Übungsaufgaben zu Ablaufsteuerungen mit GRAFCET

Kopiere den Text in ein KI-Sprachmodell Deiner Wahl und passe Kompetenzstufe, Anzahl, Bearbeitungszeit und Szenario bei Bedarf an. Wie die Aufgaben aufgebaut sind, beschreibt der Artikel Wie sind die Aufgaben aufgebaut?. Prüfe die Ergebnisse mit dem Lehrartikel: KI-Sprachmodelle machen Fehler.

Erstelle neue Übungsaufgaben zum Thema „Ablaufsteuerungen mit GRAFCET“.

Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.

Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/ablaufsteuerung-grafcet
- https://oer-informatik.de/sps-grundlagen
- https://oer-informatik.de/schuetzsteuerungen
- https://oer-informatik.de/steuerungssicherheit
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/ablaufsteuerung-grafcet-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- GRAFCET
- Ablaufsteuerung
- Stern-Dreieck-Anlauf
- Zeitrelais
- Anzugsverzögerung
- Transitionsbedingung
- Flanke
- Alternativverzweigung
- Parallelverzweigung
- NOT-HALT

Kompetenzstufe: Profilkompetenz (alternativ: Basiskompetenz, Kernkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan

Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
   abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
   zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
   Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
   Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
   Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
   danach frage.

• Steuerungsart (2 Punkte): Der Anlauf ist eine zeitgeführte Ablaufsteuerung. Sternbetrieb, Umschalten und Dreieckbetrieb folgen zwangsläufig aufeinander, und das Weiterschalten vom Stern in das Dreieck hängt nur von der am Zeitrelais -K4 eingestellten Zeit ab, nicht von einer Rückmeldung des Motors (z. B. Drehzahl oder Strom).

• Abgrenzung (2 Punkte): Die gegenseitige Verriegelung von -Q2 und -Q3 ist eine Verknüpfung: Sie wirkt unabhängig vom Ablauf ständig und stellt nur sicher, dass nie beide Schütze gleichzeitig angezogen sind (\mathrm{Q2} nur, wenn \overline{\mathrm{Q3}}, und umgekehrt). Auch die Selbsthaltung des Ein-Tasters ist eine Verknüpfung mit Speicher; den Ablauf bestimmt sie nicht.

Je richtiger Zuordnung 1 Punkt:

• Spule: (B) – das Zusatzfeld mit Kreuz kennzeichnet die Anzugsverzögerung (ansprechverzögertes Relais). (A) wäre ein abfallverzögertes Relais.

• GRAFCET: (D) \mathrm{6s/X1} – die Zeit steht vor der Variablen: erfüllt, wenn Schritt 1 seit 6 s aktiv ist. (C) \mathrm{X1/6s} wäre eine Abfallverzögerung.

• SPS: (E) TON – Einschaltverzögerung mit Eingang X1 und PT = T#6s. TOF (F) verzögert das Abschalten.

Beispiel-GRAFCET (Bewertung: Anfangsschritt mit Doppelrahmen 1 Punkt, Startbedingung mit Flanke und Verknüpfung 1 Punkt, Schritte Stern/Pause/Dreieck mit richtigen Aktionen 2 Punkte, Zeitbedingungen normgerecht 1 Punkt, Rückführung mit Richtungspfeil und Abschaltbedingung 1 Punkt):

Q1 wird in den Schritten 1, 2 und 3 kontinuierlich angesteuert; in der SPS gilt also \mathrm{Q1} = \mathrm{X1} + \mathrm{X2} + \mathrm{X3}. In Schritt 2 sind Q2 und Q3 beide 0 – das ist die Umschaltpause. Zusätzlich bleibt die Verriegelung von -Q2 und -Q3 als Hardware-Verriegelung mit Öffnerkontakten erhalten.

• S1 im Sternbetrieb (2 Punkte): In Schritt 1 ist nur Transition 2 freigegeben; S1 wird dort nicht abgefragt. Der Motor läuft weiter, schaltet nach 6 s in das Dreieck um, und Transition 4 ist erst danach freigegeben. Weil S1 dann schon losgelassen ist, läuft die Pumpe weiter – das Ausschalten geht verloren. Das ist nicht zulässig; auch ein ausgelöster Motorschutz würde im Anlauf erst verspätet wirken.

• Vorschlag \mathrm{S2} statt \uparrow\mathrm{S2} (1 Punkt): Wird der Ein-Taster festgehalten oder klemmt er, würde die Pumpe nach dem Ausschalten mit S1 sofort wieder anlaufen, sobald S1 losgelassen wird. Mit der Flanke ist für jeden Anlauf ein neuer Tastendruck nötig. Der Vorschlag ist deshalb abzulehnen.

• Änderung (2 Punkte): Von den Schritten 1 und 2 führt jeweils eine zusätzliche Transition mit \mathrm{S1} + \overline{\mathrm{F2}} zurück zu Schritt 0 (Alternativverzweigung nach Schritt 1 und nach Schritt 2). Damit nur ein Zweig schaltet, bekommen die Zeit-Transitionen den Zusatz \cdot\,\overline{\mathrm{S1}} \cdot \mathrm{F2}, z. B. \mathrm{6s/X1} \cdot \overline{\mathrm{S1}} \cdot \mathrm{F2}. Gleichwertig ist ein übergeordneter GRAFCET, der bei \mathrm{S1} + \overline{\mathrm{F2}} den Ablauf mit einem erzwingenden Befehl in die Anfangssituation zwingt. Der Motorschutz schaltet außerdem über seinen Öffner direkt in der Schützansteuerung ab.

Geg.: t_\mathrm{Stern} = 6\ \mathrm{s}, t_\mathrm{Pause} = 80\ \mathrm{ms} = 0{,}08\ \mathrm{s}

Ges.: Zeit t_\mathrm{D} vom Start bis zum Anziehen von -Q3

t_\mathrm{D} = t_\mathrm{Stern} + t_\mathrm{Pause} = 6\ \mathrm{s} + 0{,}08\ \mathrm{s} = \underline{\underline{6{,}08\ \mathrm{s}}}

(Formel 1 Punkt, Ergebnis 1 Punkt)

Es ist eine Alternativverzweigung (Ablaufauswahl) (1 Punkt). Merkmale (1 Punkt, zwei genannt): Verzweigung und Zusammenführung sind einfache waagerechte Linien, und jeder Zweig beginnt mit einer eigenen Transition unterhalb der Verzweigung (bzw. endet mit einer eigenen Transition oberhalb der Zusammenführung).

• Hohes Paket (B2 = 1, B3 = 1): Beide Bedingungen \mathrm{B2} \cdot \mathrm{B3} und \mathrm{B2} sind gleichzeitig erfüllt. Nach der Ablaufregel schalten beide Transitionen gleichzeitig, die Schritte 2 und 3 werden aktiv, und beide Schieber fahren aus – das Paket wird eingeklemmt oder falsch sortiert (1 Punkt).

• Flaches Paket (B2 = 1, B3 = 0): Nur \mathrm{B2} ist erfüllt, Schritt 3 wird richtig aktiv (1 Punkt).

• Korrektur (1 Punkt): Transition 3 bekommt die Bedingung \mathrm{B2} \cdot \overline{\mathrm{B3}}; Transition 2 bleibt \mathrm{B2} \cdot \mathrm{B3}.

• Nachweis (1 Punkt): In keiner Zeile sind beide Bedingungen 1.

Die Zeile B2 = 0, B3 = 1 (Höhen-Lichtschranke belegt, Paket noch nicht an der Messstelle) schaltet keinen Zweig – genau so soll es sein.

• Schritt 1, Q1 (1 Punkt): kontinuierlich wirkende Aktion – die Rollenbahn fördert, solange Schritt 1 aktiv ist, also bis das Paket die Messstelle erreicht.

• Schritt 1, C := C + 1 (1 Punkt): speichernd wirkende Aktion bei Aktivierung (Pfeil nach oben) – bei jedem Aktivieren von Schritt 1 wird der Zähler einmal um 1 erhöht; der Wert bleibt erhalten, bis ihm an anderer Stelle (z. B. bei Schichtbeginn \mathrm{C} := 0) ein neuer Wert zugewiesen wird.

• Schritt 3, Y2 mit 1s/X3 (2 Punkte): zeitverzögerte Aktion (Aktion mit Zuweisungsbedingung) – Schieber 2 fährt erst 1 s nach dem Aktivieren von Schritt 3 aus, damit das Paket nach dem Stopp der Bahn ruhig liegt; Y2 bleibt 1, bis Schritt 3 verlassen wird, danach fährt der Schieber zurück.

• Schritt 4, P2 mit negiertem 2s/X4 (1 Punkt): zeitbegrenzte Aktion – die Meldeleuchte leuchtet nur in den ersten 2 s des Schritts; der Schritt selbst bleibt 4 s aktiv (Transition 6), damit der Schieber sicher zurückgefahren ist.

Je zwei richtige Zeilen 2 Punkte. Ablauf: Schritt 1 ab 0 s; B2 bei 3,0 s → Schritt 3; Y2 ab 3,0 s + 1 s = 4,0 s; B5 bei 4,0 s + 0,6 s = 4,6 s → Schritt 4; P2 bis 4,6 s + 2 s = 6,6 s; Transition 6 bei 4,6 s + 4 s = 8,6 s → Schritt 0.

• Auswirkung (2 Punkte): Die steigende Flanke von B1 kam schon, während Schritt 4 aktiv war. Transition 1 war da nicht freigegeben, die Flanke geht verloren. Wenn der Ablauf in Schritt 0 zurückkehrt, ist B1 dauerhaft 1, es kommt keine neue Flanke – die Sortierung bleibt im Anfangsschritt stehen, obwohl ein Paket wartet. Erst wenn das Paket von Hand bewegt wird, geht es weiter.

• Vorschlag (1 Punkt): Zustandsbedingung \mathrm{S1} \cdot \mathrm{B1} (ohne Flanke). Dass ein Paket nicht doppelt gezählt wird, sichert der Ablauf selbst: Schritt 0 wird erst wieder aktiv, wenn das vorige Paket aussortiert ist.

Geg.: Zykluszeit je Paket T_\mathrm{Z} = 8{,}6\ \mathrm{s} (aus d), Schritt 0 wird bei 8,6 s wieder aktiv), t = 1\ \mathrm{h} = 3\,600\ \mathrm{s}

Ges.: Pakete je Stunde n

n = \frac{t}{T_\mathrm{Z}} = \frac{3\,600\ \mathrm{s}}{8{,}6\ \mathrm{s}} \approx \underline{\underline{419}}

(Formel 1 Punkt, Ergebnis 1 Punkt) Vollständig sortiert werden höchstens 418 Pakete je Stunde.

Nötig ist eine Parallelverzweigung (1 Punkt), weil Dosieren und Etikettieren gleichzeitig und unabhängig voneinander ablaufen und der Ablauf erst weitergehen darf, wenn beide fertig sind (Synchronisation). Eine Alternativverzweigung würde nur einen der beiden Vorgänge ausführen (1 Punkt).

Beispiel-GRAFCET (Bewertung: Schritt 10 mit Q10 und Transition B10 1 Punkt, Doppellinien an Verzweigung und Zusammenführung 2 Punkte, beide Zweige mit Aktion, Transition und Warteschritt 2 Punkte, gemeinsame Transition nach der Zusammenführung 1 Punkt, Ausfördern mit \overline{\mathrm{B10}} und Rückführung mit Richtungspfeil 2 Punkte):

Statt der Warteschritte 12 und 14 wäre es falsch, die Transitionen 12 und 13 direkt an die Doppellinie zu setzen – die Synchronisation verlangt, dass die letzten Schritte aller Zweige aktiv sind.

• Warteschritte (2 Punkte): Die Transition nach der Zusammenführung ist erst freigegeben, wenn die letzten Schritte aller Zweige aktiv sind. Ist das Dosieren fertig, das Etikett aber noch nicht, muss der linke Zweig in einem Schritt warten, ohne dass das Ventil offen bleibt. Die Warteschritte 12 und 14 haben deshalb keine Aktion: Y11 bzw. Q13 werden mit dem Verlassen der Schritte 11 und 13 zu 0.

• Bedingung 1 (1 Punkt): Sobald beide Warteschritte aktiv sind, ist nichts mehr abzuwarten. Die Transition schaltet sofort nach der Freigabe; die eigentliche Bedingung „beide Vorgänge fertig“ steckt in der Freigabe.

Je Anforderung 1 Punkt, zum Beispiel:

• NOT-HALT wirkt in jedem Schritt und jeder Betriebsart, auch während des parallelen Dosierens und Etikettierens, und hat Vorrang vor allen anderen Befehlen; er hängt nicht von einer Transitionsbedingung ab.

• Er setzt Band, Dosierventil und Etikettierer still (Stopp-Kategorie 0 oder 1); das Dosierventil schließt sicher, z. B. als stromlos geschlossenes Ventil.

• Befehlsgerät: rot auf gelbem Grund, gut erreichbar, mit zwangsöffnenden Kontakten und Rastung, die nur von Hand entriegelt wird.

• Abschaltung über einen Sicherheitskreis (Sicherheitsschaltgerät oder Sicherheits-SPS), nicht nur im Programm der Standard-SPS; die SPS erhält nur eine Meldung für den GRAFCET.

• Bedingungen (3 Punkte): Ursache beseitigt und Gefahrenbereich (auch ausgelaufenes Reinigungsmittel) geprüft; NOT-HALT-Taster von Hand entriegelt, ohne dass die Station anläuft; Sicherheitskreis mit eigenem Befehl quittiert; Station in einen definierten Zustand gebracht (halb voller Kanister entnommen oder bewusst nachdosiert) und erst dann ein neuer Startbefehl.

• Übergeordneter GRAFCET (1 Punkt): Er zwingt den Ablauf der Station bei NOT-HALT mit einem erzwingenden Befehl in eine festgelegte Situation, z. B. \mathrm{G\_Abf}\{\} (alle Schritte inaktiv, damit alle kontinuierlichen Aktionen 0) oder \mathrm{G\_Abf}\{\mathrm{INIT}\} bzw. \{10\} (Grundstellung). Erst nach Quittierung und neuem Start gibt er den Ablauf wieder frei.

Der Vorschlag ist abzulehnen (1 Punkt). Eine speichernd wirkende Aktion behält ihren Wert, bis ihr an anderer Stelle ein neuer Wert zugewiesen wird. Wird der Ablauf durch NOT-HALT in eine andere Situation gezwungen, bevor Schritt 12 aktiv wird, findet \mathrm{Y11} := 0 nicht statt – im Programm bliebe das Ventil offen (1 Punkt). Mit der kontinuierlichen Aktion in Schritt 11 ist Y11 automatisch 0, sobald Schritt 11 nicht mehr aktiv ist. Wer speichernd ansteuert, muss das Rücksetzen bei NOT-HALT ausdrücklich vorsehen; unabhängig davon muss der Sicherheitskreis das Ventil hardwareseitig schließen (1 Punkt).

Je Messstelle 1 Punkt (Größe und Bedeutung):

• -B1 (LS−): Füllstand im Laugentank, unterer Grenzwert. 1 = die Lauge steht über dem Mindeststand; Pumpe und Heizstab sind sicher bedeckt.

• -B2 (LS+): Füllstand im Laugentank, oberer Grenzwert. 1 = der Tank ist voll, das Nachspeisen von Frischwasser muss enden.

• -B3 (TS+): Temperatur der Lauge, Schaltpunkt oben. 1 = die Lauge hat mindestens 60 °C, sie ist warm genug zum Waschen.

• -B4 (GS): Stellung bzw. Lage, hier ein Positionsschalter an der Tür der Waschkammer. 1 = die Tür ist geschlossen.

• Nur im Technologieschema (2 Punkte, je Beispiel 1 Punkt), z. B.: wo die Messstellen sitzen (-B2 oben und -B1 unten am Tank, -B3 in der Lauge, -B4 an der Tür); welchen Weg die Stoffe nehmen (Frischwasser über -Y1 in den Tank, Lauge mit -M1 vom Tank zum Düsenstock und über den Filter zurück, Druckluft über -Y2 in die Kammer); welcher Aktor auf welchen Teil der Anlage wirkt (Heizstab -E1 im Tank).

• Nur im Programmablaufplan (2 Punkte, je Beispiel 1 Punkt), z. B.: die Reihenfolge der Arbeitsschritte (Tür prüfen → Füllstand → Heizen → Waschen → Abblasen); die Bedingungen, unter denen weitergeschaltet wird (Rauten mit -B1 bis -B4); die Zeiten 4 min und 40 s; wann ein Aktor ein- und wieder ausgeschaltet wird; die Meldeleuchte -P2.

Kurz: Das Technologieschema zeigt, wo etwas gemessen und gestellt wird, der Ablaufplan, wann und unter welcher Bedingung.

Je Abschnitt 1 Punkt:

• Nach dem Betätigen von -S1 wartet die Steuerung, bis -B4 die geschlossene Tür meldet; vorher geschieht nichts.

• Dann prüft sie den Füllstand: Meldet -B1 den Mindeststand nicht, öffnet sie -Y1 und speist Frischwasser in den Tank, bis -B2 „voll“ meldet; dann schließt -Y1. Meldet -B1 schon, entfällt das Nachspeisen.

• Anschließend schaltet sie den Heizstab -E1 ein und wartet, bis -B3 meldet, dass die Lauge 60 °C erreicht hat.

• Dann schaltet sie -E1 aus und die Waschpumpe -M1 für 4 min ein: Die Pumpe fördert Lauge aus dem Tank zu den Düsen, die Lauge läuft über den Filter in den Tank zurück.

• Danach schaltet sie -M1 aus und öffnet -Y2 für 40 s, sodass Druckluft die Teile abbläst. Zum Schluss schließt -Y2, und -P2 meldet „fertig“.

Je Zeile 1 Punkt:

Zeile 4 und 5 zeigen Lücken des vorhandenen Programms, die beim Umbau geschlossen werden sollten (z. B. Tür während des Waschens überwachen und -M1 abschalten).

Je Zeile 1 Punkt:

Die Abfrage „-B4: Tür zu?“ ist kein eigener Arbeitsschritt; sie ist die Startvoraussetzung vor „Lauge auffüllen“ (gehört zur Waschkammer).