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Steuerungslogik und Ablaufmodelle – Binäre Zustände und Logik erklären

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Einleitung

Steuerungslogik und Ablaufmodelle – Binäre Zustände und Logik erklären

Dieser aiMOOC richtet sich an Lernende in der Ausbildung im Bereich Elektrotechnik, Mechatronik und Automatisierungstechnik. Du arbeitest mit einem fiktiven Ausbildungsfall: einer virtuellen Sortierstation. Im Mittelpunkt stehen Wahrheitswerte, ihre technische Bedeutung, einfache Boolesche Logik, Wahrheitstabellen, SPS-Signale, KOP und ein einfaches Ablaufmodell.

Wichtig: Die virtuelle Anlage ist ein Lernmodell. Sie bildet keine reale Sicherheitssteuerung ab und darf nicht als Vorlage für sicherheitsbezogene Maschinenfunktionen verwendet werden.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du:

binäre Zustände als 0/1 beziehungsweise FALSE/TRUE erklären.
UND, ODER und NICHT mit Wahrheitstabellen auswerten.
einfache Signalverläufe lesen und logische Fehler erkennen.
binäre Ein- und Ausgänge einer SPS fachlich zuordnen.
einen einfachen Ablauf aus Schritten, Aktionen und Übergangsbedingungen beschreiben.
Diagnoseentscheidungen mit Mess- und Beobachtungsdaten begründen.

Ausbildungsfall: Virtuelle Sortierstation

Eine fiktive Anlage transportiert Werkstücke, prüft sie und schleust fehlerhafte Teile aus. Alle Übungsdaten sind erfunden.

Signal	Typ	Bedeutung bei TRUE
B1_Start	Eingang	Startanforderung liegt an
S1_Teil	Eingang	Werkstück erkannt
S2_Pruefung	Eingang	Prüfergebnis ist fehlerhaft
S3_Stau	Eingang	Stau erkannt
Q1_Band	Ausgang	Förderband läuft
Q2_Ausschleuser	Ausgang	Ausschleuser ist aktiv

Vereinfachte Steuerungsregel:

Q1_Band = B1_Start UND NICHT S3_Stau

Q2_Ausschleuser = S1_Teil UND S2_Pruefung

Virtuelles Anlagenbild im Kopf

Sensor: Ein Eingang meldet einen Zustand.
SPS: Das Programm verknüpft Eingangszustände.
Aktor: Ein Ausgang setzt die berechnete Entscheidung technisch um.

Kurze Lerneinheiten

Lerneinheit 1: 0 und 1 sind Zustände

Ein binäres Signal kennt im logischen Modell zwei Werte: 0/FALSE und 1/TRUE. Technisch stehen diese Werte für zwei unterscheidbare Zustände, zum Beispiel „Sensor frei“ und „Sensor belegt“.

Merksatz: 0 und 1 sind zunächst logische Werte. Welche elektrischen Spannungsbereiche dazu gehören, hängt vom verwendeten Gerät und dessen Datenblatt ab.

Mini-Check: Wenn S1_Teil = TRUE ist, hat die Steuerung das Werkstücksignal als aktiv erkannt. Daraus folgt noch nicht automatisch, dass ein bestimmter Ausgang eingeschaltet werden muss.

Lerneinheit 2: Wahrheitswerte und Wahrheitstabelle

Eine Wahrheitstabelle zeigt für alle Eingangskombinationen, welches Ergebnis eine logische Funktion liefert.

A	B	A UND B	A ODER B
0	0	0	0
0	1	0	1
1	0	0	1
1	1	1	1

Bei NICHT A wird der Wahrheitswert umgekehrt: Aus 0 wird 1, aus 1 wird 0.

Lerneinheit 3: UND in der Steuerung

UND bedeutet: Alle geforderten Bedingungen müssen TRUE sein.

Für das Förderband gilt:

Q1_Band = B1_Start UND NICHT S3_Stau

Wenn der Start angefordert ist und kein Stau vorliegt, darf das virtuelle Förderband laufen.

B1_Start	S3_Stau	NICHT S3_Stau	Q1_Band
0	0	1	0
0	1	0	0
1	0	1	1
1	1	0	0

Lerneinheit 4: ODER und NICHT

ODER liefert TRUE, wenn mindestens eine Bedingung TRUE ist. NICHT kehrt einen Wahrheitswert um.

Beispiel Diagnosemeldung:

M_Stoerhinweis = S3_Stau ODER S2_Pruefung

Die Meldung wird aktiv, wenn ein Stau oder ein fehlerhaftes Prüfergebnis vorliegt.

Lerneinheit 5: SPS, Prozessabbild und KOP

Eine SPS liest Eingangszustände, verarbeitet das Anwenderprogramm und aktualisiert Ausgänge zyklisch. Bei typischen SPS-Systemen werden Eingangszustände für die Programmbearbeitung in einem Prozessabbild bereitgestellt.

Im KOP/LD werden Boolesche Variablen unter anderem durch Kontakte und Spulen dargestellt. Seriell angeordnete Bedingungen entsprechen häufig einer UND-Verknüpfung; parallele Zweige können eine ODER-Verknüpfung bilden.

Lerneinheit 6: Ablaufmodell statt Einzelentscheidung

Steuerungslogik beantwortet häufig die Frage: Ist eine Bedingung jetzt wahr?

Ein Ablaufmodell beantwortet zusätzlich: In welchem Schritt befindet sich die Anlage?

Für die virtuelle Sortierstation:

Schritt	Aktion	Übergang zum nächsten Schritt
Bereit	Ausgänge aus	S1_Teil = TRUE
Fördern	Q1_Band = TRUE	Werkstück erreicht Prüfstelle
Prüfen	Prüfergebnis auswerten	Prüfen beendet
Ausschleusen	Q2_Ausschleuser = TRUE	Ausschleusen beendet
Rückkehr	Ausgänge zurücksetzen	Grundstellung erreicht

Die aktuelle IEC 61131-3 beschreibt unter anderem LD/KOP, FBD/FUP und ST sowie SFC-Elemente zur Strukturierung von Programmen und Funktionsbausteinen.

Signalverläufe lesen

Für eine Diagnose ist die zeitliche Reihenfolge entscheidend.

Zeitpunkt	B1_Start	S1_Teil	S3_Stau	Erwartet Q1_Band
t0	0	0	0	0
t1	1	0	0	1
t2	1	1	0	1
t3	1	1	1	0
t4	1	0	0	1

Beobachtung: Wenn bei t3 der Stau-Eingang TRUE wird, muss Q1_Band nach der vorgegebenen Logik FALSE werden.

Diagnosefall: Das Band läuft trotz Stau

Gemessen wird bei t3:

B1_Start = 1, S3_Stau = 1, Q1_Band = 1.

Aufgabe: Begründe, warum das Verhalten nicht zur Soll-Logik passt.

Hilfe 1: Prüfe zuerst nur die beiden Eingänge der Gleichung für Q1_Band.

Hilfe 2: Berechne NICHT S3_Stau.

Hilfe 3: Werte 1 UND 0 aus.

Begründetes Feedback: Das Soll-Ergebnis ist Q1_Band = 0. Bleibt der Ausgang 1, muss die Diagnose zwischen fehlerhafter Programmlogik, falscher Signalzuordnung und einem abweichenden beobachteten Prozesszustand unterscheiden. Ein einzelner beobachteter Ausgang reicht nicht aus, um die Fehlerursache sicher festzulegen.

Lernpfad: Basis, Anwendung und Transfer

Basisaufgabe

Aufgabe: Bestimme Q1_Band für B1_Start = 1 und S3_Stau = 0.

Hilfe: Erst NICHT S3_Stau bilden, dann UND auswerten.

Feedback: Q1_Band = 1. Die Startbedingung ist erfüllt und die Stau-Bedingung ist FALSE. Dadurch wird NICHT S3_Stau zu TRUE. Beide UND-Eingänge sind TRUE.

Anwendungsaufgabe

Aufgabe: In der virtuellen Anlage ist B1_Start = 1, S1_Teil = 1, S2_Pruefung = 1 und S3_Stau = 0. Bestimme Q1_Band und Q2_Ausschleuser.

Feedback: Q1_Band = 1, weil Start TRUE und Stau FALSE ist. Q2_Ausschleuser = 1, weil sowohl ein Teil erkannt als auch ein fehlerhaftes Prüfergebnis gemeldet wird. Du musst zwei getrennte Boolesche Funktionen auswerten.

Transferaufgabe

Aufgabe: Die Anlage soll das Förderband nur einschalten, wenn gestartet wurde, kein Stau vorliegt und ein Werkstück vorhanden ist. Formuliere eine Boolesche Gleichung.

Hilfe 1: Drei Bedingungen müssen gleichzeitig passen.

Hilfe 2: Eine Bedingung muss negiert werden.

Feedback: Eine passende Lösung ist Q1_Band = B1_Start UND NICHT S3_Stau UND S1_Teil. Die zusätzliche UND-Bedingung verhindert das Einschalten ohne erkanntes Werkstück. Ob diese Logik für eine reale Anlage sinnvoll ist, müsste anhand des tatsächlichen Prozesses geprüft werden.

Steuerungsaufgabe: Logik aus einer Anforderung ableiten

Anforderung: Eine gelbe Diagnoseleuchte Q3_Hinweis soll leuchten, wenn entweder ein Stau erkannt oder ein fehlerhaftes Werkstück gemeldet wird.

Deine Schritte:

Formuliere die Boolesche Gleichung.
Erstelle die vier möglichen Eingangskombinationen.
Prüfe die Ausgangswerte.
Begründe, warum eine ODER-Verknüpfung passt.

Musterfeedback: Q3_Hinweis = S3_Stau ODER S2_Pruefung. Eine ODER-Verknüpfung ist passend, weil bereits eine der beiden Ursachen die Diagnoseleuchte einschalten soll.

Ablaufaufgabe: Schritt und Bedingung trennen

Situation: Der Schritt „Prüfen“ ist aktiv. Das Prüfergebnis S2_Pruefung wird TRUE.

Frage: Bedeutet dieses TRUE automatisch, dass jeder Ausgang der Anlage eingeschaltet wird?

Feedback: Nein. Ein Signal ist zunächst nur eine Information beziehungsweise Bedingung. Welche Aktion daraus folgt, hängt vom aktiven Schritt und von der programmierten Logik ab. Genau diese Trennung zwischen Zustand, Bedingung und Aktion ist für Ablaufmodelle wichtig.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt ein binärer Wahrheitswert in einer Steuerung? (Einen von zwei logischen Zuständen) (!Eine feste Spannung von immer genau 24 Volt) (!Einen beliebigen Analogwert) (!Eine mechanische Geschwindigkeit)

Wann ist eine UND-Verknüpfung TRUE? (Wenn alle erforderlichen Eingänge TRUE sind) (!Wenn mindestens ein Eingang TRUE ist) (!Wenn alle Eingänge FALSE sind) (!Wenn ein Eingang unbekannt ist)

Wann ist eine ODER-Verknüpfung TRUE? (Wenn mindestens ein Eingang TRUE ist) (!Nur wenn alle Eingänge TRUE sind) (!Nur wenn alle Eingänge FALSE sind) (!Nur bei einem Zeitablauf)

Was bewirkt die NICHT-Verknüpfung? (Sie kehrt den Wahrheitswert um) (!Sie addiert zwei Wahrheitswerte) (!Sie speichert einen Analogwert) (!Sie erzeugt immer TRUE)

Welches Ergebnis hat 1 UND 0? (0) (!1) (!TRUE) (!2)

Welches Ergebnis hat 1 ODER 0? (1) (!0) (!FALSE) (!2)

Welche Aussage über logische 0 und 1 ist fachlich richtig? (Die zugehörigen elektrischen Pegel hängen vom verwendeten Gerät ab) (!Logisch 1 bedeutet bei jeder Steuerung exakt dieselbe Spannung) (!Logisch 0 ist immer gleichbedeutend mit Drahtbruch) (!Logische Werte können nur in Computern vorkommen)

Was wird im KOP typischerweise mit Kontakten und Spulen dargestellt? (Boolesche Steuerungslogik) (!Nur mechanische Kräfte) (!Nur analoge Messkurven) (!Ausschließlich Netzwerkadressen)

Was ist bei einem Ablaufmodell zusätzlich zur Logik wichtig? (Der aktuell aktive Schritt) (!Nur die Kabelfarbe) (!Nur die Versorgungsspannung) (!Nur die Programmdateigröße)

Was folgt bei Q1_Band = B1_Start UND NICHT S3_Stau für Start gleich 1 und Stau gleich 1? (Q1_Band wird 0) (!Q1_Band wird 1) (!Q1_Band wird 2) (!Q1_Band ist grundsätzlich analog)

Memory

TRUE	logisch aktiv
FALSE	logisch inaktiv
UND	alle Bedingungen erfüllt
ODER	mindestens eine Bedingung erfüllt
NICHT	Wahrheitswert umkehren
Eingang	Information aus dem Prozess
Ausgang	Wirkung zum Prozess
Ablaufmodell	Schritte und Übergänge

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Wahrheitstabelle	zeigt Eingangskombinationen und logische Ergebnisse
UND-Verknüpfung	benötigt gleichzeitig erfüllte Bedingungen
ODER-Verknüpfung	wird durch mindestens eine erfüllte Bedingung wahr
Negation	kehrt einen Wahrheitswert um
Kontaktplan	grafische SPS-Sprache mit Kontakten und Spulen
Ablaufsprache	strukturiert Schritte und Übergänge

Kreuzworträtsel

Binärsignal	Wie heißt ein Signal mit zwei logischen Zuständen?
Negation	Wie heißt die logische Umkehrung eines Wahrheitswertes?
Kontaktplan	Wie heißt die grafische SPS-Darstellung mit Kontakten und Spulen?
Prozessabbild	Wie heißt der Speicherbereich für zyklisch bereitgestellte Prozesswerte?
Wahrheitstafel	Wie heißt die Tabelle aller logischen Eingangskombinationen?
Ablaufsprache	Wie heißt die schrittorientierte Strukturierung eines Steuerungsablaufs?

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Lückentext

Ein binäres Signal besitzt im logischen Modell zwei

. Eine UND-Verknüpfung wird nur dann TRUE, wenn alle erforderlichen Bedingungen

sind. Bei einer ODER-Verknüpfung genügt mindestens eine erfüllte

. Die logische Umkehrung heißt

. Im KOP werden Boolesche Variablen unter anderem mit Kontakten und

dargestellt. Ein Ablaufmodell beschreibt neben Bedingungen auch aktive

. Ein Signalverlauf hilft dabei, Zustandsänderungen über die

zu verfolgen. Bei einer Diagnose müssen Beobachtung und Soll-Logik miteinander

werden.

Offene Aufgaben

Leicht

Binärsignal: Fotografiere oder skizziere drei technische Beispiele, bei denen zwei klar unterscheidbare Zustände vorkommen, und benenne jeweils 0 und 1.
Wahrheitstabelle: Erstelle eine eigene Wahrheitstabelle für zwei Eingänge und eine UND-Verknüpfung.
Logikgatter: Erkläre UND, ODER und NICHT mit je einem Satz aus einem Ausbildungsalltag.
Signalverlauf: Zeichne für ein fiktives Sensorsignal einen Verlauf mit mindestens zwei steigenden und zwei fallenden Flanken.

Standard

Kontaktplan: Übertrage die Gleichung B1_Start UND NICHT S3_Stau in eine KOP-Skizze.
Fehlersuche: Erfinde einen Signalverlauf, bei dem der Ausgang nicht zur Soll-Gleichung passt, und formuliere zwei mögliche Ursachen.
Ablaufsteuerung: Zeichne für die virtuelle Sortierstation die Schritte Bereit, Fördern, Prüfen und Ausschleusen mit passenden Übergangsbedingungen.
SPS: Erkläre in einem kurzen Audio- oder Videobeitrag den Weg vom Sensorsignal über die SPS bis zum Ausgangssignal.

Schwer

Boolesche Algebra: Entwickle eine Logik mit drei Eingängen, vereinfache sie soweit sinnvoll und begründe jede Änderung.
Diagnose: Plane eine systematische Fehlersuche für den Fall, dass Q1_Band trotz korrekter Eingangsanzeige nicht schaltet.
Ablaufmodell: Erweitere die virtuelle Anlage um einen Rücksetzschritt und begründe, welche Übergangsbedingung den Rücksprung erlaubt.
Automatisierungstechnik: Vergleiche eine reine kombinatorische Logik mit einem schrittabhängigen Ablaufmodell und nenne einen geeigneten Einsatzfall für beide.

Lernkontrolle

Analyse: Ein Ausgang schaltet bei zwei unterschiedlichen Eingangskombinationen gleich. Erkläre anhand einer Wahrheitstabelle, wie Du prüfst, ob das beabsichtigt ist.
Transfer: Formuliere für eine neue fiktive Anlage eine Bedingung, bei der ein Motor nur bei drei gleichzeitig erfüllten Freigaben läuft. Begründe die Wahl der Operatoren.
Diagnose: Ein Eingang wechselt im Signalverlauf korrekt, der zugehörige Ausgang reagiert aber nicht. Entwickle eine Reihenfolge sinnvoller Prüfschritte vom Signal bis zur Programmlogik.
Ablaufsteuerung: Erkläre, warum dieselbe Sensorinformation in zwei unterschiedlichen Schritten eines Ablaufmodells verschiedene Folgen haben kann.
Modellbildung: Unterscheide zwischen physikalischem Signalpegel, Booleschem Wert und programminterner Variable anhand eines eigenen Beispiels.
Bewertung: Beurteile die Aussage „TRUE bedeutet immer 24 Volt“ und begründe fachlich, warum diese Formulierung zu ungenau ist.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen, dass Du:

0/FALSE und 1/TRUE fachlich sicher unterscheiden kannst.
Wahrheitstabellen für UND, ODER und NICHT erstellen und auswerten kannst.
zwischen logischem Zustand und konkretem elektrischem Signalpegel unterscheiden kannst.
einfache Boolesche Gleichungen aus technischen Anforderungen ableiten kannst.
KOP-Darstellungen lesen und mit Boolescher Logik verbinden kannst.
Signalverläufe zur Diagnose verwenden und Abweichungen begründet beschreiben kannst.
einfache Schrittfolgen mit Übergangsbedingungen als Ablaufmodell erklären kannst.
bei einer Fehlersuche Beobachtung, Soll-Verhalten und mögliche Ursache voneinander trennen kannst.

Fachliche Quellen

IEC 61131-3:2025: aktuelle internationale Normausgabe zu Programmiersprachen für speicherprogrammierbare Steuerungen; veröffentlicht 2025.
Schneider Electric – Programming Languages: Beschreibung von LD/KOP, Kontakten, Spulen und Booleschen Variablen.
Wikipedia – Boolesche Algebra: Grundlagen von UND, ODER und NICHT.
Wikipedia – Wahrheitstabelle: Darstellung von Wahrheitswertverläufen logischer Aussagen.
Wikipedia – Speicherprogrammierbare Steuerung: Aufbau, Eingänge, Ausgänge und zyklische Programmbearbeitung.

Quellenstand: geprüft am 7. Oktober 2026.

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