Bewegungsdiagramm und Steuerkette

Bevor man einen Ablauf steuern kann, muss man ihn eindeutig aufschreiben können. Stell dir eine Anlage mit zwei Zylindern vor. Würde man die Bewegungen nur mit Worten beschreiben — „der vordere fährt raus, dann der seitliche, dann der vordere wieder rein“ — wird das schnell unübersichtlich. Deshalb arbeitet man mit einer festen Systematik.

Auf Schaltplänen und in der Anlagendokumentation werden Bauteile nach einer genormten Betriebsmittelkennzeichnung mit einem Buchstaben-Code gekennzeichnet (EN IEC 81346-2). Ein Zylinder als Antrieb bekommt zum Beispiel das Kennzeichen -MM1, ein zugehöriger Sensor -BG1 und -BG2. Diese Kennzeichnung findest du an realen Anlagen und in professionellen Plänen. Du musst sie lesen und zuordnen können.

Für die Beschreibung des reinen Bewegungsablaufs ist dieser Code aber zu sperrig. Hier hat sich eine kompakte Schreibweise durchgesetzt: Die Zylinder heißen A, B, C und so weiter. Ein Zustandszeichen dahinter zeigt die Bewegungsrichtung:

• A+ bedeutet: Zylinder A fährt aus.
• A− bedeutet: Zylinder A fährt ein.

Ein typischer Ablauf liest sich dann als Kette von Schritten:

A+ B+ A− B−

Das heißt: A fährt aus, dann B aus, dann A ein, dann B ein. Vier Schritte, danach beginnt der Zyklus von vorne. Beide Schreibweisen meinen dieselben Bauteile — die Norm-Kennzeichnung für den Plan, die Kurzform für den Ablauf.

Endlagen abfragen. Jeder Zylinder hat zwei Endlagen: ganz eingefahren und ganz ausgefahren. An beiden sitzt meist ein Endschalter oder Näherungssensor, der meldet, ob der Kolben dort angekommen ist. Diese Endlagensignale bekommen den Kleinbuchstaben des Zylinders mit einer Ziffer:

• a0 — Zylinder A is in der hinteren Endlage (eingefahren).
• a1 — Zylinder A ist in der vorderen Endlage (ausgefahren).

Für B entsprechend b0 und b1. Diese Sensoren sind später die Auslöser für den nächsten Schritt — merk dir das schon hier.

Der Signalzustand: 0 oder 1. Ein Sensor kennt nur zwei Zustände. Entweder der Kolben steht genau an seiner Position, dann ist der Sensor betätigt und gibt ein Signal — das ist der Zustand 1 (betätigt, „High“). Oder der Kolben ist woanders, dann ist der Sensor unbetätigt, Zustand 0 (unbetätigt, „Low“).

Wichtig ist die genaue Zuordnung von mechanischer Position zu Signal: Wenn Zylinder A ausgefahren ist, liefert a1 = 1 und a0 = 0. Fährt A ein, kippt es um: a0 = 1, a1 = 0. Während der Kolben unterwegs ist, sind kurzzeitig beide 0 — kein Endschalter ist betätigt. Genau diese 0/1-Logik braucht man später, um zu verstehen, welches Signal welchen Schritt freigibt.

Was ist die Steuerkette? Den Begriff Steuerkette klären wir hier nur grob, ausführlich kommt er in Kapitel 3. Gemeint ist die durchgehende Wirkungsfolge vom auslösenden Signal über das Ventil bis zur Bewegung des Zylinders. Das Bewegungsdiagramm ist die Beschreibung des gewünschten Ablaufs, die Steuerkette ist der Wirkungsweg, der diesen Ablauf in der Anlage tatsächlich herstellt.

Das Bewegungsdiagramm bringt den Schrittablauf in eine grafische Form: Auf der waagrechten Achse stehen die Schritte, auf der senkrechten der Weg jedes Zylinders zwischen eingefahren und ausgefahren. Man sieht auf einen Blick, welcher Zylinder in welchem Schritt seine Stellung ändert und welcher steht.

Die ausführliche Darstellung — Aufbau, Linienführung, der Unterschied zwischen Weg-Schritt- und Weg-Zeit-Diagramm — ist ein eigenes Thema und wird im Beitrag „Weg-Schritt- und Weg-Zeit-Diagramm“ behandelt. Hier geht es nur darum, aus dem Diagramm den Ablauf herauszulesen und ihn mit der Bewegungsfolge zu verknüpfen.

Für unseren Beispielablauf A+ B+ A− B− lässt sich der Zustand der beiden Zylinder pro Schritt einfach als Tabelle festhalten. „aus“ heißt ausgefahren (Endlage 1), „ein“ heißt eingefahren (Endlage 0):

So liest man das Diagramm: In jedem Schritt ändert genau ein Zylinder seine Lage, der andere bleibt stehen. Nach Schritt 4 ist wieder der Startzustand erreicht — der Zyklus kann von vorne beginnen. Diese Tabelle ist die Brücke zwischen dem Bild und der Steuerung: Jede Zeile ist ein Schritt, und der Wechsel von einer Zeile zur nächsten muss durch ein Signal ausgelöst werden. Genau das ist Thema der nächsten Kapitel.

Jetzt zum Kern. Eine Bewegung entsteht in der Pneumatik nicht von selbst — sie ist das Ende einer Wirkungskette aus mehreren Gliedern. Diese Kette nennt man Steuerkette. Sie beschreibt, wie ein Signal über mehrere Stufen bis zur fertigen Bewegung durchläuft.

Die Steuerkette hat drei Hauptglieder, immer in derselben Reihenfolge:

• Das Signalglied ist der Geber. Hier entsteht das Eingangssignal: ein Endschalter, ein Näherungssensor oder ein von Hand betätigter Taster. Das Signalglied meldet einen Zustand, zum Beispiel „Zylinder A hat die vordere Endlage erreicht“ (a1 = 1).
• Das Steuerglied ist das Ventil. Es verarbeitet das Signal und schaltet den Weg der Druckluft um. Bekommt das Steuerglied das Signal, leitet es die Luft auf die richtige Zylinderseite.
• Das Arbeitsglied (auch Stellglied) ist der Zylinder. Er setzt die Druckluft in Bewegung und Kraft um. Das ist das sichtbare Ergebnis am Ende der Kette.

Der Energiefluss läuft vom Steuerglied zum Arbeitsglied: Die Druckluft als Energieträger wird vom Ventil zum Zylinder geleitet. Der Signalfluss läuft davor: vom Signalglied zum Steuerglied. Das Signal trägt fast keine Leistung, es entscheidet nur über die Richtung — wie ein Lichtschalter, der selbst kaum Strom führt, aber einen starken Verbraucher freigibt.

Das eigentlich Wichtige ist, wie sich die Kette schließt. Wenn der Zylinder seine neue Endlage erreicht, betätigt er dort einen Endschalter. Dieser Endschalter ist selbst wieder ein Signalglied — und zwar das Signalglied für den nächsten Schritt. So entsteht eine durchlaufende Folge:

Signal → Ventil → Bewegung → neue Endlage erreicht → neues Signal → nächstes Ventil → …

Jeder Schritt meldet über seine erreichte Endlage „ich bin fertig“ und gibt damit den folgenden Schritt frei. Aus den drei Gliedern wird so eine fortlaufende Ablaufsteuerung, in der ein Schritt den nächsten anstößt.

Jetzt fügen wir beide Werkzeuge zusammen. Gegeben ist der gewünschte Bewegungsablauf — bei uns A+ B+ A− B−. Daraus muss eine konkrete Steuerung werden, die weiß, welcher Endschalter welches Ventil schaltet.

Der methodische Trick ist die Schalttabelle: eine Tabelle, in der jedem Schritt das auslösende Signal (die Bedingung) und die ausgelöste Aktion gegenübergestellt wird. Sie ist die Brücke vom Diagramm zur fertigen Schaltung — und übrigens auch zum SPS-Programm, falls die Steuerung elektronisch umgesetzt wird.

Man liest die Schritt-Tabelle aus Kapitel 2 und überlegt für jeden Schritt: Welche Endlage ist gerade erreicht worden (Bedingung)? Und was soll daraufhin passieren (Aktion)?

So liest sich die Tabelle: Der Start braucht eine zusätzliche Freigabe (Taster), damit die Anlage nicht von allein losläuft. Danach löst jede erreichte Endlage die nächste Bewegung aus. Die Bedingung in jeder Zeile ist genau das Signalglied der Steuerkette aus Kapitel 3, die Aktion ist die Umschaltung des passenden Steuerglieds.

Quittierung. Wichtig ist das Prinzip, dass ein Schritt erst startet, wenn der vorige nachweislich abgeschlossen ist. Die erreichte Endlage ist die Quittung „Schritt erledigt“. Erst diese Rückmeldung gibt den nächsten frei. Eine solche wegabhängige Steuerung ist sicherer als eine rein zeitgesteuerte, weil sie nicht blind nach Ablauf einer Zeit weiterschaltet, sondern prüft, ob die Bewegung wirklich passiert ist.

Wo es schwierig wird. In manchen Abläufen will ein Endschalter zwei verschiedene Dinge auslösen — je nachdem, an welcher Stelle im Zyklus man sich befindet. Dann liefert ein Signal eine widersprüchliche Anweisung, und die einfache Schalttabelle reicht nicht mehr. Dieses Problem heißt Signalüberschneidung, und die Verfahren, es zu lösen — die Kaskandenschaltung und die Schrittkettenmethode — sind jeweils eigene, größere Themen. Hier genügt das Bewusstsein: Sobald ein Signal mehrdeutig wird, braucht es ein methodisches Werkzeug, um die Schritte sauber zu trennen.

Zum Schluss führen wir alles an einem durchgehenden Beispiel zusammen. Eine einfache Hubvorrichtung soll Werkstücke von einem unteren auf ein oberes Band umsetzen. Zwei Zylinder genügen:

• Zylinder A ist der Hubzylinder. Er hebt das Werkstück an.
• Zylinder B ist der Schiebezylinder. Er schiebt das angehobene Werkstück auf das obere Band.

Der gewünschte Ablauf: anheben, schieben, absenken, zurückschieben. In Kurzform:

A+ B+ A− B−

Schritt 1 — Bezeichnungen festlegen (aus Kapitel 1). Endlagen: a0/a1 für unten/oben des Hubzylinders, b0/b1 für hinten/vorn des Schiebers. In Grundstellung ist A unten (a0 = 1) und B zurückgezogen (b0 = 1).

Schritt 2 — Bewegungsdiagramm/Schritt-Tabelle (aus Kapitel 2).

Beachte: In Schritt 3 fährt der Hubzylinder ab, während der Schieber noch vorn steht. Das ist gewollt — das Werkstück liegt dann schon auf dem oberen Band, der Heber wird darunter weggezogen.

Schritt 3 — Steuerkette (aus Kapitel 3). Für Schritt 1 heißt das konkret: Starttaster und a0 sind das Signalglied, das Ventil von Zylinder A ist das Steuerglied, der Hubzylinder das Arbeitsglied. Erreicht A oben die Endlage a1, wird daraus das Signalglied für Schritt 2.

Schritt 4 — Schalttabelle (aus Kapitel 4).

Damit ist der Bogen geschlossen: Aus der gewünschten Bewegung wurde eine Bezeichnungssystematik, daraus ein lesbares Diagramm, daraus die Steuerkette und schließlich eine Schalttabelle, die man direkt in eine Verschaltung oder ein Steuerungsprogramm überträgt.