MHJ-Software Grafcet-Plan für Steuerungen nutzen

Autor / Redakteur: Matthias Habermann / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Viele Konstrukteure beschreiben ihre Programmierung nach der europäischen Norm Grafcet. Eine Software ermöglicht es nun, damit auch direkt die Steuerung zu programmieren. Dies trägt umgekehrt bei späteren Änderungen an der Steuerung dazu bei, dass der Grafcet-Plan stets aktuell ist.

Firmen zum Thema

Beispiel für einen einfachen Grafcet: Zuerst wird der Initialschritt mit der Bezeichnung „1“ aktiv-geschaltet. Die Ausgänge Q0 bis Q2 werden also nacheinander jeweils für eine Sekunde eingeschaltet.
Beispiel für einen einfachen Grafcet: Zuerst wird der Initialschritt mit der Bezeichnung „1“ aktiv-geschaltet. Die Ausgänge Q0 bis Q2 werden also nacheinander jeweils für eine Sekunde eingeschaltet.
(Bild: MHJ-Software)

Die europäische Norm Grafcet (DIN EN 60848) wurde geschaffen, um in der Automatisierungstechnik die Funktionsweise von Anlagen zu beschreiben. Die Abkürzung steht für „Graphe Fonctionnel de Commande Etape Transition“, was übersetzt so viel bedeutet wie: „Darstellung der Steuerungsfunktion mit Schritten und Weiterschaltbedingungen“. Weil Grafcet in nahezu allen technischen Berufen zur Ausbildung gehört, ist der Wunsch verständlich, die Ablaufsteuerung nicht nur zur Planung und Dokumentation zu nutzen, sondern auch für die Programmierung der SPS.

Dank einer Software wird dieser Wunsch jetzt Realität (Bild 1). Das Programmieren vereinfacht sich und die Maschinenbauer oder -betreiber können Änderungen im Programm­ablauf auch ohne tiefgehende Programmierkenntnisse selbst vornehmen und flexibel auf Änderungen im Prozess oder neue Anforderungen reagieren.

Bildergalerie

Abläufe einfach und effektiv beschreiben

Wird eine Anlage entwickelt, können die Konstrukteure ihre Abläufe effektiv und einfach mit Grafcet beschreiben. Die Verantwortlichen der Norm haben darauf geachtet, dass die notwendigen Symbole zum Erstellen der Schrittketten leicht zu zeichnen sind und dass die Anzahl der verschiedenen Elemente möglichst niedrig ist. Aus diesen Gründen ist ein Grafcet-Plan selbst mit Bleistift und Papier ohne viel Aufwand zu erstellen (Bild 2). Die wesentlichen Elemente sind: Schritte, Transitionen, Aktionen, Wirkungslinien sowie Elemente, um Hierarchien und Strukturen zu bilden. Dazu gehören beispielsweise zwangssteuernde Befehle, mit denen sich Bedingungen für bestimmte Betriebszustände einer Anlage realisieren lassen.

Diese Bausteine ergeben eine mächtige, aber dennoch einfach erlernbare Sprache, mit der Konstrukteure die Abläufe in einer Anlage beschreiben können. Fachleute aus den Bereichen Mechanik und Elektrotechnik haben damit eine gemeinsame Diskussionsgrundlage, anhand derer sich Probleme schon in der Planung erkennen und lösen lassen. Später hat der Maschinenbediener ebenfalls Vorteile, wenn er die genaue Funktionsweise seiner Maschine kennt. So braucht er beispielsweise bei einer Störung nicht immer das Servicepersonal zu rufen.

Beschreibungssprache mit hohem Nutzen

Dazu muss allerdings auch die Dokumentation auf dem aktuellen Stand sein. Wenn also Änderungen – egal welchen Umfangs – an der Anlage vorgenommen werden, gilt es, die Dokumentation entsprechend zu aktualisieren. Und da fangen meist die Probleme an: Bei jeder Anlagenänderung ist zwangsläufig die SPS-Programmierung anzupassen. Dazu wird bisher immer das Programmiertool der jeweiligen Steuerung genutzt. Wenn jetzt nicht auch der Grafcet-Plan geändert wird, laufen die Programmierung und die Dokumentation irgendwann so weit auseinander, dass die ursprüngliche Dokumentation zum Beispiel für Wartungsmaßnahmen nicht mehr zu gebrauchen ist.

Man muss also einen gewissen Aufwand betreiben, um sicherzustellen, dass der Istzustand in der Programmierung mit dem Grafcet-Plan übereinstimmt. Und das ist der Grund, weshalb sich der Grafcet trotz seiner unbestreitbaren Vorteile in der Praxis nicht überall durchgesetzt hat. Dank der Software Grafcet-Studio, die von MHJ-Software entwickelt wurde, dürfte sich das jedoch ändern. Grafcet-Pläne lassen sich mit ihrer Hilfe per Knopfdruck direkt auf die Steuerung übertragen (Bild 3). Aus dem Grafcet-Plan wird automatisch das Steuerungsprogramm erstellt.

Per Knopfdruck in die Steuerung

Ab Dezember 2017 werden die Siemens-Steuerungen der Typen S7-300, S7-400, S7-1200 und S7-1500 unterstützt, weitere SPSen werden in Zukunft folgen. Arduino sowie Raspberry PI sind derzeit in Planung. Damit wird Grafcet-Studio das erste hersteller- und plattformunabhängige SPS-Programmiersystem sein. Jeder, der Grafcet kennt, kann damit auch eine Steuerung programmieren und Änderungen der Programmierung lassen sich genauso einfach in der Dokumentation mitführen, sodass diese immer auf dem neuesten Stand ist.

Im Prinzip besteht das windowsbasierte Programmiersystem aus drei Teilen (Bild 1): dem Grafcet-Editor zum Erstellen des Ablaufplans, dem Simulator zum Simulieren auf dem PC und dem Device-Connector, um den Grafcet in die angeschlossene Steuerung zu übertragen. Die gleiche schlanke und leistungsfähige Grafcet-Engine, die den Grafcet auf dem PC simuliert, sorgt auf dem angeschlossenen Device dafür, dass die jeweilige Steuerung den Ablaufplan versteht: Sie interpretiert ihn also entsprechend. Dafür genügen in der Steuerung etwa 40 kByte Speicherplatz. Selbst auf der kleinen S7-1200, die nur 50 kByte RAM-Speicher bietet, findet die Grafcet-Engine also Platz.

Die Engine liegt im SCL-, C#- und C++-Quellcode vor, sodass die Portierung auf beliebige andere Geräte prinzipiell innerhalb weniger Tage möglich ist. Außer der Speicherkapazität und den entsprechenden Compilern braucht das Device dann lediglich eine Echtzeituhr oder einen Zeitgeber im Millisekundentakt sowie Windows-Treiber, um die Onlineschnittstelle zu realisieren. Dem Maschinenbetreiber steht dann ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem er das Steuerungsprogramm bei Bedarf modifizieren kann, ohne das kompliziertere Programmiertool des Steuerungsherstellers installieren oder bedienen zu müssen.

Wenn die Anlage – oder ein Teil davon – mit Grafcet programmiert ist, kann der Betreiber jetzt nicht nur Zeiten ändern, sondern auch die Programmlogik. Dies war bisher ohne das SPS-Programmiertool nicht möglich. Tiefgreifende Programmierkenntnisse hat und braucht aber nicht jeder; denn Grafcet wird bereits auf dem technischen Gymnasium und den einschlägigen Berufsschulen gelehrt. Dadurch kann der Anlagenbetreiber jetzt flexibler, preisgünstiger und schneller auf Änderungen im Prozess reagieren und ihn optimieren, weil er die notwendigen Änderungen selbst im Grafcet anpassen kann.

Chancen und Grenzen

Es gibt jedoch auch Grenzen: Grafcet ist keine Programmiersprache, sondern ist und bleibt eine Beschreibungssprache für Ablaufsteuerungen. Außerdem unterstützt Grafcet-Studio derzeit maximal 255 Programmschritte. Deshalb wird es immer Fälle geben, wo ein Grafcet-Plan nur bedingt sinnvoll eingesetzt werden kann. Dem steht aber auch eine Vielzahl von Anwendungen gegenüber, bei denen das Grafcet-Programmiersystem eine sehr elegante Lösung ist.

Optimal geeignet sind alle kleinen und mittleren Ablaufsteuerungen ohne Regelungen, Motion- und Kommunikationsaufgaben, also zum Beispiel Bohranlagen, Bearbeitungsstationen, Blechbiegevorrichtungen oder Absauganlagen. Nicht vollständig realisierbar sind umfangreiche Maschinen und Anlagen mit verteilten Steuerungen oder auch sehr zeitkritische Vorgänge, wo jede Millisekunde bei der Zykluszeit zählt. Dort kann der Anwender jedoch mit Grafcet auch Teile der Anlagensteuerung „programmieren“. Für den kritischen „Rest“ lässt sich dann ohne Weiteres das Programmiertool des Steuerungsherstellers nutzen. Das Grafcet-Programm und ein SPS-Anwenderprogramm können koexistieren und sich gegenseitig ergänzen. So lassen sich die Vorteile aus beiden Welten nutzen.

* Dipl.-Ing. Matthias Habermann ist Inhaber der MHJ-Software GmbH & Co. KG in 75015 Bretten

(ID:45093661)