder gegen L+ oder gegen 0V durchschaltet. Was im Inneren des Sensors passiert, lassen wir bewusst außen vor; für die Verdrahtung reicht das Bild „Schalter gegen Plus“ beziehungsweise „Schalter gegen Minus“ vollständig aus.

Daraus folgt direkt der Stromweg durch die angeschlossene Last, also durch den Eingang der SPS:

• Beim PNP-Sensor kommt der Strom aus der Signalleitung heraus und fließt über den Eingang weiter nach 0V. Der Sensor liefert den Strom in den Eingang hinein.
• Beim NPN-Sensor läuft es genau andersherum: der Strom kommt von L+ über den Eingang in den Sensor und fließt dort nach 0V ab. Der Sensor zieht den Strom aus dem Eingang heraus.

Diese Stromrichtung ist der Kern der ganzen Sache — denn die Eingangskarte der SPS muss zum Stromweg passen. Eine Karte, die darauf ausgelegt ist, Strom in den Eingang aufzunehmen, braucht einen Sensor, der Strom liefert, und umgekehrt. Diese Paarung ist so zentral, dass sie ein eigenes Begriffspaar bekommen hat: Sink und Source.

• Source (Quelle): Die Seite, die den Strom liefert. Ein PNP-Sensor ist eine Stromquelle für den Eingang.
• Sink (Senke): Die Seite, die den Strom aufnimmt. Ein NPN-Sensor wirkt als Stromsenke und zieht den Strom aus dem Eingang.

Mit diesen beiden Begriffen lässt sich im nächsten Kapitel die Eingangskarte sauber beschreiben — denn auch sie ist entweder auf „Strom aufnehmen“ oder auf „Strom liefern“ ausgelegt.

In der folgenden Darstellung siehst du beide Bauarten direkt nebeneinander: links der plusschaltende PNP-Ausgang, rechts der minusschaltende NPN-Ausgang, jeweils mit der Last (dem SPS-Eingang) im Stromweg.

Im vorigen Kapitel haben wir den Sensor eingeordnet: PNP liefert Strom (Source), NPN nimmt Strom auf (Sink). Jetzt drehen wir den Blick um und schauen auf die Eingangskarte der SPS — denn auch sie ist auf eine der beiden Stromrichtungen festgelegt, und nur die passende Kombination funktioniert.

Eine Eingangskarte hat neben den eigentlichen Eingangsklemmen immer eine gemeinsame Klemme, oft mit COM, 1M oder ähnlich bezeichnet. An diese gemeinsame Klemme wird das Bezugspotential für die ganze Klemmengruppe gelegt — und genau diese Wahl bestimmt, ob die Karte als Sink oder Source arbeitet:

• Source-Eingang (die Karte liefert das Bezugspotential 0V an der gemeinsamen Klemme): Der Eingang erwartet, dass von außen das Pluspotential zugeführt wird. Also braucht er einen PNP-Sensor. Der Sensor liefert L+ auf den Eingang, der Strom fließt durch die Karte zur gemeinsamen 0V-Klemme. Die Karte nimmt den Strom auf — aus Sicht des Eingangskreises arbeitet ein PNP-Sensor an einem solchen Eingang.
• Sink-Eingang (die Karte legt L+ an die gemeinsame Klemme): Der Eingang erwartet, dass von außen gegen 0V geschaltet wird. Also braucht er einen NPN-Sensor. Der Strom kommt aus der gemeinsamen L+-Klemme, läuft über den Eingang nach außen und wird vom NPN-Sensor nach 0V abgeführt.

Die praktische Merkregel lautet darum schlicht:

Anders gesagt: PNP-Sensor und Source-Eingang gehören zusammen, NPN-Sensor und Sink-Eingang gehören zusammen. Sensor und Karte müssen vom Stromweg her zueinander passen, sonst kommt kein definierter Strompfad zustande und der Eingang erkennt den Schaltvorgang nicht.

Die folgende Darstellung zeigt beide passenden Kombinationen mit dem technischen Stromweg: links der PNP-Sensor an einer Source-Karte (gemeinsame Klemme an 0V), rechts der NPN-Sensor an einer Sink-Karte (gemeinsame Klemme an L+).

Mit der Sink/Source-Logik im Rücken wird das konkrete Anschließen überschaubar. In der Praxis begegnen dir drei Anschlussvarianten, die sich nach der Zahl der Leiter unterscheiden.

Der Dreidraht-Anschluss ist der Normalfall bei elektronischen Sensoren: L+, 0V und die Signalleitung. Versorgung und Signal sind getrennt, der Sensor arbeitet unabhängig vom Schaltzustand zuverlässig. Hierfür gilt alles aus den vorigen Kapiteln — PNP an Source, NPN an Sink.

Der Zweidraht-Anschluss kommt mit zwei Leitern aus: der Sensor wird in Reihe zwischen Versorgung und Eingang gelegt, ähnlich wie ein mechanischer Schalter. Das ist bequem, hat aber einen Haken: Auch im gesperrten Zustand fließt ein kleiner Reststrom, damit die Sensorelektronik versorgt bleibt. Dieser Reststrom darf nicht so groß sein, dass die Eingangskarte ihn fälschlich als 1-Signal wertet. Bei modernen Karten ist das meist unkritisch, bei der Auswahl sollte man aber auf die zulässigen Rest- und Mindestströme achten.

Der Vierdraht-Anschluss stellt zwei getrennte Ausgänge bereit — typischerweise einen Schließer und einen Öffner, oder einen PNP- und einen NPN-Ausgang. Damit lässt sich ein Sensor flexibel an unterschiedliche Eingänge anpassen.

Damit zum zweiten wichtigen Punkt: Schließer und Öffner. Ein Schließer (NO, normally open) gibt im betätigten Zustand das aktive Signal — Objekt erkannt, Eingang auf 1. Ein Öffner (NC, normally closed) macht es umgekehrt: im Ruhezustand liegt das Signal an, beim Betätigen fällt es weg. Für sicherheitsrelevante Funktionen ist der Öffner oft die bessere Wahl, weil ein Leitungsbruch denselben Effekt hat wie das Betätigen — der Eingang fällt auf 0, die Anlage geht in den sicheren Zustand. Diese Logik muss man beim Verdrahten und Programmieren konsequent durchziehen: Ein als Öffner verdrahteter Not-Aus, der im Programm wie ein Schließer abgefragt wird, ergibt eine gefährliche Fehlfunktion.

Auch mechanische Kontakte — Endschalter, Taster, Reedkontakte — landen an digitalen Eingängen. Sie kennen kein PNP/NPN, sondern verbinden schlicht zwei Klemmen. Man verdrahtet sie passend zur gemeinsamen Klemme: Bei einer Source-Karte (COM auf 0V) legt man den Kontakt zwischen L+ und Eingang, sodass er im geschlossenen Zustand L+ auf den Eingang gibt — elektrisch genau das, was ein PNP-Sensor täte.

Auf der Ausgangsseite dreht sich die Aufgabe um: Jetzt soll die SPS eine Last ansteuern — eine Meldeleuchte, ein Magnetventil, ein Schütz. Auch hier gibt es zwei grundlegende Bauarten von Ausgängen.

Der Transistorausgang schaltet elektronisch und arbeitet mit Gleichspannung, meist 24 V DC. Er schaltet schnell und verschleißfrei, ist aber im Strom begrenzt — typisch einige hundert Milliampere pro Ausgang. Wie bei den Eingängen gibt es plusschaltende (Source-) und minusschaltende (Sink-) Ausgänge; in Europa überwiegt auch hier die plusschaltende Variante, die L+ auf die Last gibt.

Der Relaisausgang schaltet über einen mechanischen Kontakt. Er ist potentialfrei, kann dadurch auch Wechselspannung schalten und höhere Ströme führen, ist aber langsamer und sein Kontakt unterliegt mechanischem Verschleiß.

Die zentrale Frage bei der Auswahl ist die Stromtragfähigkeit. Ein Schütz mit kräftiger Spule, ein größeres Magnetventil oder eine Gruppe von Lampen kann den zulässigen Ausgangsstrom schnell überschreiten. Die saubelle Lösung ist dann ein Koppelrelais: Der SPS-Ausgang schaltet nur die kleine Spule des Koppelrelais, dessen Kontakt wiederum die eigentliche Last führt. So bleibt der empfindliche SPS-Ausgang geschützt, und große oder netzspannungsführende Verbraucher werden sicher getrennt angesteuert.

Ein eigenes Kapitel verdient das Schalten induktiver Lasten — also alles mit einer Spule: Schütze, Relais, Magnetventile. Beim Abschalten einer Induktivität entsteht eine hohe Selbstinduktionsspannung, die Bauteile zerstören und Kontakte verschweißen kann. Wie man dagegen vorgeht, hängt von der Stromart ab — und genau hier liegt ein häufiger Fehler:

Bei Gleichstromlasten (DC) wird eine Freilaufdiode antiparallel zur Spule geschaltet. Sie ist in Sperrrichtung zur Betriebsspannung eingebaut und leitet beim Abschalten den Spulenstrom kurz im Kreis, bis er abgeklungen ist. Wichtig ist die richtige Polung — eine falsch herum eingebaute Diode wirkt im Betrieb als Kurzschluss.

Bei Wechselstromlasten (AC) funktioniert die Freilaufdiode nicht, weil die Polarität ständig wechselt. Hier verwendet man stattdessen ein RC-Glied (auch Snubber genannt) — eine Reihenschaltung aus Widerstand und Kondensator parallel zum Kontakt oder zur Last. Es fängt die Schaltspitze ab und unterdrückt den Funken am Kontakt. Das ist in der österreichischen Industriepraxis bei 230-V-Aktoren über Relais- oder Koppelrelaisausgänge Standard und zugleich eine wichtige EMV-Maßnahme: Ohne RC-Glied erzeugt jeder Schaltvorgang Störimpulse, und die Relaiskontakte verschleißen oder verkleben durch Funkenbildung vorzeitig.

Die Faustregel lautet damit: DC-induktive Last → Freilaufdiode, AC-induktive Last → RC-Glied. Viele Schütz- und Ventilhersteller bieten passende Entstörmodule, die direkt auf die Spule gesteckt werden.

Die folgende Darstellung zeigt einen Transistorausgang, der über ein Koppelrelais eine induktive Last schaltet — mit Freilaufdiode an der DC-Koppelrelaisspule.

Wenn ein Eingang nicht reagiert oder ein Ausgang nicht schaltet, hilft systematisches Vorgehen mehr als Raten. Die meisten Verdrahtungsfehler an der SPS-Schnittstelle gehören zu einer überschaubaren Liste — wer sie kennt, findet die Ursache schnell.

Eingang bleibt tot. Häufigste Ursache: Sensor und Eingangskarte passen vom Typ nicht zusammen — ein NPN-Sensor an einer Source-Karte oder umgekehrt. Prüfen: Welcher Sensortyp (Typenschild), wie ist die gemeinsame Klemme (COM) beschaltet? Zweiter Verdächtiger: die gemeinsame Klemme ist gar nicht aufgelegt. Ohne COM kein Strompfad, kein Signal.

Eingang dauernd HIGH. Bei Zweidraht-Sensoren kann der Reststrom zu hoch sein. Auch ein gegen L+ geschlossener Kurzschluss in der Leitung oder ein falsch verdrahteter Öffner statt Schließer führt zum Dauer-1.

Vertauschte oder fehlende 0V-Bezüge. Das ist bei mehreren Netzteilen der hartnäckigste Fehler. Hierzu eine eigene Praxisregel, weil sie in der Inbetriebnahme so oft übersehen wird:

Ausgang schaltet nicht oder zerstört sich. Hier lohnt der Blick auf die Last: Übersteigt sie die Stromtragfähigkeit, oder fehlt die Entstörung einer induktiven Last? Ein verschweißter Relaiskontakt oder ein durchlegierter Transistorausgang ist oft die Spätfolge fehlender Freilaufdiode beziehungsweise fehlenden RC-Glieds.

Als Werkzeug genügt für vieles das Multimeter und die Eingangs-LED an der Baugruppe. Die LED zeigt direkt, ob die Karte den Pegel erkennt — leuchtet sie nicht, obwohl am Sensor gegen das richtige Bezugspotential 24 V messbar sind, liegt der Fehler fast immer beim Bezugspotential oder bei der Typkombination. Das systematische Vorgehen ist immer dasselbe: erst die Versorgung prüfen, dann das Bezugspotential, dann die Typkombination Sensor/Karte, dann das Bauteil selbst.