Zählerfunktionen (CTU, CTD, CTUD)

Stell dir ein Förderband vor, an dem fertige Teile vorbeilaufen. Ein Sensor meldet jedes Teil. Nach genau 24 Stück soll ein Schieber die Charge auf eine Palette schieben. Die Aufgabe klingt simpel: Ereignisse zählen, bei einem Sollwert reagieren. Genau das ist die Kernaufgabe eines Zählers.

Warum reicht dafür nicht einfach ein Merker, den man bei jedem Sensorsignal um eins erhöht? Das Problem steckt im zyklischen Programmablauf. Die SPS arbeitet ihr Programm immer wieder von oben nach unten ab, oft mehrere tausend Mal pro Sekunde. Solange der Sensor ein Teil meldet, liegt sein Signal über viele Zyklen hinweg an. Eine schlichte „+1″-Anweisung würde in jedem dieser Zyklen erneut ausgeführt — der Zählerstand würde regelrecht hochschießen, obwohl nur ein einziges Teil vorbeigelaufen ist.

Hier kommen die Zählerbausteine ins Spiel. Sie sind als genormte Funktionsbausteine nach IEC 61131-3 definiert: ein fertiges, in jeder Steuerung verfügbares Bauteil mit klar festgelegten Ein- und Ausgängen. Intern lösen sie das Zyklusproblem selbstständig, indem sie nur auf den Moment des Signalwechsels reagieren. Wie das genau funktioniert, klären wir im nächsten Kapitel.

Im vorigen Kapitel haben wir gesehen: Das eigentliche Problem ist, dass ein Signal über viele Zyklen anliegt. Die Lösung heißt Flankenauswertung.

Man muss zwei Dinge unterscheiden. Der Signalzustand ist der aktuelle Wert eines Eingangs — entweder 0 oder 1. Der Signalwechsel dagegen ist der Moment, in dem dieser Wert umschlägt. Wechselt ein Signal von 0 auf 1, spricht man von einer steigenden Flanke (auch positive Flanke). Der umgekehrte Wechsel von 1 auf 0 ist die fallende Flanke.

Ein Zähler reagiert nicht auf den Zustand, sondern auf die steigende Flanke am Zähleingang. Egal wie lange das Sensorsignal anschließend noch auf 1 bleibt — gezählt wird nur der eine Augenblick des Wechsels von 0 auf 1. Erst wenn das Signal zwischendurch wieder auf 0 zurückgegangen ist und dann erneut auf 1 steigt, zählt der Baustein wieder um eins weiter.

Diese Flankenerkennung steckt fest im Zählerbaustein eingebaut. Der Programmierer muss sich nicht selbst darum kümmern — er verbindet einfach das Signal mit dem Zähleingang, und der Baustein erledigt den Rest. Das folgende Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen Eingangssignal und gezählter Flanke über die Zeit.

Der CTU (Count Up) ist der einfachste der drei Zähler. Er zählt nur in eine Richtung: aufwärts. Jede steigende Flanke am Zähleingang erhöht den Zählerstand um eins.

Der Baustein hat folgende Anschlüsse:

So sieht das Bausteinsymbol aus:

Der Ablauf ist geradlinig. Bei jeder steigenden Flanke an CU erhöht sich der Current Value (CV) um eins. Sobald CV den Preset Value (PV) erreicht oder überschreitet, schaltet der Ausgang Q auf 1. Ein Signal am Reset-Eingang R setzt CV sofort wieder auf 0, womit auch Q zurückfällt.

Wichtig ist der Datentyp der Werte. Nach IEC 61131-3 sind PV und CV standardmäßig vom Typ INT (Integer, ganze Zahl). Ein INT umfasst den Wertebereich von −32768 bis +32767. Beim CTU stoppt der Zähler beim Erreichen der oberen Grenze und zählt nicht darüber hinaus — er läuft also nicht in den Unterlauf um. Trotzdem muss man den Bereich im Kopf haben: Wer mit großen Stückzahlen arbeitet, kann an diese Grenze stoßen und braucht dann einen Zähler mit größerem Datentyp (etwa DINT).

Der CTD (Count Down) arbeitet spiegelbildlich zum CTU: Er zählt abwärts. Statt von null hochzulaufen, beginnt er bei einem geladenen Startwert und zählt mit jeder Flanke herunter.

Der Ablauf beginnt mit dem Laden. Liegt ein Signal an LD an, wird der Vorgabewert PV in den Zählerstand CV übernommen — der Zähler wird also auf seinen Startwert gesetzt. Danach zählt jede steigende Flanke an CD den Wert um eins herunter. Erreicht CV den Wert 0 oder fällt darunter, schaltet Q auf 1.

Auch hier gelten PV und CV standardmäßig als INT mit dem Wertebereich −32768 bis +32767. Beim Abwärtszählen ist die untere Grenze von −32768 relevante: Der CTD stoppt dort und zählt nicht weiter nach unten.

Der CTUD (Count Up/Down) vereint beide Richtungen in einem einzigen Baustein. Er kann sowohl vorwärts als auch rückwärts zählen und besitzt entsprechend zwei Zähleingänge und zwei Ausgänge.

Der Baustein arbeitet mit einem gemeinsamen Zählerstand CV, den beide Zähleingänge beeinflussen: Eine Flanke an CU erhöht ihn, eine Flanke an CD verringert ihn. Die beiden Ausgänge melden jeweils ihre Grenze. QU wird 1, sobald CV den Vorgabewert PV erreicht (CV ≥ PV). QD wird 1, sobald CV auf 0 oder darunter fällt (CV ≤ 0).

Spannend wird es, wenn Reset und Load gleichzeitig anstehen. Nach IEC 61131-3 ist der Reset (R) dominant gegenüber dem Load (LD). Liegen also beide Signale zugleich an, gewinnt der Reset: CV wird auf 0 gesetzt, das Laden wird ignoriert. Da bei dominantem Reset der Zählerstand CV auf 0 erzwungen wird, schaltet in diesem Moment auch der Abwärts-Ausgang QD auf 1 (denn CV ≤ 0 ist erfüllt), während QU auf 0 fällt. Dieses Ausgangsverhalten muss man bei der Fehlersuche an der Anlage kennen — ein aktiver Reset führt nicht zu einem „neutralen“, sondern zu einem klar definierten Zustand mit gesetztem QD. Diese Vorrangregel ist kein Detail, sondern entscheidend: Ohne sie wäre das Verhalten bei widersprüchlichen Signalen nicht eindeutig vorhersehbar, und genau solche Situationen führen an Maschinen zu schwer auffindbaren Fehlern.

Wie beim CTU und CTD gelten PV und CV standardmäßig als INT mit dem Wertebereich −32768 bis +32767.

Die drei Bausteine sind schnell verstanden — die Tücken liegen wie so oft im Detail des Einsatzes.

Ein wichtiger Punkt ist das Verhalten nach einem Spannungsausfall. Ob ein Zählerstand erhalten bleibt oder verloren geht, hängt von der Remanenz ab — also davon, ob der Wert in einem spannungsausfallsicheren Speicherbereich liegt. Bei einer Stückzählung über eine ganze Schicht hinweg will man den Stand in der Regel behalten; bei einer Charge, die nach jedem Spannungsausfall ohnehin neu beginnt, eher nicht. Die Remanenz wird bei der Deklaration festgelegt und sollte bewusst gewählt werden.

Ebenso entscheidend ist eine durchdachte Reset-Strategie. Ein CTU ohne sinnvolles Reset zählt irgendwann gegen seine Obergrenze. Die Frage „Wann genau soll der Zähler auf null?“ gehört zu jeder Zählaufgabe dazu — beim Chargenwechsel, per Tastendruck, beim Anlagenstart.

Die häufigsten Fehler in der Praxis sind schnell aufgezählt: ein falsch gesetzter Vorgabewert PV, der den Q-Ausgang zu früh oder nie schalten lässt; ein fehlendes oder falsch verschaltetes Reset; und der bereits erwähnte Klassiker, ein Dauersignal statt eines flankenförmigen Signals am Zähleingang.

Zähler stehen außerdem selten allein. Häufig arbeiten sie mit Zeitfunktionen zusammen — etwa wenn nicht nur die Stückzahl, sondern auch ein Zeitfenster überwacht werden soll. Die Zeitbausteine sind ein eigenes Thema; hier genügt zu wissen, dass sich Zähler und Zeitglieder in einem Programm gut ergänzen.