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Schnittstellen eines cyberphysischen Modells erklären - Servicefälle und vernetzte Systeme - Ausbildung

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Einleitung

Lernziel: Du erklärst die Schnittstellen eines cyberphysischen Systems (CPS), zeichnest einen prüfbaren Datenfluss, unterscheidest Messwert von Nachricht und beurteilst eine Störung in einem vollständig fiktiven, isolierten Testnetz. Zielgruppe sind Fachinformatikerinnen und Fachinformatiker im zweiten Ausbildungsjahr. Eine Schnittstelle ist ein vereinbarter Übergang zwischen Komponenten: Sie umfasst nicht nur einen Stecker, sondern auch Signalart, Datenformat, Kommunikationsregeln, Berechtigungen und Fehlerverhalten.

Ausbildungsbezug (Stand der Recherche: Oktober 2026): Der KMK-Rahmenlehrplan vom 13.12.2019 behandelt im zweiten Jahr Lernfeld 7 „Cyber-physische Systeme ergänzen“ mit 80 Unterrichtsstunden; Lernfeld 6 heißt „Serviceanfragen bearbeiten“, Lernfeld 8 „Daten systemübergreifend bereitstellen“. Das sind schulische Lernfelder, keine einzelnen Paragraphen der betrieblichen Ausbildungsordnung. Für die betriebliche Ausbildung gilt die Fachinformatikerausbildungsverordnung vom 28.02.2020 mit Ausbildungsrahmenplan; die Fachrichtung Digitale Vernetzung betont insbesondere vernetzte IT- und cyberphysische Systeme. Der Kurs ist eine didaktische Übung und weder eine offizielle Prüfungsaufgabe noch eine fachliche oder rechtliche Freigabe.

Sicherheit: Alle Geräte, Messwerte, Namen, IP-Adressen und Tickets der folgenden Fallstudie sind erfunden. Du arbeitest ausschließlich auf Papier oder mit einer freigegebenen Simulation. Kein Anschluss an Produktionsnetze, Krane, elektrische Anlagen, Drucksysteme oder Gefahrstoffe. Praktische Arbeiten nur unter qualifizierter Aufsicht und nach betrieblichen Vorgaben; ein Kurs ersetzt keinen Befähigungsnachweis.

Ein CPS verbindet physische, rechnerische und kommunikative Funktionen. Die Grafik ist eine allgemeine Konzeptdarstellung, nicht der hier fiktiv entworfene Prüfstand.

Vom Prozess zum cyberphysischen Modell

Der fiktive Ausbildungsfall „Lernbox Nord“

Ein erfundener Servicebetrieb testet eine digitale Klimabox ohne echte Maschine: Ein virtueller Temperatursensor S1 liefert Testdaten an den simulierten Kleinstrechner K1; dieser publiziert Meldungen an einen lokalen MQTT-Broker B1. Ein Dashboard D1 zeigt Werte an. Eine simulierte Leuchtdiode A1 markiert einen Testalarm. Alle Beteiligten befinden sich im erfundenen Netz 192.0.2.0/24. Dieses Dokumentationsnetz ist für Beispiele reserviert; hier wird keine tatsächliche Verbindung hergestellt. Ticket F-104 lautet: „Dashboard zeigt 230 °C, obwohl der Testgenerator 23,0 °C vorgibt; Alarm bleibt unklar.“

Ein CPS kombiniert physische Größen, informationsverarbeitende Komponenten und Kommunikation. In unserem sicheren Modell wird die physische Größe nur durch Zahlen nachgebildet. Der Sensor ist die Quelle, ein Aktor würde eine Aktion ausführen; im Simulator ist dies nur ein Symbol. Die Kontrollentscheidung entsteht erst nach einer gültigen Umrechnung.

Ein- und Ausgänge als überprüfbarer Datenfluss

Übergang	Eingang	Ausgang	Annahme und Kontrolle
Testgenerator → S1	Temperatur-Sollwert 23,0 °C	Rohwert 230	ganzzahliger Wert in Zehntelgrad Celsius
S1 → K1	Rohwert 230	Messwert 23,0 °C	230 × 0,1 °C = 23,0 °C
K1 → B1	gültiger Messwert	Nachricht mit Wert, Einheit, Zeitpunkt und ID	Format und Topic fest vereinbart
B1 → D1	publizierte Nachricht	Anzeige 23,0 °C	Alter und Qualität der Daten sichtbar
K1 → A1	Vergleich mit Grenzwert	virtueller Alarm aus oder an	Alarm nur bei Wert strikt größer als 23,0 °C

Bei 23,0 °C ist der Testalarm also aus. Der Fehler „230 °C“ deutet auf eine falsch angewandte Skalierung hin, nicht automatisch auf ein defektes Sensorelement. Beschreibe stets Ursache und Nachweis getrennt.

Regelkreis und Abgrenzung

Eine bloße Anzeige ist Monitoring. Erst wenn ein Sollwert und die Rückwirkung auf eine Stellgröße existieren, liegt im engeren Sinn eine geschlossene Regelung vor. Unser Testalarm ist eine ereignisgesteuerte Meldung, kein Nachweis eines industriellen Regelkreises. Das folgende Bild dient als Vergleich für Rückkopplung und Stellglied; es ist keine Montageanweisung.

Blockschaltbild eines Regelungssystems mit Rückführung. Die englischen Symbolbezeichnungen werden im Unterricht erklärt.

Technische Schnittstellen präzise unterscheiden

Physische, elektrische und logische Ebenen

Eine physische Schnittstelle bezeichnet beispielsweise Stecker und Leitungen; eine elektrische Schnittstelle beschreibt Spannungspegel oder Timing. Eine logische Schnittstelle legt Datentypen, Einheiten, Adressen und Bedeutungen fest. Ein Kommunikationsprotokoll ordnet Nachrichten und Reaktionen. Die Netzwerkschnittstelle benötigt zusätzlich Regeln zu Identität und Zugriff. Wer nur „USB“ oder „WLAN“ angibt, hat weder Messwertformat noch Fehlerreaktion beschrieben.

Ebene	Beispiel im Lernmodell	Prüffrage
Messgröße	Temperatur in °C	Ist die Einheit eindeutig?
Rohsignal	Ganzzahl 230 mit Faktor 0,1 °C	Wo findet die Umrechnung statt?
Datenmodell	temperature_c als Dezimalzahl	Stimmen Feldname und Typ überein?
Transport	isolierte lokale Netzwerkverbindung	Sind Sender und Empfänger erreichbar?
Anwendung	MQTT-Topic lab/cps1/temperatur	Abonniert D1 das richtige Topic?
Sicherheit	nur Testkonten im abgeschotteten Netz	Wer darf lesen oder senden?

Serielle Schnittstellen: SPI als anderes Beispiel

Das Serial Peripheral Interface (SPI) ist eine kurzreichweitige synchrone serielle Verbindung zwischen Bausteinen. Typische Signale sind Takt, Datenleitungen und Chip-Auswahl. SPI ist weder MQTT noch ein Internetprotokoll. Ein Sensorbaustein könnte SPI verwenden, während K1 Messdaten später über das Netzwerk meldet. Im Kurs wird kein elektrischer Aufbau vorgenommen.

Die Animation zeigt zeitlich getrennte Takt- und Datenvorgänge. Sie erklärt das Schnittstellenprinzip, ohne einen Hardwareeingriff zu verlangen.

Einheit, Skalierung und Plausibilität

Schreibe stets Zahl + Einheit + Bezugszeit. Der Rohwert 230 ist ohne Schema nicht eindeutig: Faktor 0,1 °C ergibt 23,0 °C, Faktor 1 °C ergäbe 230 °C. Ein plausibler, vorher vereinbarter Testraum liegt hier bei 18,0 bis 30,0 °C; ein Wert außerhalb ist ein Prüfanlass, kein Beweis für einen Sensordefekt. Ein fehlendes oder falsch bezeichnetes Feld wird nicht als null Grad interpretiert. Kennzeichne es als ungültig.

Netzwerkprotokolle und Nachrichten verstehen

Broker, Publisher und Subscriber

Bei MQTT sendet ein Publisher Nachrichten zu einem Topic; ein Broker verteilt sie an berechtigte Subscriber. In unserem Fall ist K1 Publisher, B1 Broker und D1 Subscriber. Dieses Muster entkoppelt die Geräte; Empfang und Darstellung können trotzdem ausfallen. MQTT garantiert nicht, dass das Dashboard eine physikalisch korrekte Messung sieht.

Publish-Subscribe-Schema; die Beschriftung im Commons-Bild ist portugiesisch, die Rollen sind im Text auf Deutsch erklärt.

Eine Nachricht unseres fiktiven Schemas lässt sich so darstellen:

{
  "device": "K1",
  "topic": "lab/cps1/temperatur",
  "value": 23.0,
  "unit": "degC",
  "timestamp": "2026-10-21T09:00:00+02:00",
  "message_id": "LBOX-0042",
  "quality": "ok"
}

Das Format ist ein lokales Kursbeispiel und keine allgemeine MQTT-Pflicht. Der Zeitstempel besitzt eine Zeitzonenangabe. Das Dashboard muss Wert und Alter der Messung unterscheiden. Eine Kennung hilft, Wiederholungen zu erkennen.

Topic, Zustellqualität und Datenalter

Ein Topic ist ein hierarchischer Kanalname. Der Broker verteilt an passende Abonnements; die Schreibweise muss konsistent sein. Bei MQTT kann QoS 1 mehrfache Zustellung zulassen („mindestens einmal“). Deshalb braucht eine Anwendung, die Ereignisse zählt, geeignete Duplikaterkennung. Eine Zustellbestätigung bescheinigt keine Messgenauigkeit. Für aktuelle Anzeigen benötigt D1 außerdem eine Regel gegen veraltete Daten, etwa „Warnhinweis bei Alter über 6 s“. Diese sechs Sekunden sind eine selbst gesetzte Testanforderung, keine technische Norm.

Der schematische Aufbau einer MQTT-PUBLISH-Nachricht zeigt unter anderem QoS- und Retain-Informationen.

Ergänzendes deutschsprachiges Beispielvideo „Industrie 4.0 – Cyber-physisches System“ von Bosch Rexroth (2015). Es erläutert virtuelle Simulationen; hiermit ist keinerlei Kooperation oder Herstellerfreigabe verbunden. Video kann durch externe Verfügbarkeit eingeschränkt sein.

Übertragungsmengen richtig rechnen

Das Modell sendet alle 2 s eine Testmeldung. Damit entstehen 60 s / 2 s = 30 Meldungen pro Minute und 3.600 s / 2 s = 1.800 Meldungen pro Stunde. Bei angenommenen 120 Byte Nutzdaten je Meldung ergibt das 1.800 × 120 Byte = 216.000 Byte = 216 kB pro Stunde (dezimale kB). MQTT-, TCP/IP-, Ethernet- und Wiederholungs-Overhead sind nicht enthalten. Erkläre diese Grenze jeder Abschätzung.

Einen Servicefehler isoliert diagnostizieren

Testplan mit erwarteten Ergebnissen

Die Lernbox nutzt ausschließlich synthetische Daten. Für den Funktionstest seien eine Skalierung von 0,1 °C pro Rohwert-Einheit, ein Testgrenzwert von 23,0 °C, ein Intervall von 2 s und eine erlaubte Anzeigeverzögerung von höchstens 6 s vereinbart.

Test	Eingang	Erwarteter Wert	Alarm	Erkennbares Ergebnis
T1	Rohwert 220	22,0 °C	aus	korrekt skaliert
T2	Rohwert 230	23,0 °C	aus	Grenzwert ist nicht überschritten
T3	Rohwert 231	23,1 °C	an	Vergleich strikt größer
T4	Feld unit fehlt	ungültig	kein automatischer neuer Alarm	Fehlerkennzeichnung statt erfundener Einheit
T5	Nachricht 8 s alt	Wert historisch	Entscheidung gesperrt	Warnung wegen überschrittenem Datenalter

Diagnosepfad: (1) Ticket und Erwartung dokumentieren; (2) Testgenerator und Rohwert vergleichen; (3) Faktor und Einheit am Übergang S1–K1 prüfen; (4) publizierte Nachricht ohne reale Zugangsdaten mit erwartetem Schema vergleichen; (5) Topic und Empfang im Broker-Dashboard-Pfad vergleichen; (6) Grenzwertlogik und Alter prüfen; (7) Fehlerursache, Testfall, Ergebnis und verständliche Rückmeldung im Ticket festhalten. Der Fall F-104 ist gelöst, wenn 230 als 23,0 °C angezeigt, T1–T5 wie beschrieben ausgewertet und die zuvor falsche Skalierung dokumentiert werden.

Zeit und Nachrichtenqualität beurteilen

Zeitstempel von unterschiedlichen Rechnern können voneinander abweichen. Für unsere reine Simulation setzen wir konsistente Modelluhren voraus; ein reales, getrenntes Testnetz braucht dafür ein freigegebenes Zeitsynchronisationskonzept, nicht zwangsläufig öffentlichen Internetzugriff. Latenz ist die Zeit von einem definierten Sende- bis Empfangsereignis. Datenalter ist die Zeit seit dem dem Datensatz zugeordneten Ereignis. 80 ms Netzlatenz können mit 8 s altem Messwert zusammenfallen. Beides ist getrennt zu protokollieren.

Fehlerhypothesen: H1 falscher Skalierungsfaktor; H2 falsches Topic; H3 fehlendes Datenfeld; H4 alte Nachricht; H5 mehrfach zugestellte Nachricht. Prüfe H1 anhand der Paare (230; 23,0 °C), H2 anhand der dokumentierten Topic-Zeichenfolge, H3 durch Schemaprüfung, H4 mit Zeitstempel und H5 anhand message_id. Eine Hypothese gilt erst als gestützt, wenn ein erwarteter Unterschied im simulierten Vergleich sichtbar ist.

Was Audiosignale über Protokolle verraten – und was nicht

Historische Funkdatenübertragung als Hörbeispiel (Packet Radio, 1.200 Baud). Diese Aufnahme zeigt ausdrücklich nicht den Klang von MQTT, SPI oder unserem Testnetz. Aus einem Geräusch kann die Korrektheit eines Datenwerts nicht abgeleitet werden.

Servicequalität, Schutzmaßnahmen und Dokumentation

Verständliche Schnittstellendokumentation

Eine gute Dokumentation enthält Schnittstellenkennung, Datenquelle, Empfänger, Richtung, erlaubte Werte, Einheit, Umrechnungsregel, Formatversion, Beispielnachricht, erwartete Aktualisierung, Rechte, Fehlerkennzeichen und verifizierbaren Test. Sie trennt Beobachtung („230 °C angezeigt“) von Hypothese („Faktor fehlte“) und Nachweis („nach Korrektur T1–T5 bestanden“). Für den fiktiven Kunden empfiehlt sich folgende Mitteilung: „Die Anzeige verarbeitete den Rohwert ohne Faktor 0,1. Im isolierten Test wurde die Skalierung berichtigt; 230 entspricht jetzt 23,0 °C. Die definierten Grenz-, Pflichtfeld- und Alterstests wurden dokumentiert.“

Energie- und Schutzbedarf

Für ein theoretisches, ausdrücklich nicht verkabeltes Niederspannungs-Rechenbeispiel sei eine simulierte Leistungsaufnahme von U = 5 V und I = 0,12 A angenommen. Die Leistungsrechnung ergibt P = U × I = 0,60 W. Für 4 h Betriebszeit ist E = P × t = 2,4 Wh. Das ist eine Modellrechnung, keine Freigabe für elektrische Arbeiten und keine vollständige Energiebilanz. Schutzmaßnahmen im fiktiven Netz: Trennung von Produktivsystemen, Testidentitäten mit Minimalrechten, nur notwendige Topics, protokollierte Änderungen und keine personenbezogenen Daten. Eine verschlüsselte Übertragung ist für reale Einsätze abhängig vom Schutzbedarf und den betrieblichen Vorgaben zu planen; dieses Papierbeispiel betreibt keine Dienste.

Qualitätskriterien und Transfer

Prüfe Korrektheit (gleiche Einheit und Skalierung), Vollständigkeit (Pflichtfelder vorhanden), Aktualität (höchstens 6 s Datenalter), Nachvollziehbarkeit (message_id und Testprotokoll) sowie Sicherheit (isolierter Versuch und begrenzte Zugriffsrechte). Ein gut bearbeiteter Servicefall liefert reproduzierbare Ein- und Ausgaben und informiert nachvollziehbar darüber, was geprüft wurde und was offenbleibt. Quellen wie der KMK-Rahmenlehrplan und das BIBB-Angebot dienen fachlicher Orientierung, nicht als behauptete Herstellerfreigabe. Normen oder geschützte Normvolltexte werden hier nicht wiedergegeben.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Prüfe dein Wissen

Was beschreibt eine logische Schnittstelle am besten? (Datentypen, Einheiten, Feldnamen und Bedeutungen) (!Nur die Form eines Steckers) (!Nur den Preis eines Geräts) (!Nur die Gehäusefarbe)

Rückmeldung: Eine logische Schnittstelle legt fest, wie Daten interpretiert werden. Eine passende Leitung allein verhindert keinen Skalierungsfehler.

Welcher Temperaturwert ergibt sich aus dem Rohwert 230 bei einem Faktor von 0,1 Grad Celsius? (23,0 Grad Celsius) (!230 Grad Celsius) (!2,3 Grad Celsius) (!2300 Grad Celsius)

Rückmeldung: Multiplikation mit 0,1 ergibt 23,0. Ohne dokumentierten Faktor ist der Rohwert nicht als Temperatur verwendbar.

Was soll bei exakt 23,0 Grad Celsius und einem Alarmkriterium größer als 23,0 gelten? (Alarm bleibt aus) (!Alarm ist zwingend an) (!Nachricht wird gelöscht) (!Sensor gilt als defekt)

Rückmeldung: Die Bedingung ist strikt größer und nicht größer oder gleich. Der Grenzfall unterscheidet beide Vergleichsoperatoren.

Welche Aufgabe übernimmt ein MQTT-Broker im Fallmodell? (Er verteilt Nachrichten von Publishern an passende Subscriber) (!Er misst die Temperatur selbst) (!Er kalibriert die Sensorelektronik automatisch) (!Er ersetzt sämtliche Testfälle)

Rückmeldung: Der Broker vermittelt Nachrichten; Interpretation, Prüfung und Grenzwertlogik bleiben getrennte Aufgaben.

Was bedeutet QoS 1 bei MQTT für den Empfänger grundsätzlich? (Eine Nachricht kann mehrfach zugestellt werden) (!Jede Nachricht ist garantiert fehlerfrei gemessen) (!Jede Nachricht erscheint immer exakt einmal im Dashboard) (!Der Sender braucht kein Netzwerk)

Rückmeldung: Die mindestens einmal vorgesehene Zustellung erlaubt Duplikate. Eine eindeutige fachliche Ereigniszählung braucht zusätzliche Logik.

Was ist bei fehlendem Pflichtfeld unit fachlich richtig? (Den Datensatz als ungültig kennzeichnen) (!Die Einheit ungefragt als Grad Celsius einsetzen) (!Den letzten Rohwert verdoppeln) (!Die Meldung als Null Grad protokollieren)

Rückmeldung: Fehlende Metadaten zerstören die eindeutige Interpretation; stillschweigende Ersatzwerte würden falsche Gewissheit erzeugen.

Welche Maßnahme findet den Skalierungsfehler im Ticket F-104 gezielt? (Rohwert und umgerechneten Messwert an derselben Schnittstelle vergleichen) (!Zufällige Kabel an einer Anlage umstecken) (!Den Alarmgrenzwert ohne Test erhöhen) (!Produktionsnetz und Testnetz verbinden)

Rückmeldung: Erwartete Wertepaare belegen den Umrechnungsfehler reproduzierbar und vermeiden gefährliche Eingriffe.

Wie viele Meldungen entstehen bei einem Intervall von 2 Sekunden in einer Stunde? (1800) (!120) (!360) (!7200)

Rückmeldung: Eine Stunde hat 3600 Sekunden; geteilt durch 2 ergibt 1800. Protokoll-Overhead verändert die Anzahl nicht.

Welche Aussage zur Nutzdatenmenge aus 1800 Meldungen mit je 120 Byte ist richtig? (216000 Byte ohne Übertragungs-Overhead) (!216 Byte einschließlich aller Header) (!216000 Bit ohne jeden Zusatz) (!1800 Kilobyte exakt mit Übertragungs-Overhead)

Rückmeldung: Die reine Multiplikation liefert 216000 Byte; Header und Wiederholungen müssen getrennt abgeschätzt werden.

Welche Aussage zu 80 Millisekunden Latenz und 8 Sekunden Datenalter ist richtig? (Geringe Netzlatenz kann mit veralteten Messdaten zusammenfallen) (!Beide Größen sind identisch) (!Der Messwert ist dadurch automatisch gültig) (!Ein acht Sekunden alter Wert ist höchstens acht Millisekunden alt)

Rückmeldung: Latenz beschreibt den Übertragungsabschnitt; Alter umfasst die seit dem Messereignis vergangene Zeit.

Memory

Ordne jedem Begriff seine einmalige Erklärung zu.

Sensor	Liefert einen Messwert oder Testrohwert
Aktor	Setzt ein Steuersignal in eine Wirkung um
Broker	Vermittelt Nachrichten nach Abonnements
Topic	Benennt einen hierarchischen Nachrichtenkanal
Zeitstempel	Bezeichnet einen Zeitpunkt mit Datumsbezug
Skalierung	Rechnet einen Rohwert mit festgelegtem Faktor um

Drag-and-Drop: Schnittstellen zuordnen

Ziehe die jeweils passende Beschreibung zum Fachbegriff.

Richtigen Begriff zuordnen	Fachliche Beschreibung
Physische Schnittstelle	Anschluss oder Leitung zwischen Bauteilen
Datenmodell	Vereinbarung über Felder, Typen und Einheiten
Publisher	Komponente, die Nachrichten veröffentlicht
Subscriber	Komponente, die passende Nachrichten abonniert
Testprotokoll	Dokumentiert Eingabe, Erwartung und Ergebnis

Kreuzworträtsel: Begriffe verstehen

SENSOR	Welche Komponente stellt erfasste physikalische Werte oder simulierte Rohwerte bereit?
AKTOR	Welche Komponente setzt ein Steuersignal in eine Handlung um?
BROKER	Wer vermittelt MQTT-Nachrichten anhand ihrer Topics?
SCHEMA	Wie heißt die formale Vereinbarung über Struktur und Datentypen?
GATEWAY	Welche Komponente vermittelt zwischen unterschiedlichen Netzen oder Protokollen?
ZEITSTEMPEL	Wie heißt die Angabe, die einen Datensatz zeitlich zuordnet?

LearningApps

Suche nach ergänzenden Zuordnungsübungen. Die Treffer sind externe Angebote und müssen auf fachliche Eignung geprüft werden.

Lückentext: Das Modell fehlerfrei beschreiben

Ein cyberphysisches System verbindet Datenverarbeitung mit der

Welt.

Der S1-Rohwert wird mit einem dokumentierten

in eine Temperatur umgerechnet.

Für die Verteilung von MQTT-Nachrichten ist im Testmodell der

zuständig.

Der Name eines Nachrichtenkanals heißt

.

Die Komponente, die eine Nachricht abonniert, heißt

.

Ein Rohwert von 230 entspricht bei Zehntelgrad-Skalierung

Grad Celsius.

Bei einem Grenzwert strikt größer als 23,0 bleibt der Alarm bei genau 23,0

.

Eine eindeutig identifizierbare Nachricht trägt im Modell eine

.

Bei mehr als sechs Sekunden Datenalter folgt eine

.

Ein fehlendes Pflichtfeld führt zu einem

Datensatz.

}

Offene Aufgaben

Leicht

Datenfluss: Zeichne S1, K1, B1, D1 und A1 als fünf Boxen mit Richtungspfeilen und nenne für jeden Übergang einen Datentyp.
Schnittstelle: Erstelle eine Tabelle, die die physische, logische, protokollbezogene und organisatorische Schnittstelle am Lernmodell unterscheidet.
Temperatur: Berechne aus den Rohwerten 220, 230 und 231 jeweils die Temperatur in °C und kennzeichne den Testalarm korrekt.
Serviceanfrage: Formuliere zum Ticket F-104 eine neutrale Beobachtung, eine Hypothese und einen überprüfbaren Test, ohne sie zu vermischen.

Standard

MQTT: Entwickle für die fiktiven Komponenten drei sinnvolle Topics sowie Publisher- und Subscriber-Rollen und erkläre Zugriffsbeschränkungen.
Testfall: Schreibe fünf Testfälle für Skalierung, Grenzwert, fehlende Einheit, veraltete Nachricht und mehrfachen Empfang mit erwarteten Ausgaben.
Datenqualität: Bewerte einen künstlichen Datensatz mit fehlendem Zeitstempel, falschem Einheitenfeld und doppelter Kennung; dokumentiere die Reaktion.
Netzwerkverkehr: Berechne das Nutzdatenvolumen für 15, 30 und 60 Meldungen pro Minute bei jeweils 120 Byte und grenze Netz-Overhead ab.

Schwer

Fehlerdiagnose: Entwirf für H1 bis H5 einen Entscheidungsbaum mit Beobachtung, isolierter Prüfmethode, erwarteter Ausgabe und Eskalationskriterium.
Cyber-physisches System: Plane eine rein virtuelle Erweiterung um einen zweiten Sensor mit klarer Feldbenennung, Prüfschwellwerten und Datenqualitätskennzeichen.
Informationssicherheit: Verfasse eine kurze Schutzbedarfsanalyse für das fiktive Netz und begründe Minimalrechte, Trennung und Protokollierung.
Technische Dokumentation: Erstelle ein abnahmefähiges fiktives Servicedossier mit Schnittstellenübersicht, Energie-Modellrechnung, fünf Testergebnissen und kundenverständlicher Abschlussmeldung.

Lernkontrolle

Systemmodell: Erkläre anhand des Beispiels, warum eine korrekte Netzwerkübertragung trotzdem einen falschen angezeigten Messwert liefern kann.
Grenzwert: Leite schriftlich her, weshalb T2 keinen Alarm und T3 einen Alarm auslösen muss; nenne die verwendete Vergleichsrelation.
Fehlerhypothese: Vergleiche H1 und H2 und gib jeweils einen unterscheidbaren Nachweis an, ohne reale Geräte zu bedienen.
Nachrichtenübertragung: Berechne für 1.800 Nachrichten zu je 120 Byte die Nutzdatenmenge und beschreibe zwei Ursachen für zusätzlichen Verkehr.
Nachrichtenqualität: Erkläre, warum eine MQTT-Zustellung bei QoS 1 die Anwendung nicht von einer Duplikaterkennung entbindet.
Prozesssicherheit: Begründe für eine simulierte Warnanzeige, warum „Daten älter als 6 s“ anders zu behandeln ist als „Messwert über 23,0 °C“.
Servicequalität: Verfasse eine Abschlussnotiz, die Ursache, Korrektur, fünf Prüfungen, Restrisiko und Zuständigkeit klar trennt.

Lernnachweis

Wissen: Du definierst Sensor, Aktor, Broker, Topic, Datenmodell und die wesentlichen Schnittstellenebenen korrekt. Können: Du liest ein Datenflussdiagramm, rechnest Einheiten und Intervalle sauber um, beurteilst Feldfehler und entwickelst sichere synthetische Testfälle. Produkte: Dein Lernportfolio enthält ein beschriftetes Modell, eine Schnittstellentabelle, fünf Soll-Ist-Tests, eine Volumenrechnung und ein fiktives Serviceprotokoll. Transfer: Du erläuterst, welche zusätzlichen Rechte-, Zeit-, Sicherheits- und Freigabeprüfungen vor jeder betrieblichen Anwendung nötig wären.

Bewertungsraster: Datenfluss fachlich vollständig; Einheiten und Zahlen stimmen; Fehlerhypothesen sind prüfbar; Testfälle lassen sich reproduzieren; Sicherheitsgrenzen und Kundendokumentation sind nachvollziehbar. Ein bestander Quizdurchlauf allein ist kein praktischer Befähigungsnachweis.

OER und Wikipedia

Amtliche und fachliche Quellen (geprüfte Anlaufstellen; keine geschützten Volltexte übernommen):

KMK, Rahmenlehrplan Fachinformatiker/in und IT-System-Elektroniker/in, Beschluss 13.12.2019, insbesondere Lernfeld 7 auf Seite 18 (PDF-Seite 18).
BIBB, Fachinformatik Fachrichtung Digitale Vernetzung, Tätigkeitsfeld und Rechtsgrundlage der betrieblichen Ausbildung, Ausbildungsverordnung vom 28.02.2020.
BIBB, Fachinformatiker/Fachinformatikerin – Umsetzungshilfe, Ausgabe 2020; Hinweise zur Ausbildungsordnung, nicht der schulische Rahmenlehrplan.
Wikipedia: Cyber-physisches System und Wikipedia: MQTT zum Einstieg; für maßgebliche Anforderungen amtliche und technische Primärquellen verwenden.

Geprüfte Mediendateien, Urheber und Nutzungsrechte:

Datei	Commons-Dateiseite	Urheber	Lizenz laut Dateiseite
File:SystèmeCyberPhysique.svg	Dateiseite	G-G	Gemeinfrei-Erklärung des Urhebers
File:Control System.svg	Dateiseite	Inductiveload	Gemeinfrei-Erklärung des Urhebers
File:Serial Peripheral Interface Animation.gif	Dateiseite	Adem Güdük	CC BY 4.0
File:Estrutura padrão publish-subscriber.png	Dateiseite	Siol bruno	CC BY-SA 4.0
File:MQTT Publish packet.svg	Dateiseite	Blacktron	CC BY-SA 4.0
File:Packet-radio-simple-stardado.ogg	Dateiseite	Denis Apel	CC BY-SA 2.0 DE

Die Originaldateien wurden hier nicht verändert. Bei Weiterverwendung der CC-Lizenzen sind Namensnennung, Lizenzverweis und gegebenenfalls Bearbeitungshinweis sowie ShareAlike-Bedingungen zu beachten.

Externes Video: Bosch Rexroth, „Industrie 4.0 – Cyber-physisches System“, veröffentlicht 11.02.2015; YouTube-Standardveröffentlichung, keine CC-Freigabe behauptet. Es wird nur als externer Videoplayer verlinkt/eingebettet, nicht kopiert oder verändert.

Enzyklopädischer Überblick (deutsch):