aiMOOC

Steuerungen und Regelungen analysieren und realisieren - Elektroniker Maschinen und Antriebstechnik - LF 3

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Einleitung

Eine Antriebsanlage soll auf einen Tastendruck reagieren, bei einer Störung zuverlässig anhalten und eine Temperatur innerhalb eines gewünschten Bereichs halten. Dafür musst du Informationen aus dem Auftrag und den Geräteunterlagen auswerten, Signale verstehen, die richtige Steuerungs- oder Regelungsart auswählen, eine Lösung am Modell erproben, Messwerte beurteilen und deine Entscheidungen nachvollziehbar dokumentieren.

Dieser vollständige aiMOOC richtet sich an Auszubildende im ersten Ausbildungsjahr des Berufs Elektroniker für Maschinen und Antriebstechnik. Er erschließt das KMK-Lernfeld 3 (Zeitrichtwert 80 Unterrichtsstunden), ersetzt jedoch weder Unterweisung noch betrieblichen Ausbildungsplan, geltenden Landeslehrplan oder die Vorgaben der zuständigen HWK bzw. IHK. Praktische Arbeiten an elektrischen Anlagen und bewegten Antrieben erfolgen ausschließlich nach Gefährdungsbeurteilung und unter berechtigter fachlicher Aufsicht. Alle Auftrags- und Messdaten hier sind erfundene Übungsdaten.

Dein Kompetenzziel: Du kannst einen berufstypischen Auftrag analysieren, Anforderungen in ein Blockschaltbild und eine Funktionsbeschreibung übertragen, Sensoren, Aktoren und Verknüpfungen unterscheiden, eine Steuerung oder Regelung für ein sicheres Übungsmodell begründet wählen, prüfen, dokumentieren und Verbesserungen reflektieren. Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan vom 18.12.2020, Seite 12 und BIBB-Berufsprofil.

Bildorientierung: Offene Wirkungskette und geschlossener Rückführkreis. Englische Beschriftungen können mit open loop (ohne Rückführung) und closed loop (mit Rückführung) übersetzt werden. Bildnachweis und Lizenz stehen im OER-Abschnitt.

Kundenauftrag analysieren und Signale darstellen

Anforderungen und Informationsquellen

Ein Kundenauftrag beschreibt eine gewünschte Funktion, nicht automatisch die fertige Schaltung. Kläre zuerst: Was soll wann passieren? Welche Start- und Stoppbedingungen gelten? Welche Messgröße wird benötigt? Welche Störungen sind zu berücksichtigen? Wie lässt sich die Funktion nachweisen? Welche Risiken, Betriebsgrenzen und Schnittstellen bestehen? Notiere überprüfbare Akzeptanzkriterien, bevor du Bauteile auswählst.

Ein beispielhaftes Lastenheft fordert: „Ein gekapselter Modelllüfter soll eine Kammer bei steigender Temperatur kühlen; Start und Stopp eines separaten Signalantriebs müssen beobachtbar sein.“ Die Realisierung kann im Simulator oder mit einer galvanisch getrennten, strombegrenzten 24-V-DC-Lernanlage erfolgen. Die Freigabe durch die ausbildende Elektrofachkraft ist Voraussetzung. Eine Prozessfreigabe oder einfacher Endschalter ersetzt keine sicherheitsgerichtete Schutzeinrichtung.

Nutze Schaltpläne, Funktions- und Anschlussbeschreibungen, Datenblätter, Kennlinien, Herstellerfreigaben und Änderungsstände. Ein englisches Datenblatt kann beispielsweise rated voltage (Bemessungsspannung), input current (Eingangsstrom), normally closed (Öffner) oder switching distance (Schaltabstand) nennen. Prüfe Einheiten und Bedingungen; übersetze Fachbegriffe nicht nur wörtlich.

Blockschaltbild, EVA-Prinzip und Wirkungskette

Nach dem EVA-Prinzip gelangen Eingangsinformationen in die Verarbeitung; daraus entstehen Ausgangssignale. Am Modell: Temperatursensor → Signalaufbereitung bzw. Regler → Treiber → Lüfter. Für eine einfache Start-Stopp-Steuerung: Starttaster und Stopptaster → Logik/Speicher → Relais bzw. Signallampe. Ein Blockschaltbild zeigt Funktionen und Signalrichtungen, keinen detaillierten Verdrahtungsplan. Die Wirkungskette ergänzt die physikalische Wirkung auf den Prozess.

Unterscheide Sensor (erfasst physikalische Größe), Aktor (setzt ein Steuersignal in eine Wirkung um), Steuergerät (wertet Eingänge aus), Schnittstelle (vereinbart Signal- und Anschlussbedingungen) und Rückmeldung (liefert den aktuellen Prozesszustand). Signale können binär (0 oder 1) oder analog (zum Beispiel 0 bis 10 V für eine Messspanne) sein. Achte auf gemeinsame Bezugspotenziale nur nach der vom Hersteller zugelassenen Verschaltung sowie auf die Verträglichkeit von Ein- und Ausgängen.

Abbildung: Beispiel eines induktiven Näherungssensors. Er erkennt geeignete metallische Objekte ohne Berührung; Reichweite, PNP/NPN-Ausgang, Betriebsspannung und Schutzart musst du dem jeweiligen Datenblatt entnehmen. Bildnachweis im OER-Abschnitt.

Systematisch von Anforderungen zu Prüfkriterien

Lege eine nachvollziehbare Zuordnung an: Anforderung – Eingangssignal – Verarbeitung – Ausgangssignal – erwartete Reaktion – Prüfmethode. Beispiel: „Nach Stopptastendruck keine Ansteuerung“ → Eingang Stop = unterbrochen → gespeicherter Startzustand wird unwirksam → Ausgang = 0 → Signallampe aus → Simulation mit Zustandsanzeige. Behandle Leitungsunterbrechung, Versorgungsausfall und unplausible Sensorwerte als eigene Prüffälle. Leite weder aus dem Vorhandensein einer Taste noch aus einer blinkenden Leuchte automatisch eine normgerechte Sicherheitsfunktion ab.

Logische Steuerungen und Speicherfunktionen entwerfen

UND, ODER und NICHT mit Wahrheitstabellen

Bei einer UND-Verknüpfung wird der Ausgang nur 1, wenn alle geforderten Eingänge 1 sind. Bei ODER genügt mindestens eine wahre Eingabe. NICHT kehrt einen binären Wert um. Im Modell seien A = Freigabe liegt vor und B = Startanforderung liegt vor. Dann führt A UND B nur bei A = 1 und B = 1 zum aktiven Ausgang. Eine Wahrheitstabelle deckt systematisch die vier Kombinationen auf.

A	B	A UND B	A ODER B
0	0	0	0
0	1	0	1
1	0	0	1
1	1	1	1

Abbildung: Gebräuchliche Symbole für logische UND-, ODER- und NICHT-Funktionen; die Symbolfamilie im Plan und die Legende müssen zusammenpassen.

Selbsthaltung und Stoppvorrang

Eine Speicherfunktion hält einen Zustand über den kurzen Tastendruck hinaus. In einer modellhaften Selbsthaltung ist die Startanforderung parallel zur Rückmeldung des eingeschalteten Ausgangs wirksam. Die Betriebsfreigabe und der Stoppeingang begrenzen den Zustand. Beispiel in logischer Schreibweise:

Q_neu = Freigabe UND StopOK UND StörungFrei UND (Start ODER Q_alt).

Q_alt ist der gespeicherte Ausgangszustand, StopOK ist 1 bei intaktem, nicht betätigtem Öffnerkontakt. Setze Q_alt nach dem Einschalten der Lernsteuerung auf 0. Wenn StopOK = 0 ist, muss Q_neu unabhängig vom Startsignal 0 werden. Ein gleichzeitiger Start-/Stoppbefehl darf keinen unerwarteten Neustart auslösen. Diese vereinfachte Prozesslogik ist keine Sicherheits-SPS und darf nicht als Nachweis eines Not-Halt-Systems gelten.

Typische Fehler: Öffner und Schließer vertauschen, Selbsthaltung ohne Stoppvorrang, gespeicherten Ausgang nach Netzwiederkehr ungewollt reaktivieren, Relaiskontakt mit Spulenkontakt verwechseln, fehlende Auswertung von Leitungsbruch oder verschweißtem Kontakt. Bei echter Maschine müssen geeignete Schutz- und Sicherheitsfunktionen gesondert bewertet und fachgerecht umgesetzt werden.

Abbildung: Beispiel für einen Kontaktplan (englisch ladder diagram). Links und rechts werden logische Versorgungsbahnen symbolisch dargestellt; das Bild ersetzt keinen anlagenspezifischen Schaltplan.

Video: „Selbsthaltung – Schützschaltung – einfach und anschaulich erklärt“, #Sogeht by Sven Stemmler (Deutsch, 2019). Nutze die Funktionsdarstellung zum Verstehen, nicht als Freigabe zum Nachbauen an Netzspannung.

Verbindungsprogrammierte und speicherprogrammierbare Steuerung

Eine verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS) realisiert logische Beziehungen überwiegend durch fest verdrahtete Schaltgeräte. Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) verarbeitet Signale mithilfe eines Programms, etwa im Kontaktplan (KOP), in der Funktionsbausteinsprache (FBS) oder im Strukturierten Text (ST). Die DKE beschreibt diese Programmiersprachen im Umfeld von IEC 61131-3. Konkrete Edition und Herstellerimplementierung sind vor einem Projekt zu prüfen: DKE – Entwurf E DIN EN IEC 61131-3:2023-09, ausdrücklich kein verbindlicher Normvolltext.

Vergleich: VPS ist für wenige stabile Funktionen oft anschaulich und leicht ohne Software zu analysieren; Änderungen bedeuten jedoch häufig Umverdrahtung. SPS kann Diagnose, Parameterverwaltung und Erweiterung erleichtern, benötigt aber Softwarepflege, Versionskontrolle, passende Kompetenzen und Cybersecurity. Beide benötigen geeignete Schutzkonzepte. Wähle nicht pauschal „SPS = sicherer“; bewerte Anzahl der Signale, Änderungsbedarf, Kosten über die Nutzungsdauer, Ersatzteilversorgung, Energiebedarf, Schutzanforderungen und Dokumentationsaufwand.

Regelkreise verstehen, messen und einstellen

Steuerung oder Regelung?

Bei einer Steuerung beeinflusst das Eingangssignal die Ausgangsgröße ohne laufenden Soll-Ist-Vergleich der zu steuernden Prozessgröße. Bei einer Regelung wird der Istwert gemessen, dem Sollwert gegenübergestellt und die Stellgröße zur Verringerung der Regelabweichung angepasst. Beispiel: Ein Lüfter läuft nach Zeitschaltplan, unabhängig von der Temperatur (Steuerung). Wird er abhängig von der gemessenen Temperatur zur Einhaltung eines Temperaturbereichs geschaltet, liegt eine Regelung vor.

Im geschlossenen Regelkreis wirken Sollwertgeber, Vergleicher, Regler, Stellglied bzw. Aktor, Regelstrecke und Messglied zusammen. Eine Störgröße wie zusätzliche Abwärme greift in den Prozess ein. Die Regelabweichung kann mit e = w − x beschrieben werden, mit w = Sollwert und x = Istwert. Das Vorzeichen hängt von der gewählten Stellrichtung ab; bei Kühlung bedeutet ein negativer Wert zunächst „zu warm“, die Kühlansteuerung muss deshalb passend ausgelegt sein.

Abbildung: Einfacher negativer Rückführkreis mit englischen Bezeichnungen: reference = Sollwert, controller = Regler, plant = Regelstrecke, feedback = Rückführung.

Video: „Steuerung vs. Regelung“, Studytiger – Physik & E-Technik (Deutsch, 2024). Beim Anschauen zeichnest du die Rückführung nach und benennst die Größen.

Zweipunktregelung und Hysterese

Eine Zweipunktregelung schaltet den Aktor zwischen AUS und EIN. Mit einer Hysterese werden Ein- und Ausschaltgrenze getrennt, damit kleine Messschwankungen nicht zu schnellem Schalten führen. Beim Kühlmodell soll eine Solltemperatur von 30 °C annähernd gehalten werden. Wir wählen die obere Grenze 31 °C zum Einschalten und die untere Grenze 29 °C zum Ausschalten. Zwischen den Grenzen bleibt der bisherige Schaltzustand erhalten. Das ist kein präziser, stetiger 30-°C-Regler, sondern eine bewusst zulässige Schaltbandregelung. Die Grenzen sind hier didaktische Modellwerte, keine Herstellergrenzen für eine reale Maschine.

Eine analoge Übungssonde liefert angenommene 0 bis 10 V für 0 bis 50 °C linear. Die Umrechnung lautet: T = U · 50 °C / 10 V = U · 5 °C/V. Bei 6,4 V ist der Istwert daher 32 °C; bei 5,7 V sind es 28,5 °C. Für den Sollwert 30 °C gehört 6,0 V zur Mitte des Messbereichs; die Schaltschwellen liegen bei 6,2 V und 5,8 V. Die Hysteresebreite beträgt 31 − 29 = 2 °C, entsprechend 0,4 V. Bei gemessenen 32 °C ist e = 30 °C − 32 °C = −2 °C; die Kühlanforderung wird aktiv. Das Vorzeichen allein ersetzt nicht die korrekte Definition der Stellrichtung.

Prüfsequenz: Beginne mit AUS und 28,5 °C. Erhöhe auf 32 °C: EIN. Senke auf 30 °C: EIN bleibt bestehen. Senke auf 28,5 °C: AUS. Nach neuer Initialisierung bei 30 °C: AUS, bis die obere Grenze erstmals erreicht wird. Das Ergebnis darf am Simulator durch Zustands- und Zeitdiagramme überprüft werden.

Zustand vorher	Isttemperatur	Erwarteter Zustand danach	Begründung
AUS	28,5 °C	AUS	Unterhalb der oberen Einschaltgrenze
AUS	32 °C	EIN	Obere Grenze überschritten
EIN	30 °C	EIN	Halten innerhalb der Hysterese
EIN	28,5 °C	AUS	Untere Grenze unterschritten
AUS nach Neustart	30 °C	AUS	Kein automatischer Neustart im Modell

Kennwerte und typische Regelfehler

Ein P-Regler verändert seine Stellgröße proportional zur Abweichung; ein I-Anteil integriert die Abweichung über die Zeit, ein D-Anteil reagiert auf Änderungen. In diesem ersten Lernfeld genügt zunächst, die Wirkungen qualitativ zu erkennen: Zu hohe Verstärkung kann Überschwingen fördern; zu geringe Verstärkung kann langsam wirken; ungünstige Messung oder Verzögerung kann Pendeln erzeugen. Eine tiefergehende Parametrierung von PID-Antriebsregelungen gehört zum weiterführenden Lernen, insbesondere LF 10.

Abbildung zur Vertiefung: Einfluss verschiedener P-Verstärkungen auf eine simulierte Sprungantwort; diese Darstellung ist nicht als Einstellvorgabe für einen realen Antrieb zu verwenden.

Typische Diagnosefehler sind vertauschte Messbereichsgrenzen, falsch interpretierte Einheiten, ungeprüfte Sensorkennlinien, nicht berücksichtigte Verzögerung und zu schmale Hysterese. Prüfe zuerst Rohsignal, Skalierung, Zustandsspeicher, Reglerausgang und Aktorreaktion getrennt. Dokumentiere Annahmen und Messbedingungen.

Komponenten auswählen, sicher erproben und dokumentieren

Technisch und wirtschaftlich begründete Auswahl

Für jeden Sensor, Aktor und jede Steuerung vergleiche: Messbereich, Signalart, Spannung und Strom, Schaltvermögen, Umgebungsbedingungen, Schutzart, EMV, Schnittstellen, Diagnosen, dokumentierte Lebensdauer und Austauschbarkeit. Prüfe die Herstellerdaten zu Anlaufstrom, Spulenbeschaltung bzw. Freilaufpfad, Leitungsführung, Absicherung und maximaler Last. Bei 24-V-DC-Komponenten ist die gemeinsame Spannungsangabe allein kein Beweis der elektrischen Kompatibilität. Für die Modellübung verwende ausschließlich zugelassene, berührungsgeschützte Module mit begrenzter Energie und eine dafür freigegebene Stromversorgung.

Nur zur Strombilanz: Ein fiktiver 24-V-Relaisantrieb benötigt nominell 0,10 A, eine dafür ausgelegte 24-V-Signalleuchte 0,020 A und ein Sensor 0,015 A. Die Summe ist 0,135 A, die stationäre Leistungsaufnahme überschlägig 24 V · 0,135 A = 3,24 W. Eine fiktive 24-V-Versorgung mit 0,50 A Nennstrom hätte stationär 0,365 A rechnerische Reserve. Das ist keine vollständige Auslegung: Einschaltspitzen, Abschaltenergie, Leitungsschutz, Reserven, Wärme, Datenblattangaben und Fehlerszenarien entscheiden über die reale Dimensionierung.

Arbeitsschutz, Normbezug und Abgrenzung

Für elektrische Arbeiten gelten die betriebliche Gefährdungsbeurteilung und die jeweils anwendbaren Vorschriften. DKE zu DIN VDE 0105-100 erläutert die fünf Sicherheitsregeln: Freischalten, gegen Wiedereinschalten sichern, Spannungsfreiheit feststellen, erden und kurzschließen, benachbarte unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschranken. Ob und wie einzelne Schritte in einer konkreten Anlage anzuwenden sind, beurteilt die verantwortliche Elektrofachkraft; die Lernübung erteilt keine Arbeitsfreigabe. DGUV Vorschrift 3 ordnet Errichtung, Änderungen, Instandhaltung und Prüfung unter fachliche Verantwortung ein. DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1):2019-06, DKE-Eintrag betrifft die elektrische Ausrüstung von Maschinen; weitere maschinenspezifische Schutzmaßnahmen sind dadurch nicht automatisch abgedeckt.

Achtung: 24 V machen bewegte Teile, heiße Oberflächen oder gespeicherte Energie nicht ungefährlich. Arbeiten an Netzspannung, in geöffneten Schaltschränken, an echten Schützen für Drehstrommotoren oder an Sicherheitskreisen sind keine Selbstlernexperimente. Im Unterricht sind ein strombegrenztes Lernsystem unter Aufsicht oder ein vollständig spannungsfreier Simulationsaufbau vorzuziehen. Not-Halt, Schutzeinhausungen und sichere Wiederanlaufsperre benötigen eine eigene fachliche Risikobeurteilung und dürfen nicht durch den Unterrichts-Code ersetzt werden.

Inbetriebnahme, Fehlersuche und Qualitätsnachweis

Eine fachlich geführte Prüfung beginnt mit Dokumentenstand, Identifikation der Komponenten, Sichtprüfung, Datenblattabgleich und Prüffreigabe. Anschließend werden im geeigneten Modell Ein- und Ausgangszustände in einer festgelegten Reihenfolge beobachtet, fiktive Störungen im Simulator eingespeist, Signalwerte protokolliert und Einstellungen verglichen. Prüfe insbesondere Stoppriorität, Verhalten beim Spannungsausfall, falsche Sensorskalierung, Leitungsbruchsimulation, Grenzwerte und unerwarteten Wiederanlauf. Bei Auffälligkeiten: Modell stoppen, Ursache analysieren, Änderungen versionieren und Prüfsequenz erneut durchführen.

Ein aussagekräftiges Prüfprotokoll enthält Zweck und Aufbau, Plan-/Softwareversion, Datum, verwendetes anonymes Prüfkennzeichen, Testfall, Eingaben, erwartete Ausgänge, tatsächlich beobachtete Ausgänge, Abweichung, Maßnahme und Freigabevermerk durch die zuständige Fachperson. Messwerte aus der vorliegenden Musterrechnung sind Soll- bzw. Rechenwerte, keine behaupteten realen Messungen.

Digitalisierung, Datenschutz und Nachhaltigkeit

Nutze Simulation und Versionsverwaltung, bevor Hardware verändert wird. Zeichne Blockschaltbild, Logik, Prüftabelle und Parameter digital auf; ermögliche Rückverfolgbarkeit mit Versionsnummern und Änderungsnotizen. Speichere nur notwendige Prozessdaten, verwende synthetische Anlagenkennzeichen und keine echten Kundennamen, Mitarbeiterdaten, Zugangsdaten oder Betriebsgeheimnisse. Externe Cloud-Freigaben und Fernzugriffe benötigen betriebliche Berechtigung und Datenschutzprüfung. Wirtschaftlichkeit umfasst Anschaffung, Wartung, Stillstand, Strombedarf, Austauschbarkeit und Entsorgung. Energie sparen lässt sich unter anderem durch bedarfsabhängige Lüftung, geeignete Komponenten, Vermeiden unnötiger Schaltvorgänge und langlebige, reparierbare Technik; Schutzmaßnahmen haben Vorrang vor Einsparungen.

Vollständig erläuterter Praxisauftrag: Modelllüfter und Start-Stopp-Funktion

Auftrag, Kriterien und technische Entscheidung

Fiktiver Kundenauftrag: Entwickle für einen Ausbildungstisch zwei voneinander getrennte Lehrfunktionen: A) Eine Start-Stopp-Signallampe mit Selbsthaltung und eindeutigem Stoppvorrang. B) Einen simulierten Kühlprozess mit analoger Temperaturmessung und Zweipunktregelung. Beide Funktionen sollen nach Freigabe verständlich vorgeführt, getestet und dokumentiert werden. Real bewegte Lüfter werden durch eine virtuelle Anzeige oder durch ein ausdrücklich freigegebenes gekapseltes Lernmodul ersetzt.

Abnahmekriterien A: Start setzt die Meldung nur bei Freigabe, Stop schaltet sie immer ab, Abschalten und Wiedereinschalten der Lernsteuerung führt nicht zum unbeabsichtigten automatischen Start, ein simuliertes Störsignal schaltet ab. Abnahmekriterien B: Messbereich wird korrekt skaliert, bei mindestens 31 °C geht die Kühlanforderung EIN, bei höchstens 29 °C AUS, dazwischen bleibt der letzte Zustand; nach Simulationsneustart gilt der definierte Grundzustand AUS. Die Angabe „Freigabe“ ist ein betriebliches Prozesssignal, keine zertifizierte Schutzeinrichtung.

Entscheidung: Eine SPS-Simulation eignet sich besonders, weil sie ohne Netzspannung und mechanischen Antrieb Änderungen, Fehlereinspeisung und Zustandsbeobachtung ermöglicht. Eine verdrahtete 24-V-Relaisübung wäre bei fachlicher Aufsicht ebenfalls lehrreich, benötigt aber für jedes konkrete Gerät eine neue dokumentierte Freigabe. Vor- und Nachteile werden im Lernnachweis verglichen.

Arbeitsplan mit Arbeitsergebnissen

Schritt	Tätigkeit	Prüffähiges Zwischenprodukt
Auftrag klären	Funktions- und Sicherheitsanforderungen mit synthetischen Daten trennen	Kriterienliste mit definierten Anfangszuständen
Struktur aufnehmen	EVA- und Blockschaltbilder sowie Signalfluss erstellen	Zwei beschriftete Blockschaltbilder
Planung	Logik, Zustandsübergänge, Hysterese und Signalbelegung entwerfen	Wahrheitstabelle, Ablauf- und I/O-Liste
Auswahl	Zwei Realisierungsvarianten nach Aufwand, Energie, Änderbarkeit und Schutzbedarf bewerten	Begründete Variantenentscheidung
Modell realisieren	SPS- oder Schaltungssimulation aufsetzen, Version vergeben	Ausführbare Simulation ohne reale Netzspannung
Prüfen	Grenzwerte, Start, Stop, Fehler und Neustart nacheinander simulieren	Protokoll mit Soll- und echten Simulations-Istwerten
Auswerten	Abweichungen beheben, Bewertung vornehmen und Ergebnis präsentieren	Freigabefähiger Lernbericht und Reflexion

Signal- und Rechenplan

Signale A: START (Schließer), STOP_OK (Öffnerprinzip, im intakten Zustand logisch 1), FREIGABE, STOERUNGFREI, Q_LAMPE. Beim Programmstart gilt Q_LAMPE = 0. Der logische Entwurf lautet Q_LAMPE_neu = FREIGABE UND STOP_OK UND STOERUNGFREI UND (START ODER Q_LAMPE_alt). Teste alle wichtigen Kombinationen, insbesondere START = 1 und STOP_OK = 0. Eine reale Schaltung verlangt zusätzliche Beurteilung von Schutzfunktionen und Leitungszuständen.

Signale B: U_SENSOR mit 0 bis 10 V entspricht T = 0 bis 50 °C, Q_KUEHL ist binär. Die normierte lineare Umrechnung ist T in °C = 5 · U in V. Daraus folgen:

Bei 6,4 V: 5 · 6,4 = 32 °C → obere Grenze überschritten.
Bei 6,0 V: 5 · 6,0 = 30 °C → im Hystereseband; gespeicherten Zustand behalten.
Bei 5,7 V: 5 · 5,7 = 28,5 °C → untere Grenze unterschritten.
Bei 31 °C: U = 31 / 5 = 6,2 V; bei 29 °C: U = 29 / 5 = 5,8 V.

Logik B als Funktionsbeschreibung: Wenn T mindestens 31 °C beträgt, setze Q_KUEHL = EIN. Sonst, wenn T höchstens 29 °C beträgt, setze Q_KUEHL = AUS. Sonst erhalte Q_KUEHL. Nach Neustart initialisiere Q_KUEHL mit AUS. Bei einem simulierten Sensorfehler gehe in einen dokumentierten sicheren Modellzustand, melde die Störung und untersage die Weitergabe als reale Maschinensteuerung. Für reale Kühlanlagen ist der sichere Zustand risikobasiert zu bestimmen und keineswegs immer AUS.

Prüfplan, dokumentiertes Musterergebnis und Bewertung

Die nachfolgende Tabelle ist ein vorbereitetes Erwartungsprotokoll. Die Spalte „Ist bei deiner Simulation“ bleibt bis zur eigenen Prüfung leer; trage keine erfundenen Messungen ein.

Fall	Eingabe oder Vorbedingung	Erwartetes Ergebnis	Ist bei deiner Simulation
A1	Freigabe 1; STOP_OK 1; StörungFrei 1; START kurz 1	Q_LAMPE wird 1 und hält	einzutragen
A2	Nach A1: START 0; STOP_OK 0	Q_LAMPE wird 0	einzutragen
A3	START 1 gleichzeitig mit STOP_OK 0	Q_LAMPE bleibt 0	einzutragen
A4	Nach aktivem Zustand simulierte Versorgungsunterbrechung und Neustart	Grundzustand 0, kein Wiederanlauf	einzutragen
B1	Neustart bei 5,7 V / 28,5 °C	Q_KUEHL AUS	einzutragen
B2	Temperatur auf 6,4 V / 32 °C erhöhen	Q_KUEHL EIN	einzutragen
B3	Nach B2 auf 6,0 V / 30 °C senken	Q_KUEHL bleibt EIN	einzutragen
B4	Nach B3 auf 5,7 V / 28,5 °C senken	Q_KUEHL AUS	einzutragen
B5	Ungültigen Sensorwert simulieren	Störmeldung nach eigener Fehlerstrategie	einzutragen

Bewertungsraster (100 Punkte, lernbegleitend, keine amtliche Prüfung):

Kriterium	Punkte	Prüfindikator
Anforderungsanalyse und Sprache	15	Auftrag, Grenzen, I/O und sichere Abgrenzung erfasst
Blockschaltbild und logische Planung	20	Signalfluss, Stoppvorrang und Speicherfunktion korrekt
Regelung und Rechnungen	20	Skalierung, Schaltschwellen, Hysterese, Zustände nachvollziehbar
Simulation und systematische Prüfung	20	Testfälle mit tatsächlich beobachteten Ergebnissen und Abweichungen
Dokumentation und digitale Nachvollziehbarkeit	15	Version, Messbedingungen, Änderungsverlauf und klare Fachsprache
Wirtschaftlichkeit, Umwelt und Reflexion	10	Vergleich, Energie-/Materialargumente und Verbesserungsvorschlag

Auswertung: 100 Punkte maximal. Zur formativen Selbsteinschätzung kann ein Team beispielsweise ab 80 Punkten von einem gut nachvollziehbaren Lernprodukt sprechen; eine betriebliche oder schulische Bewertung legt jedoch die zuständige Lehrkraft fest. Sicherheitsverstöße führen unabhängig von der Punktzahl zum Abbruch praktischer Arbeiten und zur fachlichen Klärung. Nach jedem Test wird ein Fehlerprotokoll mit Ursache, Korrektur und Wiederholungsprüfung ergänzt. Übergib keine solche Übung als geprüfte reale Sicherheitssteuerung.

Interaktive Aufgaben

Bearbeite die Aufgaben nach der fachlichen Erarbeitung. Die Auswahlfragen enthalten jeweils genau eine beste Antwort; bei den Zuordnungen und dem Lückentext wird Fachsprache geübt. Rechne in den Arbeitsaufträgen selbst nach und begründe deine Entscheidungen.

Multiple-Choice-Quiz

Was kennzeichnet eine Regelung im Gegensatz zu einer reinen Steuerung? (Ein gemessener Istwert wird zur Korrektur zurückgeführt) (!Die Ausgangsgröße wird niemals gemessen) (!Sie benötigt immer einen Drehstrommotor) (!Sie hat grundsätzlich keine Störgrößen)

Welche Aufgabe erfüllt ein Temperatursensor im Kühlmodell? (Er liefert eine Information über die aktuelle Temperatur) (!Er speichert die gesamte SPS Anwendung) (!Er übernimmt den Leitungsschutz) (!Er erzeugt ohne Auswertung immer die Solltemperatur)

Wann ist bei einer UND-Verknüpfung zweier binärer Eingänge der Ausgang eins? (Wenn beide Eingänge eins sind) (!Wenn mindestens ein Eingang null ist) (!Nur wenn beide Eingänge null sind) (!Immer wenn die Versorgung eingeschaltet ist)

Warum wird eine Selbsthaltung eingesetzt? (Damit eine Startanforderung nach Loslassen der Taste gespeichert bleibt) (!Damit eine Sicherung unabhängig vom Strom abschaltet) (!Damit ein Sensor ohne Versorgung messen kann) (!Damit eine Anlage ohne Stoppfunktion laufen darf)

Was soll im beschriebenen Modell geschehen wenn der Stoppeingang unterbrochen wird? (Der Steuerungsausgang soll unabhängig von Start auf null gehen) (!Der Steuerungsausgang soll dauerhaft auf eins bleiben) (!Der Startbefehl soll für den nächsten Neustart gespeichert werden) (!Der Stoppeingang soll durch die Signallampe ersetzt werden)

Welche Aussage trifft auf eine speicherprogrammierbare Steuerung zu? (Sie wertet Eingänge anhand eines gespeicherten Programms aus) (!Sie kann niemals digitale Eingänge verarbeiten) (!Sie besteht ausschließlich aus mechanischen Kontakten) (!Sie benötigt keine Dokumentation oder Versionspflege)

Welche Temperatur entspricht bei linearer Skalierung von null bis zehn Volt auf null bis fünfzig Grad Celsius einer Sensorspannung von sechs Volt? (Dreißig Grad Celsius) (!Sechs Grad Celsius) (!Fünfzig Grad Celsius) (!Sechzig Grad Celsius)

Bei welcher Bedingung schaltet die Kühlanforderung in der beschriebenen Zweipunktregelung sicher aus? (Bei einer gemessenen Temperatur von höchstens neunundzwanzig Grad Celsius) (!Sobald die Temperatur dreißig Grad Celsius erreicht) (!Bei jeder Messung innerhalb des Hysteresebandes) (!Immer wenn die obere Einschaltschwelle überschritten wird)

Welche Vorgehensweise ist für eigenständiges Üben ohne Freigabe an echten Maschinen geeignet? (Eine vollständig virtuelle Simulation der Steuerungsfunktionen) (!Verdrahtung einer geöffneten Drehstromanlage unter Spannung) (!Überbrücken einer Schutztür für einen Funktionstest) (!Ändern von Sicherheitsparametern ohne Risikoprüfung)

Welcher Nachweis macht eine Funktionsprüfung nachvollziehbar? (Ein Protokoll mit Testfall Erwartung Beobachtung und Versionsstand) (!Eine alleinige Behauptung dass alles funktioniert) (!Ein Foto ohne Beschreibung der Betriebsbedingungen) (!Eine vollständige Liste echter Kundendaten)

Memory

Ordne die verschiedenen Begriffe ihren eindeutigen Erklärungen zu.

Sollwert	Gewünschter Zielwert einer geregelten Größe
Istwert	Aktuell gemessener Wert der Regelgröße
Aktor	Wandelt ein Ausgangssignal in eine physikalische Wirkung
Sensor	Erfasst eine Prozessgröße und liefert ein Signal
Hysterese	Getrennte Ein- und Ausschaltgrenzen gegen häufiges Umschalten
Selbsthaltung	Speichert einen eingeschalteten Zustand über den Startimpuls hinaus

Drag-and-drop

Ordne jedem Arbeitsschritt die passende fachliche Beschreibung zu.

Gesuchter Begriff	Passende Beschreibung
Auftragsanalyse	Kundenforderungen in prüfbare Kriterien übersetzen
Blockschaltbild	Funktionsgruppen und Signalrichtungen darstellen
Komponentenauswahl	Datenblattwerte und Schnittstellenverträglichkeit prüfen
Inbetriebnahmeprüfung	Verhalten systematisch gegen die Anforderungen testen
Fehlerdokumentation	Abweichung Ursache Änderung und Nachprüfung festhalten

Kreuzworträtsel

Die Antworten bestehen jeweils aus einem Fachwort.

Sensor	Welches Bauelement erfasst eine physikalische Prozessgröße?
Aktor	Welches Bauelement wandelt ein Ausgangssignal in eine Wirkung um?
Sollwert	Wie heißt die gewünschte Führungsgröße?
Hysterese	Wie heißt der Abstand zwischen getrennter Ein- und Ausschaltschwelle?
Regelkreis	Wie heißt die Struktur aus Regler Strecke und Rückführung?
Schaltplan	Welche technische Zeichnung zeigt elektrische Verbindungen und Betriebsmittel?

LearningApps

Suche unter dem Fachthema nach ergänzenden Zuordnungs- und Übungsangeboten. Prüfe die Qualität und Aktualität externer Lernaufgaben, bevor du sie als fachlichen Nachweis verwendest.

Lückentext

Setze in jeder Aussage einen passenden Fachbegriff oder Zahlenwert ein.

Beim EVA-Prinzip folgt auf die Eingabe die

und danach die Ausgabe.

Ein Bauteil zum Erfassen der Temperatur heißt

.

Die physikalische Wirkung eines Ausgangssignals bewirkt ein

.

Der gewünschte Zielwert einer Regelgröße heißt

.

Der aktuell gemessene Wert heißt

.

Der Unterschied aus Sollwert und Istwert wird als

bezeichnet.

Eine getrennte Ein- und Ausschaltschwelle bildet eine

.

Sechs Volt entsprechen in der gegebenen Skalierung

Grad Celsius.

Eine Logik bleibt durch eine

nach einem kurzen Startimpuls aktiv.

Vor der endgültigen Abgabe dokumentierst du die durchgeführte

.

Offene Aufgaben

Leicht

EVA-Prinzip: Zeichne für die Modelllüfter-Anforderung ein Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe-Schema mit zwei konkreten Signalen und erkläre jede Pfeilrichtung.
Sensoren und Aktoren: Erstelle eine eigene Übersicht mit je drei typischen Beispielen aus der Maschinen- und Antriebstechnik; erläutere Messgröße oder Wirkung und eine Datenblattfrage.
Logische Verknüpfung: Formuliere für zwei Freigabebedingungen eine UND-Wahrheitstabelle und erkläre einen Fehlerfall in vollständigen Sätzen.
Berufssprache: Übersetze die Fachwörter input, output, setpoint und normally closed mit Hilfsmitteln und gib je einen passenden Verwendungssatz an.

Standard

Selbsthaltung: Entwickle im Simulator eine Start-Stopp-Funktion mit Stoppvorrang und erstelle eine Zustandsfolge für Start, Loslassen, Stopp und Neustart.
Zweipunktregler: Zeichne ein Zustandsdiagramm der beschriebenen 29-31-Grad-Regelung und berechne die zugehörigen Sensorspannungen.
Technikvergleich: Vergleiche Relaissteuerung und SPS-Simulation anhand von mindestens fünf Kriterien einschließlich Kosten, Änderbarkeit, Wartbarkeit, Energie und Sicherheit.
Prüfprotokoll: Teste die vorbereiteten Fälle A1 bis A4 und B1 bis B5 in einer Simulation und trage tatsächliche Beobachtungen, Version und Abweichungen ein.

Schwer

Diagnosestrategie: Erzeuge in einer Simulation drei unterschiedliche Fehler, etwa Sensorausfall, invertierten Stoppeingang und falsche Skalierung, und begründe eine risikoarme Suchreihenfolge.
Regelgüte: Untersuche am simulierten Kühlmodell zwei unterschiedlich breite Hysteresebänder; vergleiche Schalthäufigkeit, Temperaturschwankung und Energiebedarf ohne unbelegte Effizienzversprechen.
Lastenheft und Pflichtenheft: Formuliere für den fiktiven Kundenauftrag Anforderungen, eine begründete technische Lösung, Variantenbewertung und zehn eindeutige Abnahmekriterien.
Lernvideo und Dokumentation: Erstelle ein zweiminütiges Bildschirmvideo deiner Simulation mit anonymen Signalen, Erläuterung der Regelabweichung und einer selbstkritischen Sicherheitsabgrenzung; veröffentliche keine Betriebsdaten.

Lernkontrolle

Anwendungsanalyse: Trenne an einer selbst erdachten Förderanlage die Bereiche Steuerung, Regelung und Sicherheit; begründe, welche Signale dafür benötigt werden.
Zustandsprüfung: Leite aus der angegebenen Formel für die Selbsthaltung drei sinnvolle Gegenbeispiele zu unerwünschtem Weiterlauf ab und beschreibe die erwarteten Ausgänge.
Messwertinterpretation: Berechne aus 5,7 V, 6,0 V und 6,4 V die Modelltemperaturen und erkläre, warum im Hystereseband die Vorgeschichte entscheidend ist.
Lösungsentscheidung: Stelle einer verdrahteten Steuerung eine SPS-Simulation gegenüber und begründe die Variante für einen Lernbetrieb mit knappen Mitteln und hohen Sicherheitsanforderungen.
Fehleranalyse: Entwickle eine Prüffolge, mit der ein invertierter Sensoreingang von einer falschen Ausgangsbeschaltung unterschieden wird, ohne reale elektrische Gefährdungen zu erzeugen.
Transfer und Reflexion: Übertrage die Prüfkriterien auf eine fiktive temperaturüberwachte Wickelmaschine und benenne zusätzliche Informationen, die vor einer echten Umsetzung fehlen.

Lernnachweis

Erstelle als persönlichen Lernnachweis ein eigenständiges, datensparsames Projektportfolio zum fiktiven Auftrag. Es umfasst: (1) ausgefüllte Anforderungs- und I/O-Liste mit Gefährdungsabgrenzung; (2) zwei Blockschaltbilder mit beschrifteten Sensoren, Schnittstellen und Aktoren; (3) Wahrheitstabelle, Start-Stopp-Speicherlogik und Regelungs-Zustandstabelle; (4) den vollständig nachvollziehbaren Rechenweg der Sensorskalierung, Grenzwerte und exemplarischen Strombilanz; (5) eine sicher ausgeführte oder virtuelle Simulation mit Versionsstand und Screenshots; (6) die selbst ausgefüllte Soll-Ist-Prüftabelle, Fehlerprotokoll und nachweisbare Nachprüfung; (7) eine begründete VPS/SPS-Variantenentscheidung mit Umwelt- und Wirtschaftlichkeitsvergleich; (8) eine kurze reflektierte Präsentation mit Erklärung der Grenzen eines didaktischen Modells.

Bewertung: Verwende das 100-Punkte-Raster aus Kapitel 5 und lasse die fachliche Rückmeldung durch Lehrkraft oder zuständige ausbildende Person ergänzen. Behaupte keine praktische Freigabe, offizielle Kompetenzfeststellung oder Prüfungszulassung. Verknüpfe die Ergebnisse mit dem betrieblichen Ausbildungsplan, der zuständigen Kammer sowie dem Lehrplan deines Bundeslandes. Sensible Kunden-, Personen- und Betriebsdaten gehören nicht in ein öffentliches Portfolio.

OER und Wikipedia

Geprüfte fachliche Ausgangsquellen:

KMK: Rahmenlehrplan Elektroniker für Maschinen und Antriebstechnik, Lernfeld 3 auf Seite 12 (Beschluss 18.12.2020).
BIBB: Ausbildungsberuf nach Handwerksordnung, Profil und Verordnung vom 30.03.2021. Beachte bei einem BBiG-Ausbildungsvertrag die jeweils passende Berufsvariante.
BIBB: Ausbildung gestalten, Umsetzungshilfe (2021).
DKE: sicherer Betrieb nach DIN VDE 0105-100 und DGUV Vorschrift 3, bereitgestellt von BGHM.
DKE: DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1):2019-06, Normenbeschreibung und DKE: E DIN EN IEC 61131-3:2023-09, Entwurfsbeschreibung. Aktuelle Fassungen, Änderungen und Herstelleranweisungen für den konkreten Einsatz prüfen; Normtexte werden hier nicht reproduziert.
Wikipedia: Regelungstechnik und Wikipedia: Speicherprogrammierbare Steuerung. Wikipedia ist ein weiterführender, kritisch zu überprüfender Einstieg, keine betriebliche Freigabe.

Bildnachweise und Lizenzbelege (Wikimedia Commons, Dateiseiten kontrolliert):

Eingebettete Datei	Tatsächliche Dateiseite	Urheber bzw. Bearbeitung	Ausgewiesene Lizenz
File:Graph shows open loop control and closed loop control.jpg	Commons-Dateiseite	Jakarandatree (Eigenarbeit)	CC BY-SA 3.0
File:Inductive proximity sensor.jpg	Commons-Dateiseite	Ekbsensor	CC BY-SA 4.0
File:LogicGates.svg	Commons-Dateiseite	Vaughan Pratt (SVG auf Commons bereitgestellt)	CC BY 3.0
File:Ladder diagram.png	Commons-Dateiseite	Nuno Nogueira	CC BY-SA 2.5
File:Simple feedback control loop.svg	Commons-Dateiseite	Ursprung Ap, SVG-Ableitung Chetvorno	CC BY-SA 3.0; alternativ GFDL laut Dateiseite
File:P change pid.png	Commons-Dateiseite	נ.פרנקל	CC BY-SA 4.0

Die Abbildungen sind unverändert eingebunden; Urheberangaben, Lizenzlinks und Dateiseiten sollen bei Weiterverwendung mitgeführt werden. ShareAlike-Auflagen können bei Bearbeitungen zusätzliche Bedingungen auslösen. Nicht alle oben verlinkten Fachquellen sind als freie OER lizenziert.

Geprüfte deutschsprachige Videos (Einbettung, keine nachgewiesene freie Nachnutzungslizenz):

Selbsthaltung – Schützschaltung – einfach und anschaulich erklärt, #Sogeht by Sven Stemmler, veröffentlicht 2019. Rechte am Video verbleiben beim jeweiligen Rechteinhaber; das Video wird lediglich über die öffentliche YouTube-Einbettung gezeigt.
Steuerung vs. Regelung, Studytiger – Physik & E-Technik, veröffentlicht 2024. Eine freie Creative-Commons-Lizenz wurde nicht nachgewiesen; keine Vervielfältigung oder Neulizenzierung des Videos vornehmen.

Wikipedia-Artikel zur Vertiefung:

Verknüpfte Lernbereiche

Das Lernfeld verbindet die auftragsbezogene Analyse elektrotechnischer Systeme (LF 1), sichere Installation und Prüfung (LF 2), digitale Informationssysteme (LF 4) und die spätere vertiefte Auslegung von Maschinensteuerungen (LF 10). Weitere Bezüge bestehen zu Mathematik (lineare Zuordnung, Tabellen), Physik (Strom, Leistung, Temperatur), Informatik (Logik, Programmdokumentation), Deutsch/Englisch (Fachkommunikation), Wirtschafts- und Sozialkunde (Ressourcen, Verantwortlichkeiten) sowie Datenschutz und nachhaltiger Entwicklung.

Steuerungs- und Regelungstechnik