Wenn Steuerungen die Grafcet-Norm „verstehen“:

Ein Wunsch wird wahr

Bei vielen Anwendungen ist das Grafcet-Programmiersystem eine sehr elegante Lösung. Optimal geeignet sind alle kleinen und mittleren Ablaufsteuerungen z.B. Bohranlagen, Bearbeitungsstationen, Blechbiegevorrichtungen oder Absauganlagen. Wenn die Anlage – oder ein Teil davon – mit Grafcet programmiert ist, kann der Betreiber jetzt nicht nur Zeiten ändern sondern auch die Programm-Logik. Bild: MHJ-Software

Die europäische Norm Grafcet (DIN EN 60848) wurde geschaffen, um in der Automatisierungstechnik die Funktionsweise von Anlagen zu beschreiben. Die Abkürzung steht für „Graphe Fonctionnel de Commande Etape Transition“, was übersetzt so viel bedeutet wie: „Darstellung der Steuerungsfunktion mit Schritten und Weiterschaltbedingungen“. Da Grafcet in nahezu allen technischen Berufen zur Ausbildung gehört, ist der Wunsch verständlich, die Ablaufsteuerung nicht nur zur Planung und Dokumentation zu nutzen, sondern auch für die Programmierung der SPS. Dank einer neuen Software wird dieser Wunsch jetzt Realität. Programmieren vereinfacht sich und Maschinenbauer oder -betreiber können Änderungen im Programmablauf auch ohne tiefgehende Programmierkenntnisse selbst vornehmen und flexibel auf Änderungen im Prozess oder neue Anforderungen reagieren.

Wird eine neue Anlage entwickelt, können die Konstrukteure ihre Abläufe effektiv und einfach mit Grafcet beschreiben. Die Verantwortlichen der Norm haben darauf geachtet, dass die notwendigen Symbole zum Erstellen der Schrittketten leicht zu zeichnen sind und dass die Anzahl der verschiedenen Elemente möglichst gering ist. Aus diesen Gründen ist ein Grafcet-Plan selbst mit Bleistift und Papier ohne viel Aufwand umsetzbar. Die wesentlichen Elemente sind: Schritte, Transitionen, Aktionen, Wirkungslinien sowie Elemente, um Hierarchien und Strukturen zu bilden. Dazu gehören beispielsweise zwangssteuernde Befehle, mit denen sich Bedingungen für bestimmte Betriebszustände einer Anlage realisieren lassen.

Beschreibungssprache mit hohem Praxisnutzen

Beispiel für einen einfachen Grafcet: Zuerst wird der sogenannte Initialschritt mit der Bezeichnung ‚1‘ aktiv geschaltet. Somit wird die Aktion rechts daneben ebenfalls aktiv und der binäre Ausgang ‚Q0‘ eingeschaltet. Die Bedingung der nachfolgenden Transition ist über den Term 1s/X1‘ definiert. Dies bedeutet, dass die Transition ausgelöst wird, sobald der Schritt ‚1‘ eine Sekunde lang aktiv ist. Beim Übergang wird Schritt ‚2‘ aktiv und Schritt ‚1‘ inaktiv. Mit der Aktivierung von Schritt ‚2‘ wird auch der Ausgang ‚Q1‘ eingeschaltet. Nachdem Schritt ‚2‘ eine Sekunde lang aktiv war, wird Schritt ‚3‘ aktiv und wiederum nach einer Sekunde der Rücksprung zu Schritt ‚1‘. Die Ausgänge Q0 bis Q2 werden also nacheinander jeweils für eine Sekunde eingeschaltet. Bild: MHJ-Software

Beispiel für einen einfachen Grafcet: Die Ausgänge Q0 bis Q2 werden nacheinander jeweils für eine Sekunde eingeschaltet.

Diese Bausteine ergeben eine mächtige, aber dennoch einfach erlernbare Sprache, mit der Konstrukteure die Abläufe in einer Anlage beschreiben können. Fachleute aus den Bereichen Mechanik und Elektrotechnik haben damit eine gemeinsame Diskussionsgrundlage, anhand derer sich Probleme schon in der Planung erkennen und lösen lassen. Später hat der Maschinenbediener ebenfalls Vorteile, wenn er die genaue Funktionsweise seiner Maschine kennt. So braucht er beispielsweise bei einer Störung nicht immer das Servicepersonal zu rufen.

Dazu muss allerdings auch die Dokumentation auf dem neuesten Stand sein. Wenn also Änderungen – egal welchen Umfangs – an der Anlage vorgenommen werden gilt es, die Dokumentation entsprechend zu aktualisieren. Und hier fangen meist die Probleme an: Bei jeder Anlagenänderung ist zwangsläufig die SPS-Programmierung anzupassen. Hierzu wird bisher immer das Programmiertool der jeweiligen Steuerung genutzt. Wenn jetzt nicht auch der Grafcet-Plan nachgezogen wird, laufen die Programmierung und die Dokumentation irgendwann so weit auseinander, dass die ursprüngliche Dokumentation z.B. für Wartungsmaßnahmen nicht mehr zu gebrauchen ist. Man muss also einen gewissen Aufwand betreiben, um sicherzustellen, dass der Istzustand in der Programmierung mit dem Grafcet-Plan übereinstimmt. Und das ist der Grund, weshalb sich der Grafcet trotz seiner unbestreitbaren Vorteile in der Praxis nicht überall durchgesetzt hat.

Per Knopfdruck in die Steuerung

Aufbau des Grafcet-Programmiersystems. Auf dem Zielgerät benötigt die Grafcet-Engine, die den Ablaufplan für die Steuerung übersetzt, nur ca. 40 kB Speicherplatz. Bild: MHJ-Software

Aufbau des Grafcet-Programmiersystems. Auf dem Zielgerät benötigt die Grafcet-Engine, die den Ablaufplan für die Steuerung übersetzt, nur ca. 40 kB Speicherplatz.

Dank der Software Grafcet-Studio, die von der MHJ-Software GmbH entwickelt wurde, dürfte sich das jedoch ändern. Grafcet-Pläne lassen sich mit ihrer Hilfe per Knopfdruck direkt auf die Steuerung übertragen. Aus dem Grafcet-Plan wird automatisch das Steuerungsprogramm erstellt. Ab Dezember 2017 werden die Siemens-Steuerungen des Typs S7-300, S7-400, S7-1200 und S7-1500 unterstützt, weitere SPSen werden in Zukunft folgen. Arduino sowie Raspberry PI sind derzeit in Planung. Damit wird Grafcet-Studio das erste hersteller- und plattformunabhängige SPS-Programmiersystem sein. Jeder der Grafcet kennt, kann damit auch eine Steuerung programmieren und Änderungen der Programmierung lassen sich genauso einfach in der Dokumentation mitführen, so dass diese immer auf dem neuesten Stand ist.

Im Prinzip besteht das neue, windowsbasierte Programmiersystem aus drei Teile: Dem Grafcet-Editor zum Erstellen des Ablaufplans, dem Simulator zum Simulieren auf dem PC und dem Device-Connector, um den Grafcet in die angeschlossene Steuerung zu übertragen. Die gleiche schlanke und hochperformante Grafcet-Engine, die den Grafcet auf dem PC simuliert, sorgt auf dem angeschlossenen Device dafür, dass die jeweilige Steuerung den Ablaufplan versteht, interpretiert ihn also entsprechend. Dafür genügen in der Steuerung ca. 40 kB Speicherplatz. Selbst auf der kleinen S7-1200, die nur 50 kB RAM-Speicher bietet, findet die Grafcet Engine also Platz.

Die Engine liegt im SCL-, C#- und C++-Quellcode vor, sodass die Portierung auf beliebige andere Geräte prinzipiell innerhalb weniger Tage möglich ist. Außer der Speicherkapazität und den entsprechenden Compilern braucht das Device dann lediglich eine Echtzeituhr oder einen Zeitgeber im Millisekundentakt sowie Windows-Treiber, um die online-Schnittstelle zu realisieren. Dem Maschinenbetreiber steht dann ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem er das Steuerungsprogramm bei Bedarf modifizieren kann, ohne das kompliziertere Programmiertool des Steuerungsherstellers installieren oder bedienen zu müssen. Wenn die Anlage – oder ein Teil davon – mit Grafcet programmiert ist, kann der Betreiber jetzt nicht nur Zeiten ändern sondern auch die Programm-Logik. Dies war bisher ohne das SPS-Programmiertool nicht möglich. Tiefgreifende Programmierkenntnisse hat und braucht aber nicht jeder; Grafcet dagegen wird bereits auf dem technischen Gymnasium und den einschlägigen Berufsschulen gelehrt. Dadurch kann der Anlagenbetreiber jetzt flexibler, preisgünstiger und schneller auf Änderungen im Prozess reagieren und ihn optimieren, da er die notwendigen Änderungen selbst im Grafcet anpassen kann.

Chancen und Grenzen

Es gibt jedoch auch Grenzen: Grafcet ist keine Programmiersprache, sondern ist und bleibt eine Beschreibungssprache für Ablaufsteuerungen. Außerdem unterstützt Grafcet-Studio derzeit maximal 255 Schritte. Deshalb wird es immer Fälle geben, wo ein Grafcet-Plan nur bedingt Sinn ergibt. Dem stehen aber auch eine Vielzahl an Anwendungen gegenüber, bei denen das Grafcet-Programmiersystem eine sehr elegante Lösung ist. Hierfür optimal geeignet sind alle kleinen und mittleren Ablaufsteuerungen ohne Regelungen, Motion- und Kommunikationsaufgaben, also z.B. Bohranlagen, Bearbeitungsstationen, Blechbiegevorrichtungen oder Absauganlagen. Nicht vollständig realisierbar sind umfangreiche Maschinen und Anlagen mit verteilten Steuerungen oder auch sehr zeitkritische Vorgänge, wo jede Millisekunde Zykluszeit zählt. Hier kann der Anwender jedoch mit Grafcet auch Teile der Anlagensteuerung „programmieren“. Für den kritischen „Rest“ lässt sich dann ohne weiteres das Programmiertool des Steuerungsherstellers nutzen. Das Grafcet-Programm und ein SPS-Anwenderprogramm können koexistieren und sich gegenseitig ergänzen. So lassen sich die Vorteile aus beiden Welten nutzen.

Über MHJ
Die MHJ-Software GmbH & Co. KG ist ein Ingenieurbüro mit Sitz in Bretten, Deutschland. Seit 1992 beschäftigen sich die Mitarbeiter mit den Themen Simatic STEP5 und seit 1997 mit Simatic STEP7. Die Schwerpunkte liegen in der Entwicklung von Standard-Software im Bereich Simatic STEP7. Durch die Entwicklung von Simulations-, Programmier-, Diagnose-, Kommunikations- und Visualisierungssoftware hat sich MHJ-Software ein umfangreiches Fachwissen und Spezial-Knowhow angeeignet.

Weitere Informationen zum Thema finden Sie unter: www.Grafcet-Studio.eu und www.mhj-wiki.de

Alle Bilder: MHJ-Software

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

Alex Homburg

Alex Homburg

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