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Steuerungslogik und Ablaufmodelle – Zählfunktionen in Prozessen nutzen

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Steuerungslogik und Ablaufmodelle – Zählfunktionen in Prozessen nutzen

Einleitung

In diesem Lernkurs trainierst Du Zählfunktionen in einer SPS an einem konkreten Ausbildungsfall. Im Mittelpunkt stehen Stückzahl, Rücksetzen, Grenzwerte und die Diagnose mit Signalverläufen.

Ausbildungsfall: Virtuelle Packstation P-24 Ein Förderband transportiert Bauteile an einem Lichttaster vorbei. Jedes erkannte Bauteil erzeugt einen Zählimpuls. Nach 6 Werkstücken gilt der Karton als voll. Das Förderband wird gestoppt. Erst nach bestätigter Kartonentnahme wird der Zähler zurückgesetzt.

Alle Anlagenbezeichnungen, Prozesswerte und Signalfolgen dieses Kurses sind fiktive Übungsdaten. Alle Aufgaben sind lokal oder analog lösbar. Du musst keine Dateien hochladen und keinen externen KI-Dienst verwenden.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du:

Zählereignisse von Signalpegeln unterscheiden.
steigende Flanken als Zählimpulse auswerten.
die Signale CU, R, PV, CV und Q eines Vorwärtszählers erklären.
einen Zähler passend zum Prozesszustand zurücksetzen.
Grenzwerte in eine Ablaufsteuerung einbinden.
Fehler in Signalverläufen erkennen und begründet diagnostizieren.
einschätzen, wann ein normaler Softwarezähler nicht mehr schnell genug ist.

Lerneinheit 1: Ein Ereignis zählt – nicht die Dauer

Ein typischer Vorwärtszähler CTU erhöht seinen Zählwert bei einer steigenden Flanke am Zähleingang. Bleibt das Sensorsignal mehrere SPS-Zyklen lang auf 1, soll daraus trotzdem nur ein Werkstück werden.

Abtastpunkt	t0	t1	t2	t3	t4	t5
Sensorsignal S1	0	1	1	0	1	0
Steigende Flanke	nein	ja	nein	nein	ja	nein
Zählwert CV	0	1	1	1	2	2

Merksatz: Gezählt wird der Wechsel 0 → 1, nicht die Zeit, in der das Signal 1 bleibt.

Basisaufgabe 1: Flanken markieren

Gegeben ist die fiktive Folge: 0 – 1 – 1 – 0 – 1 – 0 – 1 – 1. Markiere alle steigenden Flanken und bestimme den Endwert eines CTU, der bei CV = 0 startet.

Hilfe 1: Suche nur Übergänge von 0 auf 1.

Hilfe 2: Ein dauerhaftes 1-Signal zählt nicht noch einmal.

Begründetes Feedback: Es gibt drei Übergänge von 0 auf 1. Deshalb endet der Zähler bei CV = 3. Wer jedes 1-Signal zählt, verwechselt Signalpegel und Ereignis.

Lerneinheit 2: CTU – Stückzahl, Vorgabe und Rücksetzen

Für einen Vorwärtszähler sind diese Größen zentral:

Signal	Bedeutung im Ausbildungsfall
CU	Zählimpuls vom Werkstücksensor
R	Rücksetzen des Zählers
PV	Vorgabewert bzw. Grenzwert
CV	aktueller Zählwert
Q	Grenzwert erreicht

Für den Ausbildungsfall gilt: PV = 6. Sobald CV ≥ PV ist, wird Q = 1. Das Signal kann die nächste Aktion der Anlage auslösen.

Vereinfachtes Lernbeispiel:

CTU_Pack(
 CU := Teil_impuls,
 R  := Reset_Zaehler,
 PV := 6,
 Q  => Karton_voll,
 CV => Stueckzahl);

Wichtig: Wie ein Zähler nach Erreichen des Vorgabewerts weiterzählt, kann sich je nach SPS-Plattform unterscheiden. Für den Ausbildungsfall wird das Förderband bei Q = 1 gestoppt. Prüfe in realen Anlagen immer die Dokumentation der verwendeten Steuerung.

Basisaufgabe 2: Signale zuordnen

Ordne für die Packstation die fünf Signale CU, R, PV, CV und Q ihrer Funktion zu.

Hilfe 1: Unterscheide Eingang, Vorgabe, aktuellen Wert und Ergebnis.

Begründetes Feedback: CU liefert das Zählereignis, R löscht den Zählstand, PV ist der Soll-Grenzwert, CV der Ist-Zählwert und Q meldet das Erreichen des Grenzwerts. Diese Trennung hilft bei der Diagnose.

Lerneinheit 3: Rücksetzen gehört in den Ablauf

Ein Zähler darf nicht einfach „irgendwann“ zurückgesetzt werden. Das Rücksetzen muss zum Prozesszustand passen.

Für die Packstation ist ein sinnvoller Ablauf:

Schritt	Aktion	Übergangsbedingung
Bereit	Förderband freigeben	Start
Zählen	Werkstücke zählen	Q = 1
Karton voll	Förderband stoppen	Karton entnommen
Reset	R kurz aktivieren	CV = 0
Bereit	neuer Karton	Freigabe

Ein Ablaufmodell wie GRAFCET oder eine Schrittkette macht sichtbar, wann gezählt, gestoppt und zurückgesetzt wird. Das verhindert, dass Stückzahlen durch einen zu frühen Reset verloren gehen.

Anwendungsaufgabe 1: Reset richtig platzieren

Eine Anlage setzt den Zähler bereits zurück, sobald Q = 1 wird. Erkläre, warum das problematisch sein kann, und formuliere eine bessere Reset-Bedingung.

Hilfe 1: Überlege, ob das System noch erkennen kann, dass der Karton voll ist.

Hilfe 2: Verknüpfe den Reset mit einem bestätigten Prozessereignis.

Begründetes Feedback: Wird sofort bei Q zurückgesetzt, kann die Vollmeldung nur sehr kurz bestehen oder im Ablauf verloren gehen. Robuster ist: erst stoppen, Kartonentnahme bestätigen und danach R gezielt aktivieren.

Anwendungsaufgabe 2: Grenzwert ändern

Die Packstation soll künftig Kartons mit 8 Teilen füllen. Beschreibe, welche Größe angepasst werden muss und welche Teile des Ablaufs unverändert bleiben können.

Begründetes Feedback: Der Vorgabewert PV wird auf 8 geändert. Die Zählflanke, die Reset-Logik und die grundsätzliche Ablaufstruktur können gleich bleiben, wenn der mechanische Prozess unverändert ist.

Lerneinheit 4: Signalverläufe lesen und Fehler finden

Bei der Diagnose ist nicht nur wichtig, welcher Wert falsch ist, sondern welches Signal zuerst falsch wird.

Fehlerbild	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
CV springt bei einem Teil um 2	doppelter Sensorimpuls oder Prellen	Sensorsignal und Zählimpuls gemeinsam im Trace prüfen
Teile werden nicht gezählt	Impuls zu kurz, Sensor falsch ausgerichtet oder Programmausführung zu langsam	Pulsbreite und SPS-Zyklus vergleichen
CV wird unerwartet 0	Reset-Signal ist zu früh oder zu lange aktiv	R gemeinsam mit Ablaufzustand aufzeichnen
Q wird nicht 1	PV falsch oder CV erreicht den Vorgabewert nicht	PV, CV und Q gleichzeitig beobachten

Ein Trace zeichnet ausgewählte Signale über die Zeit auf. Damit lassen sich beispielsweise Sensorsignal, Zählimpuls, Reset, Zählwert und Grenzsignal zeitlich vergleichen.

Anwendungsaufgabe 3: Doppelzählung diagnostizieren

In der fiktiven Anlage fährt ein Werkstück durch den Sensor, aber CV steigt von 3 direkt auf 5. Plane eine Diagnose mit mindestens drei Signalen.

Hilfe 1: Zeichne zuerst das Rohsignal des Sensors auf.

Hilfe 2: Ergänze das Signal, das tatsächlich am Zähler ankommt.

Begründetes Feedback: Besonders aussagekräftig sind Sensorsignal, aufbereiteter Zählimpuls und CV. Zeigt schon der Sensor zwei Flanken, liegt die Ursache vor der Zählerlogik. Zeigt nur der interne Zählimpuls zwei Flanken, liegt der Fehler eher in der Signalaufbereitung.

Lerneinheit 5: Wenn Ereignisse schneller als der SPS-Zyklus sind

Ein Softwarezähler kann nur Ereignisse sicher erfassen, die von der Programmausführung erkannt werden. Sind Impulse schneller oder kürzer als die normale Bearbeitung, kann ein Schnellzähler bzw. High-Speed Counter HSC erforderlich sein.

Entscheidungsregel für die Ausbildung: Vergleiche die erwartete Impulsfolge mit der Erfassungs- und Zykluszeit der konkreten Steuerung. Bei schnellen Signalen nicht raten, sondern die Herstellerdaten prüfen.

Transferaufgabe 1: Softwarezähler oder HSC?

Ein Encoder liefert deutlich mehr Impulse pro Sekunde, als die normale SPS-Programmbearbeitung zuverlässig erfassen kann. Begründe, warum ein normaler CTU ungeeignet sein kann, und nenne eine passendere technische Lösung.

Begründetes Feedback: Werden Impulse zwischen zwei Programmbearbeitungen nicht gesehen, fehlen Zählereignisse. Ein hardwaregestützter Schnellzähler kann schnelle Impulse unabhängig von der normalen Programmausführung erfassen.

Transferaufgabe 2: Vom CTU zum CTUD

Ein Pufferlager zählt Teile beim Einlauf hoch und beim Auslauf herunter. Übertrage das Prinzip der Packstation auf diese neue Situation.

Hilfe 1: Jetzt gibt es zwei verschiedene Ereignisrichtungen.

Begründetes Feedback: Für einen Bestand, der steigen und fallen kann, ist ein Auf-/Abwärtszähler wie CTUD passend. Ein Einlaufimpuls erhöht, ein Auslaufimpuls verringert den Bestand. Zusätzlich müssen Grenzen gegen Unter- und Überlauf betrachtet werden.

Virtuelle Anlage: Packstation P-24

Arbeite mit dieser rein fiktiven Signaldefinition:

Signal	Bedeutung
S1_Teil	Lichttaster erkennt Werkstück
Teil_impuls	steigende Flanke von S1_Teil
Start	Anlage freigegeben
Karton_entnommen	Bedienperson bestätigt Wechsel
Reset_Zaehler	Rücksetzimpuls für CTU
Karton_voll	Q des Zählers
Stueckzahl	CV des Zählers

Sollverhalten:

Bei Start läuft das Förderband.
Jede steigende Flanke von S1_Teil erhöht Stueckzahl um 1.
Bei Stueckzahl ≥ 6 wird Karton_voll aktiv.
Das Förderband stoppt.
Nach Karton_entnommen wird Reset_Zaehler kurz aktiv.
Stueckzahl wird 0 und der nächste Zyklus kann starten.

Interaktive Steuerungsaufgabe: Ablauf entscheiden

Du beobachtest: Stueckzahl = 6, Karton_voll = 1, Karton_entnommen = 0.

Entscheidung: Was soll die Steuerung jetzt tun?

Begründetes Feedback: Das Förderband bleibt gestoppt. Ein Reset wäre zu früh, weil die Kartonentnahme noch nicht bestätigt ist. Erst nach Karton_entnommen = 1 darf der Prozess in den Reset-Schritt wechseln.

Interaktive Diagnoseaufgabe: Signalspur auswerten

Fiktiver Trace:

Zeitpunkt	S1_Teil	Teil_impuls	Reset_Zaehler	Stueckzahl
A	0	0	0	3
B	1	1	0	4
C	0	0	0	4
D	1	1	0	5
E	0	0	1	0

Aufgabe: Beurteile, ob der Reset bei E zum Sollablauf passt, wenn Karton_entnommen noch nicht bestätigt wurde.

Begründetes Feedback: Nein. Der Zähler wird schon bei 5 zurückgesetzt. Der Reset verletzt die Ablaufbedingung und verhindert das Erreichen des vorgesehenen Grenzwerts 6. Die Reset-Ansteuerung muss mit dem Prozessschritt verknüpft werden.

Gestufte Hilfen

Hilfe-Stufe 1: Signal lesen

Markiere zuerst nur steigende Flanken. Noch keine Zählwerte berechnen.

Hilfe-Stufe 2: Zählwert verfolgen

Starte bei CV = 0. Erhöhe CV nur bei einer steigenden Flanke am Zähleingang.

Hilfe-Stufe 3: Reset und Grenze ergänzen

Nutze für den Ausbildungsfall diese Denkregel:

Wenn R aktiv: CV := 0
Sonst bei steigender Flanke an CU: CV := CV + 1
Q := wahr, wenn CV >= PV

Hilfe-Stufe 4: Ablauf prüfen

Frage bei jedem Signalwechsel:

In welchem Prozessschritt befindet sich die Anlage?
Welches Ereignis darf den nächsten Schritt auslösen?
Darf jetzt gezählt, gestoppt oder zurückgesetzt werden?

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welcher Signalwechsel erhöht bei einem typischen CTU den Zählwert? (Übergang von 0 auf 1 am Zähleingang) (!Übergang von 1 auf 0 am Zähleingang) (!Dauerhaftes Signal 1) (!Dauerhaftes Signal 0)

Wofür steht CV bei einem Zähler? (Aktueller Zählwert) (!Rücksetzeingang) (!Vorgabewert) (!Startsignal der Anlage)

Welche Wirkung hat der Eingang R beim CTU? (Er setzt den Zählwert zurück) (!Er verdoppelt den Zählwert) (!Er setzt den Grenzwert) (!Er startet automatisch den Motor)

Wann wird Q beim hier verwendeten CTU-Prinzip aktiv? (Wenn CV größer oder gleich PV ist) (!Wenn CV immer kleiner als PV ist) (!Nur wenn R dauerhaft aktiv ist) (!Bei jeder fallenden Sensorflanke)

Warum zählt ein mehrere SPS-Zyklen lang anstehendes Sensorsignal nicht mehrfach? (Der Zähler reagiert auf die steigende Flanke) (!Der Zähler zählt nur fallende Flanken) (!Der Zähler ignoriert Sensorsignale grundsätzlich) (!Der Grenzwert wird automatisch verkleinert)

Warum können sehr schnelle Impulse bei einem normalen Softwarezähler fehlen? (Die Programmausführung kann zwischen den Impulsen zu langsam sein) (!Der Grenzwert PV ist immer zu klein) (!Ein Reset muss nach jedem Impuls erfolgen) (!Q kann nur analoge Signale verarbeiten)

Welche Technik ist für sehr schnelle Zählimpulse häufig geeigneter? (Ein hardwaregestützter Schnellzähler) (!Ein dauerhaftes Reset-Signal) (!Ein größerer Bildschirm) (!Ein zusätzlicher Grenzwert ohne Zähler)

Wann soll der Zähler im Ausbildungsfall zurückgesetzt werden? (Nach bestätigter Kartonentnahme) (!Sofort nach jedem Werkstück) (!Noch vor dem ersten Zählimpuls dauerhaft) (!Immer gleichzeitig mit jedem Sensorsignal)

Welche Signalkombination ist für die Diagnose einer Doppelzählung besonders sinnvoll? (Sensorsignal Zählimpuls und Zählwert) (!Nur die Uhrzeit) (!Nur der Name des Programms) (!Nur der Grenzwert ohne Prozesssignal)

Was beschreibt den Unterschied zwischen PV und CV am besten? (PV ist der Vorgabewert und CV der aktuelle Zählwert) (!PV ist der aktuelle Zählwert und CV der Reset) (!PV und CV sind immer dasselbe Signal) (!PV ist der Motor und CV der Sensor)

Memory

CTU	Vorwärtszähler
CU	Zähleingang
R	Rücksetzen
PV	Vorgabewert
CV	Istzählwert
Q	Grenzerreicht
Trace	Signaldiagnose

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
CU	Zählimpuls
R	Rücksetzen
PV	Grenzwert
CV	Zählstand
Q	Grenzsignal

Kreuzworträtsel

Flanke	Welcher Signalwechsel löst beim CTU typischerweise ein Zählereignis aus?
Sensor	Welches Bauteil erkennt in der Packstation ein Werkstück?
Grenzwert	Was legt der Vorgabewert PV für die Stückzahl fest?
Zaehler	Welcher Bausteintyp speichert eine Stückzahl?
Diagnose	Wozu dient die Auswertung eines Trace bei einer Störung?
Schrittkette	Welches Ablaufmodell ordnet Prozessschritte und Übergänge?

LearningApps

Lückentext

Ein CTU zählt typischerweise bei einer steigenden

. Der aktuelle Zählstand wird häufig als

bezeichnet. Der gewünschte Grenzwert liegt am Eingang

. Das Rücksetzen wird über den Eingang

ausgelöst. Das Ausgangssignal

meldet das Erreichen des Vorgabewerts. Ein zeitlicher Signalverlauf unterstützt die

. Bei sehr schnellen Impulsen kann ein

erforderlich sein. In einer Ablaufsteuerung werden Zustandswechsel durch

beschrieben. Beim Ausbildungsfall erfolgt der Reset erst nach der bestätigten

.

Offene Aufgaben

Leicht

Signalfolge markieren: Erstelle auf Papier eine eigene Folge aus 0- und 1-Signalen, markiere die steigenden Flanken und notiere den zugehörigen Zählwert.
Zählerkarte: Gestalte eine kompakte Lernkarte zu CU, R, PV, CV und Q mit jeweils einem Satz und einem kleinen Symbol.
Virtuelle Packstation: Zeichne die Packstation mit Sensor, Förderband, Karton und den wichtigsten Signalen.
Fehlerbild erklären: Formuliere in drei Sätzen, warum ein dauerhaftes Sensorsignal nicht mehrfach gezählt werden darf.

Standard

Reset-Konzept: Entwirf eine Bedingung, die den Zähler erst nach bestätigter Kartonentnahme zurücksetzt, und begründe sie.
Grenzwerttest: Entwickle mindestens vier Testfälle für PV = 6, darunter CV = 5, CV = 6 und ein Reset-Fall.
Trace-Planung: Lege fünf Signale fest, die Du bei einer Doppelzählung aufzeichnen würdest, und begründe die Auswahl.
Ablaufmodell: Zeichne eine Schrittkette für Bereit, Zählen, Karton voll und Reset mit passenden Übergangsbedingungen.

Schwer

Störfallanalyse: Entwickle einen fiktiven Signalverlauf, in dem ein Teil doppelt gezählt wird, und zeige, an welcher Stelle die Ursache sichtbar wird.
HSC-Entscheidung: Recherchiere in der Dokumentation einer in Deiner Ausbildung verwendeten SPS die zulässige Zähler- bzw. Eingangsfrequenz und begründe die Wahl zwischen Softwarezähler und Schnellzähler.
CTUD-Transfer: Übertrage das Modell auf einen Puffer, bei dem Einlauf hochzählt und Auslauf herunterzählt. Ergänze sinnvolle Grenzbedingungen.
Abnahmetest: Entwirf ein Prüfprotokoll für die virtuelle Packstation mit Normalbetrieb, Grenzwert, Reset, Doppelimpuls und fehlendem Impuls. Begründe für jeden Test das erwartete Ergebnis.

Lernkontrolle

Prozessanalyse: Eine Anlage zählt zu viele Werkstücke. Entwickle eine Diagnose-Reihenfolge vom Sensor bis zum Zählerwert und begründe, warum Du genau in dieser Reihenfolge prüfst.
Reset im Ablauf: Vergleiche „Reset sofort bei Q“ mit „Reset nach bestätigtem Behälterwechsel“. Bewerte beide Varianten hinsichtlich Prozesssicherheit und Nachvollziehbarkeit.
Grenzwertstrategie: Eine Produktvariante benötigt 12 statt 6 Teile. Beschreibe, welche Programmteile parametrierbar sein sollten, damit keine unnötige Programmkopie entsteht.
Signalqualität: Ein Sensor erzeugt gelegentlich zwei kurze Impulse pro Werkstück. Entwickle zwei mögliche technische Gegenmaßnahmen und erläutere ihre Vor- und Nachteile.
Zählerauswahl: Entscheide für einen schnellen Encoder zwischen Softwarezähler und HSC. Nenne die technischen Informationen, die Du für eine belastbare Entscheidung aus dem Datenblatt benötigst.
Trace-Interpretation: Ein Trace zeigt zwei Zählimpulse, aber nur eine optische Werkstückpassage. Formuliere mindestens zwei Hypothesen und beschreibe, wie Du sie voneinander unterscheiden würdest.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du:

steigende Flanken korrekt als Zählereignisse erkennst.
CU, R, PV, CV und Q sicher zuordnest.
einen Grenzwert in einen Prozessablauf einbindest.
einen Reset an eine nachvollziehbare Prozessbedingung koppelst.
Signalverläufe systematisch auswertest.
Diagnosehypothesen mit beobachtbaren Signalen begründest.
die Grenzen eines Softwarezählers erkennst und bei Bedarf einen Schnellzähler begründet auswählst.
einen Zählprozess mit Testfällen auf korrektes Verhalten prüfst.

Fachliche Quellen und Medienrechte

Fachliche Quellen:

Siemens S7-1200 Easy Book – Beschreibung von CTU, CTD und CTUD sowie Hinweise zur Ausführungsgeschwindigkeit von Softwarezählern.
Siemens S7-1200 System Manual – Herstellerdokumentation zu Zählerbausteinen und Signalen.
CODESYS Standard Library – CTU – Dokumentation von Flankenzählung, Reset, PV, CV und Q.
Siemens TIA Portal – Trace – Dokumentation zur zeitlichen Aufzeichnung und Auswertung von Signalen.
Wikipedia – Ablaufsteuerung – Überblick zu Schritten, Transitionen, GRAFCET und Ablaufmodellen.
Wikipedia – Speicherprogrammierbare Steuerung – Überblick zu SPS-Grundlagen.

Verwendete Wikimedia-Commons-Medien:

Conveyor belt moves material in a factory – CC BY 2.0.
Photoelectric sensor – CC BY-SA 3.0.
Programmable logic controller – CC BY-SA 3.0 und GFDL.
Sequential function chart – CC BY-SA 3.0 und GFDL.
Steuerung Schema – CC BY-SA 3.0 und GFDL.
HMI-Panel Anschlüsse – CC BY-SA 4.0.
Simatic S7-1200 – CC BY-SA 3.0.

Verwendete YouTube-Medien:

PLC Automation Academy – Siemens TIA Portal & Factory IO: Conveyor – eingebettetes Lernvideo zur virtuellen Fördertechnik.
Technique Industrie – CTU Counter – eingebettetes Lernvideo zum CTU.
Hegamurl – TIA Portal Counters CTU CTD CTUD – eingebettetes Lernvideo zu Zählfunktionen.
Grollmus – Traces im TIA Portal – eingebettetes Lernvideo zur Signalanalyse.

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