Die Beschreibung der Funktions­weise einer Anlage gehört zu den essenziellen Dingen in der Automati­sierungstechnik. Die europäische Norm ‚Grafcet‘ mit der Kennung DIN EN 60848 wurde speziell für diesen Zweck entwickelt. Die Abkürzung steht für „Graphe Fonctionnel de Commande Etape Transition“, was übersetzt soviel bedeutet wie: „Darstellung der Steuerungsfunktion mit Schritten und Weiterschaltbedingungen“. Damit lassen sich also optimal Schrittketten beziehungsweise Ablaufsteuerungen beschreiben. Trotz der Vorteile, die sich durch das Erstellen eines Grafcet für eine Anlage ergeben, wird der Aufwand hierfür oftmals nicht betrieben. Denn nach der Planungsphase hat der Grafcet bislang für viele keinen Nutzen mehr. Was aber wäre, wenn man den erstellten Grafcet direkt in eine SPS übertragen könnte?

Vor der Beantwortung dieser Frage und zum Verständnis der Thematik sei an dieser Stelle zunächst eine Einführung in Grafcet erlaubt: Die Verantwortlichen der Norm haben penibel darauf geachtet, dass die notwendigen Symbole einfach zu zeichnen sind und dass die Anzahl der verschiedenen Elemente möglichst gering ist. Aus diesen Gründen ist ein Grafcet-Plan ohne viel Aufwand auch mit Bleistift und Papier umsetzbar. Die wesentlichen Elemente sind:

• Schritte (Quadrat):
  Ein Schritt kann aktiv oder inaktiv sein. Ist ein Schritt aktiv, dann befindet sich die Maschine gerade in diesem Zustand (zum Beispiel eine Flasche wird befüllt).
• Transitionen (waagrechte Linie, welche die Wirkungslinie kreuzt):
  Die Transition beinhaltet eine Bedingung. Ist diese Bedingung erfüllt, dann erfolgt der Übergang zum nachfolgenden Schritt, das heißt der nachfolgende Schritt wird aktiv. Der zuvor aktive Schritt wird deaktiviert.
• Aktionen (Rechteck):
  Aktionen sind immer einem Schritt zugeordnet. In einer Aktion wird beispielsweise ein Aktor beeinflusst. Dies könnte etwa ein Ventil sein. Mit diesem Schritt können mehrere Aktionen  verbunden werden.
• Wirkungslinien (horizontale und vertikale Linien):
  Mit den Wirkungslinien erfolgt die Verbindung der einzelnen Elemente (Schritte, Transitionen, Aktionen).

Bild 1: Beispiel für einen einfachen Grafcet.

© MHJ-Software

Darüber hinaus bietet Grafcet Elemente, um Hierarchien und Strukturen zu bilden. Dazu gehören beispielsweise die zwangssteuernden Befehle, mit denen sich unter anderem die Bedingungen für die Betriebszustände (Hand/Automatik) einer Anlage realisieren lassen.

Bild 1 zeigt einen einfachen Grafcet-Plan. Was passiert hier? 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, erfolgen die Aktivierung von Schritt ‚3‘ und wiederum nach einer Sekunde der Rücksprung zu Schritt ‚1‘. Die Ausgänge Q0 bis Q2 werden also nacheinander jeweils für eine Sekunde eingeschaltet.

Die Power von Grafcet

Grafcet stellt mehrere Varianten von Schritten und Aktionen mit unter­schiedlichen Eigenschaften zur Verfügung. In der Transitionsbedingung kann eine binäre Verknüpfung (UND, ODER) formuliert werden; ebenso sind Flankenauswertungen, Vergleicher und Zeitverhalten realisierbar. Innerhalb einer Aktion lassen sich nicht nur binäre Operanden verwenden; auch die Verwendung von digitalen Operanden inklusive Rechenoperationen ist möglich. Alles zusammen ergibt eine mächtige und einfach zu erlernende Beschreibungssprache (eine ausführliche Beschreibung findet sich unter anderem im Grafcet-Workbook – siehe ‚Buchtipp‘).

Wird eine neue Anlage entwickelt, können die Konstrukteure den Ablauf der Anlage also über Grafcet beschreiben. Fachleute aus den Bereichen Mechanik und Elektrotechnik haben damit eine Diskussionsgrundlage, anhand derer sich die ersten Probleme schon in der Planung erkennen und lösen lassen. Auch der Bedarf an Aktoren und Sensoren ist damit sehr gut abschätzbar. Die Aktoren und Sensoren der Maschine werden in einem Steuerungsprogramm verknüpft, welches üblicherweise in einer speicherprogrammierbaren Steuerung abläuft. Ein SPS-Programmierer muss somit das Steuerungsprogramm erstellen, wobei der Grafcet seine Programmiergrundlage ist. Anschließend ist die Maschine in Betrieb zu nehmen. Auch hier spielt der Grafcet eine wichtige Rolle: Funktioniert die Maschine jetzt wirklich so, wie es sich die Kon­strukteure vorgestellt haben?

Der Maschinenbediener hat ebenfalls Vorteile, wenn er über Kenntnisse bezüglich der genauen Funktionsweise seiner Maschine verfügt. So muss beispielsweise bei einer Störung nicht ­immer das Servicepersonal gerufen werden. Das Fazit bis hierher: Ist ein Grafcet-Plan vorhanden und auf dem aktuellen Stand, dann lässt er sich überaus sinnvoll einsetzen.

Die Verwendung in der Praxis

Jedem ist klar: Eine detaillierte Maschinendokumentation ist notwendig, damit eine Anlage erfolgreich gebaut, programmiert, in Betrieb genommen und gewartet werden kann. Wichtig dabei: Die Dokumentation muss auf dem neuesten Stand sein. Wenn also Änderungen – egal welchen Umfangs – an der Anlage vorgenommen werden, ist entsprechend die Dokumentation zu aktualisieren. Und hier fangen meist die Probleme an: Bei einer Anlagenänderung ist zwangsläufig die Programmierung anzupassen. Wenn man jetzt nicht auch den Grafcet-Plan akribisch ändert, laufen die Programmierung und die Dokumentation so weit auseinander, dass die ursprüngliche Dokumentation nicht zu gebrauchen ist.

Das ist der Grund, weshalb sich Grafcet in der Praxis nicht überall durchgesetzt hat. Man muss einen gewissen Aufwand betreiben, um sicherzustellen, dass der Istzustand in der Programmierung mit dem Plan übereinstimmt. Ergo kommt hier schnell der Wunsch auf: Wenn schon der Aufwand betrieben und anfangs ein Grafcet-Plan erstellt wird, dann möchte der Maschinenbauer ihn auch in der Steuerung verwenden – Programmierung und Dokumentation würden dann nicht mehr auseinanderlaufen.

Wunschgedanke: Grafcet direkt in die ­Steuerung laden

Der Wunsch, einen Grafcet in eine Steuerung zu übertragen, ist so alt wie die Norm selbst. Optimal wäre folgendes Szenario: Man erstellt einen Grafcet-Plan und überträgt dessen Logik in ein Device – und zwar unabhängig davon, von welchem Hersteller das Gerät stammt. Da Grafcet aber nun mal keine Programmiersprache, sondern eine Beschreibungssprache ist, stellt sich zwangsläufig die Frage: Wie könnte man so etwas realisieren?

Da die Hersteller in der Regel unterschiedliche Hardware und ebenso unterschiedliche Programmiersysteme verwenden, wäre die Lösung eine Art ‚Grafcet-Engine‘ – also eine herstellerabhängige Zwischenschicht, die mit einer herstel­lerunabhängigen Grafcet-Logik gefüttert wird. Auf diese Weise ließe sich ein entsprechender Plan erstellen und direkt in ein solches Gerät – zum Beispiel in eine SPS – übertragen. Die daraus resultierenden Anwendungsszenarien beziehungsweise Vorteile wären:

• Bei kleineren Maschinen und Anlagen (Bohrvorrichtung, Blechbiegeanlage und ähnliches) könnte das komplette Steuerungsprogramm mit Grafcet erstellt werden.
• Bei größeren Maschinen und Anlagen ließen sich Teilbereiche wie zum Beispiel die Schrittketten in Grafcet realisieren. Anwendungen wie PID-Regler oder Motion-Control würden wie bisher steuerungsspezifisch programmiert (zum Beispiel in FUP, KOP, SCL).
• In Anlagen könnten bestimmte Abläufe vom Endkunden (Anlagenbetreiber) verändert beziehungsweise umprogrammiert werden. Der Endkunde benötigt dann nicht das ­umfangreiche Programmiertool des SPS-Herstellers, sondern kann dies mit einem kleinen, einfachen Tool bewerkstelligen. Dabei benötigt das Fachpersonal beim Endkunden ‚nur‘ Kenntnisse von Grafcet und keine SPS-Programmier-kenntnisse.
• Unterstützung der Instandhaltung: Neben dem ‚normalen‘ Steuerungsprogramm wird ein speziell für die Fehlersuche entwickelter Grafcet in der SPS abgelegt, der bei Bedarf die Instandhalter unterstützt. Auch hier wäre die Programmiersoftware des SPS-Herstellers nicht notwendig.
• Dokumentation und Programmierung werden vereinheitlicht.
• Die SPS von Hersteller A wird durch eine SPS des Herstellers B ersetzt: Wenn die Programmierung über Grafcet erfolgte, wird der gleiche Grafcet ohne Änderung in die SPS B übertragen. Anpassungen wären nur in der Adresszuordnung (Symbolik) notwendig.
• Verwendung in der Ausbildung: Trainingsgeräte könnten beispielsweise mit einem Arduino oder Raspberry Pi bestückt und mit Grafcet programmiert werden.

Von der Theorie zur Umsetzung

Das Konzept hinter Grafcet-Studio: Auf dem Device sorgt eine Grafcet-Engine für die Plattform-Unabhängigkeit. Nachdem die Engine auf dem Gerät installiert ist, kann sie mit Grafcet-Studio programmiert werden.

© MHJ-Software

Vor diesem Hintergrund hat MHJ-Software mit Grafcet-Studio eine auf Windows basierende Software entwickelt, mit dem Ziel, die vorab beschriebene Theorie in die Praxis umzusetzen. Diese Software beinhaltet unter anderem folgende Features:

• Erstellung eines Grafcet nach DIN EN 60848;
• Simulation des Grafcet auf dem PC (Grafcet-Engine läuft auf dem PC);
• Übertragung der Grafcet-Logik in das Device;
• Beobachten des Grafcet: Es wird der Zustand der Transitionsbedingungen (True, False, Zeitverzögerung) angezeigt sowie der Status der einzelnen Schritte.
• Laden einer vorhandenen Grafcet-Logik aus einem Device.
• Als Ziel-Geräte sind geplant: die Siemens-Steuerungen S7-1200/1500/ 300/400, Arduino-Boards sowie das IoT-Gateway IOT2000 von Siemens.

Angesichts der aufgezählten Features mag die Frage aufkommen: Kann Grafcet die Programmiersoftware des Geräteherstellers komplett ersetzen? Die Antwort darauf lautet ‚Nein‘, da im ersten Schritt der zu verwendende Controller für Grafcet-Studio vorbereitet werden muss. Das heißt: Die Engine ist mit der Programmiersoftware des Geräteherstellers auf dem Device zu installieren. Des Weiteren sind die Ein-/Ausgänge zu parametrieren (Adressierung, Messbereiche der Analogeingänge, Ausgabebereiche der Analogausgänge). Erst danach kann das Gerät mit Grafcet-Studio verwendet werden. Sind diese Einstellungen bei einem Anlagentypus konstant (wie zum Beispiel bei Serienmaschinen) und kann ein Device durch Einstecken eines externen Speichermediums (zum Beispiel einer Speicherkarte) diese Daten übernehmen, dann ist der Vorbereitungsvorgang allerdings nur einmalig pro ­Anlagentypus notwendig. Eine weitere Einschränkung: Derzeit unterstützt Grafcet-Studio maximal 255 Schritte.

Die Plattform-Unabhängigkeit durch die Grafcet-Engine bringt auch einen Nachteil mit sich: Eine durch sie be­arbeitete Ablaufkette ist nicht so ­performant wie eine in den nativen Programmiersprachen (SCL, AWL) entwickelte Schrittkette. Dies ist allerdings nur bei zeitkritischen Anwendungen relevant.

Auf den Punkt gebracht: Grafcet ist keine Programmiersprache, sondern eine Beschreibungssprache für Ablaufsteuerungen. Deshalb wird es immer Fälle geben, wo ein Grafcet-Plan nur bedingt Sinn macht. Dem stehen aber auch Anwendungen gegenüber, bei denen ein Grafcet-Programmier­system eine sehr elegante Lösung ­darstellt. Hierfür optimal geeignet sind alle kleinen und mittleren Ablaufsteuerungen ohne Regelungen, Motion und Kommunikationsaufgaben – also etwa:

• Bohranlagen
• Bearbeitungsstationen
• Blechbiegevorrichtungen
• Absauganlagen

Weniger geeignet beziehungsweise nicht vollständig realisierbar sind umfangreiche Maschinen und Anlagen mit verteilten Steuerungen oder auch sehr zeitkritische Vorgänge, wo jede Millisekunde Zykluszeit zählt. Hier kann der Grafcet nur einen Teil der Anlagensteuerung übernehmen.

Autor:
Matthias Habermann ist Geschäftsführer von MHJ-Software.

Buchtipp: Grafcet-Workbook

Das Buch Grafcet-Workbook (ISBN Nummer: 978-3-9816720-7-7) behandelt auf 120 Seiten die Beschreibungssprache Grafcet DIN EN 60848. In zehn Lernphasen werden die wichtigsten Elemente und Sachverhalte der in Europa gültigen Norm vorgestellt. Bestandteil des Buches sind zwei Softwareprodukte ohne Laufzeitbeschränkung: Grafcet-Studio Starter und PLC-Lab-Runtime. Mit Grafcet-Studio kann der Leser die zahlreichen Übungsaufgaben des Buches zeichnen und auch auf dem PC simulieren. Für alle Übungsaufgaben wird eine virtuelle 2D-Anlage über PLC-Lab-Runtime bereitgestellt. Insgesamt werden 30 virtuelle Anlagen mitgeliefert.