Zyklischer Programmablauf (EVA-Prinzip)

Eine fest verdrahtete Steuerung — etwa eine klassische Schützschaltung — wirkt parallel: Alle Strompfade sind gleichzeitig aktiv, jede Änderung an einem Eingang schlägt sofort durch die Verdrahtung durch. Eine SPS hat diese parallele Verdrahtung nicht. Sie hat einen Prozessor, und ein Prozessor kann immer nur eine Anweisung nach der anderen abarbeiten.

Damit die Steuerung trotzdem dauerhaft auf ihre Eingänge reagiert, läuft das Programm in einer Schleife, die sich immer wieder selbst wiederholt. Ein kompletter Durchlauf dieser Schleife ist ein Zyklus. Sobald das Programmende erreicht ist, beginnt die SPS sofort wieder am Anfang. Diese Wiederholung läuft, solange die Steuerung im Betriebszustand RUN ist — also im laufenden Betrieb.

Der entscheidende Punkt für alles Weitere: Die SPS sieht die Außenwelt nicht kontinuierlich, sondern in regelmäßigen Schnappschüssen, einmal pro Zyklus.

Hinter dem Zyklus steckt ein Grundmuster, das jede Informationsverarbeitung beschreibt: EVA — Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe. Etwas kommt herein, wird verarbeitet, etwas geht hinaus. Bei die SPS bekommt jede der drei Phasen eine ganz konkrete Bedeutung.

Eingabe (E): Die Steuerung liest den Zustand aller Eingänge ein — also was die Sensoren, Taster und Schalter gerade melden. Diese Zustände werden gesammelt und gespeichert, bevor das eigentliche Programm startet.

Verarbeitung (V): Jetzt arbeitet die SPS das Anwenderprogramm ab, Anweisung für Anweisung. Verknüpfungen, Zeiten, Zähler, Vergleiche — alles, was du programmiert hast — wird auf Basis der eingelesenen Eingangszustände gerechnet. Das Ergebnis sind die neuen Sollzustände der Ausgänge.

Ausgabe (A): Die berechneten Ausgangszustände werden an die realen Ausgänge übertragen. Erst jetzt schalten Schütze, leuchten Lampen, fahren Ventile.

Diese Reihenfolge ist nicht zufällig, sondern fest: erst alle Eingänge lesen, dann rechnen, dann alle Ausgänge schreiben. Die SPS mischt das nicht. Genau diese saubere Trennung sorgt dafür, dass sich die Steuerung berechenbar — also deterministisch — verhält.

In der Praxis greift die SPS während der Programmbearbeitung nicht ständig auf die echten Klemmen zu. Stattdessen arbeitet sie mit einer Kopie der Ein- und Ausgangszustände im Speicher — dem Prozessabbild. Das Prozessabbild der Eingänge heißt PAE, das der Ausgänge PAA.

Der vollständige Ablauf eines Zyklus sieht so aus:

1. Eingänge einlesen: Die SPS liest alle physischen Eingänge und schreibt deren Zustand ins PAE.
2. Programmbearbeitung: Das Anwenderprogramm rechnet — und zwar liest es Eingänge ausschließlich aus dem PAE und schreibt Ergebnisse ausschließlich ins PAA. Die echten Klemmen werden in dieser Zeit nicht angefasst.
3. Ausgänge schreiben: Nach dem Programmende überträgt die SPS das gesamte PAA auf die physischen Ausgänge.
4. Betriebssystemaufgaben: Dazwischen erledigt das Betriebssystem der CPU interne Dinge — Kommunikation mit dem Programmiergerät, Diagnose, Selbsttests. Danach startet der nächste Zyklus.

Warum dieser Umweg über ein Abbild, statt direkt auf die Klemmen zuzugreifen? Aus zwei Gründen. Erstens bleibt der Eingangszustand während eines ganzen Programmdurchlaufs stabil — ein Eingang hat in jedem Netzwerk denselben Wert, egal wie oft er abgefragt wird. Das macht die Logik eindeutig. Zweitens ist der Zugriff auf den Speicher viel schneller als der ständige Zugriff auf die Hardware, was den Zyklus kurz hält.

Die Zeit für einen kompletten Durchlauf — Eingänge lesen, rechnen, Ausgänge schreiben, Betriebssystem — heißt Zykluszeit. Sie liegt bei typischen Steuerungsaufgaben oft im Bereich weniger Millisekunden, kann bei sehr großen Programmen aber auch länger werden. Je länger und je mehr verzweigt das Programm ist und je langsamer die CPU, desto größer die Zykluszeit.

Die Zykluszeit ist meist nicht exakt konstant. Je nachdem, welche Programmteile in einem Durchlauf tatsächlich durchlaufen werden, schwankt sie leicht. Damit eine SPS bei einem Programmfehler — etwa einer ungewollten Endlosschleife im Anwenderprogramm — nicht ewig in einem Zyklus hängenbleibt, überwacht eine Zykluszeitüberwachung (oft Watchdog genannt) die maximale Dauer. Wird sie überschritten, geht die Steuerung in den STOP-Zustand und meldet einen Fehler.

Aus der Zykluszeit folgt direkt die Reaktionszeit — also die Zeit zwischen einer Signaländerung am Eingang und der passenden Reaktion am Ausgang. Hier zeigt sich eine Streuung, die man verstehen muss:

Der Grund für die Streuung liegt im Prozessabbild. Ändert sich ein Signal kurz bevor das PAE eingelesen wird, kommt es noch im selben Zyklus an — die Reaktion erfolgt schnell. Ändert es sich kurz nachdem das PAE gelesen wurde, wird es im laufenden Zyklus übersehen und erst beim nächsten Einlesen erfasst — das kostet fast einen ganzen zusätzlichen Zyklus. Im ungünstigsten Fall summiert sich das auf etwa eine Zykluszeit plus die Programmlaufzeit bis zur Ausgabe. Die betragliche Differenz zwischen bestem und schlechtestem Fall entspricht damit genau einer Zykluszeit und beschreibt die maximale zeitliche Schwankung — den Jitter:

Der Zyklus und das Prozessabbild sind nicht bloß Theorie — sie erklären einige Effekte, über die man beim Programmieren leicht stolpert.

Ein Eingang ändert sich nicht „mittendrin“. Weil das PAE nur einmal am Zyklusanfang eingelesen wird, hat ein Eingang während des gesamten Programmdurchlaufs genau einen Wert. Eine Änderung an der Klemme während der Verarbeitung bleibt bis zum nächsten Zyklus unsichtbar. Das ist gewollt und macht die Logik eindeutig — man muss es aber wissen.

Beim Ausgang zählt nur die letzte Zuweisung. Wird derselbe Ausgang im Programm an mehreren Stellen beschrieben, überschreibt jede Zuweisung die vorige im PAA. Auf die Klemme geht am Zyklusende nur der Wert, der zuletzt ins PAA geschrieben wurde. Eine frühere, vielleicht logisch korrekte Zuweisung kann so wirkungslos werden — eine klassische Fehlerquelle bei doppelt verwendeten Ausgängen.

Sehr kurze Signale können verschwinden. Ist ein Eingangssignal kürzer als die Zykluszeit, kann es genau in das Fenster zwischen zwei Einlesevorgängen fallen und wird nie ins PAE übernommen. Die SPS „sieht“ es schlicht nicht. Bei langsamen Vorgängen ist das kein Thema, bei schnellen Impulsen — etwa von einem schnell laufenden Zählgeber — sehr wohl.

Dafür gibt es in der Praxis bewährte Lösungen. Sensorseitig lässt sich ein zu kurzer Impuls durch eine Signalverlängerung (eine Impulsverlängerung direkt im Sensor oder durch ein nachgeschaltetes Glied) auf mindestens eine Zykluszeit strecken, damit er sicher erfasst wird. Steuerungsseitig bieten moderne CPUs flankengetriggerte Hardware-Interrupts an: Statt auf das nächste zyklische Einlesen zu warten, löst das Signal sofort die Bearbeitung eines speziellen Programmteils (eines Alarm- bzw. Interrupt-Bausteins) aus, unabhängig vom normalen Zyklus. Für schnelle Zählaufgaben übernehmen außerdem spezielle Zählbaugruppen das Erfassen direkt in Hardware. Welcher Weg passt, hängt von der Aufgabe ab — die Details gehören in die jeweiligen Programmier- und Baugruppenthemen.

Direkter Peripheriezugriff als Ausnahme. Für Sonderfälle erlauben viele Steuerungen, einen Eingang oder Ausgang direkt — am Prozessabbild vorbei — anzusprechen. Das ist die Ausnahme für zeitkritische Stellen und sollte bewusst eingesetzt werden, weil es den Vorteil des stabilen Prozessabbilds für diese Adresse aufhebt.