aiMOOC

Signal und Energieflüsse gemeinsam darstellen - Vernetztes Hubsystem als Lernmodell - Ausbildung

QR-Code

Einleitung

Ausbildungsjahr einordnen: Der KMK-Rahmenlehrplan Mechatronik bündelt die Lernfelder 9–13 im dritten und vierten Ausbildungsjahr. Die Jahreszuordnung in diesem Lernweg ist eine redaktionelle Lernempfehlung, keine verbindliche Trennung durch die KMK. Das vierte Ausbildungsjahr umfasst bei 3½ Jahren die Abschlussphase im siebten Halbjahr. Reihenfolge mit Berufsschule und betrieblichem Ausbildungsplan abstimmen. Du lernst am vollständig fiktiven, digital modellierten Hubsystem „LernLift H-120“, wie elektrische, hydraulische und mechanische Energieflüsse mit Informations- und Signalflüssen zusammenwirken. Du erstellst ein gemeinsames Funktionsbild, rechnest Kraft, Volumen, Geschwindigkeit, Zeit und Leistung nach und grenzt eine simulierte Störung anhand von Messwerten ein. Zielgruppe sind Mechatronikerinnen und Mechatroniker im dritten Ausbildungsjahr.

Lernziele: Du kannst Komponenten in Funktionsblöcke zerlegen, zwei unterschiedliche Pfeilarten und ihre Einheiten korrekt kennzeichnen, Sensoreingänge einer SPS zuordnen, eine nachvollziehbare Modellrechnung durchführen und Fehlerhypothesen durch Daten prüfen.

Sicherheitsrahmen: Sämtliche Zahlen, Komponenten, Betriebszustände, Messwerte und Aufträge sind erfunden. Es gibt keine reale Hebeeinrichtung und keine Freigabe zum Bau oder Betrieb. Bearbeite Rechnungen, Papierpläne und freigegebene Simulationen. Arbeiten an tatsächlichen Lasten, Kranen, elektrischen Anlagen und Drucksystemen erfolgen ausschließlich unter qualifizierter Aufsicht und betrieblichen Vorgaben. Schutzfunktionen benötigen eine gesonderte fachliche Risikobeurteilung und geeignete Technik; eine normale SPS-Sperre allein ist kein Sicherheitsnachweis. Der Kurs ersetzt keine Qualifikation und keine Befähigungsnachweise.

Einordnung der Ausbildung: Der KMK-Rahmenlehrplan für den schulischen Lernort (Beschluss 30.01.1998, Fassung 23.02.2018) weist im dritten Ausbildungsjahr Lernfeld 11 „Inbetriebnahme, Fehlersuche und Instandsetzung“ mit 160 Stunden aus; ausdrücklich genannt sind Blockschaltbilder, Gesamt- und Teilfunktionen, Schnittstellen, Sensoren, Aktoren und Fehlersuche. Die betriebliche Ausbildungsordnung ist davon zu unterscheiden: Die Mechatroniker-Ausbildungsverordnung, bekannt gemacht am 28.06.2018, beschreibt mit ihrem Ausbildungsrahmenplan unter anderem technische Kommunikation, Aufbauen und Prüfen von Steuerungen, Funktionsprüfungen und Instandhaltung. Beides ist kein freier Arbeitsauftrag an realen Anlagen. Quellen: KMK-Rahmenlehrplan, insbesondere S. 19 und MechatronikerAusbV einschließlich Anlage 1, jeweils abgerufen im Oktober 2026.

Das fiktive Hubsystem als Gesamtsystem

Fallbeschreibung und Funktionsgrenzen

In einer virtuellen Übungswerkstatt soll der Modellhubtisch LernLift H-120 eine modellierte Masse von 120 kg um 0,350 m senkrecht anheben. Der Antrieb ist als einfach zu analysierender doppeltwirkender Hydraulikzylinder mit 32 mm Kolbendurchmesser und 18 mm Stangendurchmesser dargestellt. Ein elektrischer Pumpenantrieb versorgt den Hydraulikkreis. Eine SPS verarbeitet den Startwunsch und die Positionsinformationen zweier Sensoren. Ein elektrisch angesteuertes Wegeventil lenkt den Ölstrom; Sensor S0 meldet „unten“, S1 „oben“. Ein zusätzlicher Freigabeeingang F wird ausschließlich als didaktische Betriebsfreigabe modelliert und ersetzt keine unabhängig ausgeführte Schutzfunktion.

Systemgrenze: Zum betrachteten System gehören die Versorgung, Pumpe, Ventil, Zylinder, Lastführung, Sensoren, Steuerung und Diagnose. Außerhalb liegen der fiktive Bedienauftrag und die Umgebung. Innerhalb der Grenze soll jedes Teil entweder Energie übertragen oder wandeln, Informationen erfassen oder verarbeiten oder eine mechanische Wirkung erzeugen.

Funktionsblöcke und Anschlüsse

Block	Eingang	Ausgang	Rolle
Elektrische Versorgung	Netzenergie im Modell	elektrische Leistung für Antrieb und 24-V-Steuerkreis	Energiequelle
Pumpe und Tank	Antriebsleistung; Rücklauföl	Ölvolumenstrom und Druck	Energiewandlung und Fluidversorgung
Wegeventil	Ölstrom; elektrisches Stellkommando	gerichteter Ölstrom	Leistungspfad wird durch Signal beeinflusst
Zylinder	hydraulische Leistung	Kolbenkraft und Hubbewegung	hydraulisch-mechanischer Energiewandler
Last und Führung	Hubkraft	Höhenänderung und Reibwirkung	Mechanik
Positionssensoren	mechanische Position; Hilfsenergie	elektrische Zustandssignale S0 und S1	Informationsgewinnung
SPS	Start, F, S0, S1	Ventilkommando Y_AUF, Statusmeldung	logische Signalverarbeitung

Eine Schnittstelle verbindet zwei Blöcke. Gib zu jeder Schnittstelle nicht nur eine Leitung, sondern auch die zugehörige Größe und Richtung an. Beispiel: Zwischen Wegeventil und Zylinder fließen Ölvolumenstrom Q in L/min und hydraulische Leistung; zwischen Positionssensor und SPS fließt dagegen ein binäres Signal, etwa 0 oder 1. Dass ein Sensor ebenfalls elektrisch versorgt wird, macht sein Informationssignal nicht zu einem hydraulischen Energiefluss.

Zwei Pfeilarten im gemeinsamen Plan

Energiefluss E: elektrische Quelle → Antriebsmotor → Pumpe → Ventil und Druckleitung → Zylinder → bewegte Masse; Verluste führen unter anderem zu Wärme. Rückströmendes Öl bildet einen hydraulischen Rückweg zum Tank.

Signalfluss S: Start/Freigabe und Positionssensoren → SPS-Eingänge → logische Verarbeitung → SPS-Ausgang → Ventilansteuerung; die Position des Zylinders wirkt auf die Sensoren zurück. Zeichne den Energieweg als durchgezogenen Pfeil und den Signalweg als gestrichelten Pfeil. Erkläre in einer Legende, dass ein Pfeil nicht automatisch die tatsächliche elektrische Verdrahtung oder ein normgerechtes Hydrauliksymbol darstellt.

Medienhinweis: Schematische Animation zur Energieübertragung an einem Fluidzylinder; sie ersetzt keinen Konstruktionsplan. Quelle: Wikimedia Commons, Urheber 電工石火, CC BY-SA 4.0.

Energieflüsse quantitativ beschreiben

Größen und Einheiten

Druck p ist Kraft pro Fläche: 1 Pa = 1 N/m²; 1 bar = 100.000 Pa. Volumenstrom Q ist Volumen pro Zeit: 1 L/min = 1/60.000 m³/s. Hydraulische Leistung ist p × Q in Watt, falls p als wirksame Druckdifferenz in Pa und Q in m³/s eingesetzt wird. Mechanische Hubarbeit einer ruhend gestarteten und gestoppten Masse ohne weitere Energiespeicherung ist näherungsweise m × g × h in Joule.

Der Übungsfall verwendet g = 9,81 m/s², m = 120 kg, Kolbendurchmesser d = 0,032 m, Hub s = 0,350 m und Förderstrom Q = 2,00 L/min = 0,00003333 m³/s. Unter stationärem Hub sei die wirksame Druckdifferenz am Zylinder 18,0 bar = 1.800.000 Pa. Das ist ein erfundener Betriebswert, keine Geräteauslegung. Alle Rechnungen sind idealisiert; insbesondere wird für die Kinematik ein konstanter wirksamer Zufluss ohne Leckage oder Kompression angenommen.

Kraft, Zeit, Volumen und Energiebilanz

Kolbenfläche: A = π × d² / 4 = π × (0,032 m)² / 4 = 0,00080425 m² = 804,25 mm².

Hydraulische Kraft beim Ausfahren: F_h = p × A = 1.800.000 Pa × 0,00080425 m² = 1.448 N gerundet. Die Gewichtskraft beträgt F_G = m × g = 120 kg × 9,81 m/s² = 1.177,2 N. Damit verbleiben rechnerisch rund 271 N für Reibung und andere Modellwiderstände; es ist ausdrücklich keine zulässige Nutzlastbestimmung.

Geschwindigkeit: v = Q / A = 0,00003333 m³/s / 0,00080425 m² = 0,04144 m/s = 41,44 mm/s. Für 0,350 m Hub folgt t = s / v = 8,45 s.

Hubvolumen: V = A × s = 0,00028149 m³ = 0,2815 L. Gegenprobe: Q × t = (2,00 L/min) × (8,45 s / 60 s/min) = rund 0,2817 L; die geringe Differenz entsteht durch Rundung.

Leistung am betrachteten Zylinder: P_h = p × Q = 1.800.000 Pa × 0,00003333 m³/s = 60,0 W. Die nutzbare momentane Hubleistung ist P_G = F_G × v = 1.177,2 N × 0,04144 m/s = 48,8 W. Der Quotient 48,8/60,0 ≈ 81,3 % ist nur das Verhältnis dieser zwei im Modell betrachteten Leistungen, kein gemessener Gesamtwirkungsgrad der Anlage.

Hubenergie: E_G = m × g × s = 120 kg × 9,81 m/s² × 0,350 m = 412 J gerundet; E_h = p × V ≈ 507 J. Die Differenz von etwa 95 J steht im vereinfachten stationären Modell für Widerstände; über elektrische Gesamtverluste lässt sich daraus nichts folgern.

Fachabbildung einer hydraulischen Richtungssteuerung als Vergleichsmaterial, nicht der Schaltplan des fiktiven LernLift. Quelle: Wikimedia Commons, ursprünglicher Urheber Duk, Bearbeitung P neves, CC BY-SA 3.0.

Rückhub ist nicht gleich Vorhub

Ein doppeltwirkender Zylinder besitzt auf der Stangenseite die kleinere Ringfläche A_R = π × (d² − d_S²) / 4. Bei d_S = 0,018 m folgt A_R ≈ 0,0005498 m². Bei unveränderter Druckdifferenz von 18,0 bar betrüge die ideale Rückzugskraft ungefähr 990 N. Bei gleichem Zufluss wären v_R = Q/A_R ≈ 0,0606 m/s und die Zeit für 0,350 m etwa 5,77 s. Das ist eine rechnerische Vergleichsgröße, keine Anweisung zum Absenken einer Last; Rücklaufdruck, Gegenlast, Leckage und Schutzkonzept sind hier nicht abgebildet.

Signalkette, Sensorik und Steuerung

Binäre Signale und reale Messgröße trennen

Im Modell steht S0 = 1 für erreichte untere Endlage, S1 = 1 für erreichte obere Endlage. Die Zahlen 0 und 1 sind logische Zustände und keine Drücke oder Ströme. Ein 24-V-Signalpegel kann einen Eingang darstellen; die tatsächlichen Schaltschwellen und zulässigen Stromwerte hängen von konkreten Geräten ab und werden hier nicht spezifiziert.

Ein induktiver Näherungssensor kann an einem metallischen Ziel eine Position erfassen. Die Bilder zeigen das allgemeine Wirkprinzip, nicht die Einbausituation des Modellhubtisches.

Schema eines induktiven Sensors. Quelle: Wikimedia Commons, Urheber MatthiasDD, Public Domain.

SPS-Zustandsfolge

Die rein didaktische Ablaufsteuerung hat die Zustände RUHE, HEBEN, OBEN und STOERUNG. Der Startwunsch wird in RUHE nur übernommen, wenn S0 = 1, S1 = 0 und die modellierte Betriebsfreigabe F = 1 ist. Dann wird Y_AUF = 1 ausgegeben; ein simuliertes Wegeventil ermöglicht den Volumenstrom. Bei S1 = 1 geht die Logik auf OBEN und nimmt das Kommando zurück. Ein Zeitgrenzwert von 12,0 s dient nur der Diagnose: Bleibt S1 aus, meldet die Simulation eine Störung. Diese Logik ist keine Sicherheitsfunktion, keine ausreichende Lastsicherung und keine reale Freigabekette.

Ausgangszustand	Eingabe/Ereignis	Folgezustand	Simulierte Reaktion
RUHE	Start und F = 1 und S0 = 1 und S1 = 0	HEBEN	Y_AUF = 1
HEBEN	S1 = 1	OBEN	Y_AUF = 0, Erfolg protokollieren
HEBEN	Zeit größer 12,0 s ohne S1	STOERUNG	Y_AUF = 0, Ursache untersuchen
RUHE	S0 = 1 und S1 = 1	STOERUNG	widersprüchliche Sensordaten melden
HEBEN	F = 0	STOERUNG	Betriebsanweisung zurücknehmen; Schutznachweis separat

Englisch beschriftetes allgemeines SPS-Blockbild; die im Kurs verwendeten S0/S1/F/Y_AUF sind davon unabhängige Modellbezeichner. Quelle: Wikimedia Commons, Urheber ProVision, CC BY-SA 4.0.

Videobeispiel (Deutsch): „SPS programmieren lernen – Sensoren in der Praxis“ erläutert industrielle Sensoren; es ist ein externer Einblick und keine Prüfung des fiktiven Systems.

Video: sps4you, veröffentlicht 03.04.2020; Wiedergabe via YouTube, keine Übertragung von Videorechten auf den Kurs.

Energie- und Signalflüsse in einem Wirkungsplan

Gemeinsames Wirkungsbild

Ein wirksames Modell zeigt zwei gekoppelte, aber unterschiedlich beschriftete Pfade:

Ebene	Kette	typische Beschriftung
Energie, elektrisch	Versorgung → Motor → Pumpe	elektrische Leistung in W
Energie, hydraulisch	Pumpe → Ventil → Zylinder	Druckdifferenz in bar, Q in L/min und P_h in W
Energie, mechanisch	Zylinder → Hubmasse	Kraft in N, Weg in m und Arbeit in J
Information, hin	Start/Freigabe/S0/S1 → SPS	0/1 mit Zeitstempel
Information, zurück	SPS-Ausgang → Wegeventil; Zylinderposition → Sensor	Y_AUF, S0 und S1

Kopplungspunkt: Das Wegeventil erhält ein schwaches elektrisches Steuersignal, verändert aber den hydraulischen Leistungspfad. Das Stellsignal selbst hebt keine 120-kg-Masse. Umgekehrt erzeugt die mechanische Bewegung ein neues Sensorsignal, das den Zustand der SPS beeinflusst. Ein gemeinsamer Funktionsplan darf diese Ebenen nicht vermischen.

Zeitdiagramm lesen und prüfen

Annahme: Die Simulation startet bei t = 0,00 s in unterer Endlage; der Hub beginnt mit konstantem Volumenstrom. Bei t ≈ 8,45 s wird S1 = 1 angenommen. Dann wechselt die Steuerung nach OBEN. Die Werte sind idealisierte Erwartungswerte.

Zeit	S0	S1	Y_AUF	theoretischer Weg	Deutung
0,00 s	1	0	0 → 1	0 mm	Start akzeptiert
1,00 s	0	0	1	etwa 41 mm	Zylinder bewegt sich
4,00 s	0	0	1	etwa 166 mm	Zwischenlage
8,45 s	0	1	1 → 0	350 mm	obere Endlage erreicht
9,00 s	0	1	0	350 mm	Stillstand im Modell

Plausibilitätsprüfung: Der erwartete Hubweg nach vier Sekunden beträgt v × t ≈ 0,04144 m/s × 4 s = 0,1658 m. Ein Messwert „oben“ bei 4 s widerspricht bei diesem Modell dem errechneten Weg und verlangt eine Prüfung der Annahmen, Zeitstempel und Sensorlogik.

Geräusch als Zusatzbeobachtung

Audio (24 Sekunden): „Hydraulic lift down“ eines fremden hydraulischen Mechanismus. Quelle: Wikimedia Commons, Urheber stephan/PDSounds, gemeinfrei. Das Geräusch dient nur dem Vergleich von Beobachtungsarten; daraus folgt keine Diagnose und es stammt nicht vom LernLift.

Simulierte Fehlersuche und sichere Bewertung

Störfall: Bewegung ohne Endsignal

Im zweiten fiktiven Testlauf zeigt die Datentabelle bei t = 8,50 s eine modellierte Position von 350 mm, S0 = 0, S1 = 0, Y_AUF = 1 und eine normale berechnete Druckdifferenz. Bei t = 12,01 s löst die simulierte Diagnosezeitüberschreitung aus; Y_AUF wird zurückgenommen. Hypothese A: Der obere Endlagensensor meldet nicht. Hypothese B: Ein Eingangskennzeichen im Simulationsmodell wurde falsch zugeordnet. Hypothese C: Der Wegwert ist fehlerhaft, weil die Volumenstromannahme nicht stimmt.

Prüfstrategie auf Papier: Vergleiche zuerst Positionsdaten und S1-Zeitstempel; prüfe danach die Zuordnung Sensor → Eingang → Logik und schließlich die Modellannahmen zu Q, A und Weg. Keine reale Verdrahtung, kein Öffnen eines Drucksystems und kein Manipulieren einer Schutzeinrichtung. Ohne verlässliche Positionsreferenz ist die Ursache nicht eindeutig bewiesen; protokolliere verbleibende Unsicherheit.

Diagnosetabelle statt Teiletausch auf Verdacht

Beobachtung	mögliche Ursache	unterscheidende Simulation/Analyse
Weg 350 mm, S1 bleibt 0	Signal oder Zuordnung fehlt	virtuelle Eingangsabbildung gegen Sensorstatus vergleichen
Weg nach 8,45 s nur 200 mm	tatsächlicher Q kleiner als angenommen	aus Weg und Zeit Q_rueck = A × s/t berechnen
Druckdifferenz steigt, Weg bleibt aus	Bewegungswiderstand oder Ventilpfad unklar	Energiemodell und Ventilkommando getrennt prüfen
S0 und S1 zugleich 1	unplausible Positionsmeldungen	Zustandsfolge und virtuelle Sensorkonfiguration prüfen

Beispielrechnung zur Diagnose: Bei 200 mm Weg nach 8,45 s ergibt sich v = 0,200 m/8,45 s = 0,02367 m/s und Q_rueck = A × v ≈ 0,0000190 m³/s = 1,14 L/min. Der Befund passt zu geringerem wirksamen Volumenstrom; ob ein Leck, eine falsche Messung oder eine andere Ursache vorliegt, ist damit nicht entschieden.

Sicherheits-, Dokumentations- und Transfergrenzen

Eine numerisch plausible Simulation garantiert weder Tragfähigkeit noch Betriebssicherheit. An realen Anlagen sind Eignung der Komponenten, Lastsicherung, Ausfallszenarien, Arbeitsverfahren und die wirksame Schutztechnik durch qualifizierte Fachkräfte nach den jeweils geltenden Vorgaben festzulegen. An realen Kranen, elektrischen Anlagen oder Hydraulikdrucksystemen gibt dieser Lernkurs keine Handlungsfreigabe. Keine Norm oder Herstellerdokumentation wird hier als geprüftes vollständiges Regelwerk ausgegeben.

Für einen belastbaren Lernnachweis sollen sowohl technische Ergebnisse als auch Abweichungen und Unsicherheiten festgehalten werden: Datum der Simulation, angenommene Parameter, Rechenweg mit Einheiten, Statusfolgen, Prüfhypothesen, Simulationsergebnis und Grenzen. Ein Kurs ersetzt keine betriebliche Arbeitsanweisung und keine fachliche oder rechtliche Freigabe.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Prüfe dein Verständnis

Woran erkennst du im Funktionsbild den hydraulischen Energiepfad? (An Druckdifferenz und Volumenstrom zwischen Pumpe Ventil und Zylinder) (!An den binären SPS Eingängen allein) (!Am Namen eines Lernfeldes) (!Am Zustand einer Statuslampe ohne Bezug zur Anlage)

Begründete Rückmeldung: Druck und Volumenstrom beschreiben zusammen die am Hydraulikpfad übertragene Leistung. Ein binäres SPS-Signal trägt dagegen die Information einer Steuerentscheidung.

Wie groß ist die Gewichtskraft der Modellmasse von 120 kg näherungsweise? (1177 N) (!120 N) (!1200 bar) (!1177 W)

Begründete Rückmeldung: Mit F = m × g ergeben 120 kg × 9,81 m/s² genau 1177,2 N. Die anderen Optionen verwechseln Größen oder Einheiten.

Welche Ausfahrkraft ergibt sich bei 18 bar und 804 Quadratmillimeter Kolbenfläche ungefähr? (1448 N) (!1448 W) (!18 N) (!804 bar)

Begründete Rückmeldung: Nach der Umrechnung von bar in Pascal und Quadratmillimeter in Quadratmeter gilt F = p × A; das Ergebnis ist rund 1448 N.

Was bedeutet die Signalfolge S0 gleich 0 und S1 gleich 1? (Die obere Endlage ist im Modell gemeldet) (!Die Pumpe leistet genau 60 Watt) (!Die untere und obere Endlage sind zugleich gemeldet) (!Der Druck beträgt automatisch 18 bar)

Begründete Rückmeldung: S1 codiert nur die obere Endlage. Eine gemeldete Position beweist weder Hydraulikdruck noch eine konkrete Leistung.

Welche Rolle übernimmt das Wegeventil im kombinierten Wirkungsplan? (Es beeinflusst über ein Stellsignal den hydraulischen Strömungsweg) (!Es misst unmittelbar die Gewichtskraft) (!Es erzeugt den elektrischen Startwunsch) (!Es ersetzt eine sichere Lastaufnahme)

Begründete Rückmeldung: Der elektrische Befehl verändert den Ölpfad und koppelt Informationsfluss mit Energiefluss; er ersetzt keine Schutztechnik.

Welche ideale Hubzeit folgt aus 350 mm Weg und rund 41,44 mm je Sekunde? (Etwa 8 Komma 45 Sekunden) (!Etwa 0 Komma 85 Sekunden) (!Genau 350 Sekunden) (!Etwa 84 Komma 5 Minuten)

Begründete Rückmeldung: Die Zeit ist Weg dividiert durch Geschwindigkeit: 350 mm / 41,44 mm/s ergibt etwa 8,45 s.

Welche Information ist zusätzlich nötig um aus einem Volumenstrom hydraulische Leistung zu bestimmen? (Die wirksame Druckdifferenz) (!Die Farbe der Leitung) (!Die Anzahl der Lernaufgaben) (!Nur der Name des Sensors)

Begründete Rückmeldung: Hydraulische Leistung berechnet sich aus P = Δp × Q, beide Größen müssen mit passenden Einheiten vorliegen.

Was ist die geeignete erste Reaktion auf fehlendes oberes Endsignal trotz berechneter Endposition? (Positionsdaten und Signalzuordnung im sicheren Modell vergleichen) (!Am realen Druckschlauch eine Verschraubung öffnen) (!Den echten Grenzschalter überbrücken) (!Ohne weitere Prüfung die Last erhöhen)

Begründete Rückmeldung: Die rechnerische Position und der digitale Sensoreingang sind zunächst unabhängige Beobachtungen. Eine sichere Analyse prüft Daten und Annahmen ohne Eingriffe.

Warum kann die Rückhubgeschwindigkeit bei gleichem Volumenstrom höher sein? (Die wirksame Ringfläche auf der Stangenseite ist kleiner) (!Weil die SPS mehr Kilogramm erzeugt) (!Weil Druck immer in Volt gemessen wird) (!Weil Sensoren den Kolbendurchmesser ändern)

Begründete Rückmeldung: Bei konstantem Q gilt v = Q/A. Die kleinere Ringfläche liefert im Idealmodell eine größere Geschwindigkeit.

Was belegt eine korrekt berechnete simulierte Hubzeit? (Die Plausibilität des angenommenen vereinfachten Modells) (!Die uneingeschränkte Sicherheit einer realen Hebeanlage) (!Die Gültigkeit sämtlicher technischen Normen) (!Die Berechtigung zu Arbeiten an Drucksystemen)

Begründete Rückmeldung: Eine richtige Modellrechnung gilt nur innerhalb ihrer Annahmen. Sicherheitsbewertung und praktische Befähigung müssen getrennt erfolgen.

Memory

Ordne jeweils einen Fachbegriff seiner passenden und einmalig verwendeten Beschreibung zu.

Volumenstrom	Flüssigkeitsvolumen je Zeit
Druckdifferenz	wirksamer Druckunterschied zwischen zwei Anschlussseiten
Kolbenfläche	wirksame Querschnittsfläche für die Kraftberechnung
Endlagensensor	Geber für eine erreichte Grenzposition
SPS-Eingang	Aufnahme eines elektrischen Zustandswertes
Hydraulikleistung	Produkt aus Druckdifferenz und Volumenstrom

Drag-and-Drop

Bringe Komponenten und ihre jeweiligen Aufgaben zusammen. Alle Zuordnungen beziehen sich ausschließlich auf das Lernmodell.

Passender Fachbegriff	Funktion im LernLift
Pumpe	Stellt den modellierten Ölvolumenstrom bereit
Wegeventil	Lenkt den hydraulischen Strömungsweg
Zylinder	Wandelt hydraulische in mechanische Leistung um
Positionssensor	Liefert Information zur Endlage
Steuerung	Verarbeitet Eingänge und setzt Ausgabekommandos

Kreuzworträtsel

Finde zu jeder Umschreibung genau ein Fachwort.

Sensor	Bauteil das eine Prozessgröße erfasst
Aktor	Bauteil das ein Steuersignal in eine Wirkung umsetzt
Pumpe	Element das hydraulischen Volumenstrom bereitstellt
Ventil	Bauteil zur Richtungsbeeinflussung eines Ölstroms
Kolben	Bewegliches Teil innerhalb eines Arbeitszylinders
Diagnose	Systematisches Auswerten von Beobachtungen zur Fehlereingrenzung

LearningApps

Suche ergänzende digitale Zuordnungsübungen zum Thema; einzelne Treffer auf LearningApps sind externe Beiträge und wurden nicht als Bestandteil dieser Falllösung überprüft.

Lückentext

Ergänze die fachlich passenden Begriffe. Nutze für jede Lücke genau einen Ausdruck.

Die Größe für Flüssigkeitsvolumen je Zeit heißt

.

Ein hydraulischer Zylinder wandelt hydraulische in

Energie.

Für die Kolbenkraft multipliziert man die Druckdifferenz mit der

.

Die SI-Einheit der Kraft ist das

.

Der Sensor für die obere Position trägt im Modell die Bezeichnung

.

Die digitale Steuereinheit heißt abgekürzt

.

Der Datenpfad eines Sensors ist ein

.

Die mechanische Hubarbeit besitzt die SI-Einheit

.

Ein Widerspruch zwischen Position und Sensorsignal erfordert eine

.

Offene Aufgaben

Erstelle deine Ergebnisse auf Papier, als Textdatei oder in einer ausdrücklich freigegebenen Offline-Simulation; keine Arbeiten an realen Lasten oder unter Druck stehenden Komponenten.

Leicht

Blöcke identifizieren: Zeichne die sieben beschriebenen LernLift-Funktionsblöcke und beschrifte ihre Eingänge und Ausgänge mit mindestens je einer physikalischen Größe oder Signalart.
Signalpfeile markieren: Kennzeichne die Kette S0/S1 → SPS → Y_AUF farblich getrennt vom Energiepfad und formuliere drei Unterschiede in ganzen Sätzen.
Einheiten prüfen: Rechne 18 bar in Pa, 32 mm in m, 2 L/min in m³/s um und dokumentiere jeden Zwischenschritt.
Bauteile erklären: Verfasse ein kurzes Glossar zu Zylinder, Kolbenfläche, Ventil und Druckdifferenz mit eigenen fiktiven Beispielen.

Standard

Kraftrechnung nachvollziehen: Berechne für 120 kg und 32 mm Kolbendurchmesser F_G, A und F_h bei 18 bar; prüfe die Einheiten und formuliere die Modellgrenze.
Zeitprofil simulieren: Fertige eine Tabelle für die Position nach null, zwei, vier, sechs und 8,45 Sekunden an; vergleiche mit dem Endlagensignal.
Zustandsautomat skizzieren: Entwirf die vier Zustände RUHE, HEBEN, OBEN, STOERUNG mit den angegebenen Übergängen; kennzeichne F ausdrücklich nicht als nachgewiesene Schutzfunktion.
Diagnoseprotokoll schreiben: Interpretiere den zweiten Testlauf mit ausbleibendem S1; stelle mindestens drei Hypothesen und je eine sichere Simulationsprüfung gegenüber.

Schwer

Energiebilanz kritisch analysieren: Berechne 412 J Hubarbeit und rund 507 J hydraulische Arbeit nach und erkläre, weshalb der Quotient keinen Gesamtanlagenwirkungsgrad belegt.
Rückhub vergleichen: Bestimme mit 18 mm Stangendurchmesser Ringfläche und idealen Rückhubwerten; erläutere, welche Zusatzinformationen für einen realen Lastfall fehlen.
Abweichungen untersuchen: Nimm 200 mm Weg nach 8,45 s an, leite einen wirksamen Volumenstrom in L/min ab und entwerfe eine Messwerttabelle zur Unterscheidung von Datenfehler und Strömungsfehler.
Lernprojekt dokumentieren: Erstelle eine gemeinsame Energie- und Signalflussgrafik, fiktive I/O-Liste, Berechnungsanhang, Fehlerprotokoll und begründete Grenzen der Übertragbarkeit; stelle die Dokumentation als dreiminütige Bildschirmpräsentation vor.

Lernkontrolle

Schnittstellenprüfung: Begründe mit mindestens vier beschrifteten Pfeilen, warum die Ansteuerleitung eines Ventils ein Signalweg und der Hydraulikanschluss ein Energiepfad ist.
Gegenprobe: Leite die Hubzeit auf zwei Wegen aus Geschwindigkeit und aus Volumen geteilt durch Volumenstrom her; gib Rundungsabweichungen an.
Leistungsbeurteilung: Berechne hydraulische und mechanische Leistung und erkläre, welche Messdaten für einen elektrischen Gesamtwirkungsgrad zusätzlich nötig wären.
Fehlersuche bewerten: Entscheide, ob die simulierte Störung mit S1 = 0 eindeutig einem defekten Sensor zugeordnet werden darf, und begründe zwei konkurrierende Erklärungen.
Übertragbarkeit beurteilen: Formuliere drei Grenzen der modellierten Betriebsfreigabe F und benenne die Rolle qualifizierter Fachkräfte und betrieblicher Vorgaben.
Lernorte unterscheiden: Erkläre an diesem Fall den Unterschied zwischen dem schulischen KMK-Lernfeld 11 und den betrieblichen Inhalten der Mechatroniker-Ausbildungsverordnung.

Lernnachweis

Wissen: Begriffe Systemgrenze, Schnittstelle, Druckdifferenz, Volumenstrom, Sensor, Aktor, Signalfluss, Energiefluss und Funktionsblock fachsprachlich richtig erläutert.

Können: Ein gemeinsamer Funktionsplan mit markierten Energie- und Signalpfeilen, eindeutigen Einheiten, dokumentierter Logik sowie korrekten Ergebnissen für A ≈ 804 mm², F_G ≈ 1177 N, F_h ≈ 1448 N, t ≈ 8,45 s, V ≈ 0,2815 L und P_h ≈ 60 W.

Produkte: Beschriftetes Wirkungsbild, I/O- und Zeitdiagramm, Rechenblatt mit Einheiten, simuliertes Störungsprotokoll mit konkurrierenden Hypothesen, Reflexion zum Sicherheits- und Gültigkeitsbereich.

Transfer: Du kannst in einer anderen fiktiven Anlage einen geänderten Volumenstrom oder Kolbendurchmesser kritisch einschätzen, ohne daraus eine reale Tragfähigkeits- oder Betriebserlaubnis abzuleiten.

OER und Wikipedia

Amtliche Orientierung (unterschiedliche Lernorte):

Fachliche Hintergründe:

Geprüfte Wikimedia-Commons-Medien:

Datei	Originalquelle	Urheber	Lizenz oder Rechtebeleg
File:Hydraulic Cylinder.svg	Commons-Dateiseite, Animation	電工石火	CC BY-SA 4.0
File:Hydraulic circuit directional control.svg	Commons-Dateiseite, Schaltbild	Duk; Bearbeitung P neves	CC BY-SA 3.0
File:Inductive sensor scheme.svg	Commons-Dateiseite, Sensorschema	MatthiasDD	Gemeinfrei, Nachweis auf Commons
File:PLC Block Diagram.jpg	Commons-Dateiseite, SPS-Blockbild	ProVision	CC BY-SA 4.0
File:Hydraulic lift down.ogg	Commons-Dateiseite, Geräusch	stephan / PDSounds	Gemeinfrei, Rechtebeleg auf Commons

Externes Lernvideo: „Sensoren in der Praxis“, sps4you (2020), YouTube. Öffentlich auffindbare Videoquelle; die Einbettung gewährt kein eigenes Verwertungsrecht. Bild-, Ton- und Videolizenzen gelten jeweils nur nach den verlinkten Rechtehinweisen, die Inhalte sind thematische Beispiele und keine Anlagenfreigaben.