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Steuerungslogik und Ablaufmodelle – Zeitfunktionen in Abläufen einsetzen

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Steuerungslogik und Ablaufmodelle – Zeitfunktionen in Abläufen einsetzen

Einleitung

Zeitfunktionen machen aus einer reinen Steuerungslogik einen zeitlich definierten Ablauf. In diesem Ausbildungskurs arbeitest Du mit zwei IEC-Zeitfunktionen: TON als Einschaltverzögerung und TP als Impulsgeber. Du beobachtest Signalverläufe, steuerst eine virtuelle Förderanlage und diagnostizierst typische Fehler.

Ausbildungsfall: Verpackungslinie P-24 Ein Werkstück wird auf einem Förderband transportiert. Nach einer Startfreigabe soll der Bandmotor erst nach 3 s anlaufen. Erkennt die Lichtschranke ein Ausschussteil, soll ein Ausblasventil für 0,8 s angesteuert werden. Alle Bezeichnungen und Prozessdaten des Falls sind fiktiv.

Signal	Bedeutung	Fiktive Adresse
S_Start	Startfreigabe	I0.0
B_Teil	Lichtschranke Ausschussteil	I0.1
M_Band	Förderbandmotor	Q0.0
Y_Ausblas	Ausblasventil	Q0.1

Wichtig: Die virtuelle Anlage bildet nur Standardsteuerung ab. Reale Sicherheitsfunktionen, Schutzabschaltungen und Not-Halt-Funktionen müssen unabhängig davon fachgerecht ausgelegt werden. Der Kurs verlangt keine Uploads und keinen Zugriff auf externe KI-Dienste.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du TON und TP unterscheiden, Signalverläufe lesen, PT und ET fachlich deuten, Zeitfunktionen in einem Ablaufmodell einsetzen und typische Fehler anhand von Ein-/Ausgangssignalen diagnostizieren.

Lerneinheit 1: Vom Eingang zum Ablauf

Eine SPS liest Eingänge, verarbeitet das Programm und setzt Ausgänge. Zeitfunktionen ergänzen diese Logik um ein definiertes zeitliches Verhalten.

Merksatz: Logik beantwortet ob, Zeitfunktionen zusätzlich wann und wie lange.

Ablaufmodell der virtuellen Anlage

Der vereinfachte Ablauf lautet: Bereit → Startsignal → Wartezeit → Band läuft → Ausschussteil erkannt → Ausblasimpuls → Weitertransport.

[BEREIT]
   |
   | S_Start = 1
   v
[WARTE 3 s]
   |
   | TON.Q = 1
   v
[BAND LÄUFT]
   |
   | B_Teil: steigende Flanke
   v
[AUSBLASIMPULS 0,8 s]
   |
   | TP.Q = 0
   v
[BAND LÄUFT]

Lerneinheit 2: TON – Einschaltverzögerung

Der IEC-Funktionsbaustein TON verzögert das Einschalten seines Ausgangs Q. Wird IN TRUE, läuft ET hoch. Erst wenn die Vorgabezeit PT erreicht ist und IN weiter TRUE bleibt, wird Q TRUE. Wird IN vorher FALSE, wird der TON zurückgesetzt.

Anschluss	Funktion
IN	Start-/Freigabesignal
PT	Vorgabezeit
Q	verzögerter Ausgang
ET	bereits verstrichene Zeit

Signalverlauf TON im Ausbildungsfall

PT = 3 s

Zeit	S_Start/IN	ET	TON.Q	M_Band
0,0 s	0	0 s	0	0
1,0 s	1	0 s	0	0
2,0 s	1	1 s	0	0
3,0 s	1	2 s	0	0
4,0 s	1	3 s	1	1
4,6 s	0	0 s	0	0

Diagnoseblick: Fällt IN während der Wartezeit ab, erreicht ET die Vorgabezeit nicht. Der Motor darf dann nicht anlaufen.

Basisaufgabe TON

Aufgabe: S_Start ist nur 2,4 s lang TRUE. PT beträgt 3 s. Entscheide, ob M_Band anlaufen darf.

Begründetes Feedback: M_Band bleibt AUS. TON benötigt ein durchgehend anliegendes IN bis PT erreicht ist. Ein kürzeres Signal setzt den Timer zurück.

Lerneinheit 3: TP – Impuls

Der IEC-Funktionsbaustein TP erzeugt nach einer steigenden Flanke an IN sofort einen Ausgangsimpuls. Q bleibt für die Dauer PT TRUE. Ein Abfallen von IN verkürzt einen bereits laufenden Impuls nicht.

Signalverlauf TP im Ausbildungsfall

PT = 0,8 s

Zeit	B_Teil/IN	TP.Q	Y_Ausblas	Beobachtung
6,0 s	0→1	1	1	Impuls startet
6,2 s	1→0	1	1	Impuls läuft weiter
6,5 s	0	1	1	Ventil noch aktiv
6,8 s	0	0	0	Impuls beendet

Diagnoseblick: Bleibt Y_Ausblas so lange aktiv wie B_Teil, wurde wahrscheinlich kein TP-Ausgang verwendet, sondern das Sensorsignal direkt durchgeschaltet.

Basisaufgabe TP

Aufgabe: B_Teil liefert nur einen 100-ms-Puls. TP ist auf 0,8 s eingestellt. Wie lange bleibt Y_Ausblas TRUE?

Begründetes Feedback: Y_Ausblas bleibt 0,8 s TRUE. Die steigende Flanke startet den TP; die definierte Impulsdauer bestimmt Q.

Lerneinheit 4: TON und TP im Ablauf kombinieren

TON und TP lösen verschiedene Aufgaben. TON wartet vor einer Aktion, TP begrenzt eine Aktion zeitlich.

Prozessanforderung	Passende Zeitfunktion	Begründung
Band erst nach 3 s starten	TON	Ausgang wird verzögert eingeschaltet
Ventil genau 0,8 s ansteuern	TP	Ausgang erhält definierte Impulsdauer
Kurzes Sensorsignal in festen Aktorimpuls umformen	TP	Ausgangsdauer wird durch PT bestimmt
Freigabe muss 3 s stabil sein	TON	nur dauerhaftes IN erreicht PT

Anwendungsaufgabe: virtuelle Steuerung

Gegeben sind S_Start = TRUE ab 10,0 s, TON.PT = 3 s und eine steigende Flanke von B_Teil bei 15,2 s. TP.PT = 0,8 s.

Auftrag: Bestimme die Schaltzeitpunkte von M_Band und Y_Ausblas.

Begründetes Feedback: M_Band wird bei 13,0 s TRUE, weil die 3-s-Verzögerung ab 10,0 s vollständig abläuft. Y_Ausblas wird bei 15,2 s sofort TRUE und bei 16,0 s wieder FALSE, weil TP einen 0,8-s-Impuls erzeugt.

Lerneinheit 5: Diagnose an Signalverläufen

Bei einer Diagnose prüfst Du nicht nur den Ausgang, sondern die Kette IN → Zeitwert → Q → Aktor.

Fehlerbild	Prüffrage	Wahrscheinliche Ursache
Band startet sofort	Wird M_Band von TON.Q angesteuert?	TON wurde umgangen
Band startet nie	Bleibt S_Start mindestens 3 s TRUE?	Eingang fällt vorher ab
Ausblasventil bleibt zu lange an	Ist Y_Ausblas wirklich mit TP.Q verbunden?	Sensorsignal direkt verwendet
TP startet nicht	Gibt es eine steigende Flanke an B_Teil?	Eingang war bereits TRUE oder Signal fehlt
Zeitwert unplausibel	Stimmen PT, Zeiteinheit und Beobachtungspunkt?	Parametrier- oder Diagnosefehler

Interaktive Diagnoseaufgabe

Fehlerprotokoll A: S_Start = TRUE, ET steigt 0 s → 1 s → 2 s und springt dann auf 0 s. Q bleibt FALSE.

Deine Diagnose: Suche zuerst nach einem kurzen Abfall von S_Start oder einer vorgeschalteten Freigabe. TON wird bei IN = FALSE zurückgesetzt.

Fehlerprotokoll B: B_Teil hat eine steigende Flanke. Y_Ausblas wird TRUE, bleibt aber 4 s TRUE.

Deine Diagnose: Prüfe, ob Y_Ausblas mit TP.Q statt direkt mit B_Teil verknüpft ist und ob PT tatsächlich 0,8 s beträgt.

Gestufte Hilfen

Nutze immer nur die Stufe, die Du wirklich brauchst.

Stufe	Hilfe
Hilfe 1 – Denkfrage	Soll die Aktion später beginnen oder nur eine feste Dauer haben?
Hilfe 2 – Signalfrage	TON braucht IN bis PT; TP reagiert auf eine steigende Flanke.
Hilfe 3 – Lösungsregel	Verzögerter Start → TON. Definierte Impulsdauer → TP. Diagnose immer über IN, PT, ET, Q.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben

Basis

Zeitfunktion: Ordne „verzögerter Bandstart“ TON und „kurzer Ventilstoß“ TP zu. Feedback: TON verschiebt den Einschaltzeitpunkt; TP begrenzt die Einschaltdauer.
Signalverlauf: Erkläre, warum TON.Q bei IN = FALSE nicht TRUE bleiben kann. Feedback: Die Einschaltverzögerung wird ohne anliegende Freigabe zurückgesetzt.
Flankenerkennung: Markiere in einem selbst gezeichneten Sensorsignal die steigende Flanke. Feedback: Sie liegt beim Wechsel von 0 auf 1 und startet den TP.

Anwendung

SPS-Programmierung: Parametriere für den Ausbildungsfall TON.PT = 3 s und TP.PT = 0,8 s in einer geeigneten Lern- oder Simulationsumgebung. Feedback: Die Werte folgen direkt aus den Prozessanforderungen; entscheide nicht nach Gewohnheit, sondern nach Lastenheft.
Diagnose: Simuliere einen 2-s-Startimpuls bei TON.PT = 3 s und erkläre das Ergebnis. Feedback: Q bleibt FALSE, weil IN PT nicht erreicht.
Ablaufsteuerung: Zeichne die Signale S_Start, TON.Q, B_Teil und TP.Q über 8 s. Feedback: Ein guter Verlauf zeigt Ursache und Wirkung zeitlich getrennt.

Transfer

Prozessanalyse: Übertrage TON und TP auf eine fiktive Waschstation: Pumpe nach 5 s Freigabe starten, Dosierventil 1,2 s öffnen. Begründe Deine Wahl. Feedback: Der Pumpenstart braucht TON, die feste Ventilzeit TP.
Fehlersuche: Entwickle einen Fehler, bei dem ET niemals PT erreicht, und beschreibe eine Messstrategie. Feedback: Geeignet sind flackernde Freigaben oder instabile Eingangssignale; geprüft wird zuerst IN über die Zeit.
Optimierung: Begründe, wann eine lange TON-Zeit den Prozess unnötig verlangsamt. Feedback: Zeitwerte müssen technisch begründet sein; zu große Reserven senken die Taktleistung ohne zusätzlichen Nutzen.

Quellen- und Medienprüfung

Die fachliche Beschreibung orientiert sich an IEC-Zeitfunktionen, wie sie in Herstellerdokumentationen beschrieben werden. Verwendete Prozessdaten sind fiktiv.

Siemens S7-1200: IEC timer operation – beschreibt TP und TON sowie PT, ET und Q.
CODESYS Standard Library – führt TON und TP als Timer-Funktionsbausteine der IEC-61131-3-Standardbibliothek.
Beckhoff TON – Verhalten der Einschaltverzögerung.
Beckhoff TP – Verhalten des Impulsgebers.
Siemens TIA Portal – Erste Schritte – verifiziert das eingebettete S7-1200-Einstiegsvideo.
Wikimedia Commons: Conveyor belt moves material in a factory.jpg – CC BY 2.0.
Wikimedia Commons: PLC Block Diagram.jpg – CC BY-SA 4.0.
Wikimedia Commons: S71500.JPG – CC BY 3.0.
Wikimedia Commons: Ladder temporizado.svg – CC BY-SA 3.0 / GFDL.
Wikimedia Commons: Ladder diagram.png – CC BY-SA 2.5.
Wikimedia Commons: Sequential function chart.png – CC BY-SA 3.0.
YouTube: TIA Portal Tutorial 06 – Timers: TON, TOF, TP – Einbettung über YouTube; Urheberrechte verbleiben beim veröffentlichenden Kanal.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Zeitfunktion schaltet Q erst nach Ablauf einer Vorgabezeit ein? (TON) (!TP) (!R_TRIG) (!CTU)

Welche Zeitfunktion erzeugt einen Ausgangsimpuls definierter Dauer? (TP) (!TON) (!TOF) (!SR)

Wofür steht PT bei einem IEC-Timer? (Vorgabezeit) (!Prozessstatus) (!Programmtakt) (!Prüftaste)

Was zeigt ET bei einer laufenden Zeitfunktion an? (Verstrichene Zeit) (!Eingangstyp) (!Endposition) (!Fehlertext)

Was passiert bei TON, wenn IN vor Ablauf von PT FALSE wird? (Der Timer wird zurückgesetzt) (!Q bleibt dauerhaft TRUE) (!TP startet automatisch) (!PT verdoppelt sich)

Wann startet ein TP-Impuls? (Bei einer steigenden Flanke an IN) (!Bei einer fallenden Flanke an Q) (!Wenn ET null bleibt) (!Nur beim Einschalten der SPS)

Welche Funktion passt zum verzögerten Start eines Förderbandes? (TON) (!TP) (!CTD) (!F_TRIG)

Welche Funktion passt zu einem Ausblasventil mit fester Einschaltdauer? (TP) (!TON) (!RS) (!CTU)

Welches Signal prüfst Du zuerst, wenn TON.ET immer wieder auf null fällt? (IN) (!Q) (!CPU-Name) (!Programmtitel)

Warum ist ein Signalverlauf für die Diagnose hilfreich? (Er zeigt zeitliche Ursache-Wirkungs-Beziehungen) (!Er ersetzt jede Messung) (!Er macht PT überflüssig) (!Er erhöht automatisch die Taktzeit)

Memory

TON	Einschaltverzögerung
TP	Impulsgeber
PT	Vorgabezeit
ET	verstrichene Zeit
IN	Steuereingang
Q	Funktionsausgang
steigende Flanke	Startmoment
Trenddiagramm	Diagnosehilfe

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
TON	Bandstart nach Wartezeit
TP	Ventilimpuls fester Dauer
PT	eingestellte Sollzeit
ET	bereits abgelaufene Zeit
Q	Ausgang der Zeitfunktion

Kreuzworträtsel

Timer	Welcher Oberbegriff bezeichnet TON und TP?
Impuls	Wie heißt ein zeitlich begrenztes High-Signal?
Diagnose	Wie heißt die systematische Suche nach einer Fehlerursache?
Sensor	Welches Betriebsmittel liefert in der Anlage ein Eingangssignal?
Ablauf	Wie heißt eine geordnete Folge von Prozessschritten?
Flanke	Wie heißt der Signalwechsel, der einen TP starten kann?

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Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Signalverlauf: Zeichne einen TON-Verlauf mit PT = 2 s und beschrifte IN, ET und Q.
Impuls: Zeichne einen TP-Verlauf mit PT = 1 s und markiere die steigende Flanke.
SPS: Fotografiere nichts und lade nichts hoch; skizziere stattdessen auf Papier oder lokal eine SPS mit Eingang, Verarbeitung und Ausgang.
Fachbegriffe: Erstelle fünf Karteikarten zu TON, TP, PT, ET und Q.

Standard

Virtuelle Anlage: Baue den Ausbildungsfall in einer verfügbaren Offline-Simulation oder als Tabellenmodell nach.
Diagnose: Erzeuge absichtlich ein zu kurzes Startsignal und protokolliere die Wirkung auf TON.ET und TON.Q.
Ablaufmodell: Erweitere den Ablauf um eine Betriebsleuchte, die mit dem Bandmotor eingeschaltet wird.
Interview: Befrage eine Fachkraft aus Ausbildung oder Betrieb, wo Zeitfunktionen praktisch eingesetzt werden, und fasse die Antwort anonymisiert zusammen.

Schwer

Transfer: Entwirf einen neuen Ablauf mit mindestens einem TON und einem TP und begründe beide Zeitwerte.
Fehlersuche: Entwickle drei unterschiedliche Fehlerbilder, die am Ausgang ähnlich aussehen, aber verschiedene Ursachen haben.
Prozessoptimierung: Untersuche, wie sich eine Änderung von TON.PT auf Taktzeit und Prozesssicherheit auswirkt.
Technische Dokumentation: Erstelle eine kompakte Funktionsbeschreibung mit Signalliste, Ablaufmodell, Zeitwerten und Prüfschritten.

Lernkontrolle

Analyse: Ein Band startet trotz 3-s-TON schon nach 1 s. Nenne mindestens zwei mögliche Ursachen und beschreibe, wie Du sie unterscheidest.
Transfer: Entscheide für eine Türfreigabe nach 2 s und eine Hupe mit 0,5-s-Signal jeweils zwischen TON und TP und begründe.
Signaldiagnose: Aus einem vorgegebenen Verlauf mit IN-Unterbrechung sollst Du erklären, warum TON.Q nicht gesetzt wird.
Ablaufmodell: Ergänze in einen dreistufigen Prozess eine Zeitfunktion so, dass ein Aktor erst nach stabiler Freigabe startet.
Fehlerstrategie: Formuliere eine Diagnosefolge von Sensor über Timer bis Aktor und begründe die Reihenfolge.
Bewertung: Beurteile, warum willkürlich vergrößerte Zeitwerte keine fachgerechte Lösung für instabile Signale sind.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen, dass Du TON und TP anhand einer Prozessanforderung auswählst, PT und ET korrekt interpretierst, Signalverläufe zeichnest und liest, einen einfachen Ablauf mit Zeitfunktionen modellierst, systematisch diagnostizierst und Deine Entscheidungen fachlich begründest. Verwendete Testdaten dürfen fiktiv sein; entscheidend sind nachvollziehbare Annahmen und reproduzierbare Schritte.

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