GRAFCET einfach erklärt: der Leitfaden zur DIN EN 60848

GRAFCET ist eine grafische Sprache, die das Verhalten einer Ablaufsteuerung beschreibt: einer Maschine, einer Fertigungslinie, einer Ampel. Ein GRAFCET-Plan besteht aus Schritten (was das System gerade tut), die durch Transitionen (die Bedingungen zum Weiterschalten) verbunden sind. GRAFCET ist international als IEC 60848 genormt, in Deutschland als DIN EN 60848, und ist der Ursprung der Ablaufsprache SFC der SPS.

Dieser Leitfaden erklärt alle Elemente und Regeln der Norm mit Grafiken und Beispielen. Alle Grafiken wurden mit GrafcetMaker gezeichnet, einem kostenlosen GRAFCET-Editor und -Simulator, der im Browser läuft: Öffnen Sie die Beispiele und verfolgen Sie den Ablauf Schritt für Schritt.

Wofür GRAFCET steht

GRAFCET steht für GRAphe Fonctionnel de Commande Étape-Transition, französisch für „funktionaler Steuerungsgraph mit Schritten und Transitionen“. Die Sprache wurde 1977 von einer Arbeitsgruppe der AFCET, der französischen Gesellschaft für Kybernetik, zusammen mit der ADEPA, der französischen Agentur für Produktionsautomatisierung, vorgeschlagen. Sie beruht auf den Petri-Netzen und sollte klar und technologieunabhängig festhalten, was eine Steuerung tun muss, bevor die erste Zeile SPS-Code entsteht.

• 1982: französische Norm NF C03-190.
• 1988: internationale Norm IEC 848, Preparation of function charts for control systems.
• 2002: IEC 60848 Ausgabe 2, GRAFCET-Spezifikationssprache für Funktionspläne der Ablaufsteuerung.
• 2013: IEC 60848 Ausgabe 3, die aktuelle Ausgabe, in Europa als EN 60848 und in Deutschland als DIN EN 60848 veröffentlicht.

GRAFCET wird in Berufsschulen (zum Beispiel für Mechatroniker und Elektroniker für Automatisierungstechnik), an Technikerschulen, Hochschulen und Universitäten unterrichtet und ist Prüfungsstoff in vielen Abschlussprüfungen. Üblicherweise bezeichnet GRAFCET die Sprache und ein Grafcet einen einzelnen Plan.

Die Elemente eines Grafcets

• Ein Schritt ist ein Quadrat mit einer Nummer. Er steht für einen stabilen Zustand des Systems: Warten, Füllen, Bohren. Jeder Schritt ist zu jedem Zeitpunkt entweder aktiv oder inaktiv; die Menge der aktiven Schritte ist die Situation des Grafcets. Die Schrittvariable X1 ist wahr, solange Schritt 1 aktiv ist.
• Ein Anfangsschritt, als Doppelquadrat gezeichnet, ist beim Start aktiv. Jeder Grafcet braucht mindestens einen.
• Eine Transition ist ein kurzer waagerechter Strich auf einer Verbindung. Sie liegt immer zwischen Schritten: Zwei Schritte werden nie direkt verbunden, zwei Transitionen auch nicht.
• Die Transitionsbedingung steht neben der Transition, zum Beispiel start oder druck > 6. Die Transitionsbedingung 1 ist immer wahr.
• Wirkverbindungen verbinden Schritte und Transitionen. Sie werden von oben nach unten gelesen; eine Verbindung nach oben trägt einen Pfeil.
• Aktionen sind Rechtecke rechts neben einem Schritt: Was das System tut, solange der Schritt aktiv ist, zum Beispiel Motor einschalten.

Die fünf Ablaufregeln

Die IEC 60848 legt mit fünf Regeln genau fest, wie sich ein Grafcet entwickelt.

1. Anfangssituation: Beim Start sind die Anfangsschritte aktiv und alle anderen inaktiv.
2. Schalten einer Transition: Eine Transition ist freigegeben, wenn alle unmittelbar vorangehenden Schritte aktiv sind. Sie schaltet, wenn sie freigegeben und ihre Transitionsbedingung wahr ist.
3. Entwicklung der aktiven Schritte: Das Schalten einer Transition aktiviert alle unmittelbar nachfolgenden Schritte und deaktiviert alle unmittelbar vorangehenden Schritte.
4. Gleichzeitiges Schalten: Alle Transitionen, die zum selben Zeitpunkt schalten können, schalten gleichzeitig.
5. Gleichzeitiges Aktivieren und Deaktivieren: Ein Schritt, der gleichzeitig aktiviert und deaktiviert wird, bleibt aktiv.

Ändert sich ein Eingang, werden die Regeln mit denselben Eingangswerten so lange wiederholt, bis keine Transition mehr schalten kann: die Suche nach einer stabilen Situation. Ein Schritt, der dabei aktiviert und gleich wieder verlassen wird, ist ein instabiler Schritt (transiente Entwicklung): Seine kontinuierlich wirkenden Aktionen werden nicht ausgeführt, seine speichernd wirkenden Aktionen schon. Sind zum Beispiel die Transitionsbedingungen unter Schritt 1 und 2 schon wahr, wenn Schritt 1 aktiv wird, läuft der Grafcet über Schritt 2 direkt bis Schritt 3, und die Ausgänge von Schritt 2 werden nie eingeschaltet.

Transitionsbedingungen: Verknüpfungen, Flanken und Zeiten

Eine Transitionsbedingung ist ein logischer Ausdruck aus Eingängen, internen Variablen, Schrittvariablen und Zeit. Die übliche Schreibweise und die Eingabe in GrafcetMaker:

Flanken sind wichtig, wenn ein Signal anstehen bleibt: Mit ↑start startet der Zyklus einmal pro Tastendruck und nicht erneut, solange die Taste gedrückt bleibt. Die vollständige Syntax des Editors steht in der Hilfe unter Writing receptivities (auf Englisch).

Aktionen

• Eine kontinuierlich wirkende Aktion ist wahr, solange ihr Schritt aktiv ist: Lampe leuchtet, solange Schritt 4 aktiv ist.
• Eine bedingte Aktion ist eine kontinuierlich wirkende Aktion mit einer Zuweisungsbedingung über ihrem Rechteck: Hupe ertönt nur, wenn Schritt 4 aktiv und alarm wahr ist.
• Verzögerte und zeitbegrenzte Aktionen sind bedingte Aktionen mit einer Zeit in der Bedingung: Mit 3s/X4 schaltet der Ausgang 3 s nach der Aktivierung von Schritt 4 ein, mit /(3s/X4) ist er nur in den ersten 3 s eingeschaltet.
• Eine speichernd wirkende Aktion weist einen Wert einmal zu, und der Wert bleibt erhalten, bis eine andere Aktion ihn ändert. Sie wird beim Aktivieren des Schritts (Pfeil nach oben), beim Deaktivieren (Pfeil nach unten) oder bei einem Ereignis ausgeführt, solange der Schritt aktiv ist (eine Fahne mit dem Ereignis, hier ↑reset). Zähler wie Z := Z + 1 sind typische speichernd wirkende Aktionen.

Ein Ausgang, der über kontinuierlich wirkende Aktionen angesteuert wird, folgt den Schritten automatisch. Ein Ausgang, der durch eine speichernd wirkende Aktion gesetzt wird, bleibt gesetzt, bis eine andere speichernde Aktion ihn zurücksetzt: Planen Sie, wo das geschieht.

Ketten, Alternativ- und Parallelverzweigungen

Einen Weg wählen: die ODER-Verzweigung

Folgen auf einen Schritt mehrere Transitionen, nimmt der Grafcet den Weg, dessen Transitionsbedingung wahr ist: eine Alternativverzweigung, gezeichnet mit einer einfachen waagerechten Linie (ODER-Verzweigung). Die Wege treffen sich wieder an einer einfachen Linie (ODER-Zusammenführung).

Formulieren Sie die Transitionsbedingungen gegenseitig ausschließend, sodass sie nie gleichzeitig wahr sind, wie hier a und /a * b. Sonst schalten beide Transitionen zugleich (Regel 4) und beide Zweige werden aktiv. GrafcetMaker warnt, wenn es nicht beweisen kann, dass alternative Transitionsbedingungen sich ausschließen.

Mehreres gleichzeitig tun: die UND-Verzweigung

Folgen auf eine Transition mehrere Schritte, werden sie alle gemeinsam aktiviert: eine Parallelverzweigung, gezeichnet mit einer Doppellinie (UND-Verzweigung). Die Zweige enden ebenfalls an einer Doppellinie (UND-Zusammenführung): Die Transition darunter ist erst freigegeben, wenn der letzte Schritt jedes Zweigs aktiv ist. Sie wartet also, bis alle Zweige fertig sind; so werden Abläufe synchronisiert.

Rückführungen, Sprünge, Quellen und Senken

• Eine Rückführung (Schleife) springt über eine Verbindung mit Pfeil nach oben zu einem früheren Schritt zurück: der übliche Weg, einen Zyklus zu wiederholen.
• Ein Sprung ist eine ODER-Verzweigung, deren einer Zweig direkt zu einem späteren Schritt führt, zum Beispiel um einen optionalen Arbeitsgang zu überspringen.
• Eine Transition ohne vorangehenden Schritt (Quelle) ist immer freigegeben und schaltet deshalb jedes Mal, wenn ihre Bedingung wahr ist; verwenden Sie eine Flanke wie ↑a.
• Eine Transition ohne nachfolgenden Schritt (Senke) deaktiviert beim Schalten nur die Schritte davor.

Große Anwendungen strukturieren

Reale Maschinen werden mit mehreren Grafcets beschrieben, die zusammenarbeiten.

• Teil-Grafcets beschreiben jeweils einen Teil des Systems, zum Beispiel den Produktionsablauf, die Betriebsarten und die Sicherheit. Sie laufen gleichzeitig und sehen die Schritte der anderen über die Schrittvariablen Xn. Zusammen bilden sie den Gesamt-Grafcet.
• Ein Makroschritt steht für einen ausführlichen Ablauf, der auf einem eigenen Blatt gezeichnet ist, seine Expansion. Die Expansion hat einen Eingangsschritt E und einen Ausgangsschritt S. Das Schalten der Transition über dem Makroschritt aktiviert Schritt E; die Transition unter dem Makroschritt ist freigegeben, wenn Schritt S aktiv ist.
• Ein einschließender Schritt enthält einen oder mehrere ganze Grafcets, die nur leben, solange er aktiv ist. Wird er aktiviert, werden die mit einem Sternchen markierten eingeschlossenen Schritte aktiv; wird er deaktiviert, werden alle eingeschlossenen Schritte deaktiviert.
• Eine Zwangssteuerung, gezeichnet in einem Aktionsrechteck mit Doppelrahmen, gibt einem anderen Grafcet eine Situation vor: G2{8} erzwingt in G2 nur Schritt 8 als aktiv, G2{*} friert G2 in seiner aktuellen Situation ein und G2{} deaktiviert alle seine Schritte. Ein zwangsgesteuerter Grafcet kann sich nicht selbst weiterentwickeln. Mit Zwangssteuerungen beschreibt man normgerecht Not-Halt und Initialisierung.

GRAFCET und SFC (Ablaufsprache)

Die Ablaufsprache SFC (Sequential Function Chart) der IEC 61131-3 wurde aus GRAFCET abgeleitet und sieht fast gleich aus, hat aber einen anderen Zweck.

Üblicherweise wird zuerst der GRAFCET geschrieben und geprüft und dann in AS (SFC), KOP oder ST umgesetzt. GrafcetMaker erzeugt aus einem Grafcet Structured Text und PLCopen-TC6-XML als Ausgangspunkt für diese Umsetzung; prüfen Sie den erzeugten Code immer vor dem Einsatz.

Beispiele

Ampel mit Fußgängertaster

Schritt 0 gibt den Fußgängern 10 s lang Grün (10s/X0), danach lässt Schritt 1 die Autos fahren. Die Autos haben 30 s Grün, ein Druck auf den Fußgängertaster verkürzt das aber auf 10 s: Der Druck wird durch eine speichernd wirkende Aktion beim Ereignis ↑request gespeichert und wieder vergessen, wenn Schritt 0 aktiv wird. Schritt 2 zeigt 3 s lang Gelb. (Die Variablen des Beispiels sind englisch benannt.)

Bohrstation mit Teilezähler

Ein Bearbeitungszyklus: Teil spannen, bohren, zurückfahren, entspannen. Die Spannvorrichtung wird durch speichernd wirkende Aktionen gesetzt und zurückgesetzt, und Schritt 4 zählt die Teile. Nach Schritt 4 führt eine ODER-Verzweigung mit sich ausschließenden Bedingungen zurück zum Anfang oder alle 100 Teile zur Wartung.

Der Editor enthält zwei weitere Beispiele, eine Tankbefüllung mit analogen Eingängen und ein paralleles Förderband mit einem Sicherheits-Grafcet, der die Anlage zwangssteuert: Öffnen Sie sie über den Startbildschirm von GrafcetMaker.

GRAFCET online zeichnen und simulieren

GrafcetMaker ist ein kostenloser Open-Source-GRAFCET-Editor für Automatisierungstechniker, Lehrkräfte, Auszubildende und Studierende. Er läuft vollständig im Browser, auch offline und ohne Konto; Ihre Pläne bleiben auf Ihrem Rechner.

• Zeichnen Sie Schritte, Transitionen, Aktionen und Verzweigungen mit Maus oder Tastatur, mit automatischem Layout.
• Schreiben Sie Transitionsbedingungen mit Autovervollständigung und Variablentabelle und erhalten Sie klare Fehlermeldungen mit Schnellkorrekturen.
• Simulieren Sie nach den Regeln der IEC 60848: aktive Schritte, Zeiten, Flanken, instabile Schritte, Zwangssteuerung und ein Zeitdiagramm aller Variablen.
• Strukturieren Sie Projekte mit Teil-Grafcets, Makroschritten, einschließenden Schritten und Zwangssteuerungen.
• Exportieren Sie als PDF mit Schriftfeld, SVG und PNG oder als Structured Text und PLCopen-TC6-XML, und teilen Sie ein ganzes Projekt als Link.

Die Oberfläche des Editors ist auf Englisch; Ihre Grafcets schreiben Sie in Ihrer Sprache.

Den kostenlosen GRAFCET-Editor öffnen

Häufige Fragen

Wofür wird GRAFCET verwendet?

Um das Verhalten automatisierter Ablaufsteuerungen festzulegen: Maschinen, Montagelinien, Verpackungsanlagen, Chargenprozesse, Aufzüge, Ampeln. Der Grafcet ist die gemeinsame Grundlage für alle, die die Maschine konstruieren, die SPS programmieren und die Anlage in Betrieb nehmen.

Ist GRAFCET dasselbe wie SFC (Ablaufsprache)?

Nein. SFC (IEC 61131-3) wurde aus GRAFCET abgeleitet und verwendet dieselben Symbole, aber GRAFCET ist eine Spezifikationssprache mit genauen Ablaufregeln, SFC eine Programmiersprache, deren Ausführung von der Steuerung abhängt. Siehe GRAFCET und SFC.

Was ist der Unterschied zwischen Schritt und Transition?

Ein Schritt ist ein Zustand, der andauert (das System füllt den Tank); eine Transition ist der Moment, in dem das System in den nächsten Zustand wechselt, wenn ihre Bedingung wahr wird (der Tank ist voll).

Was bedeutet X1?

X1 ist die Schrittvariable von Schritt 1: Sie ist wahr, solange Schritt 1 aktiv ist. Man verwendet sie in Transitionsbedingungen, in Bedingungen von Aktionen und in anderen Grafcets, zum Beispiel 5s/X1 oder X1 * /X5.

Was ist ein instabiler Schritt?

Ein Schritt, der innerhalb derselben Suche nach Stabilität aktiviert und wieder deaktiviert wird, weil die Bedingung darunter schon wahr war. Seine kontinuierlich wirkenden Aktionen werden nicht ausgeführt, seine speichernd wirkenden Aktionen schon.

Wie wird aus einem GRAFCET ein SPS-Programm?

Jeder Schritt wird ein Merker, jede Transition eine Bedingung, die die nachfolgenden Schritte setzt und die vorangehenden zurücksetzt, und die Ausgänge werden aus den Schrittmerkern gebildet. Das geht von Hand in KOP oder ST, mit der Ablaufsprache Ihrer SPS, oder Sie lassen GrafcetMaker Structured Text oder PLCopen-XML als Ausgangspunkt erzeugen.

Gibt es kostenlose GRAFCET-Software?

Ja: GrafcetMaker ist kostenlos und Open Source (MIT-Lizenz). Er läuft in jedem aktuellen Browser unter Windows, macOS und Linux, auf Tablets und Smartphones, und Firmen können ihn in ihrem eigenen Netz betreiben.