Funktionsdiagramme: Weg-Schritt- und Weg-Zeit-Diagramm

Stell dir eine kleine Anlage vor: zwei doppeltwirkende Zylinder, A und B. Ein Teil wird eingespannt (Zylinder A fährt aus), dann wird es bearbeitet (Zylinder B fährt aus und wieder ein), zum Schluss wird gelöst (Zylinder A fährt ein). Vier Bewegungen, in einer festen Reihenfolge. Diese Anlage begleitet uns durch den ganzen Beitrag.

Wie hält man so einen Ablauf fest? Man könnte ihn in Sätzen aufschreiben. Bei vier Schritten geht das noch, bei zwanzig wird es unübersichtlich. Das Funktionsdiagramm macht den Ablauf grafisch sichtbar — auf einen Blick erkennbar, welches Arbeitsglied sich wann in welchem Zustand befindet.

Ein paar Begriffe vorab:

• Arbeitsglied – das bewegte Bauteil, das die Arbeit verrichtet. In unserem Fall die beiden Zylinder A und B.
• Zustand – die Stellung eines Arbeitsglieds. Bei einem Zylinder gibt es zwei: eingefahren und ausgefahren. Im Diagramm werden diese meist mit 0 (eingefahren) und 1 (ausgefahren) bezeichnet.
• Schritt – ein Abschnitt des Ablaufs, in dem eine Zustandsänderung passiert. Nach jedem Schritt hat sich mindestens ein Arbeitsglied bewegt.

Für die einzelnen Bewegungen hat sich eine kurze Schreibweise eingebürgert: Der Buchstabe steht für den Zylinder, das Vorzeichen für die Richtung. A+ heißt „Zylinder A fährt aus“, A− heißt „Zylinder A fährt ein“. Unser Beispielablauf lautet damit kompakt:

A+ B+ B− A−

Das liest man als: A ausfahren, B ausfahren, B einfahren, A einfahren. Diese Notation ist in der gesamten Pneumatik gebräuchlich und taucht in jedem Funktionsdiagramm wieder auf.

Wichtig zur Einordnung: Die grafische Darstellung der zugehörigen Schaltpläne ist in Österreich über ÖNORM EN ISO 1219-2 geregelt — das ist die Norm für Schaltpläne und die Kennzeichnung der Bauteile darin. Das Funktionsdiagramm selbst ist eine Ablaufdarstellung und ergänzt den Schaltplan: Der Plan zeigt die Verschaltung, das Diagramm den zeitlichen und logischen Ablauf. In der Praxis gehören beide zur Dokumentation einer Anlage zusammen.

Das Weg-Schritt-Diagramm ist die am häufigsten verwendete Form. Der Name verrät den Aufbau: Auf der senkrechten Achse trägt man den Weg auf — also den Zustand des Arbeitsglieds (eingefahren/ausgefahren bzw. 0/1). Auf der waagrechten Achse stehen die Schritte, durchnummeriert.

Der entscheidende Punkt: Die Schritte sind alle gleich breit. Es spielt keine Rolle, ob ein Zylinder für seine Bewegung eine Zehntelsekunde oder drei Sekunden braucht — im Diagramm bekommt jeder Schritt dieselbe Breite. Das Weg-Schritt-Diagramm zeigt die Reihenfolge, nicht die Dauer.

Für jedes Arbeitsglied gibt es eine eigene Zeile. Die Bewegung wird als Linie eingetragen: Bleibt der Zustand gleich, läuft die Linie waagrecht. Ändert sich der Zustand, steigt oder fällt sie zwischen zwei Schritten — meist als schräge Linie, weil die Bewegung ja eine gewisse Zeit dauert.

So sieht unser Beispielablauf A+ B+ B− A− als Weg-Schritt-Diagramm aus:

So liest man das Diagramm Schritt für Schritt:

• Schritt 1: Zylinder A geht von 0 auf 1 — er fährt aus (A+). B bleibt unten.
• Schritt 2: A bleibt oben (ausgefahren), B geht von 0 auf 1 — B fährt aus (B+).
• Schritt 3: A bleibt oben, B geht von 1 auf 0 — B fährt ein (B−).
• Schritt 4: A geht von 1 auf 0 — A fährt ein (A−). B bleibt unten.

Nach Schritt 4 ist die Anlage wieder im Ausgangszustand, der Zyklus kann von vorn beginnen. Genau diese geschlossene Schleife sieht man im Diagramm sofort: Anfang und Ende stehen auf gleicher Höhe.

Das Weg-Zeit-Diagramm ist auf den ersten Blick fast identisch — gleiche senkrechte Achse, gleiche Zeilen pro Arbeitsglied. Der Unterschied steckt in der waagrechten Achse: Statt gleich breiter Schritte steht dort jetzt die Zeit, maßstäblich in Sekunden.

Damit ändert sich die Aussage grundlegend. Eine Bewegung, die lange dauert, wird breit dargestellt; eine schnelle Bewegung schmal. Wo im Weg-Schritt-Diagramm jeder Schritt gleich aussah, sieht man jetzt echte Geschwindigkeitsunterschiede, Wartezeiten und — besonders wichtig — ob sich zwei Bewegungen zeitlich überschneiden.

Hier dasselbe Beispiel A+ B+ B− A−, aber zeitmaßstäblich. Angenommen, A fährt langsam aus (lange Zeit), B bewegt sich schneller, und am Ende fährt A wieder gemächlich ein:

Jetzt erzählt das Diagramm mehr: Man sieht, dass A für sein Ausfahren rund 1,5 Sekunden braucht, B dagegen nur eine halbe Sekunde für Aus- und wieder Einfahren. Die flacheren Linien bei A bedeuten eine langsamere Bewegung, die steilen Linien bei B eine schnelle. Solche Unterschiede gehen im Weg-Schritt-Diagramm völlig verloren.

Der direkte Vergleich beider Darstellungen:

Bis hierher zeigen unsere Diagramme nur, was die Zylinder tun. Offen bleibt: Wodurch wird der nächste Schritt ausgelöst? In einer realen Anlage passiert nichts von selbst. Jeder Schritt wird durch ein Signal angestoßen — meist durch einen Endschalter, der meldet, dass der vorige Schritt fertig ist.

Dafür ergänzt man das Funktionsdiagramm um Signallinien. Unter den Wegkurven der Arbeitsglieder zeichnet man zusätzliche Zeilen für die Signalgeber: Endschalter, Taster, Ventile. Diese Signale kennen nur zwei Zustände — betätigt (1) oder nicht betätigt (0) — und werden als rechteckige Linienzüge dargestellt.

Die Steuerkette ist die logische Verknüpfung dahinter: Endschalter meldet „A ist ausgefahren“ → dieses Signal schaltet das Ventil für B → B fährt aus. Im Diagramm zieht man von der Stelle, an der ein Signal entsteht, eine dünne Verbindungslinie (Wirklinie) zu der Bewegung, die es auslöst. So wird sichtbar, dass nicht die Zeit den nächsten Schritt bestimmt, sondern das Erreichen der vorigen Endlage.

Oft genügt ein einzelnes Signal aber nicht. Zwei typische Fälle:

• UND-Verknüpfung: Eine Bewegung soll erst starten, wenn mehrere Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind — zum Beispiel: Starttaster gedrückt und Schutztür geschlossen und Zylinder A in Endlage. Grafisch führt man alle beteiligten Signallinien an einem gemeinsamen Verknüpfungspunkt zusammen; erst wenn alle dort den Zustand 1 haben, läuft die Wirklinie weiter zur Bewegung.
• ODER-Verknüpfung: Eine Bewegung soll starten, wenn eine von mehreren Bedingungen erfüllt ist — etwa: auslösen durch Taster am Bedienpult oder durch Fußschalter. Auch hier laufen die Signallinien an einem Verknüpfungspunkt zusammen, aber es reicht, wenn eine davon auf 1 geht.

Mit diesen Verknüpfungspunkten lässt sich auch ein verzweigter Ablauf vollständig im Diagramm abbilden — nicht nur stures Abarbeiten Schritt für Schritt, sondern echte Bedingungen.

Im Bild oben fährt Zylinder B erst aus, wenn beide Bedingungen erfüllt sind: Der Starttaster S1 ist gedrückt und der Endschalter a1 meldet, dass A seine Endlage erreicht hat. Erst wenn beide Signale am Verknüpfungspunkt (&) auf 1 stehen, läuft die Wirklinie weiter und löst B+ aus.

Hier geht es ausschließlich um die Darstellung solcher Bedingungen im Funktionsdiagramm. Wie UND- und ODER-Verknüpfungen pneumatisch tatsächlich aufgebaut werden — also mit welchen Ventilen man sie schaltet — ist ein eigenes Thema und wird gesondert behandelt. Auch die konkrete Verschaltung mit Ventilen gehört zur Schaltungstechnik: sowohl rein pneumatisch über Wegeventile als auch elektropneumatisch über Magnetventile und Relais. Das Funktionsdiagramm ist die Brücke dorthin — es legt fest, was die Steuerung leisten soll, der Schaltplan setzt dann das Wie um.