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Steuerungslogik und Ablaufmodelle – Flanken von Pegeln unterscheiden

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Einleitung

Steuerungslogik und Ablaufmodelle – Flanken von Pegeln unterscheiden

Kurzbeschreibung: Ereignis und dauerhafter Zustand.

In diesem aiMOOC lernst Du, in einer SPS einen dauerhaften Pegel von einem kurzen Ereignis an einer Signalflanke zu unterscheiden. Du arbeitest mit einer virtuellen Förderanlage, Signalverläufen und Diagnosefällen. Alle Anlagen-, Zeit- und Variablendaten sind fiktiv und dienen nur dem Lernen.

Zielgruppe: Ausbildung in Automatisierungs-, Elektro-, Mechatronik- und verwandten technischen Berufen.

Ziel: Du entscheidest sicher, wann eine Steuerung einen Zustand auswerten soll und wann nur der Zustandswechsel zählt.

Lerneinheit 1: Pegel oder Flanke?

Ein Pegel beschreibt einen Zustand, der eine Zeit lang anliegt.

Signal	Bedeutung	Typische Frage
0	Zustand AUS / FALSE	Liegt der Zustand an?
1	Zustand EIN / TRUE	Liegt der Zustand an?
0 → 1	steigende bzw. positive Flanke	Ist das Ereignis gerade eingetreten?
1 → 0	fallende bzw. negative Flanke	Ist das Ereignis gerade eingetreten?

Merksatz: Ein Pegel kann mehrere SPS-Zyklen lang gleich bleiben. Eine Flanke kennzeichnet den Wechsel zwischen zwei Pegeln.

Lerneinheit 2: Signalverlauf lesen

Betrachte einen fiktiven Taster S1 über sieben SPS-Zyklen.

Zyklus	Z2	Z3	Z4	Z5
S1	1	1	1	0
steigende Flanke	1	0	0	0
fallende Flanke	0	0	0	1

Beobachtung: S1 hat drei Zyklen lang den Pegel 1. Das Ereignis „Taster wurde gedrückt“ tritt trotzdem nur einmal auf: beim Wechsel 0 → 1.

Praxisfolge: Ein Zähler, der direkt auf S1 reagiert, könnte bei zyklischer Auswertung mehrfach zählen. Ein Zähler, der auf die steigende Flanke reagiert, zählt das Drücken einmal.

Lerneinheit 3: R_TRIG und F_TRIG

In IEC-61131-3-nahen SPS-Bibliotheken werden Flanken häufig mit Trigger-Bausteinen ausgewertet.

Baustein	Erkennt	Ausgang Q	Typischer Einsatz
R_TRIG	0 → 1	für den erkannten Übergang TRUE	Startimpuls, Zählen, Schrittwechsel
F_TRIG	1 → 0	für den erkannten Übergang TRUE	Loslassen, Signalende, Freigabe nach Verlassen

Bei Siemens STEP 7 wird eine positive Signalflanke ebenfalls durch Vergleich des aktuellen Signalwerts mit dem zuvor gespeicherten Zustand erkannt. Der Ausgang der Flankenerkennung ist dabei nur für einen Zyklus aktiv.

Lerneinheit 4: Warum ein Flankenmerker nötig ist

Eine Flanke kann nur erkannt werden, wenn die Steuerung den aktuellen mit dem vorherigen Signalzustand vergleicht.

Vorher	Jetzt	Ergebnis
0	0	keine Flanke
0	1	steigende Flanke
1	1	keine Flanke
1	0	fallende Flanke

Der vorherige Zustand muss gespeichert werden. Deshalb besitzt eine Flankenerkennung einen internen Speicherzustand bzw. benötigt eine passende Instanz.

Lerneinheit 5: Ausbildungsfall – virtuelle Förderanlage

Fall: In einer fiktiven Montagelinie transportiert Förderband M1 Werkstücke an Lichtschranke B1 vorbei.

Kennzeichen	Fiktive Funktion	Datentyp
S1	Starttaster	BOOL
S0	Stopptaster	BOOL
B1	Lichtschranke Werkstück erkannt	BOOL
Q1	Fördermotor EIN	BOOL
C1	Werkstückzähler	INT

Aufgabe der Steuerung: Q1 darf während des Förderns dauerhaft EIN sein. C1 soll dagegen genau einmal erhöht werden, wenn ein Werkstück neu in B1 einläuft.

Entscheidung:

Pegel: Q1 benötigt einen dauerhaften Zustand.
Flanke: C1 benötigt das Ereignis B1 0 → 1.

Lerneinheit 6: Ablaufmodell der Anlage

Ein Ablaufmodell verbindet Zustände mit Ereignissen.

Schritt	Zustand	Aktion	Übergang
A0	Bereit	Q1 = 0	S1 steigende Flanke
A1	Fördern	Q1 = 1	B1 steigende Flanke
A2	Werkstück erfasst	C1 einmal erhöhen	B1 fallende Flanke
A1	Fördern	Q1 = 1	nächstes Werkstück

Wichtig: Ein Ablaufzustand kann viele Zyklen dauern. Der Übergang zum nächsten Schritt wird häufig durch ein Ereignis ausgelöst.

Lerneinheit 7: Pegelsteuerung und Ereignissteuerung vergleichen

Situation	Pegel sinnvoll?	Flanke sinnvoll?	Begründung
Motor soll laufen, solange Freigabe anliegt	Ja	Nein	Dauerzustand ist gefordert
Zähler soll beim Eintreffen eines Werkstücks +1 zählen	Nein	Ja	Ein Ereignis soll genau einmal wirken
Lampe zeigt Sensorbelegung	Ja	Nein	Anzeige soll aktuellen Zustand zeigen
Schrittfolge startet beim Tastendruck	Nein	Ja	Start soll nur beim Zustandswechsel ausgelöst werden
Meldung wird beim Signalverlust erzeugt	Nein	Ja	Das Ende des Signals ist das Ereignis

Lerneinheit 8: Diagnose – typische Fehlerbilder

Fehlerbild	Wahrscheinliche Ursache	Diagnose
Zähler zählt mehrfach, solange B1 = 1	Pegel statt Flanke ausgewertet	R_TRIG bzw. positive Flankenerkennung prüfen
R_TRIG.Q wird nie TRUE	kein 0 → 1-Wechsel oder Bausteinaufruf fehlt	Online-Verlauf von CLK und Q vergleichen
Ereignis erscheint mehrfach	prellender Taster oder instabiles Sensorsignal	Rohsignal und gefiltertes Signal vergleichen
Kurzer Impuls wird nicht erkannt	Impuls ist für die zyklische Abtastung zu kurz	Zykluszeit und Eingangssignal prüfen
Ablauf springt unerwartet weiter	Flanke an falscher Variablen ausgewertet	Übergangsbedingung und Signalquelle verfolgen

Hinweis: Für reale Maschinen müssen kurze oder asynchrone Signale je nach Hardware mit geeigneten Eingangsfiltern, schnellen Eingängen, Interrupts oder Zählfunktionen behandelt werden. Dieser Kurs ersetzt keine Hersteller- oder Sicherheitsdokumentation.

Virtuelle Diagnose 1: Zählerfehler

Simulation: B1 ist in vier aufeinanderfolgenden Zyklen 1. Der aktuelle Programmstand lautet sinngemäß: „Wenn B1 = 1, dann C1 := C1 + 1“.

Frage: Warum wird ein Werkstück viermal gezählt?

Hilfe 1: Prüfe, ob der Code einen Zustand oder einen Zustandswechsel auswertet.

Hilfe 2: B1 bleibt vier Zyklen lang TRUE.

Hilfe 3: Der Zähler braucht nur das Ereignis 0 → 1.

Begründetes Feedback: Die Bedingung B1 = 1 ist in jedem der vier Zyklen wahr. Deshalb wird die Zähloperation viermal ausgeführt. Eine positive Flankenerkennung erzeugt dagegen nur beim Wechsel von 0 auf 1 ein Zählevent.

Virtuelle Diagnose 2: Signalende

Simulation: Eine Klemme gilt als belegt, solange B2 = 1. Erst wenn das Werkstück die Klemme verlässt, soll der nächste Förderschritt starten.

Frage: Welches Ereignis passt?

Hilfe 1: Entscheidend ist nicht das Eintreffen, sondern das Verlassen.

Hilfe 2: Beim Verlassen wechselt B2 von 1 auf 0.

Hilfe 3: Gesucht ist die fallende Flanke.

Begründetes Feedback: Der Schrittwechsel soll genau beim Signalende ausgelöst werden. Deshalb ist die fallende Flanke 1 → 0 bzw. F_TRIG fachlich passend.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben

Basisaufgabe

Aufgabe: Entscheide für jede Funktion: Pegel oder Flanke? Motorfreigabe, Werkstückzähler, Belegtanzeige, Start einer Schrittfolge.

Hilfe 1: Frage jeweils: Soll die Funktion so lange wirken, wie das Signal anliegt?

Hilfe 2: Dauerwirkung spricht für Pegel. Einmalige Reaktion spricht für Flanke.

Feedback: Motorfreigabe und Belegtanzeige brauchen typischerweise Pegel, weil ihr Zustand während der gesamten Signalzeit gelten soll. Werkstückzähler und Schrittstart brauchen typischerweise Flanken, weil ein einzelnes Ereignis verarbeitet werden soll.

Anwendungsaufgabe

Aufgabe: B1 hat den Verlauf 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0. Bestimme die Zyklen mit steigender und fallender Flanke.

Hilfe 1: Vergleiche immer zwei benachbarte Werte.

Hilfe 2: 0 → 1 bedeutet steigend, 1 → 0 bedeutet fallend.

Feedback: Steigende Flanken liegen bei den Übergängen zum dritten und sechsten Wert vor. Fallende Flanken liegen beim Übergang zum fünften und siebten Wert vor. Begründung: Nur Änderungen zählen, nicht die Dauer des Pegels.

Transferaufgabe

Aufgabe: Entwirf für eine virtuelle Verpackungsmaschine eine Logik, die eine Packung beim Eintritt in eine Lichtschranke zählt und erst nach ihrem vollständigen Verlassen den nächsten Zuführschritt freigibt.

Hilfe 1: Du brauchst zwei unterschiedliche Ereignisse desselben Sensors.

Hilfe 2: Eintritt = 0 → 1, Verlassen = 1 → 0.

Hilfe 3: Verwende die steigende Flanke für das Zählen und die fallende Flanke für die Freigabe.

Feedback: Die Lösung trennt zwei Prozessereignisse sauber. Dadurch wird die Packung beim Eintritt einmal gezählt und der Folgeschritt erst nach dem Verlassen freigegeben. Das ist robuster als eine einzige dauerhafte Pegelbedingung.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt ein Pegel in einer SPS? (Einen anliegenden Signalzustand) (!Nur einen Zustandswechsel) (!Immer eine Störung) (!Nur eine Zähloperation)

Welche Änderung ist eine steigende Flanke? (0 nach 1) (!1 nach 1) (!1 nach 0) (!0 nach 0)

Welche Änderung ist eine fallende Flanke? (1 nach 0) (!0 nach 1) (!1 nach 1) (!0 nach 0)

Wofür eignet sich eine steigende Flanke besonders? (Ein Werkstück genau einmal zählen) (!Eine Lampe dauerhaft einschalten) (!Einen Motor dauerhaft freigeben) (!Einen Sensorzustand dauerhaft anzeigen)

Welche Aufgabe erfüllt R_TRIG? (Eine steigende Flanke erkennen) (!Eine fallende Flanke erkennen) (!Einen Analogwert skalieren) (!Eine Motorleistung regeln)

Welche Aufgabe erfüllt F_TRIG? (Eine fallende Flanke erkennen) (!Eine steigende Flanke erkennen) (!Eine Zeitbasis erzeugen) (!Eine Spannung messen)

Warum braucht Flankenerkennung einen vorherigen Signalzustand? (Damit aktueller und vorheriger Wert verglichen werden können) (!Damit der Eingang analog wird) (!Damit der Motor schneller läuft) (!Damit kein SPS Zyklus nötig ist)

Warum zählt ein Zähler bei direkter Pegelauswertung möglicherweise mehrfach? (Weil der Pegel mehrere SPS Zyklen lang TRUE sein kann) (!Weil eine Flanke immer vier Zyklen dauert) (!Weil ein BOOL Wert analog ist) (!Weil F_TRIG dauerhaft TRUE bleibt)

Welches Ereignis passt zum Verlassen einer belegten Lichtschranke? (Die fallende Flanke) (!Der dauerhaft hohe Pegel) (!Die steigende Flanke) (!Ein unveränderter Pegel)

Was kennzeichnet einen guten Ablaufübergang? (Ein eindeutig definiertes Ereignis oder eine eindeutige Bedingung) (!Eine zufällige Signaländerung) (!Ein dauerhaft unbekannter Zustand) (!Eine ungeprüfte Mehrfachauslösung)

Memory

Pegel	dauerhafter Signalzustand
steigende Flanke	Wechsel von 0 auf 1
fallende Flanke	Wechsel von 1 auf 0
R_TRIG	Erkennung des Einschaltwechsels
F_TRIG	Erkennung des Ausschaltwechsels
Flankenmerker	gespeicherter vorheriger Zustand
SPS Zyklus	wiederholte Programmbearbeitung
Ereignis	einmaliger Zustandswechsel

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Pegel	Motor bleibt aktiv, solange Freigabe anliegt
steigende Flanke	Werkstück läuft neu in die Lichtschranke
fallende Flanke	Werkstück verlässt die Lichtschranke
R_TRIG	erkennt den Wechsel von FALSE zu TRUE
F_TRIG	erkennt den Wechsel von TRUE zu FALSE

...

Kreuzworträtsel

Flanke	Wie heißt der Wechsel zwischen zwei Signalzuständen?
Pegel	Wie heißt ein anliegender binärer Signalzustand?
Zyklus	Wie heißt eine wiederholte Programmbearbeitung der SPS?
Merker	Wie heißt ein gespeicherter Hilfszustand zur Erkennung des vorherigen Signalwerts?
Sensor	Welches Bauteil liefert in der Anlage typischerweise ein Eingangssignal?
Ereignis	Wie heißt eine einmalige relevante Zustandsänderung?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Signalverlauf: Zeichne für einen fiktiven Taster einen Verlauf mit mindestens zwei steigenden und zwei fallenden Flanken und markiere die Ereignisse.
Pegel: Fotografiere nichts und lade nichts hoch. Skizziere stattdessen aus dem Gedächtnis drei betriebliche Situationen, in denen ein dauerhafter Pegel sinnvoll ist.
Flanke: Formuliere in eigenen Worten den Unterschied zwischen „Signal ist 1“ und „Signal wird 1“.
Fehlerdiagnose: Erkläre, warum ein Zähler bei dauerhafter TRUE-Bedingung mehrfach zählen kann.

Standard

Virtuelle Anlage: Entwirf eine fiktive Förderanlage mit Starttaster, Lichtschranke, Motor und Zähler. Kennzeichne für jedes Signal, ob Pegel oder Flanke ausgewertet wird.
Ablaufsteuerung: Erstelle vier Schritte für einen einfachen Förderprozess und definiere für jeden Übergang ein Ereignis.
Diagnose: Analysiere den Verlauf 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1 und markiere steigende sowie fallende Flanken.
SPS Programmierung: Formuliere herstellerneutralen Pseudocode für einen Zähler, der nur bei einer steigenden Flanke erhöht wird.

Schwer

Transfer: Entwickle ein Ablaufmodell für eine Verpackungsstation, bei der Eintritt und Verlassen eines Werkstücks zwei unterschiedliche Aktionen auslösen.
Entprellung: Recherchiere in einer Herstellerdokumentation, wie prellende oder kurze Eingangssignale behandelt werden, und begründe, wann reine Flankenerkennung nicht ausreicht.
Zykluszeit: Erkläre anhand eines selbst erstellten Beispiels, warum ein sehr kurzer Impuls bei zyklischer Abtastung übersehen werden kann.
Instandhaltung: Erstelle einen Diagnoseleitfaden mit fünf Prüfschritten für den Fall „Werkstückzähler zählt zu viel oder zu wenig“.

Lernkontrolle

Analyse eines Signalverlaufs: Begründe für einen vorgegebenen BOOL-Verlauf, an welchen Stellen Ereignisse auftreten und warum unveränderte Pegel keine neuen Ereignisse sind.
Auswahl einer Flankenerkennung: Entscheide für zwei Prozesssituationen zwischen R_TRIG, F_TRIG und Pegelauswertung und begründe jede Entscheidung.
Ablaufmodell: Überführe die virtuelle Förderanlage in ein Modell aus Zuständen und Übergängen. Begründe, welche Übergänge durch Flanken ausgelöst werden.
Fehleranalyse: Ein Werkstückzähler erhöht sich sechsmal bei nur einem Werkstück. Entwickle eine plausible Ursache und eine prüfbare Diagnose.
Transfer auf neue Anlage: Plane die Ereignislogik für eine virtuelle Türsteuerung mit „Tür erreicht offen“ und „Tür verlässt Endlage“. Begründe, welche Information als Pegel und welche als Flanke benötigt wird.
Grenzen zyklischer Verarbeitung: Bewerte, ob ein extrem kurzer Sensorsignalimpuls mit normaler zyklischer Programmbearbeitung sicher erkannt wird, und nenne geeignete technische Alternativen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

Pegel und Flanke fachlich unterscheiden kannst.
steigende und fallende Flanken in Signalverläufen sicher erkennst.
R_TRIG und F_TRIG passend zu Prozessereignissen auswählst.
erklären kannst, warum Flankenerkennung einen vorherigen Signalzustand benötigt.
in einer virtuellen Anlage zwischen Dauerzustand und Ereignis unterscheiden kannst.
Ablaufzustände und Übergangsereignisse sinnvoll verbindest.
typische Fehler wie Mehrfachzählung oder fehlende Impulse diagnostizieren kannst.
Deine Entscheidung fachlich begründest und nicht nur eine Bausteinbezeichnung nennst.

Fachliche Quellen und Medienrechte

Fachliche Quellen, geprüft:

Siemens STEP 7 V20 – R_TRIG: Positive Signalflanke erkennen: Zustandsänderung 0 → 1 und Ausgang Q für einen Zyklus.
CODESYS Standard Library – R_TRIG: Erkennung der steigenden Flanke eines BOOL-Signals.
CODESYS Standard Library – F_TRIG: Erkennung der fallenden Flanke eines BOOL-Signals.
PLCopen – IEC 61131-3: Einordnung der standardisierten SPS-Programmiersprachen und Programmierelemente.
Wikipedia – Speicherprogrammierbare Steuerung: Grundlagen zur SPS als digital programmierbare Steuerung.

Verwendete freie Bilder auf Wikimedia Commons:

– zeigt steigende und fallende Signalflanken; CC BY-SA 4.0 laut Commons-Dateiseite.
– SPS SIMATIC S7-1500; CC BY 3.0 laut Commons-Dateiseite.
– Förderband in einer Fabrik; CC BY 2.0 laut Commons-Dateiseite.
– SPS-Scanzyklus; freie Lizenzierung einschließlich CC BY-SA 3.0/GFDL laut Commons-Dateiseite.
– grundlegende Ladder-Struktur; CC BY-SA 4.0 laut Commons-Dateiseite.
– Tastermechanismus; CC BY-SA 3.0 laut Commons-Dateiseite.
– automatisierte Fördertechnik; CC BY-SA 4.0 laut Commons-Dateiseite.

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Datenschutz und Arbeitsweise: Für die Aufgaben sind keine Uploads persönlicher Daten, keine externen KI-Dienste und keine reale Maschinensteuerung erforderlich. Verwende nur fiktive Prozessdaten oder betriebliche Daten, deren Nutzung ausdrücklich freigegeben ist.