Grundlogik in KOP und FUP

Eine SPS arbeitet einen festen Ablauf ab: Sie liest die Eingänge ein, verarbeitet das Programm und gibt die Ergebnisse an die Ausgänge weiter. Dieser zyklische Ablauf und die Frage, wie Eingänge, Ausgänge und Merker adressiert werden, sind eigene Themen — hier setzen wir sie voraus. Wichtig für den Moment ist nur: Das Programm beschreibt, unter welchen Bedingungen ein Ausgang gesetzt wird. Genau diese Bedingungen formuliert man als logische Verknüpfung.

KOP, der Kontaktplan, lehnt sich an den klassischen Stromlaufplan an. Man liest ihn wie einen Schaltplan: Links eine senkrechte Linie (oft als Stromschiene gedacht), rechts der Ausgang. Dazwischen liegen Kontakte. Ist der Pfad von links nach rechts „durchgängig“ — also alle nötigen Kontakte geschlossen — dann wird der Ausgang aktiv. Wer Schaltpläne gewohnt ist, denkt hier in Strompfaden.

FUP, der Funktionsplan, lehnt sich an die Logikgatter der Digitaltechnik an. Hier werden Verknüpfungen als rechteckige Boxen dargestellt: eine Box für UND, eine für ODER und so weiter. Die Eingänge stehen links an der Box, das Ergebnis kommt rechts heraus. Wer aus der Elektronik kommt und Logikgatter kennt, fühlt sich hier sofort zuhause.

In beiden Sprachen läuft der Signalfluss von links nach rechts: links die Bedingungen (Eingänge, Merker), rechts das Ergebnis (Ausgang). Und beide werten dieselbe boolesche Verknüpfung aus — eine logische Aussage, die nur die Werte „wahr“ (1, Bedingung erfüllt) oder „falsch“ (0, nicht erfüllt) kennt. Ob man eine Bedingung als Reihe von Kontakten oder als Box mit Anschlüssen zeichnet, ändert nichts am Ergebnis. Es ist eine reine Frage der Darstellung — und oft auch des persönlichen oder firmeninternen Stils.

Die mathematischen Grundlagen dieser Verknüpfungen — wann eine UND- oder ODER-Verknüpfung welches Ergebnis liefert — sind im Beitrag zu den Logikgattern ausführlich behandelt. Hier konzentrieren wir uns ganz darauf, wie diese Verknüpfungen in KOP und FUP aussehen und wie man sie ineinander überführt.

Die UND-Verknüpfung ist die Bedingung „alles muss zusammenpassen“. Der Ausgang wird nur dann aktiv, wenn jede einzelne Bedingung gleichzeitig erfüllt ist. Fällt auch nur eine weg, bleibt der Ausgang aus.

Im KOP wird das zur Reihenschaltung: Die Kontakte liegen hintereinander im selben Strompfad. Der gedachte Strom kommt nur dann ganz nach rechts durch, wenn alle Kontakte auf dem Weg geschlossen sind. Ein einziger offener Accent unterbricht den Pfad — der Ausgang bleibt aus. Das deckt sich exakt mit der Vorstellung aus dem Stromlaufplan: zwei Schalter in Reihe, die Lampe leuchtet nur, wenn beide betätigt sind.

Im FUP wird dieselbe Bedingung zur UND-Box, gekennzeichnet mit dem Zeichen &. Alle beteiligten Signale werden links an die Box gelegt, rechts kommt das Ergebnis heraus. Die Box gibt nur dann eine 1 aus, wenn an allen Eingängen eine 1 anliegt.

Als boolescher Ausdruck geschrieben, mit zwei Eingängen E0.0 und E0.1 und dem Ausgang A0.0:

A0.0 = E0.0 UND E0.1

Beide Darstellungen nebeneinander zeigen am deutlichsten, dass es sich um dieselbe Logik handelt:

Die ODER-Verknüpfung ist die Bedingung „einer reicht“. Der Ausgang wird aktiv, sobald mindestens eine der Bedingungen erfüllt ist. Erst wenn keine einzige zutrifft, bleibt er aus.

Im KOP entsteht das durch die Parallelschaltung: Die Kontakte liegen in getrennten Zweigen nebeneinander, die sich am Ende wieder zusammenführen. Es reicht, wenn ein einziger Zweig durchgängig ist, damit der gedachte Strom rechts ankommt. Auch das kennt man aus dem Stromlaufplan: zwei Taster parallel, die Lampe leuchtet, sobald einer von beiden gedrückt wird.

Im FUP wird daraus die ODER-Box, gekennzeichnet mit ≥1 (gelesen: „größer oder gleich eins“). Das Zeichen sagt direkt aus, worum es geht: Sobald die Anzahl der Eingänge mit dem Wert 1 mindestens eins beträgt, wird der Ausgang 1.

Als boolescher Ausdruck:

A0.0 = E0.0 ODER E0.1

Wieder beide Darstellungen nebeneinander:

Bisher ging es um Kontakte, die schließen, wenn ihr Signal 1 wird — die Schließer (Arbeitskontakte). Oft braucht man aber das Gegenteil: Eine Bedingung soll erfüllt sein, wenn ein Signal nicht anliegt. Das ist die NICHT-Verknüpfung, auch Negation genannt.

Im KOP geschieht das mit dem Öffner (Ruhekontakt). Er ist im Ruhezustand durchgängig und unterbricht den Pfad, sobald sein Signal 1 wird — also genau umgekehrt zum Schließer. Im Kontaktplan erkennt man ihn am Querstrich durch das Kontaktsymbol. Ein Öffner an E0.2 bedeutet: Der Pfad ist an dieser Stelle durchgängig, solange E0.2 = 0 ist.

Im FUP wird die Negation durch einen kleinen Kreis am Eingang oder Ausgang der Box dargestellt. Liegt der Kreis am Eingang, wird das ankommende Signal vor der Verknüpfung umgedreht: Aus 0 wird 1 und umgekehrt. Liegt der Kreis am Ausgang, wird das Ergebnis der Box invertiert.

Als boolescher Ausdruck schreibt man die Negation häufig mit „NICHT“ oder einem Querstrich über der Variablen:

A0.0 = E0.0 UND NICHT E0.2

In Worten: Der Ausgang wird 1, wenn E0.0 = 1 ist und E0.2 = 0 ist. Genau so eine zusammengesetzte Verknüpfung — ein Schließer und ein negiertes Signal in UND-Verknüpfung — sieht in beiden Sprachen so aus:

Die einzelnen Verknüpfungen sind nun klar. In der Praxis treten sie aber selten allein auf — meist kombiniert man sie zu einer zusammengesetzten Bedingung. Genau hier zahlt es sich aus, beide Sprachen lesen zu können, denn oft liegt ein Programm in der einen Form vor und man muss es in der anderen denken.

Nehmen wir eine gemischte Verknüpfung:

A0.0 = (E0.0 UND E0.1) ODER E0.2

In Worten: Der Ausgang wird 1, wenn entweder E0.0 und E0.1 zusammen erfüllt sind, oder wenn E0.2 für sich allein 1 ist. Die runden Klammern legen die Auswertereihenfolge fest: Zuerst wird die UND-Verknüpfung in der Klammer ausgewertet, ihr Ergebnis geht anschließend in die ODER-Verknüpfung ein. Das ist dieselbe „Punkt-vor-Strich“-Idee wie beim Rechnen — nur dass hier UND kommt vor ODER.

Im KOP baut man das so auf: E0.0 und E0.1 liegen als Reihenschaltung (UND) in einem Zweig. Parallel dazu (ODER) liegt E0.2 in einem eigenen Zweig. Beide Zweige führen gemeinsam auf den Ausgang.

Im FUP entsteht eine kleine Kette von Boxen: Zuerst eine &-Box, die E0.0 und E0.1 verknüpft. Deren Ausgang geht zusammen mit E0.2 in eine ≥1-Box, deren Ausgang schließlich auf A0.0 führt. Man liest die Boxenkette von innen nach außen — genau in der Reihenfolge der Klammern.

Welche Sprache wann? Das ist meist Geschmack, Gewohnheit oder firmeninterne Vorgabe. KOP liegt nahe, wenn man aus der Schützsteuerung und vom Stromlaufplan herkommt — die parallele Denkweise zur Verdrahtung hilft beim Fehlersuchen direkt an der Anlage. FUP wird oft bevorzugt, wenn viele Verknüpfungen ineinandergreifen, weil die Boxenstruktur größere Logikblöcke übersichtlicher staffelt. Beide sind nach derselben Norm gleichberechtigt; viele Programmierumgebungen schalten sogar per Knopfdruck zwischen den Darstellungen um.

Eine kleine Transferaufgabe zum Mitdenken: Gegeben ist ein KOP-Netzwerk mit zwei parallelen Zweigen — im oberen liegen E0.0 und E0.1 als Schließer in Reihe, im unteren liegt ein einzelner Öffner an E0.3. Beide Zweige führen auf A0.0. Frage: Welche Boxen liegen im FUP am Ausgang, und wo sitzt die Negation? — Lösung: Der obere Zweig (Reihenschaltung) wird zur &-Box mit E0.0 und E0.1. Deren Ausgang geht zusammen mit E0.3 in eine ≥1-Box (die beiden parallelen Zweige). E0.3 erhält dabei einen Negationskreis am Eingang der ≥1-Box, weil es im KOP ein Öffner war. Am Ausgang der ≥1-Box liegt A0.0. Als Ausdruck: A0.0 = (E0.0 UND E0.1) ODER NICHT E0.3.