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Steuerungslogik und Ablaufmodelle – Steuerungslogik mit Testfällen prüfen

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Steuerungslogik und Ablaufmodelle – Steuerungslogik mit Testfällen prüfen

Kurzbeschreibung: Du prüfst Steuerungslogik mit Normalfall, Grenzfall und Fehlerfall. Im Mittelpunkt steht ein fiktives Sortierband aus der Ausbildungspraxis. Du arbeitest mit Ablaufmodellen, Signalverläufen, virtuellen Anlagen und Diagnoseaufgaben. Alle Übungsdaten sind fiktiv; für den Kurs sind keine Uploads und keine externen KI-Zugriffe erforderlich.

Einleitung

Eine SPS verarbeitet Eingangssignale, führt ein Programm aus und setzt daraus Ausgangssignale für Aktoren ab. In der Ausbildung reicht es nicht, dass ein Programm irgendwie läuft: Es muss auch an Grenzen, bei Störungen und unter ungewöhnlichen Signalfolgen nachvollziehbar geprüft werden.

Du lernst deshalb einen einfachen Prüfzyklus:

Anforderung → Ablaufmodell → Testfall → Signalverlauf → Soll-Ist-Vergleich → Diagnose

Die Einheit orientiert sich an typischen Kompetenzen der Automatisierungstechnik: Prozesse analysieren, Steuerungen programmieren, Systeme prüfen, Störungen diagnostizieren und Ergebnisse dokumentieren.

Lernziele

Steuerungslogik: Du leitest logische Bedingungen aus einer technischen Anforderung ab.
Ablaufsteuerung: Du beschreibst einen Ablauf mit Zuständen, Schritten und Transitionen.
Softwaretest: Du unterscheidest Normalfall, Grenzfall und Fehlerfall.
Signalverlauf: Du liest zeitabhängige Ein- und Ausgangssignale.
Fehlersuche: Du begründest eine Diagnose aus Soll- und Ist-Verhalten.

Ausbildungsfall: Virtuelles Sortierband B7

Das Sortierband B7 ist fiktiv. Eine Kiste liegt am Einlaufsensor. Nach dem Start fördert das Band die Kiste bis zum Zielsensor. Die Kiste muss spätestens nach 3,0 Sekunden am Zielsensor eintreffen.

Signal	Bedeutung	Typ
S_Start	Starttaster	Eingang
B1	Kiste am Einlauf	Eingang
B2	Kiste am Ziel	Eingang
S_Stop	Stoppanforderung	Eingang
Q_Motor	Förderbandmotor	Ausgang
M_Fehler	Zeitüberschreitung	Diagnose

Anforderung R1: Ein Start ist nur wirksam, wenn B1 aktiv und B2 nicht aktiv ist.

Anforderung R2: Nach gültigem Start läuft Q_Motor.

Anforderung R3: Wird B2 innerhalb von 3,0 Sekunden aktiv, stoppt Q_Motor ohne Fehler.

Anforderung R4: Der Grenzwert 3,0 Sekunden gilt noch als zulässig. Bei gleichzeitigem Eintreffen des Zielsensors und der Zeitgrenze hat die erfolgreiche Zielerkennung Vorrang.

Anforderung R5: Bleibt B2 länger als 3,0 Sekunden aus, stoppt Q_Motor und M_Fehler wird aktiv.

Anforderung R6: S_Stop stoppt Q_Motor unabhängig vom aktuellen Schritt.

Virtuelle Anlage

Du kannst den Ausbildungsfall gedanklich, mit einer lokalen SPS-Simulation oder in einer virtuellen 3D-Anlage bearbeiten. Eine mögliche Lernumgebung ist FACTORY I/O in Verbindung mit einer SPS oder SPS-Simulation. Die Übungen dieses Kurses bleiben jedoch softwareunabhängig.

Kurze Lerneinheiten

Lerneinheit 1: Steuerungslogik

Steuerungslogik verbindet Bedingungen mit Aktionen. Für das Sortierband kann die Startfreigabe vereinfacht so beschrieben werden:

Startfreigabe = S_Start UND B1 UND NICHT B2

Der Ausdruck zeigt drei typische logische Operationen: UND, NICHT und eine daraus gebildete Verknüpfung.

Merksatz: Teste nicht nur, wann ein Ausgang EIN werden soll, sondern auch, wann er sicher AUS bleiben muss.

Lerneinheit 2: KOP und FUP lesen

SPS-Programme werden häufig grafisch dargestellt. Kontaktplan und Funktionsplan bilden logische Beziehungen unterschiedlich ab, verfolgen aber denselben Zweck: Eingangszustände werden nach definierten Regeln zu Ausgangszuständen verarbeitet.

Lerneinheit 3: Ablaufmodell

Ein Ablaufmodell trennt einen Prozess in Schritte und Weiterschaltbedingungen. In einem GRAFCET oder einer SFC wird sichtbar, welcher Zustand aktiv ist und welche Transition zum nächsten Zustand führt.

Für B7 reicht ein einfaches Modell:

Zustand	Aktion	Übergang
Bereit	Motor AUS	gültiger Start
Fördern	Motor EIN	B2 rechtzeitig
Fertig	Motor AUS	neuer Auftrag
Fehler	Motor AUS, Fehler aktiv	Quittierung

Lerneinheit 4: Testfalltypen

Testfalltyp	Leitfrage	Beispiel B7
Normalfall	Funktioniert der vorgesehene Ablauf?	B2 wird nach 2,4 s aktiv
Grenzfall	Was passiert exakt an einer spezifizierten Grenze?	B2 wird bei 3,0 s aktiv
Fehlerfall	Reagiert die Steuerung beherrscht auf eine Abweichung?	B2 bleibt länger als 3,0 s inaktiv

Wichtig: Ein Grenzfall ist kein Fehlerfall. Erst die Anforderung legt fest, ob der Grenzwert selbst noch zulässig ist.

Lerneinheit 5: Signalverläufe

Signalverläufe zeigen, wann ein Signal seinen Zustand ändert. Sie helfen besonders bei Zeitbedingungen, Flanken, Verriegelungen und Ablaufübergängen.

Beispiel für einen Normalfall:

Zeit	S_Start	B1	B2	Q_Motor
Start	1	1	0	1
während Förderung	0	0	0	1
Ziel erreicht	0	0	1	0

Lerneinheit 6: Diagnose mit Soll-Ist-Vergleich

Bei der Diagnose vergleichst Du zuerst die erwartete Signalfolge mit der beobachteten Signalfolge. Erst danach suchst Du nach einer Ursache.

Ein sinnvoller Diagnoseweg lautet:

Anforderung: Was müsste passieren?
Signal: Welches Eingangssignal fehlt oder kommt zu früh?
Programmablauf: In welchem Zustand bleibt die Steuerung?
Aktor: Wird der erwartete Ausgang gesetzt?
Fehlerdiagnose: Welche Abweichung erklärt das beobachtete Verhalten?

S7-PLCSIM unterstützt das Beobachten von Variablen und das wiederholbare Abspielen von Simulationssequenzen. Damit lassen sich reproduzierbare Testabläufe aufbauen.

Testlabor: Steuerungslogik mit Testfällen prüfen

ID	Typ	Testeingabe	Erwartetes Ergebnis
T01	Normalfall	B2 erreicht das Ziel deutlich vor der Frist	Motor stoppt am Ziel, kein Fehler
T02	Normalfall	Stopp wird während der Förderung ausgelöst	Motor stoppt unabhängig vom Ablaufzustand
T03	Grenzfall	B2 wird exakt an der zulässigen Zeitgrenze aktiv	Ziel gilt als erreicht, kein Fehler
T04	Grenzfall	Start wird angefordert, obwohl B1 fehlt	Kein Start des Fördervorgangs
T05	Fehlerfall	B2 bleibt über die Frist hinaus inaktiv	Motor stoppt, Fehler wird gesetzt
T06	Fehlerfall	B2 ist bereits vor gültigem Start aktiv	Startbedingung ist nicht erfüllt

Basisaufgabe

Aufgabe: Ordne T01 bis T06 den drei Testfalltypen zu und markiere jeweils das erwartete Ausgangssignal.

Hilfe 1: Prüfe zuerst, ob die Eingabe dem vorgesehenen Ablauf entspricht.

Hilfe 2: Suche anschließend nach exakten Spezifikationsgrenzen.

Hilfe 3: Alles, was bewusst eine unzulässige Abweichung provoziert, ist ein Fehlerfall.

Begründetes Feedback: Eine gute Zuordnung orientiert sich an der Spezifikation und nicht am Bauchgefühl. T03 ist ein Grenzfall, weil exakt der definierte Grenzwert geprüft wird. T05 ist ein Fehlerfall, weil die zulässige Zeit überschritten wird.

Anwendungsaufgabe

Aufgabe: In einer Simulation bleibt Q_Motor auch nach aktivem B2 eingeschaltet. Nenne zuerst das verletzte Sollverhalten und danach zwei mögliche Diagnosepunkte.

Hilfe 1: Beginne bei R3.

Hilfe 2: Prüfe, ob B2 im Programm tatsächlich erkannt wird.

Hilfe 3: Prüfe danach, ob der Übergang vom Zustand Fördern zum Zustand Fertig erfolgt.

Begründetes Feedback: Eine plausible Diagnose trennt Sensorpfad und Ablaufpfad. Ist B2 im Beobachtungsbild korrekt, aber der Zustand bleibt auf Fördern, liegt die Suche eher in Transition oder Programmlogik als am Sensor.

Transferaufgabe

Aufgabe: Ergänze einen eigenen Testfall für einen klemmenden Sensor. Formuliere Testeingabe, erwartete Reaktion und eine begründete Diagnose.

Hilfe 1: Wähle einen Sensor, der dauerhaft 0 oder dauerhaft 1 meldet.

Hilfe 2: Prüfe, welche Transition dadurch nicht mehr oder zu früh erfüllt wird.

Hilfe 3: Formuliere eine sichere Reaktion, bevor Du die Fehlerursache benennst.

Begründetes Feedback: Ein guter Transfertest prüft nicht nur das Fehlersignal, sondern die Wirkung auf den gesamten Ablauf. Die Diagnose muss aus dem Signalverlauf ableitbar sein.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welcher Testfall prüft den vorgesehenen Ablauf unter erwarteten Bedingungen? (Normalfall) (!Grenzfall) (!Fehlerfall) (!Zufallsfall)

Was kennzeichnet einen Grenzfall? (Er prüft eine exakt festgelegte Grenze) (!Er enthält immer einen Sensordefekt) (!Er ist immer ein erfolgreicher Normalbetrieb) (!Er darf keine Zeitbedingung enthalten)

Was muss im Fehlerfall vor allem überprüft werden? (Ob die Steuerung beherrscht auf die Abweichung reagiert) (!Ob alle Eingänge gleichzeitig aktiv sind) (!Ob der Ablauf schneller als normal wird) (!Ob jede Diagnosemeldung unterdrückt wird)

Welche Größe zeigt ein Signalverlauf besonders deutlich? (Den zeitlichen Zustandswechsel) (!Die Gehäusefarbe der SPS) (!Die Kabellänge) (!Die Bestellnummer des Sensors)

Welche Bedingung gehört zur Startfreigabe des Ausbildungsfalls? (B1 muss aktiv sein) (!B2 muss zwingend aktiv sein) (!Der Fehler muss gesetzt sein) (!Der Motor muss bereits laufen)

Was geschieht im Ausbildungsfall bei rechtzeitigem B2-Signal? (Der Motor stoppt ohne Zeitfehler) (!Der Motor läuft dauerhaft weiter) (!Der Starttaster wird zum Ausgang) (!Der Fehler wird immer gesetzt)

Welches Modell eignet sich zur Darstellung von Schritten und Transitionen? (GRAFCET) (!Stückliste) (!Kabelplan) (!Messprotokoll)

Was ist der erste sinnvolle Schritt bei einer Diagnose? (Sollverhalten mit Istverhalten vergleichen) (!Alle Ausgänge gleichzeitig forcieren) (!Die Dokumentation ignorieren) (!Den Fehler ohne Messung quittieren)

Warum werden Testfälle dokumentiert? (Damit Prüfung und Ergebnis reproduzierbar bleiben) (!Damit Grenzwerte verborgen werden) (!Damit Fehler nicht mehr angezeigt werden) (!Damit Sensoren ohne Signale arbeiten)

Welche Reaktion hat S_Stop im Ausbildungsfall? (Der Motor wird unabhängig vom Ablaufzustand gestoppt) (!Der Motor wird beschleunigt) (!Der Zielsensor wird deaktiviert) (!Der Timer wird dauerhaft verlängert)

Memory

Normalfall	erwartetes Verhalten
Grenzfall	Spezifikationsgrenze
Fehlerfall	provozierte Abweichung
Sensor	liefert Eingangssignal
Aktor	setzt Ausgangswirkung um
Transition	Weiterschaltbedingung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Normalfall	erwarteter Ablauf
Grenzfall	zulässige Grenze
Fehlerfall	provozierte Abweichung
Signalverlauf	zeitlicher Zustandswechsel
Diagnose	Soll-Ist-Vergleich

...

Kreuzworträtsel

Normalfall	Wie heißt ein Test mit vorgesehenen Bedingungen?
Grenzfall	Wie heißt ein Test direkt an einer Spezifikationsgrenze?
Fehlerfall	Wie heißt ein Test mit gezielt provozierter Abweichung?
Sensor	Welches Bauteil liefert ein Eingangssignal aus dem Prozess?
Transition	Wie heißt die Weiterschaltbedingung zwischen Schritten?
Diagnose	Wie heißt die systematische Untersuchung einer Abweichung?

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Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Signal: Zeichne für T01 einen einfachen Signalverlauf für Start, B2 und Motor.
Normalfall: Formuliere einen zweiten Normalfall für das Sortierband.
Grenzfall: Beschreibe in einem Satz, warum T03 kein Fehlerfall ist.
Ablaufsteuerung: Übertrage die vier Zustände Bereit, Fördern, Fertig und Fehler in ein eigenes Ablaufdiagramm.

Standard

Testfall: Erstelle für B7 eine Testfalltabelle mit Eingabe, Erwartung und Ergebnis.
Fehlersuche: Entwickle einen Diagnoseweg für den Fall, dass B2 in der Simulation sichtbar aktiv wird, der Motor aber weiterläuft.
Sensor: Untersuche, welche Folgen ein dauerhaft aktiver Einlaufsensor für den Ablauf haben könnte.
Virtuelle Inbetriebnahme: Setze den Ablauf in einer verfügbaren lokalen Simulation um und dokumentiere nur die Signalfolge, ohne Dateien hochzuladen.

Schwer

Testabdeckung: Entwirf zusätzliche Testfälle für Start, Stopp, Zielerkennung und Zeitüberwachung und begründe, welche Anforderungen jeweils geprüft werden.
GRAFCET: Erweitere das Ablaufmodell um eine Quittierung des Fehlerzustands und erkläre die neue Transition.
Robustheit: Entwickle eine Plausibilitätsprüfung für widersprüchliche Sensorsignale und begründe die sichere Reaktion.
Transfer: Übertrage das Testprinzip auf eine fiktive pneumatische Ausschleusstation mit zwei Endlagensensoren.

Lernkontrolle

Anforderungsanalyse: Begründe, warum ein Programm ohne eindeutige Grenzdefinition nicht zuverlässig getestet werden kann.
Teststrategie: Entwickle für eine zeitüberwachte Maschine eine Reihenfolge aus Normal-, Grenz- und Fehlerfällen und begründe diese Reihenfolge.
Signaldiagnose: Vergleiche zwei unterschiedliche Signalverläufe und entscheide, ob die Ursache eher im Sensorpfad oder in der Ablaufsteuerung liegt.
Ablaufmodell: Erkläre, wie ein fehlendes Sensorsignal einen Schrittwechsel verhindert und welche Folgewirkung das auf Aktoren haben kann.
Sicherheit: Begründe, weshalb ein Stoppbefehl in einer Steuerung höher priorisiert werden kann als der normale Ablauf.
Dokumentation: Entwirf eine kompakte Prüfdokumentation, mit der eine zweite Person denselben Test reproduzieren kann.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du nicht nur Begriffe kennst, sondern Steuerungsverhalten begründet prüfen kannst.

Steuerungslogik: logische Bedingungen aus Anforderungen ableiten
Ablaufsteuerung: Schritte, Aktionen und Transitionen korrekt beschreiben
Testfall: Normalfall, Grenzfall und Fehlerfall unterscheiden und formulieren
Signalverlauf: Soll- und Ist-Signale zeitlich auswerten
Diagnose: Fehlerursachen aus beobachtbaren Signalen eingrenzen
Dokumentation: Testbedingungen, Erwartung, Ergebnis und Begründung nachvollziehbar festhalten

Fachliche Quellen und Medienrechte

Die fachlichen Kernaussagen wurden mit Ausbildungsunterlagen, Norminformationen und Herstellerdokumentation abgeglichen.

Quelle	Relevanz
BIBB – Elektroniker für Automatisierungstechnik	Berufsprofil mit Programmieren, Prüfen, Diagnose und Instandhalten von Automatisierungssystemen
IEC 61131-3:2025	Programmiersprachen für speicherprogrammierbare Steuerungen
IEC 60848:2013	GRAFCET-Spezifikationssprache für Ablaufbeschreibungen
Siemens S7-PLCSIM Online Help V21	Simulationssequenzen, Beobachtung und wiederholbare Testabläufe
FACTORY I/O – S7-PLCSIM	Kopplung einer virtuellen Anlage mit einer SPS-Simulation

Medienprüfung: Die verwendeten Wikimedia-Commons-Dateien wurden über ihre Dateibeschreibungsseiten geprüft. Die YouTube-Videos werden ausschließlich eingebettet; Rechte verbleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern.

Medium	Rechtehinweis
PLC Block Diagram.jpg	CC BY-SA 4.0
Ladder diagram.png	CC BY-SA 2.5
Sequential function chart.png	CC BY-SA 3.0 / GFDL laut Dateibeschreibung
Kaffeemaschine 2.0 SPS Schema2 ICEBE B25.jpg	CC BY-SA 4.0
One-shot timing diagram.jpg	CC BY-SA 4.0
Real Games – S7-1200 working with FACTORY I/O	YouTube-Einbettung; keine Weitergabe als OER-Datei
Real Games – S7 PLCSIM working with FACTORY I/O	YouTube-Einbettung; keine Weitergabe als OER-Datei
Hegamurl – TIA Portal PLC Simulation	YouTube-Einbettung; keine Weitergabe als OER-Datei

OERs zum Thema

Ein Wikipedia-Artikel mit exakt diesem Kurstitel besteht nicht. Als fachliche Grundlage eignet sich der Artikel zur Speicherprogrammierbaren Steuerung:

Zusätzlich passt der Artikel zu GRAFCET:

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