Verriegelungen: UND- und ODER-Verknüpfung

In einer Werkstatt steht ein Motor mit Rechts- und Linkslauf. Würde jemand versehentlich beide Schütze gleichzeitig schließen, gäbe es einen Kurzschluss zwischen zwei Außenleitern — die Sicherung fliegt, im schlimmsten Fall mit Lichtbogen. Damit das nicht passiert, sperrt jedes Schütz die Spule des anderen. Das ist eine Verriegelung.

Eine Verriegelung ist eine Schaltung, die bestimmte Schaltzustände erzwingt oder verbietet. Sie ist eine logische Schicht in der Steuerung: sie sagt, unter welchen Bedingungen ein Schütz anziehen darf — und unter welchen es das auf keinen Fall darf. Wichtig ist die Abgrenzung zur Selbsthaltung:

• Eine Selbsthaltung „merkt sich“ einen Tastimpuls — sie hält den Aktor bestromt, nachdem der Start-Taster losgelassen wurde.
• Eine Verriegelung „erlaubt“ oder „verbietet“ einen Schaltzustand — sie prüft, ob bestimmte Bedingungen gerade gegeben sind.

Beide Bausteine werden in der Praxis fast immer kombiniert: eine selbsthaltende Schaltung mit Verriegelungen davor. Die Hardware für Verriegelungen sind dieselben Bauteile wie sonst in der Schützsteuerung:

• Schließerkontakte (NO, normally open) — leiten, wenn die Bedingung erfüllt ist
• Öffnerkontakte (NC, normally closed) — leiten, wenn die Bedingung NICHT erfüllt ist
• Hilfskontakte der Schütze — bilden die Rückmeldung, welcher Aktor gerade zieht

Mit diesen drei Elementen lassen sich alle Verriegelungslogiken aufbauen.

Damit ein Motor anlaufen darf, müssen oft mehrere Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein: Hauptschalter EIN, Not-Aus nicht betätigt, Schutztür geschlossen. Fehlt nur eine — kein Anlauf. Genau das ist die UND-Verknüpfung.

Bei der UND-Verknüpfung müssen ALLE Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein, damit der Ausgang schaltet. Im Stromlaufplan setzt man das als Reihenschaltung um: alle beteiligten Kontakte hintereinander im selben Strompfad, davor oder dahinter die Schützspule. Bevor wir die Logik in einer Tabelle anschauen, ein paar Vereinbarungen — was bedeuten in der Schützsteuerung die Werte 0 und 1?

Signalzustand in der Schützsteuerung:

• Logisch 1 = Kontakt leitet (Schließer geschlossen oder Öffner geschlossen) / Spule führt Strom und zieht
• Logisch 0 = Kontakt leitet nicht (Schließer offen oder Öffner offen) / Spule stromlos

Mit dieser Übersetzung wird die Wahrheitstabelle direkt zur Verhaltensbeschreibung der Schaltung. Im weiteren Verlauf steht in den Spalten für die Eingänge S1 und S2 also: 1 = Taster betätigt, sodass sein Schließer leitet; 0 = unbetätigt. Im Ausgang K1: 1 = Spule zieht an, 0 = Spule stromlos.

Für zwei Eingänge sieht das in der UND-Verknüpfung so aus:

K1 zieht nur, wenn S1 UND S2 gleichzeitig betätigt sind. Sobald auch nur ein kontakt offen ist, ist der Strompfad unterbrochen — K1 fällt ab.

Im Schaltbild nach IEC 60617 — zwei Schließer in Reihe vor der Spule K1:

Erweiterung auf mehr als zwei Bedingungen: jeder zusätzliche UND-Eingang wird einfach in den Strompfad in Reihe eingefügt. Drei, vier oder pfünf Bedingungen funktionieren genauso — jeder zusätzliche Schließer macht die Bedingung enger.

Häufige Verwendungen in der Praxis:

• „Anlage darf nur starten, wenn (Hauptschalter EIN) UND (Not-Aus nicht betätigt) UND (Schutztür geschlossen)“
• „Heizung darf nur einschalten, wenn (Temperaturwächter unter Maximum) UND (Druck im Sollbereich)“
• „Förderband 2 darf nur laufen, wenn (Förderband 1 läuft)“ — als Vorbedingung über den Hilfskontakt von K1

Eine Maschine soll von der Bedienstelle vorne und von der Bedienstelle hinten gestartet werden können — beide Tasten sollen den Motor starten. Oder ein Pumpenschütz soll anziehen, sobald entweder der Hand-Taster gedrückt ist oder ein Niveauschalter „voll“ meldet. Das ist die ODER-Verknüpfung.

Bei der ODER-Verknüpfung reicht es, wenn MINDESTENS EINE der Bedingungen erfüllt ist, damit der Ausgang schaltet. Im Stromlaufplan wird das als Parallelschaltung umgesetzt: die beteiligten Kontakte liegen parallel zueinander, der Strom kann durch jeden Zweig einzeln zur Spule fließen.

Wahrheitstabelle für zwei Eingänge:

K1 zieht, sobald wenigstens einer der Eingänge auf 1 steht. Nur wenn beide Eingänge 0 sind, bleibt K1 stromlos.

Im Schaltbild: zwei Schließer parallel, dahinter die Spule K1:

Auch hier lässt sich beliebig erweitern. Mehrere Befehlsstellen, mehrere Sensoren oder mehrere Hand-/Automatik-Wege werden einfach parallel geschaltet — der ganze Stromzweig wird „breiter“.

Typische Praxisfälle:

• Ein Aktor mit mehreren Befehlsstellen: vorderer Start-Taster ODER hinterer Start-Taster ODER Funkfernsteuerung
• Mehrere Auslöser für dasselbe Ergebnis: Hand-Schalter „Pumpe EIN“ ODER Niveauschalter „Becken voll“ ODER zentrale Anforderung von der übergeordneten Steuerung
• Mehrere Endlagen, die denselben Folgeschritt auslösen

In einer Wendeschützschaltung steuern zwei Schütze K1 (Rechtslauf) und K2 (Linkslauf) denselben Motor. Würden beide gleichzeitig anziehen, hätte man im Hauptstromkreis einen Kurzschluss zwischen zwei Außenleitern. Die elektrische Gegenmaßnahme ist die gegenseitige Verriegelung: jedes Schütz sperrt die Spule des anderen.

Eine gegenseitige Verriegelung verhindert, dass zwei Schütze gleichzeitig anziehen können. Das logische Prinzip lautet: K1 darf nur ziehen, wenn K2 NICHT zieht — und K2 darf nur ziehen, wenn K1 NICHT zieht. Das „NICHT“ wird mit Öffnerkontakten realisiert.

Konkret: im Strompfad zur Spule K1 liegt ein Öffnerkontakt des Schützes K2. Solange K2 stromlos ist, ist dieser Öffner geschlossen und der Strompfad frei. Sobald K2 zieht, öffnet der Kontakt und unterbricht den K1-Pfad. Genauso umgekehrt: im Strompfad zu K2 sitzt ein Öffner von K1.

Wahrheitstabelle der reinen Verriegelungslogik. S1 und S2 sind die Start-Bedingungen für K1 bzw. K2:

Die letzte Zeile zeigt den eigentlichen Knackpunkt: wenn beide Start-Bedingungen gleichzeitig anliegen, entscheidet die Reihenfolge des Anziehens. Welches Schütz minimal früher zieht, sperrt das andere aus. In sauberer Ausführung kombiniert man die elektrische Verriegelung deshalb mit einem Tasterverhalten, das ein gleichzeitiges Drücken unwahrscheinlich macht — und in kritischen Anwendungen mit einer mechanischen Verriegelung (siehe Kapitel 5).

Wichtige Anwendungsfälle für die gegenseitige Verriegelung:

• Wendeschützschaltung: zwei Drehrichtungen — die konkrete Schaltung wird in einem eigenen Beitrag behandelt; das logische Verriegelungs-Prinzip ist aber genau das hier gezeigte.
• Stern-Dreieck-Schaltung: Stern- und Dreieck-Schütz dürfen sich nicht überlappen — auch hier verriegeln sich beide gegenseitig.
• Zwei-Pumpen-Schaltung an einem gemeinsamen Auslass: beide Pumpen gleichzeitig würden gegen verschlossene Klappen pumpen — gegenseitige Verriegelung verhindert das.
• Wechselbetrieb mit Folgelogik: zwei Aggregate teilen sich eine Last, eines davon ist Reserve.

In einer echten Welt kommen UND- und ODER-Verknüpfungen kaum für sich allein vor. Eine typische Steuerung kombiniert sie: zwei Start-Taster ODER-verknüpft, dann eine ganze Reihe von Sicherheits-Bedingungen UND-verknüpft, dann eine Selbsthaltung, dann eine Verriegelung gegen das andere Schütz. Wie man so etwas sauber aufbaut, ist das Thema dieses Kapitels.

UND und ODER zusammen in einem Strompfad. Die Lesart bleibt einfach: Reihenschaltung = UND, Parallelschaltung = ODER. Wenn beides vorkommt, muss man die Klammern logisch nachzeichnen. Beispiel — Anlauf eines Förderbands:

(S_Start_vorne ODER S_Start_hinten ODER S_Start_Funk) UND (Not-Aus-Kette geschlossen) UND (Schutzgitter geschlossen) UND (Vorlauf-Schütz K1 schon angezogen)

Im Strompfad sieht das so aus: erst eine Parallelschaltung der drei Start-Taster, dahinter in Reihe die UND-Bedingungen, dann die Selbsthaltung über einen Hilfsschließer des Bandschützes, und am Ende die Spule.

Folgesteuerung — Anlauf in Reihenfolge. Eine sehr häufige Variante: zwei Aktoren dürfen nur in einer bestimmten Reihenfolge anlaufen. K2 darf nur ziehen, wenn K1 schon zieht. Realisiert wird das mit einem Schließerkontakt von K1 im Start-Strompfad von K2 — also einer UND-Verknüpfung mit der Vorbedingung „K1 ist aktiv“. Klassisches Beispiel: in einer Förderstraße startet zuerst das Band am Ende der Linie, dann das davor, dann das davor — nie umgekehrt, sonst wird Material aufgestaut. Diese Verschaltung wird auch Folgesteuerung genannt.

Ruhestromprinzip für Sicherheits-Bedingungen. Alles, was die Anlage stoppen muss — Not-Aus, Schutztür-Kontakt, thermischer Überlastschutz — wird über Öffnerkontakte in den Hauptstrompfad eingeschleift. Sind diese Öffner geschlossen (Ruhezustand), läuft die Anlage. Sobald einer öffnet oder ein Draht reißt, fällt die Anlage ab. Diese UND-Verknüpfung „alle Sicherheits-Kontakte geschlossen“ ist die Sicherheits-Kette.

Mechanische Verriegelung. Zwei Schütze gleicher Baugröße lassen sich mit einem mechanischen Verriegelungsbausatz koppeln. Das ist ein kleines Zusatzteil, das auf die Stirnseite der beiden Schütze geschraubt wird und das gleichzeitige Anziehen mechanisch ausschließt. Sie wirkt unabhängig von der elektrischen Verriegelung und fängt Fehler ab, die elektrisch nicht erkannt würden — zum Beispiel einen verklemmten Hauptkontakt bei intaktem Hilfskontakt. Bei Wendeschützschaltungen für mittlere und größere Motoren ist die Kombination aus elektrischer und mechanischer Verriegelung Stand der Technik.

Funktionale Sicherheit. Wenn die Verriegelung sicherheitsrelevant ist — etwa eine Schutztür-Überwachung an einer Maschine, die Personenschaden verursachen kann — kommt zusätzlich die funktionale Sicherheit ins Spiel. Performance Level, zweikanalige Auswertung, Sicherheitsschaltgerät und so weiter. Diese Aspekte werden in eigenen Sicherheits-Beiträgen ausführlich behandelt — hier nur als Erinnerung, dass eine „normale“ Verriegelung mit Öffnern allein für Sicherheitsfunktionen oft nicht reicht.