Schrittketten und Ablaufsteuerung (GRAFCET)

Steuerungen lassen sich grob in zwei Welten einteilen.

Bei der Verknüpfungssteuerung hängt der Ausgang nur vom aktuellen Zustand der Eingänge ab. Ein Lüfter läuft, wenn der Schalter ein ist und die Temperatur über dem Grenzwert liegt — fertig. Es gibt keine Reihenfolge, keine „Vorgeschichte“. Dieselben Eingänge führen immer zum selben Ausgang.

Bei der Ablaufsteuerung ist das anders. Hier passiert etwas Schritt für Schritt, und welcher Ausgang gerade gesetzt wird, hängt davon ab, wo im Ablauf man sich befindet. Ein Startknopf bedeutet am Anfang „Spannzylinder ausfahren“, später im selben Ablauf bedeutet derselbe Zustand der Eingänge etwas völlig anderes. Der Ablauf hat einen inneren Zustand — er merkt sich, wie weit er ist.

Stell dir eine einfache Bohrvorrichtung vor: Werkstück einlegen, Start drücken, Werkstück spannen, Bohrer nach unten fahren, bohren, Bohrer hochfahren, entspannen, Werkstück entnehmen. Jeder dieser Punkte ist ein Schritt. Erst wenn der vorige fertig ist, geht es weiter.

Man könnte versuchen, so etwas mit lauter Selbsthaltungen und Verriegelungen zusammenzubauen. Bei drei Schritten geht das noch. Bei pfünfzehn Schritten mit Parallelabläufen wird daraus ein Knäuel, das niemand mehr durchschaut und das im Störfall kaum zu diagnostizieren ist. Genau hier setzt die Schrittkette an: Sie macht den Ablauf sichtbar und sauber gegliedert.

GRAFCET ist die genormte grafische Darstellung für Ablaufsteuerungen (festgelegt in der ÖNORM EN 60848). Der Name kommt aus dem Französischen, aber wichtig ist nur: GRAFCET beschreibt einen Ablauf so eindeutig, dass jede Fachkraft dasselbe darunter versteht — egal welche Steuerung am Ende verwendet wird.

Ein GRAFCET besteht im Kern aus drei Bausteinen.

Ein Schritt ist ein Zustand des Ablaufs. Er wird als Quadrat mit einer Nummer gezeichnet. Ein Schritt ist entweder aktiv oder inaktiv. Solange er aktiv ist, gelten die Aktionen, die ihm zugeordnet sind (mehr dazu in Kapitel 3). Einen besonderen Schritt gibt es immer: den Anfangsschritt (auch Initialschritt). Er wird mit einem doppelten Rahmen gezeichnet und ist beim Start der Anlage als einziger aktiv.

Eine Transition ist der Übergang von einem Schritt zum nächsten. Sie wird als kurzer Querstrich auf der Verbindungslinie gezeichnet. Neben jeder Transition steht die Transitionsbedingung — eine logische Bedingung, die erfüllt sein muss, damit weitergeschaltet wird (z. B. „Endlage unten erreicht“ oder „Start gedrückt“).

Die gerichteten Wirkverbindungen sind die Linien zwischen Schritten und Transitionen. Sie laufen von oben nach unten. Schritt, Transition, Schritt, Transition — immer im Wechsel. Zwei Schritte hängen nie direkt aneinander; dazwischen liegt immer eine Transition. Genauso liegt zwischen zwei Transitionen immer ein Schritt.

Jetzt zum Herzstück — wie das Weiterschalten genau funktioniert. Das läuft zweistufig ab, und beide Stufen müssen zusammenkommen:

• Eine Transition ist freigegeben, wenn alle unmittelbar vor ihr liegenden Schritte aktiv sind.
• Die Transition löst aus, wenn sie freigegeben ist und ihre Transitionsbedingung erfüllt ist.

Im selben Moment des Auslösens passiert beides gleichzeitig: Der vorangehende Schritt wird deaktiviert und der nachfolgende Schritt wird aktiviert. Eine erfüllte Transitionsbedingung allein bewirkt also gar nichts, solange die Transition nicht auch freigegeben ist — der Vorgängerschritt muss aktiv sein. Dieser Unterschied klingt zunächst spitzfindig, ist aber der Schlüssel zum Verständnis. Spätestens bei Parallelzweigen (Kapitel 4) entscheidet genau diese Freigabe-Regel darüber, ob ein Ablauf korrekt synchronisiert.

Ein Schritt allein bewirkt noch nichts in der Anlage. Erst die Aktion, die ihm zugeordnet ist, setzt etwas in Gang — ein Ventil ansteuern, einen Motor einschalten, einen Ausgang setzen. Gezeichnet wird die Aktion als Rechteck, das rechts an den Schritt angehängt wird.

GRAFCET nach EN 60848 kennt mehrere Aktionsarten, und es lohnt sich, sie sauber auseinanderzuhalten, weil sie sich im Verhalten deutlich unterscheiden.

Die kontinuierliche Aktion ist genau nicht gespeichert: Sie ist aktiv, solange der zugehörige Schritt aktiv ist, und endet automatisch, sobald der Schritt verlassen wird. „Solange Schritt 2 aktiv ist, fährt der Bohrer nach unten“ — verlässt der Ablauf Schritt 2, hört das Verfahren auf. Das ist der Normalfall und der häufigste Aktionstyp.

Eine kontinuierliche Aktion kann zusätzlich eine Zuweisungsbedingung bekommen: Dann wirkt sie nur, solange der Schritt aktiv und eine zusätzliche Bedingung erfüllt ist. Damit lässt sich eine Aktion innerhalb eines Schrittes noch feiner steuern.

Die gespeicherte Aktion verhält sich anders. Sie wird zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgelöst und bleibt danach bestehen — unabhängig davon, ob der Schritt noch aktiv ist. Typische Auslöse-Zeitpunkte sind die Schrittaktivierung (beim Betreten des Schrittes), die Schrittdeaktivierung (beim Verlassen) oder ein Ereignis. Ein Stückzähler, der bei Eintritt in einen Schritt um eins erhöht wird, ist ein klassisches Beispiel: Der Zählwert bleibt erhalten, auch wenn der Schritt längst weitergeschaltet hat.

Und schließlich die zeitabhängigen Aktionen, ohne die in der Praxis fast keine reale Anlage auskommt. Eine verzögerte Aktion wird erst nach Ablauf einer eingestellten Zeit ab Schrittaktivierung wirksam. Eine zeitbegrenzte Aktion wird sofort wirksam, schaltet sich aber nach einer festgelegten Zeit selbst wieder ab — etwa „Auswerfer für 2 Sekunden ansteuern“.

Bisher lief alles linear: ein Schritt nach dem anderen. Echte Abläufe verzweigen sich aber. GRAFCET kennt dafür zwei grundlegend verschiedene Verzweigungen, und sie zu verwechseln ist eine der häufigsten Fehlerquellen.

Die Alternativverzweigung ist ein ODER: Aus einem Schritt gehen mehrere mögliche Wege ab, aber nur einer wird genommen. Welcher, entscheiden die Transitionsbedingungen am Anfang der Zweige. Gezeichnet wird sie mit einer einfachen waagrechten Linie. Beispiel: Nach der Prüfung geht ein Gutteil nach links zum Auswurf „i. O.“, ein Schlechtteil nach rechts zum Ausschuss. Es kann immer nur eine der beiden Transitionen auslösen. Damit das eindeutig bleibt, müssen sich die Bedingungen der Alternativen gegenseitig ausschließen.

Die Parallelverzweigung (auch Simultanverzweigung) ist ein UND: Mehrere Stränge laufen gleichzeitig ab. Gezeichnet wird sie mit einer doppelten waagrechten Linie. Wenn die Transition vor der Doppellinie auslöst, werden alle parallelen Zweige gleichzeitig gestartet. Beispiel: Nach dem Spannen läuft gleichzeitig der Bohrvorgang an Position A und das Fräsen an Position B.

Der entscheidende — und oft übersehene — Punkt ist das Wiederzusammenführen, die Synchronisation der Simultanzweige. Auch die Zusammenführung wird mit einer Doppellinie gezeichnet. Und hier greift die Freigabe-Regel aus Kapitel 2 voll durch: Die Transition nach der zusammenführenden Doppellinie ist erst dann freigegeben, wenn alle parallelen Zweige ihren jeweiligen Endschritt erreicht haben. Erst wenn jeder Zweig „fertig“ ist und zusätzlich die Transitionsbedingung stimmt, geht es gemeinsam weiter. Der schnellere Zweig wartet also am Ende auf den langsameren. Genau deshalb war die Freigabe-Regel so wichtig: Sie ist der Mechanismus, der das Warten erzwingt.

Zwei weitere nützliche Konstrukte: Ein Sprung führt von einer Transition zu einem weiter entfernten Schritt, statt linear weiterzulaufen — praktisch, um Teile des Ablaufs zu überspringen. Eine Schleife führt zu einem früheren Schritt zurück, etwa um einen Vorgang zu wiederholen, bis eine Stückzahl erreicht ist.

Ein GRAFCET ist sprachneutral. Es sagt, was in welcher Reihenfolge passieren soll, aber nicht, mit welcher Steuerung. Genau das ist seine Stärke: Dasselbe Diagramm lässt sich in jede SPS übertragen.

Der gängigste Weg ist die Umsetzung als Schrittkette: Jeder Schritt bekommt ein eigenes Bit (einen Merker). Genau ein Schritt-Bit ist zu jedem Zeitpunkt gesetzt — das ist der aktive Schritt. Das Weiterschalten folgt direkt der Freigabe-Regel aus Kapitel 2: Wenn das Bit des aktuellen Schrittes gesetzt ist (Transition freigegeben) und die Transitionsbedingung wahr ist, dann wird das Bit des Folgeschrittes gesetzt und das Bit des aktuellen Schrittes zurückgesetzt. Das ist nichts anderes als ein Setzen/Rücksetzen-Paar pro Übergang.

Die Aktionen hängen man dann an die Schritt-Bits: „Solange Schritt-Bit 2 gesetzt ist, setze den Ausgang Bohrer-abwärts“ entspricht genau der kontinuierlichen Aktion. Gespeicherte und zeitabhängige Aktionen werden über Setz-/Rücksetz-Befehle und Timer-Bausteine abgebildet.

In der Norm ÖNORM EN 61131-3 gibt es mit der Ablaufsprache (AS) sogar eine SPS-Programmiersprache, die GRAFCET-ähnliche Strukturen direkt abbildet — das ist aber ein eigens Thema (siehe den Beitrag zu den Programmiersprachen nach IEC 61131-3 mit KOP, FUP, AWL, ST und AS). Ebenso werden die einzelnen Logik-Bausteine wie Selbsthaltung und Verriegelung in der SPS dort vertieft, wo sie eigens behandelt sind; hier genügt es zu wissen, dass das Schrittketten-Prinzip auf genau diesen Bausteinen aufsetzt.

Der praktischer Gewinn dieser Umsetzung ist enorm: Weil jeder Schritt ein eigenes Bit hat, sieht man im laufenden Betrieb sofort, wo der Ablauf gerade steht. Hängt eine Anlage, zeigt das gesetzte Schritt-Bit direkt, in welchem Schritt sie klemmt — ideal für die Diagnose und Wartung. Auch Erweiterungen sind sauber möglich: Einen zusätzlichen Schritt fügt man ein, ohne die übrige Logik umzubauen. Für Hand- und Tippbetrieb ergänzt man üblicherweise einen separaten Betriebsarten-Teil, und beim Anlagenstart sorgt eine Initialisierung dafür, dass nur der Anfangsschritt gesetzt ist und alle anderen Schritt-Bits zurückgesetzt sind.