Automatisierte Anlagen in Betrieb nehmen, bedienen und überwachen - Fachkraft für Metalltechnik - LF 7

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Automatisierte Anlagen in Betrieb nehmen, bedienen und überwachen - Fachkraft für Metalltechnik - LF 7

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Einleitung

Du lernst, eine automatisierte Montage- und Transportanlage anhand eines berufstypischen Auftrags zu analysieren, zu planen, sicher in Betrieb zu nehmen, zu bedienen, zu überwachen, zu prüfen und zu dokumentieren. Der Kurs richtet sich an Auszubildende zur Fachkraft für Metalltechnik, Fachrichtung Montagetechnik, 2. Ausbildungsjahr. Er erschließt das KMK-Lernfeld 7 mit einem Zeitrichtwert von 60 Unterrichtsstunden. Die Fachrichtungen Zerspanungs-, Konstruktions- sowie Umform- und Drahttechnik werden nur zum Vergleich erwähnt; ihre anderen Lernfelder sind hier keine zusätzlichen Pflichtinhalte.

Dein Leitauftrag lautet: Eine fiktive Montage-Transportstation soll Bauteile erkennen, befördern und fehlerhafte Übungsteile ausschleusen. Du wertest Technologieschema, Funktions- und Schaltplan aus, erkennst den Stoff-, Informations- und Energiefluss, beurteilst Prozessgrößen, entwickelst eine Ablaufbeschreibung, planst sichere Prüfungen und berichtest einem Team. Alle Personen, Messwerte und Aufträge sind erfunden. Tätigkeiten an realen Maschinen, elektrischen Einrichtungen, Druckluft- oder Hydraulikanlagen erfolgen ausschließlich mit Befugnis, Unterweisung und fachlicher Aufsicht. Die sichere Alternative ist eine vollständig virtuelle 24-V-Modellstation mit simulierten Signalen und ohne bewegte, druckbeaufschlagte oder gefährliche Teile.

Abbildung: Fördertechnik als Beispiel des Materialflusses; die Aufnahme zeigt nicht die nachfolgend entwickelte Modellstation.

Orientierung: KMK-Rahmenlehrplan, Seite 20 und BIBB-Berufsprofil Montagetechnik. Der jeweilige betriebliche Ausbildungsplan, Landeslehrplan, Herstellerunterlagen und die zuständige Industrie- und Handelskammer sind zusätzlich zu beachten; dieser Kurs ersetzt weder betriebliche Freigaben noch eine amtliche Prüfungsentscheidung.

Beruflichen Auftrag analysieren und technische Unterlagen lesen

Vom Kundenwunsch zum prüfbaren Arbeitsauftrag

Ein Arbeitsauftrag beschreibt Funktion, Umfang, Stückzahlen, Qualität, Zeit, Sicherheitsbedingungen und Abnahme. Statt sofort eine Maschine zu starten, klärst du: Was soll transportiert werden? Wie wird ein Gutteil von einem Ausschussteil unterschieden? Wo beginnt und endet der Prozess? Wer darf Änderungen am Programm, an Pneumatik oder an Schutzfunktionen vornehmen? Welche Sollwerte, Dokumente und Freigaben liegen vor? Du erstellst eine Anforderungsliste mit messbaren Kriterien, etwa „20 von 20 entsprechend markierten Übungsteilen richtig zuordnen“ und „bei simuliertem Störungssignal kein selbsttätiger Wiederanlauf“.

Technologieschema zeigt die Reihenfolge der Stationen und den Materialfluss. Funktionsplan beschreibt Verknüpfungen und Zustände, ein Funktions- oder Weg-Schritt-Diagramm zeigt Abläufe über Schritte beziehungsweise Zeit. Schaltplan stellt elektrische oder fluidtechnische Verbindungen dar; dazu gehören eindeutige Betriebsmittelkennzeichen. Zuordnungsliste verbindet Ein- und Ausgänge des Programms mit Sensoren und Aktoren. Diese Dokumentarten beantworten unterschiedliche Fragen und dürfen nicht verwechselt werden.

Unterlage	Typische Frage	Dein Arbeitsergebnis
Technologieschema	Wo laufen Werkstücke entlang?	Materialfluss mit Transport-, Prüf- und Ausschleusstation
Funktions- bzw. Weg-Schritt-Diagramm	In welcher Reihenfolge geschehen Bewegungen?	Zustandsfolge und Übergangsbedingungen
Elektrischer und pneumatischer Schaltplan	Wie sind Elemente verbunden?	Sichere Zuordnung und Kennzeichnung der Baugruppen
E/A-Liste	Welche Meldung beeinflusst welchen Ausgang?	Nachvollziehbare Signalliste, ohne echte Anlagenzugänge
Betriebsanleitung, Risikobeurteilung und Prüfunterlagen	Was ist zulässig und wer prüft?	Freigabe- und Prüfplan

Beispiel der Schnittstellen: Ein Werkstück erscheint vor einer Lichtschranke (Stofffluss). Der Sensor meldet einen Zustand an die Steuerung (Informationsfluss). Ein elektrischer Antrieb bewegt ein Band (Energiefluss). Ein Pneumatikzylinder könnte ein markiertes Teil ausschleusen (Material- und Energiefluss). Dieses Beispiel ist zunächst ausschließlich eine Simulation.

Informationen im Team abstimmen

Übernimm eine Rolle als Auftragsanalyse, Steuerungsbeschreibung, Sicherheit/Prüfung oder Dokumentation. Halte eine Besprechung mit Ziel, offenen Fragen, Verantwortlichen und Abnahmekriterien fest. Übergebe eine eindeutige Versionsnummer für Zeichnung und Programm; nur freigegebene Stände gehören in die Betriebsunterlagen. Typischer Fehler: Aus einem Schaltplan ohne Versionsangabe die vermeintlich „richtige“ Verdrahtung ableiten.

Sensoren, Steuerung, Regelung, Aktoren und Energieformen

Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe

Sensoren erfassen physikalische Zustände: Ein induktiver Näherungssensor spricht auf geeignete metallische Objekte an, eine Lichtschranke unter passenden Bedingungen auch auf nichtmetallische Objekte, ein Drucksensor auf einen Druckzustand und ein Endlagensensor auf eine erreichte Position. Auswahlkriterien sind Material, Erfassungsabstand, Verschmutzung, Einbaulage und Herstellerangaben. Ein Sensor ist kein zuverlässiger Sicherheitsbaustein, nur weil er eine Bewegung erkennt.

SPS bedeutet Speicherprogrammierbare Steuerung. Sie liest Eingänge ein, verarbeitet ein gespeichertes Programm und setzt Ausgänge. Ein Aktor setzt ein Ausgangssignal in eine physische Wirkung um: Schütz oder Umrichter schalten einen Motor; Magnetventile steuern Druckluft; eine Leuchte zeigt Zustände an. SPS-Anwenderprogramm und sicherheitsgerichtete Steuerung sind zu unterscheiden: Für eine erforderliche Schutzfunktion ist ein nach Risikobeurteilung geeignetes sicherheitsbezogenes System nötig, nicht nur eine gewöhnliche Programmbedingung.

Eine speicherprogrammierbare Steuerung als Baustein der Informationsverarbeitung; das abgebildete Gerät ist nur ein Beispiel.

Induktiver Näherungssensor: Ein passend angebrachtes Exemplar kann metallische Objekte erkennen.

Übersicht der Modellstation:

Signal/Element	Aufgabe	Bedeutung für das Programm
I_Start (simuliert)	Bedienwunsch	Startanforderung im freigegebenen Automatikmodus
I_Teil (simuliert)	Werkstückerkennung	Teil ist an der Prüfstelle
I_Merkmal (simuliert)	Qualitätsmerkmal	Gutteil oder Teil zur Ausschleusung
I_Grundstellung (simuliert)	Positionsrückmeldung	Schieber befindet sich in Ausgangslage
I_Schutzstatus (nur Rückmeldung)	Anzeige einer übergeordneten Schutzfunktion	Information, nicht Ersatz der unabhängigen Sicherheitsfunktion
Q_Band und Q_Schieber (virtuell)	Transport und Ausschleusen	Anzeige der beabsichtigten Aktorzustände

Steuern ist nicht dasselbe wie Regeln

Beim Steuern entscheidet ein festgelegter Ablauf oder eine Logik anhand der Eingänge, welche Ausgänge gesetzt werden. Bei einer Regelung wird eine Regelgröße gemessen und mit einem Sollwert verglichen; aus der Abweichung wird die Stellgröße fortlaufend angepasst, zum Beispiel um eine Fördergeschwindigkeit trotz Laständerung konstant zu halten. Dass ein Sensor vorhanden ist, macht nicht jede Ablaufsteuerung automatisch zur Regelung. Überwachen bedeutet, Istwerte und Zustandswechsel mit Grenzen und Sollabläufen zu vergleichen, Abweichungen zu melden und geeignete Maßnahmen einzuleiten.

Im Simulationsbeispiel gilt: Ein vorhandenes Teil führt nach erfüllten Freigabebedingungen zum nächsten Bearbeitungsschritt. Eine Drehzahlregelung würde dagegen eine tatsächliche Drehzahl rückführen und entsprechend korrigieren. Formuliere für beide Fälle die Eingangs-, Verarbeitungs- und Ausgangsgrößen.

Mechanisch, elektrisch, pneumatisch, hydraulisch

Elektrische Energie versorgt Steuerung und Motor. Der Motor wandelt sie in mechanische Bewegung um. Pneumatik nutzt verdichtete Luft, häufig für kurze, schnelle Bewegungen; Hydraulik verwendet Druckflüssigkeit und kann hohe Kräfte übertragen. Die gespeicherte Energie in Druckluft, Flüssigkeit oder bewegten Teilen bleibt auch nach einem elektrischen Ausschalten gefährlich. Für das Modell wird eine Druckluftwirkung daher zunächst rein virtuell dargestellt.

Pneumatikzylinder: Der Kolben setzt eine Druckdifferenz in lineare Bewegung um.

Schema eines 5/2-Wegeventils mit fünf Anschlüssen und zwei Schaltstellungen; Symbole sind anhand der Herstellerunterlagen zu lesen.

Medien zum Vertiefen: Die Hochschule Mannheim verlinkt ein deutschsprachiges Video zum SPS-Aufbau; ein weiteres Video erklärt induktive Sensoren. Das Pneumatik-Webinar von Landefeld erläutert Ventile, Zylinder und deren Dimensionierung. Externe Videos werden eingebettet, nicht als freie Lizenz des Videoinhalts behauptet.

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Prozesskenngrößen berechnen und Diagramme auswerten

Druck, Kolbenfläche und Kraft

Druck beschreibt Kraft je Fläche: p = F / A. Für einen idealisierten Kolben ist A = π · d² / 4 und F = p · A. Ein Rechenbeispiel mit einem fiktiven doppeltwirkenden Übungszylinder: Kolbendurchmesser d = 25 mm = 0,025 m; wirksamer Druck beim Ausfahren p = 5 bar = 500 000 Pa. Dann ist A = π · 0,025² / 4 = 0,0004909 m² und die theoretische Ausfahrkraft F = 500 000 · 0,0004909 = 245,4 N. Wird für Reibungs- und sonstige Verluste vereinfachend ein Nutzfaktor von 0,80 angenommen, ergeben sich etwa 196 N verfügbare Nutzkraft. Diese Annahme ist kein nachgewiesener Sicherheits- oder Herstellerwert. Für das Einfahren ist wegen der Kolbenstangenfläche die wirksame Fläche kleiner; Endlagen, dynamische Kräfte, Druckschwankungen und Sicherheitsreserven sind zusätzlich zu berücksichtigen.

Häufiger Fehler: bar wie Pascal verwenden, Millimeter nicht in Meter umrechnen oder die Ausfahrfläche auch für das Einfahren einsetzen. Für echte Auslegungen gelten die konkreten Herstellerdaten und eine fachkundige Prüfung.

Arbeit, Leistung und Wirkungsgrad

Leistung beschreibt Energie pro Zeit: P = E / t. Für gleichgerichtete Bewegung gilt idealisiert P_mech = F · v; für elektrische Gleichstromaufnahme P_el = U · I. Angenommen, ein Modellantrieb benötigt U = 24 V und I = 2,5 A: Dann ist die Eingangsleistung 60 W. Bei beispielhaft 42 W nutzbarer mechanischer Leistung beträgt der Wirkungsgrad η = P_nutz / P_zu = 42 / 60 = 0,70 = 70 %. Wirkungsgrad ist dimensionslos und bei passiver Energieumwandlung höchstens 100 Prozent. Diese elektrische Rechnung bewertet nicht automatisch die gesamte Drucklufterzeugung; Kompressor, Leckagen und Betriebszustände müssen für eine Gesamtbilanz gesondert betrachtet werden.

Ein 0,60 m langer Förderweg bei angenommener Bandgeschwindigkeit 0,12 m/s benötigt t = s/v = 0,60/0,12 = 5 s. Bei einer vollständigen Taktzeit von 8 s liegt der theoretische maximale Takt-Durchsatz bei 3600/8 = 450 Teile pro Stunde. Real reduzieren Störungen, Pausen und notwendige Prüfungen diesen Wert. Aus 60 W mittlerer Leistungsaufnahme über 160 s entstehen 60 · 160 / 3600 = 2,67 Wh Modellenergie; 2,67 Wh sind 0,00267 kWh. Der Vergleich von Standby- und Produktionsaufnahme zeigt Einsparpotenziale, ohne Schutzfunktionen abzuschalten.

Diagramme erkennen und auswerten

Ein Zeit- oder Weg-Schritt-Diagramm macht sichtbar, ob sich erwartete Signale überschneiden und ob die Reihenfolge logisch ist. Beispiel für simulierte Abläufe, keine Freigabe für reale Bewegungen:

Zeitpunkt	Ereignis	Sollreaktion	Mess-/Prüfkriterium
t = 0 s	Startanforderung in Bereitschaft	Transportstatus aktiv	Programmzustand wechselt nur bei erfüllten Voraussetzungen
t = 5 s	Übungsteil an der Prüfstelle	Transport anhalten und Merkmal auswerten	I_Teil erkannt, Zuordnung eindeutig
t = 6 s	Teil als fehlerhaft markiert	Ausschleusstatus setzen	Q_Schieber nur in vorgesehener Phase
t = 8 s	Grundstellung wieder gemeldet	Zyklus beenden	Zähler und Zustandswechsel plausibel

Das ist ein beispielhaftes Zeitdiagramm in Tabellenform. Zeichne daraus ein Stufendiagramm oder einen Graphen mit Zeit auf der waagerechten und Signalzustand auf der senkrechten Achse. Achte auf die Trennung zwischen Sollwert, Istwert, Grenzwert und einer nur angenommenen Größe.

Sicherheit, Vorbereitung und Inbetriebnahme

Gefährdungen erkennen und Verantwortlichkeiten klären

Vor Arbeiten sind insbesondere Einzug- und Quetschstellen am Förderer, unerwarteter Wiederanlauf, elektrische Gefährdungen, gespeicherte Druckenergie, Lärm, Stolperstellen sowie ergonomische Belastungen zu betrachten. Nach § 3 Betriebssicherheitsverordnung führt der Arbeitgeber vor der Verwendung eine Gefährdungsbeurteilung durch; § 4 fordert geeignete Schutzmaßnahmen. § 14 betrifft erforderliche Prüfungen durch dafür befähigte Personen. Welche Prüfungen und Fristen im Einzelfall gelten, entscheidet sich aus Anlage, Montagebedingungen und Gefährdungsbeurteilung. CE-Kennzeichnung ersetzt nicht die betriebliche Gefährdungsbeurteilung.

Schutzmaßnahmen folgen dem technischen, organisatorischen und persönlichen Schutzprinzip. Trennende Schutzeinrichtungen, Verriegelungen, sichere Abschaltungen und passende Zugänge werden aus der Risikobeurteilung abgeleitet. Ein Not-Halt ist eine ergänzende Maßnahme und ersetzt weder trennende Schutzvorrichtungen noch die sichere Energiebeherrschung bei Instandhaltung. Das Entriegeln eines Not-Halts darf nicht allein einen gefährlichen automatischen Neustart auslösen. Die normativen Konzepte etwa aus DIN EN ISO 12100 (Risikobeurteilung), DIN EN ISO 13849-1 (sicherheitsbezogene Steuerungsteile) und DIN EN 60204-1 (elektrische Ausrüstung) sind anhand der jeweils gültigen Fassungen und konkreten Anwendungsbedingungen durch Fachkundige zu prüfen; hier werden keine geschützten Normtexte übernommen.

Beispiel eines Not-Halt-Betätigers; Einbau und Funktion sind anlagenspezifisch zu beurteilen.

Für die Störungsbeseitigung zeigt die DGUV-Fachbereichsveröffentlichung FBHM-127 (2022) erhöhte Unfallrisiken und das Erfordernis geplanter Abläufe; die DGUV Information 209-015, Ausgabe 06/2026 behandelt Planung, Durchführung und Nachbereitung der Instandhaltung einschließlich Restenergien. Herstellerhandbücher, aktuelle Unterweisungen, örtliche Betriebsanweisungen und gegebenenfalls Freigabescheine sind maßgeblich. Keine Schutzeinrichtung überbrücken; keine elektrische Verdrahtung, Druckentlastung oder Eingriffe in bewegte Anlagen in Eigenregie. Nur befugtes Fachpersonal darf dies nach vorgegebenem Sicherungsverfahren erledigen. Im Unterricht ersetzt ein Bildschirmtest mit simulierten Eingängen jedes gefährliche Experiment.

Sichere Inbetriebnahme als geregelter Prozess

Eine Inbetriebnahme ist kein „Startknopf-Test“. Sie umfasst Auftrag und Dokumentenversion, Gefährdungsbeurteilung und Zuständigkeiten, Sicht- und Plausibilitätsprüfung, Abgleich der E/A-Liste, funktionale Modelltests, anlagenspezifisch vorgeschriebene Schutzfunktionsprüfung durch Befugte, kontrollierten Probebetrieb, dokumentierte Abnahme und Übergabe. Für eine reale Anlage sind Art, Reihenfolge und Abbruchkriterien dem freigegebenen Hersteller- und Betriebsverfahren zu entnehmen.

Phase	Sicherer Lernauftrag	Nachweis
Dokumentenprüfung	Anforderung, Schema und E/A-Liste vergleichen	Abweichungsliste mit Versionsstand
Modellvorbereitung	Virtuelle Sensor-, Aktor- und Störsignale definieren	Signalzuordnung ohne reale Energie
Programmprüfung	Übergänge und Verriegelungsbedingungen simulieren	Zustands-/Testprotokoll
Sicherheitsbewertung	Erforderliche Prüfungen und befugte Rollen benennen	Freigabematrix, keine eigenmächtige Prüfung
Probelauf und Abnahme	Gut-, Fehler- und Wiederanlaufszenarien im Modell testen	Messwerte, Soll-Ist-Vergleich, Unterschriftsfeld einer fiktiven Rolle

Datenschutz und IT-Sicherheit: Nutze ausschließlich erfundene Auftragsnummern, pseudonyme Übungsprotokolle und das Prinzip minimal erforderlicher Daten. Lade keine Betriebsgeheimnisse, Maschinenprogramme, Netzwerkkonfigurationen oder personenbezogenen Datensätze auf öffentliche Plattformen. Änderungen an Anlagensteuerungen erfolgen nur über autorisierte, dokumentierte Betriebsabläufe mit Versionskontrolle; Ausbildungsmodelle verwenden getrennte Testumgebungen.

Betrieb überwachen, Störungen eingrenzen und verbessern

Beobachten und beurteilen

Ein Bedien- und Beobachtungssystem (HMI) kann Betriebsart, Station, Taktzeit, Stückzahl, Störmeldungen und Grenzen zeigen. Vergleiche Soll und Ist und dokumentiere Zeitpunkt, Signal und Maßnahme. Störung heißt, dass eine geforderte Funktion beeinträchtigt ist; die sichtbare Meldung ist zunächst ein Symptom und noch keine nachgewiesene Ursache. Mögliche Ursachen sind verschmutzte Sensorik, falsche Einstellungen, Werkstücklage, fehlende Grundstellung, Versorgungsprobleme oder ungeeignete Ablaufbedingungen. Setze niemals einen Grenzwert hoch oder deaktiviere einen Schutzkreis, um einen Alarm zu „beseitigen“.

Sichere Fehlereingrenzung am Simulator: Zuerst den modellierten Prozesszustand festhalten, dann Soll-Signale mit der E/A-Tabelle vergleichen, die Abweichung einer Prozessphase zuordnen, mögliche Ursachen als Hypothesen notieren, genau eine virtuelle Variable ändern, erneut testen und den Befund protokollieren. An realen Anlagen zunächst den sicheren Zustand veranlassen, die Störung melden und die weitere Diagnose befugten Personen überlassen.

Ursachen, Qualität und Ressourcen

Ein Fehlerprotokoll trennt Beobachtung – vermutete Ursache – überprüfter Befund – zuständige Maßnahme – Wirksamkeitskontrolle. Typische Fälle: Ein induktiver Sensor erkennt Kunststoff nicht (falsches Messprinzip); ein verschobenes Teil trifft die Abtastzone nicht; eine fehlende Grundstellung blockiert den nächsten Schritt; ein falsch interpretierter Diagnoseeintrag erzeugt einen unnötigen Eingriff. Vermeide vorschnelle „Lösungen“, wenn mehrere Ursachen möglich sind.

Die Qualitätskennzahl Gutteilquote ist Gutteile geteilt durch alle geprüften Teile, mit klar dokumentierter Zählregel. Vermeide verwechselte Bezugsgrößen; 18 korrekte Gutteile unter 20 Werkstücken sind 90 Prozent Gutteilanteil, nicht 90 Prozent korrekte Sortierung. Werden zwei bewusst fehlerhafte Teile richtig ausgeschleust und 18 richtige Teile durchgelassen, ist die Sortiergenauigkeit 20/20 = 100 Prozent. Zusätzlich zählen sichere Wiederanlaufbedingungen, reproduzierbare Taktzeit, geringen Ausschuss und Material- und Energieeffizienz.

Nachhaltigkeit bedeutet bedarfsgerechte Laufzeiten, Luftleckagen früh melden, Werkstücke schonend handhaben, unnötige Probeläufe vermeiden und Fehlteile sortenrein wiederverwenden oder passend entsorgen. Digital erfasste Testwerte helfen bei Trends; speichere nur erforderliche Daten mit Zugriffsrechten und Löschkonzept. Die Bewertung einer Optimierung muss immer Sicherheit, Qualität, Energie und Zeit gemeinsam abwägen.

Praxisfall: Eine Montage-Transportstation abnehmen

Ausgangslage und eindeutige Anforderungen

Vollständig fiktiver Arbeitsauftrag M-07: Eine Schulungsstation transportiert 20 gekennzeichnete Kunststoffmodelle über ein virtuelles Band. 18 sind „in Ordnung“, zwei tragen das Merkmal „fehlerhaft“. Nach einer simulierten Lichtschranke entscheidet eine Ablaufsteuerung über Weitertransport oder virtuelle Ausschleusung. Gefordert sind richtige Zuordnung aller Teile, definierter Rücksprung in die Bereitschaft, plausibler Durchsatz, zwei kontrollierte Störungsfälle und vollständiges Prüfprotokoll. Es gibt keine reale angeschlossene SPS, keine gefährlichen Bewegungen und keine echten Daten. Eine Umsetzung an einer realen Station darf ausschließlich ein dazu autorisiertes Team unter der örtlichen Gefährdungsbeurteilung ausführen.

Materialfluss: Aufgabeplatz → simuliertes Förderband → Lichtschranke/Qualitätsmerkmal → Gutteilziel oder Ausschleusziel. Informationsfluss: virtuelle Start-, Sensor-, Merkmals- und Grundstellungssignale → SPS-Simulation → virtuelle Band-/Schiebersignale → Protokoll. Energiefluss in der späteren realen Technik: elektrische Antriebsleistung und gegebenenfalls pneumatische Hubarbeit; im Kurs lediglich rechnerisch modelliert.

Arbeitsplan mit Zuständigkeiten und Abbruchbedingungen

Schritt	Geplante Tätigkeit	Zuständig im Lernteam	Prüfbares Zwischenprodukt
A	Auftrag und Qualitätsmerkmale auf 20 Modellteile übertragen	Auftragsanalyse	Anforderungsliste und Stückliste
B	Technologieschema, E/A-Zuordnung und Zustandsfolge zeichnen	Steuerungsteam	Versionierter Plan
C	Gefährdungen benennen, reale Arbeiten ausschließen, Simulation auswählen	Sicherheitsrolle	Schutz- und Abbruchmatrix
D	Virtuelle Ablaufsteuerung mit definierten Zuständen aufbauen	Simulationsteam	Getestetes Modell
E	Kennzahlen und Zeitdiagramm berechnen; Gut-/Fehlerfälle simulieren	Prüfteams	Testtabelle mit Soll und Ist
F	Fehlerbefunde, ökologische Verbesserung und Ergebnis im Team bewerten	Dokumentation	Freigabeempfehlung und Kurzpräsentation

Zustandsmodell: BEREIT, TRANSPORT, PRÜFEN, AUSSCHLEUSEN, RÜCKSTELLEN, STÖRUNG. In BEREIT akzeptiert das Modell den Start nur, wenn seine virtuellen Voraussetzungen erfüllt sind. In TRANSPORT wird der Teil-Sensor erwartet. Bei PRÜFEN entscheidet das Qualitätsmerkmal. Ein fehlerhaft markiertes Teil geht nach AUSSCHLEUSEN, dann RÜCKSTELLEN; ein Gutteil geht zum Gutteilziel. Bleibt die simulierte Grundstellung aus oder wird eine Störung gemeldet, wird STÖRUNG gespeichert; der weitere Ablauf stoppt. Eine Quittierung allein startet nicht neu; es braucht eine getrennte neue Startanforderung. Ein solcher Standard-SPS-Ablauf ist kein Ersatz für eine normgerecht ausgeführte Sicherheitsfunktion.

Durchrechnung und konkrete Prüfergebnisse

Die simulierte Bandstrecke beträgt 0,60 m bei 0,12 m/s; reine Transportzeit also 5 s. Mit Prüfung und Ausschleusfenster ergibt sich eine vollständige Muster-Taktzeit von 8 s. Der idealisierte Durchsatz beträgt 450 Teile/h. Für 20 Teile dauert der störungsfreie Prüflauf rechnerisch 20 · 8 s = 160 s. Bei angenommenem mittleren elektrischen Verbrauch von 60 W fallen dafür 2,67 Wh an. Der zusätzlich durchgerechnete Pneumatikzylinder aus Kapitel 3 könnte bei 5 bar und 25 mm Kolbendurchmesser theoretisch 245,4 N, mit dem vereinfachten Nutzfaktor etwa 196 N bereitstellen; die reale Dimensionierung ist nicht Gegenstand dieses Modelltests.

Fiktives Testprotokoll (Soll und Ist bewusst identisch angelegt):

Test	Soll	Beobachtetes Ist im Beispiel	Beurteilung
18 Gutteile	Alle erreichen Gutteilziel	18 korrekt durchgelassen	erfüllt
2 markierte Fehlerteile	Beide werden virtuell ausgeschleust	2 korrekt ausgeschleust	erfüllt
Eingespeister Fehler „Grundstellung fehlt“	Ablauf stoppt, Meldung erscheint	Modell wechselt nach STÖRUNG	erfüllt
Eingespeister Fehler „Teil-Signal bleibt aus“	Kein blindes Fortsetzen	Modell meldet Zeitüberschreitung	erfüllt
Quittierung ohne neuen Start	Kein automatischer Wiederanlauf	Modell bleibt in Bereitschaft	erfüllt
20 reguläre Zyklen	160 s Modellzeit	160 s simulierte Zeit	erfüllt

Prüfbares Arbeitsergebnis: Arbeitsplan, beschriftetes Technologieschema, E/A-Liste, Zustandsdiagramm, Berechnungen mit Einheiten, vollständig ausgefülltes Prüfprotokoll, Fehleranalyse, Vorschlag zur Energie- und Materialeinsparung sowie eine kurze Teamübergabe. Für eigene Versuche ersetze die fiktiven Istwerte durch deine im Simulator tatsächlich gemessenen Werte; kennzeichne Abweichungen statt das Muster zu kopieren.

Bewertungsraster für den beruflichen Handlungsauftrag

Kompetenzbereich	Maximalpunkte	Nachweis für volle Punktzahl
Auftrag analysieren und planen	15	Anforderungen, Zuständigkeiten, technische Dokumente vollständig und konsistent
Sicherheits- und Verantwortungsbewusstsein	20	Gefahren erkannt, ausschließlich sichere Simulation bzw. befugte Realprüfung vorgesehen
Signale, Funktionen und Ablauf	20	E/A-Liste, Zustände, Übergänge und Störreaktionen fachlich plausibel
Prozessgrößen berechnen	15	Druck, Kraft, Leistung, Wirkungsgrad und Takt mit Einheiten und nachvollziehbarem Rechenweg
Prüfen und dokumentieren	20	Soll-Ist-Tabelle, mindestens fünf Tests einschließlich Störung, begründete Abnahmeentscheidung
Teamarbeit, Datenschutz und Nachhaltigkeit	10	transparente Übergabe, keine sensiblen Daten, wirksame Ressourcenidee
Gesamt	100	80–100: sehr sicherer Lernnachweis; 60–79: teilweise erfüllt; darunter: gezielt überarbeiten. Sicherheitsmängel verhindern eine Realfreigabe unabhängig von der Punktzahl.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Prüfe dein Wissen

Welche Unterlage zeigt besonders anschaulich die Stationen und den Verlauf des Werkstücks? (Technologieschema) (!Leistungsaufnahmeprotokoll) (!Urlaubsübersicht) (!Schmierstofflagerliste)

Welcher Sensor ist für die berührungslose Erkennung eines geeigneten metallischen Werkstücks typisch? (Induktiver Näherungssensor) (!Reiner Temperatursensor) (!Schalldruckpegelmesser) (!Durchflussmesser für Druckluft)

Was ist eine typische Aufgabe der SPS in der Anlage? (Eingänge nach einem Programm auswerten und Ausgänge ansteuern) (!Alle mechanischen Schutzvorrichtungen ersetzen) (!Ohne elektrische Versorgung Druckluft erzeugen) (!Ausschließlich Papierdokumente verwalten)

Woran erkennst du eine echte Drehzahlregelung? (Die gemessene Drehzahl wird mit einem Sollwert verglichen und nachgeregelt) (!Der Motor wird nur einmal zeitgesteuert eingeschaltet) (!Ein Schalter ersetzt den Messwert) (!Die Fördergeschwindigkeit ist niemals messbar)

Welcher Druck in Pascal entspricht fünf bar? (500000 Pascal) (!500 Pascal) (!5000 Pascal) (!5000000 Pascal)

Wie groß ist die theoretische Kolbenkraft bei fünf bar und 25 Millimeter Kolbendurchmesser ungefähr? (245 Newton) (!25 Newton) (!49 Newton) (!4900 Newton)

Wie hoch ist der Wirkungsgrad bei 42 Watt Nutzleistung und 60 Watt Zufuhrleistung? (70 Prozent) (!42 Prozent) (!100 Prozent) (!143 Prozent)

Was ist nach dem Entriegeln eines Not-Halts grundsätzlich zu beachten? (Allein das Entriegeln darf keinen gefährlichen automatischen Wiederanlauf auslösen) (!Die Maschine muss immer sofort ohne weitere Handlung starten) (!Eine Schutztür ist danach unnötig) (!Die Risikobeurteilung kann entfallen)

Welcher erste Schritt ist bei einer unklaren Störung an einer realen Anlage angemessen? (Sicheren Zustand veranlassen und die Störung zuständig melden) (!Sensorbrücke einbauen und weiterfahren) (!Schutzeinrichtung entfernen und hineinreichen) (!Alle Fehlerprotokolle ungeprüft löschen)

Wie groß ist der theoretische Durchsatz bei acht Sekunden pro vollständigem Zyklus? (450 Teile je Stunde) (!80 Teile je Stunde) (!360 Teile je Stunde) (!800 Teile je Stunde)

Memory: Fachbegriff und Funktion

Technologieschema	Zeigt Materialfluss und Stationen
Lichtschranke	Erkennt je nach Ausführung ein unterbrochenes optisches Signal
SPS	Verarbeitet Eingangssignale nach einem Programm
Magnetventil	Schaltet den Strömungsweg eines Druckmediums
Aktor	Wandelt ein Steuersignal in eine physische Wirkung
Sollwert	Vorgegebener Zielwert einer Größe

Drag-and-drop: Prüfschritte zuordnen

Passende Begriffe zuordnen	Richtige Beschreibung
Auftrag klären	Anforderungen und Abnahmekriterien erfassen
Signale zuordnen	Sensoren und Aktoren mit der E/A-Liste abgleichen
Simulation prüfen	Gutteilfall, Fehlerfall und Zustandswechsel virtuell testen
Messwerte bewerten	Soll und Ist einschließlich Einheiten gegenüberstellen
Ergebnis übergeben	Prüfnachweise, Abweichungen und Verantwortlichkeiten dokumentieren

Kreuzwort: Automatisierungssprache

Sensor	Bauteil zum Erfassen einer physikalischen Größe
Aktor	Bauteil zum Ausführen einer angesteuerten Wirkung
Ventil	Bauteil zum Lenken oder Sperren eines Fluidstroms
Zylinder	Linear arbeitender pneumatischer Antrieb
Wirkungsgrad	Verhältnis von nutzbarer zu zugeführter Leistung
Schaltplan	Zeichnerische Darstellung technischer Verbindungen

LearningApps: Weiterführende Übungen

Suche ergänzende Zuordnungs- und Lernspiele zur Automatisierungstechnik. Prüfe externe Treffer auf fachliche Richtigkeit und Nutzungsrechte; die Suchseite selbst ist kein nachgewiesener einzelner Übungstitel.

Lückentext: Eine Anlage verstehen

Vervollständige die zentralen Aussagen.

Ein technisches Bild des Materialflusses heißt .

Eine berührungslose Eingabeeinheit wird häufig als bezeichnet.

Die programmierbare Verarbeitungseinheit heißt kurz .

Ein Stellglied mit physischer Wirkung heißt .

Druck ist Kraft je .

Die elektrische Leistung bei Gleichstrom ergibt sich aus Spannung mal .

Das Verhältnis von Nutzleistung zu Zufuhrleistung heißt .

Die Gegenüberstellung von Ziel- und Messwert nennt man Soll- -Vergleich.

Bei ungeklärter Gefahr muss die Arbeit in einen sicheren übergehen.

Die schriftliche Festhaltung von Prüfung und Ergebnissen heißt .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Technologieschema: Zeichne eine fiktive Förderstrecke mit Aufgabeplatz, Sensor, Prüfstation und zwei Ausgängen; beschrifte Stofffluss und Informationsfluss.
2. Sensor: Vergleiche induktive Erkennung und Lichtschranke bei Metall- und Kunststoffmodellen; dokumentiere die Auswahl in einer Tabelle.
3. Schaltplan: Erstelle aus dem Lehrbeispiel eine E/A-Liste mit vier Eingangs- und zwei Ausgangssignalen; erkläre jedes Zeichen in eigenen Worten.
4. Arbeitssicherheit: Gestalte ein Poster mit fünf Gefahren einer Förderanlage und einer jeweils sicheren Simulationsalternative.

Standard

1. Ablaufsteuerung: Entwirf ein Weg-Schritt-Diagramm mit BEREIT, TRANSPORT, PRÜFEN und RÜCKSTELLEN; teste zwei Fehlerfälle am Bildschirm.
2. Pneumatik: Rechne die theoretische Kraft eines Zylinders für zwei vorgegebene Drücke aus und zeichne einen Kraft-Druck-Graphen; keine Versuche an Druckleitungen.
3. Wirkungsgrad: Vergleiche zwei fiktive Motorvarianten anhand von Eingangsleistung, Nutzleistung und Wirkungsgrad einschließlich Einheiten und Grenzen deiner Annahmen.
4. Qualitätssicherung: Erstelle ein Prüfprotokoll für 20 synthetische Teile einschließlich Sollwert, Istwert, Fehlermeldung und Wiederholungsprüfung.

Schwer

1. Speicherprogrammierbare Steuerung: Entwickle eine vollständige virtuelle Zustandsmaschine mit Fehlerzustand, separater Quittierung und eigenständiger Startanforderung; begründe die Grenzen gegenüber realen Sicherheitsfunktionen.
2. Fehleranalyse: Simuliere drei nacheinander auftretende Störungen, unterscheide Symptom und Ursache und verteidige deine Diagnose anhand protokollierter Signale.
3. Energieeffizienz: Untersuche rechnerisch Taktzeit, Standby-Leistung und hypothetische Druckluftleckagen; stelle Maßnahmen nach Energieeinsparung und Sicherheitswirkung geordnet vor.
4. Projektmanagement: Organisiere eine virtuelle Abnahme im Viererteam und erstelle ein kommentiertes Erklärvideo ohne reale Personen- oder Betriebsdaten samt Versionierung und Bewertungsbogen.

Lernkontrolle

1. Arbeitsauftrag: Begründe anhand eines eigenen Musterauftrags, welche Anforderungen vor dem Test feststehen müssen und wie du sie messbar machst.
2. Steuerungstechnik: Analysiere eine E/A-Zuordnung und erkläre den Unterschied zwischen Ablaufsteuerung, Regelung und Überwachung mit je einem berufstypischen Beispiel.
3. Druck: Berechne für einen Zylinder den Zusammenhang aus Durchmesser, Fläche und Kraft; erläutere, warum der theoretische Wert nicht automatisch für eine reale Auswahl genügt.
4. Maschinensicherheit: Bewerte den Vorschlag, wegen häufigen Stopps einen Türkontakt zu überbrücken, und entwirf ein sicheres Vorgehen mit Zuständigkeiten.
5. Fehlersuche: Ordne einer ausbleibenden Werkstückmeldung mindestens drei plausible Ursachen zu und formuliere eine überprüfbare, ausschließlich simulierte Diagnose.
6. Produktionskennzahl: Ermittele Durchsatz, Gutteilquote und Sortiergenauigkeit einer fiktiven Stichprobe; erläutere die unterschiedlichen Bezugsgrößen.
7. Dokumentation: Stelle eine fachliche Übergabe mit Soll-Ist-Vergleich, Fehlerprotokoll, nachhaltigem Verbesserungsvorschlag und klarer Abnahmeempfehlung zusammen.

Bei jeder Lernkontrolle erhältst du fachliche Rückmeldung anhand der Kriterien begründete Entscheidung, korrekte Fachbegriffe, nachvollziehbarer Rechenweg, Sicherheitsbewusstsein und prüfbare Dokumentation. Eine bloße Zahl oder unkommentierter Screenshot reicht nicht.

Lernnachweis

Abgabe als Portfolio: (1) ausgefüllte Anforderungsliste, (2) Versionsstand und beschriftetes Technologieschema, (3) E/A-Liste und Zustandsdiagramm, (4) drei vollständige Berechnungen mit Einheiten, (5) Testprotokoll für 20 simulierte Teile sowie mindestens zwei Störungen, (6) Fehlerursachenbewertung, (7) Gefährdungs- und Verantwortlichkeitsübersicht, (8) Ressourcenverbesserung und Kurzpräsentation. Verwende ausdrücklich fiktive Bezeichnungen und keinerlei echte Schüler-, Kunden- oder Betriebsdaten.

Abnahme: Nutze das 100-Punkte-Raster aus dem Praxisfall; dokumentiere Punkte und Verbesserungsvorschläge für jedes Kriterium. Unter 60 Punkten soll der Entwurf fachlich überarbeitet werden. Unabhängig von jeder Punktzahl darf das Portfolio niemals als technische Realfreigabe gelten; fehlende Schutzmaßnahmen sind vor jeder echten Inbetriebnahme durch die verantwortlichen Befugten zu klären. Du kannst deinen Lernfortschritt an der Qualität von Arbeitsplan, nachprüfbarer Simulation, Berechnung und eigenständig begründetem Urteil zeigen.

OER und Wikipedia

Verifizierte fachliche Quellen und Rechtsgrundlagen (abgerufen Oktober 2026):

• KMK: Rahmenlehrplan Fachkraft für Metalltechnik, Seite 20, Lernfeld 7, Montagetechnik, 60 Stunden.
• BIBB: Fachkraft für Metalltechnik, Fachrichtung Montagetechnik, Berufsprofil und Ausbildungsordnung vom 02.04.2013.
• Sächsischer Lehrplan: Lernfeld 7 M, Lernsituationen Transport- und Produktionsanlage als landesspezifisches Umsetzungsbeispiel, nicht als bundeseinheitlicher Zusatz.
• BetrSichV § 3, § 4 und § 14 in der abgerufenen geltenden Fassung (zuletzt geändert im Dezember 2025).
• DGUV Information 209-015, Ausgabe 06/2026: Instandhaltung an Maschinen und Anlagen.
• DGUV FBHM-127: Sichere Störungsbeseitigung an Maschinen und Anlagen, 2022.
• DGUV FBHM-059: Schutz an automatisierten Fertigungsanlagen und Fördertechnik, 2021; fachliche Hinweise gelten nur innerhalb ihres dokumentierten Anwendungsbereichs.
• Hochschule Mannheim: SPS-Lern- und Übungsseite mit Videos und Beispielen.
• Wikipedia: Speicherprogrammierbare Steuerung, Wikipedia: Pneumatik; freie Artikel dienen zum Begriffslernen, nicht als Ersatz amtlicher und herstellerspezifischer Dokumente.

Wikimedia-Commons-Mediennachweise: Datei, geprüfte Originalseite, Urheber, dort genannte Lizenz. Die Dateien werden nur im unveränderten Zustand eingebunden; Bearbeitungen erfordern erneute Lizenzprüfung.

Videonachweise: SPS-Aufbau, verlinkt durch Prof. Matthias Seitz, Hochschule Mannheim; Induktiver Sensor – einfach & schnell erklärt, Schnell&Einfach; Webinar Grundlagenschulung der Pneumatik – Modul 1, Landefeld. Die Video-URLs wurden anhand auffindbarer Videoeinträge beziehungsweise der Hochschul-Quellseite überprüft; direkte YouTube-Abrufe waren im Recherchewerkzeug teilweise eingeschränkt. Die Verfügbarkeit der Einbettung kann sich ändern. Die fremden Videos stehen nicht automatisch unter einer offenen Lizenz. Für eigene OER-Produkte nutze ausschließlich eigene oder nachweislich passend lizenzierte Materialien.

Wikipedia-Begleitartikel auf Deutsch:

Verknüpfte Lernbereiche

Automatisierungstechnik Speicherprogrammierbare Steuerung Sensor Aktor Regelungstechnik Pneumatik Hydraulik Maschinensicherheit Qualitätssicherung Energieeffizienz Technische Dokumentation

Fachübergreifende Verknüpfungen: Mathematik (Fläche, Prozentrechnung, Diagramme), Physik (Kraft, Energie und Druck), Informatik (Algorithmus und Zustandsmodell), Deutsch/Kommunikation (Prüfprotokoll und Teamübergabe), Ethik/Politik (Arbeitsschutz und Datenschutz), Bildung für nachhaltige Entwicklung (Material- und Energieverbrauch). Naheliegende Folgethemen sind Lernfeld 6 (Montieren und Demontieren) und Lernfeld 8 der Montagetechnik (Betriebsbereitschaft gewährleisten); dies sind Querverbindungen, keine zusätzlichen Pflichtkapitel dieses LF-7-Kurses.

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Projektidee: Ein Team entwickelt für den sicheren Simulationsraum eine digitale, vollständig dokumentierte Montage-Transportstation und präsentiert einem zweiten Team eine nachvollziehbare Abnahme. Vorlagen und Projektergebnisse werden nur mit frei nutzbaren Übungsdaten geteilt.

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