aiMOOC

Steuerungen und Regelungen analysieren und realisieren - Elektroniker - LF 3

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Einleitung

Du bearbeitest in diesem vollständigen aiMOOC eine typische berufliche Lernsituation aus dem ersten Ausbildungsjahr zum Beruf Elektroniker bzw. Elektronikerin: Ein technisches System soll einen Auftrag zuverlässig erfüllen, auf Änderungen reagieren und sicher geprüft werden. Am Ende kannst du aus einer Anforderung eine Funktionsbeschreibung, ein Blockschaltbild, eine logische Verknüpfung, ein sicheres Simulationsmodell und eine nachvollziehbare technische Dokumentation entwickeln.

Der Kurs orientiert sich am KMK-Rahmenlehrplan vom 18.12.2020, Lernfeld 3 auf gedruckter Seite 13: Steuerungen und Regelungen analysieren und realisieren, Zeitrichtwert 80 Unterrichtsstunden. Er behandelt die vollständige Handlungskette Analysieren – Planen – Vergleichen und Entscheiden – Realisieren – Inbetriebnehmen und Messen – Prüfen – Dokumentieren – Bewerten. Er berücksichtigt das BIBB-Berufsprofil für die Fachrichtungen Energie- und Gebäudetechnik sowie Automatisierungs- und Systemtechnik. Verbindlich bleiben der jeweils geltende Landeslehrplan, der betriebliche Ausbildungsplan, die zuständige Handwerkskammer und die Anweisungen der ausbildenden Fachkräfte.

Sicherheitsgrenze: Alle selbstständigen Versuche dieses Kurses sind reine PC-Simulationen oder papierbasierte Modelle. Keine Arbeit an 230-/400-V-Anlagen, keine Schaltungen an realen Netzteilen oder aktiven Anlagen und keine eigenmächtige Inbetriebnahme. Praktische Arbeiten, Prüfungen und Messungen an elektrischen Betriebsmitteln nur nach Gefährdungsbeurteilung und unter der dafür erforderlichen Verantwortung, Leitung und Aufsicht befugter Elektrofachkräfte. Auch Kleinspannungsaufbauten können Kurzschluss-, Brand- und Bewegungsgefahren erzeugen.

Lernweg: Zuerst analysierst du Signale und Geräte; dann unterscheidest du Steuerung und Regelung, modellierst logische Funktionen und Speicher, vergleichst Umsetzungen und bearbeitest den durchgängigen Praxisauftrag. Bei den Aufgaben werden ausschließlich erfundene Betriebswerte und Testdaten verwendet.

Quellenbasis: KMK-Rahmenlehrplan, S. 13 und BIBB-Berufsprofil und Ausbildungsordnung.

Kundenauftrag analysieren und Funktionen darstellen

Vom Auftrag zum überprüfbaren Anforderungskatalog

Ein Auftrag nennt zunächst eine gewünschte Wirkung, nicht die fertige Schaltung. Beispiel: „Ein Lüfter soll ein kleines Technikmodell bei hoher Temperatur automatisch kühlen; die Bedienperson muss den Betrieb freigeben können.“ Daraus leitest du messbare Muss-Anforderungen ab: Temperatur wird erfasst, bei hoher Temperatur wird der Lüfter eingeschaltet, die Freigabe kann die Ausgabe sperren, bei fehlendem Sensorsignal wird im Modell eine Störung angezeigt, und das Verhalten ist durch Testfälle nachweisbar. Kann-Anforderungen wären zusätzliche Anzeigen oder eine Statistik der Laufzeit.

Prüfe vor Beginn die Fragen: Was ist die Systemgrenze? Wer nutzt das Gerät? Welche Eingänge, Ausgänge, Betriebszustände, Grenzwerte und Störungen sind relevant? Welcher sichere Zustand ist für diesen Modellauftrag definiert? Welche Unterlagen liefern Datenblätter, Stromlaufpläne, Funktionsbeschreibungen und ein englischsprachiges Handbuch? Verwende für Fachbegriffe bei Bedarf ein zweisprachiges Glossar, beispielsweise sensor = Sensor, actuator = Aktor, setpoint = Sollwert, feedback = Rückführung. Zahlen, Spannungsbereiche und Anschlussangaben müssen immer aus dem tatsächlich passenden, aktuellen Herstellerdokument stammen; ein alter Beispielplan ist keine Montagefreigabe.

EVA-Prinzip, Signalfluss und Schnittstellen

Das EVA-Prinzip ordnet Funktionen in Eingabe – Verarbeitung – Ausgabe. Ein Temperatursensor liefert den Messwert; eine Verarbeitungsfunktion vergleicht ihn mit Grenzwerten; ein Ausgangssignal fordert den Lüfter an. Der Sensor wandelt eine physikalische Größe in ein auswertbares Signal um. Ein Aktor setzt das Ausgangssignal in eine Wirkung um, zum Beispiel Licht, Bewegung oder Luftströmung. Ein Stellglied beeinflusst die vom Aktor abgegebene Leistung oder den Prozess. Eine Schnittstelle verbindet zwei Baugruppen über festgelegte mechanische, elektrische oder informationstechnische Eigenschaften.

Blockschaltbild unseres Modells: Temperatur im Modellraum → Temperatursensor → Signalprüfung und Zweipunktlogik → simuliertes Lüfter-Ausgangssignal → Temperaturentwicklung; zusätzlich Freigabetaster und Störanzeige. Pfeile zeigen Informations- bzw. Wirkungsrichtungen, nicht automatisch reale Leitungswege. Wirkungskette nennt man die kausale Abfolge der Einwirkungen. Ein Stromlaufplan ergänzt später die elektrischen Verbindungen, Kennzeichnungen und Anschlüsse. Verwechsele also niemals ein abstraktes Blockschaltbild mit einer verdrahtungsreifen Ausführungszeichnung.

Signalarten: Ein digitales Signal nimmt hier nur die Zustände 0 und 1 an, zum Beispiel Taster nicht betätigt oder betätigt. Ein analoges Signal repräsentiert innerhalb eines Bereichs eine veränderliche Größe, etwa die Temperatur. Bei der Übertragung von Messwerten musst du Einheit, Bereich, Auflösung, Fehlergrenzen und Aktualisierungszeit dokumentieren. Ein nicht plausibler Wert ist kein normaler Betriebswert. Sensor und Eingangsmodul müssen elektrisch und signaltechnisch zueinander passen; Netzteil, Ein-/Ausgänge und Lastdaten sind vor jeder praktischen Realisierung durch Fachkräfte anhand von Herstellerunterlagen auszuwählen.

Funktionsbeschreibung aus einer Beobachtung gewinnen

Beobachte eine sichere, vorgeführte Simulation: Bei 25 °C bleibt die Lüfteranforderung aus; bei 29 °C wird sie aktiv; bei 27 °C bleibt sie nach dem Einschalten aktiv; bei 26 °C wird sie deaktiviert. Schreibe aus diesen vier Beobachtungen eine Wenn-dann-Beschreibung. Unterscheide Beobachtung, Vermutung und nachgewiesene Funktion. Eine gute Analyse enthält eine Eingangs-/Ausgangsliste, ein Blockschaltbild, eine Tabelle der Betriebszustände und offene Fragen an den Auftraggeber.

Steuerung und Regelung fachlich unterscheiden

Offene Wirkungskette einer Steuerung

Eine Steuerung bildet aus Eingaben nach festgelegten Regeln Ausgaben. Der tatsächliche Erfolg der Wirkung wird für diese Funktion nicht laufend zurückgeführt. Beispiel: Ein Lüfter läuft nach dem Tastendruck genau fünf Minuten. Wird zwischenzeitlich ein Fenster geöffnet und die Temperatur sinkt, beeinflusst diese Temperaturänderung die feste Laufzeitsteuerung nicht. Ein Timer ist deshalb nicht schon allein eine Temperaturregelung. Vorteile einer einfachen Steuerung können geringe Komplexität und leichte Prüfbarkeit sein; bei unvorhergesehenen Störgrößen kann sie das Ziel verfehlen.

Offene Wirkungskette – englisch/italienisch beschriftete Prinzipskizze, Luca Ghio, CC BY-SA 3.0; Quelle und Lizenz siehe Mediennachweise.

Geschlossener Regelkreis mit Rückführung

Eine Regelung misst eine Regelgröße und führt den erfassten Istwert zurück. Der Sollwert bezeichnet das gewünschte Ziel. Ein Regler bildet aus dem Vergleich eine Stellgröße, die über die Regelstrecke auf die Regelgröße wirkt. Eine Störgröße kann den Prozess verändern, etwa Sonneneinstrahlung, offenes Fenster oder Wärmeabgabe eines Geräts. Die Regeldifferenz wird als Sollwert minus Istwert bestimmt; eine positive oder negative Abweichung erfordert die passende Reaktion für den konkreten Prozess. Der Regler kann nur Störungen ausgleichen, soweit Stellbereich, Messung und physikalische Wirkung dies erlauben.

Rechenbeispiel: Solltemperatur 26 °C, gemessene Temperatur 29 °C. Die Regeldifferenz e = 26 °C − 29 °C = −3 K. Die Differenz zweier Celsius-Temperaturen kann in Kelvin angegeben werden; hier liegt die gemessene Temperatur um 3 K über dem Sollwert. Beim Kühlprozess muss der Regler darauf passend reagieren. Ein falsches Vorzeichen bei der Regelwirkung könnte dagegen die Abweichung vergrößern.

Geschlossener Regelkreis mit Rückführung, Grafik in deutscher Sprache, VFeebach, CC BY-SA 4.0; Mediennachweis unten.

Video – Unterschied Steuerung/Regelung (deutsch):

Studytiger – Physik & E-Technik: „Steuerung vs. Regelung“, 23.01.2024. Externes, urheberrechtlich geschütztes Lehrvideo; kein als OER ausgewiesenes Material.

Zweipunktregelung, Hysterese und typische Fehler

Eine Zweipunktregelung kennt für ihre Stellanforderung zwei Zustände, etwa Lüfter EIN und AUS. Damit nahe einer Temperaturgrenze nicht ständig umgeschaltet wird, nutzt man Hysterese: Einschalten erst bei mindestens 28 °C, Ausschalten erst bei höchstens 26 °C. Die Hysteresebreite ist 28 °C − 26 °C = 2 K. Dazwischen ist der vorherige Zustand wichtig. Das ist eine einfache Speicherfunktion; ein Merker hält den bisherigen Ausgang bis zur nächsten eindeutigen Schaltbedingung.

Eine Zweipunktregelung lässt die Temperatur häufig um einen Bereich schwanken und hält nicht zu jeder Zeit exakt einen Wert. Prüfe Messrauschen, Schaltverzögerung, Sensorfehler und eine mögliche Taktung. Typische Fehler: Soll- und Istwert verwechseln; eine offene Steuerung fälschlich als Regelung bezeichnen; ein Rauschen an der Schwelle ignorieren; ohne Test des Störfalls den Normalbetrieb für ausreichend halten; eine temperaturbezogene Sicherheitsfunktion ohne Sicherheitskonzept annehmen. Unsere Lernaufgabe ist eine Funktionssimulation und keine freigegebene Schutz- oder Brandschutzsteuerung.

Logische Verknüpfungen, Speicher und Realisierungstechniken

UND, ODER und NICHT in der Praxis

Digitale Steuerungen verarbeiten häufig UND (beide Bedingungen müssen gelten), ODER (mindestens eine Bedingung gilt) und NICHT (Signal wird logisch umgekehrt). Für die Lüfteranforderung können beispielsweise Freigabe F und Temperaturanfrage H mit Q = F UND H verknüpft werden. Das ist eine funktionale Freigabe, noch kein sicherheitsgerichteter Not-Halt.

Freigabe F	Temperaturanfrage H	Ausgabe Q bei UND
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Wird zusätzlich ein Störmeldeeingang S ausgewertet, kann eine Sperrbedingung NICHT S Teil der Logik sein: Q = F UND H UND NICHT S. Wichtig ist die saubere Definition der Signalbedeutung. „Sensorfehler = 1“ und „Sensor gültig = 1“ sind nicht dieselbe Codierung. Prüfe zudem, ob Ausfälle als 0 oder 1 erkannt werden; aus dieser Tabelle folgt keine Eignung für eine echte Sicherheitsfunktion.

Symbol einer UND-Verknüpfung nach einer IEC-Darstellungsart: jjbeard, gemeinfrei; Mediennachweis unten. Normausgaben und Zeichnungskonventionen sind vor realer Dokumentation zu prüfen.

Speicherfunktionen und Selbsthaltung

Eine Speicherfunktion nutzt außer aktuellen Eingängen auch den vorherigen Zustand. Beim klassischen Prinzip der Selbsthaltung sorgt ein Hilfskontakt dafür, dass die Anforderung nach Loslassen eines Starttasters bestehen bleibt; ein Stoppsignal unterbricht sie. In der speicherprogrammierten Variante übernimmt ein Merker diese Rolle. Bei Rückkehr der Versorgung oder Reset muss ein definierter Ausgangszustand festgelegt und geprüft werden. Für den Praxistest sind eine Start-, Halte-, Stopp- und Neustartsequenz zu betrachten.

Historische Prinzipskizze einer Selbsthaltung mit S0, S1 und K1, Wendelin, CC BY-SA 3.0. Nur zur Funktionsanalyse: kein aktueller normgeprüfter Verdrahtungs- oder Sicherheitsplan.

Video – Selbsthaltung (deutsch):

DerElektroniker: „Schützschaltungen: Die Selbsthaltung“, 23.07.2023. Vorführung nur als Lernmedium ansehen; keine Netzspannungsarbeiten nachahmen.

Verbindungsprogrammierte und speicherprogrammierte Systeme

Bei einer verbindungsprogrammierten Steuerung (VPS) wird die Funktion überwiegend durch die Verschaltung von Kontakten, Relais und Bauteilen bestimmt. Bei einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) wird die Funktion als Programm abgelegt und zyklisch oder nach einem definierten Ausführungsmodell ausgewertet. Beide benötigen eine geeignete elektrische Hardware und fachgerechte Schutzmaßnahmen. Eine SPS ist flexibel, aber ihre Software und Parametrierung erfordern Versionsverwaltung, Tests, Zugriffsbegrenzung und gesicherte Freigaben.

Gebräuchliche Beschreibungsformen sind Kontaktplan (KOP), Funktionsbausteinsprache (FBS) und Strukturierter Text (ST). Als Einstieg genügt, eine UND-Funktion und einen Speicherzustand in einer sicheren Simulation zu vergleichen. Herstellerabhängige Befehle, zulässige Ausgangsströme und Klemmenbezeichnungen dürfen nie aus einem allgemeinen Diagramm abgeleitet werden.

Englisch beschriftetes Blockdiagramm einer SPS, ProVision, CC BY-SA 4.0; es illustriert die Funktionsebenen, keine konkrete Anschlussspezifikation.

Die aktuelle produktbezogene Hilfe muss beim konkreten Gerät geprüft werden. Ein verifizierter Simulator-Hinweis steht in der Siemens LOGO!Soft Comfort Online Help, Ausgabe 08/2024, Abschnitt 3.3 „Simulation of a circuit program“ (englisch). Dort wird die Simulation am PC beschrieben. Das ist keine Freigabe zum Aufbau an einer realen Anlage. Zu SPS-Programmiersprachen bietet die DKE-Dokumentenseite E DIN EN IEC 61131-3:2023-09 einen Überblick; dabei handelt es sich ausdrücklich um einen Entwurf, nicht automatisch um die aktuell anzuwendende Endfassung.

Varianten auswählen, Sicherheit und Qualität planen

Entscheidung begründen statt Geräte nur vergleichen

Vor der Umsetzung werden Alternativen mit auftragsbezogenen Kriterien bewertet: Erfüllung des Funktionswunsches, Änderbarkeit, Kosten über den Lebenszyklus, Energiebedarf, Wartbarkeit, Diagnosemöglichkeiten, Ersatzteilverfügbarkeit und Risiken. Ein einfaches Relais kann für eine kleine feste Funktion passend sein; eine SPS kann bei vielen Zuständen und späteren Änderungen Vorteile haben. Entscheidend sind Gesamtaufgabe und reale Gerätespezifikation, nicht ein pauschales Urteil „digital ist immer besser“.

Kriterium	Verbindungsprogrammierte Lösung	SPS-/Simulationslösung	Prüffrage
Einfache einmalige Logik	Häufig übersichtlich	Ebenfalls möglich	Ist die Funktion stabil?
Spätere Funktionsänderung	Änderung der Verdrahtung möglich	Änderung per Programm möglich	Wer pflegt die Dokumentation?
Fehlerdiagnose	Kontakt- und Signalprüfung	Zustandsanzeige, Diagnosewerkzeuge	Sind Fehlerszenarien prüfbar?
Ressourcen und Lebenszyklus	Bauteile und Verdrahtung betrachten	Elektronik, Stand-by, Softwarepflege betrachten	Welche Variante hält voraussichtlich länger?
Sicherheit	Schutzkonzept erforderlich	Schutzkonzept ebenfalls erforderlich	Wer prüft Eignung und Abnahme?

Ein vollständiger Arbeitsplan enthält Auftragsklärung, Informationsbeschaffung, Systementwurf, Variantenentscheidung, Sicherheitsfreigabe, Realisierung der Simulation, Test und Dokumentation. Die Teamarbeit umfasst Zuständigkeiten und eine gegenseitige unabhängige Prüfung der Testfälle. Gib fremdsprachige Begriffe mit deutscher Bedeutung an und bewahre die Versionsangabe deiner Dokumentation auf.

Arbeitsschutz und einschlägige Regeln

Elektrische Anlagen dürfen nur entsprechend den Qualifikationen und Verantwortlichkeiten bearbeitet werden. Die BGHM erläutert die Pflichten nach DGUV Vorschrift 3 einschließlich Leitung und Aufsicht durch Elektrofachkräfte. DKE zur DIN VDE 0105-100 sowie DGUV Information 203-001 beschreiben sichere Arbeitsmethoden und die fünf Sicherheitsregeln in ihrer Reihenfolge: freischalten; gegen Wiedereinschalten sichern; Spannungsfreiheit feststellen; erden und kurzschließen; benachbarte aktive Teile abdecken oder abschranken. Ihre fachgerechte Anwendung ist keine Übung für unbefugte Lernende; sie setzt Anlagenkenntnis, Organisation, passende Qualifikation und je nach Situation weitere Maßnahmen voraus.

Die BetrSichV § 4 und § 14 behandeln Schutzmaßnahmen und Prüfungen von Arbeitsmitteln. Bei konkreten Anlagen sind geltende Normenausgaben, Herstellerdokumente, Unterweisungen, Gefährdungsbeurteilung und Prüfbefugnisse vor Ort zu berücksichtigen. Eine logische Freigabe durch einen Bedienknopf darf nicht als sicherheitsgerichtete Abschaltung ausgegeben werden. Sichere Alternative: Erstelle im Unterricht ausschließlich ein funktionales Modell in einer Offline-Simulationsumgebung und verwende keine echten Netzspannungen oder beweglichen Lasten.

Digitalisierung, Datenschutz, Umwelt und Gesundheit

Digitale Prüfprotokolle sollten Messwert, Einheit, Sollbereich, Zeitpunkt, Softwareversion und Testfall-ID enthalten. Verwende synthetische Testwerte, kein Kundenfoto, keinen echten Betriebsnamen, keine IP-Adresse einer realen Anlage, keine personenbezogenen Protokolle. Datenminimierung und Zweckbindung werden in Artikel 5 DSGVO beschrieben. Eine exportierte Simulationsdatei muss vor Weitergabe auf Zugangsdaten, eingebettete Namen und andere vertrauliche Inhalte geprüft werden.

Nachhaltigkeit bedeutet mehr als niedrige Anschaffungskosten. Reduziere unnötige Lüfterlaufzeiten, prüfe den Eigenverbrauch einer Steuerung, berücksichtige Reparierbarkeit, langlebige Komponenten, sachgerechte Entsorgung sowie Material- und Energieaufwand. Zur Gesundheit gehören auch störungsarme Arbeitsabläufe, Ergonomie am Bildschirm und eine klare Aufgabenteilung bei Prüfungen. Eine automatische Funktion ist nur dann eine Verbesserung, wenn sie verständlich, wartbar und unter Aufsicht sicher betreibbar ist.

Durchgängiger Praxisauftrag: Temperaturgeführte Lüfteranforderung

Auftrag, Randbedingungen und Planungsentscheidung

Fiktiver Auftrag: Für ein Schulungsmodell wird eine temperaturabhängige Lüfteranforderung entwickelt. Ein simuliertes Temperatursignal T in °C wird verarbeitet. Freigabe F = 1 ermöglicht den Betrieb. Gültig G = 1 bedeutet ein plausibles Sensorsignal. Ab T mindestens 28 °C soll der Lüfter eingeschaltet werden. Nach dem Einschalten bleibt er bei T über 26 °C angefordert. Bei T höchstens 26 °C schaltet er ab. Wenn F = 0 oder G = 0, ist der Ausgang Q = 0; bei G = 0 erscheint zusätzlich eine Störmeldung. Eine Sicherheitsbewertung für echte Kühlanlagen ist nicht Gegenstand dieses Modells.

Eingänge: Temperatur T als simulierte reelle Zahl; Freigabe F als boolescher Wert; Sensorsignal gültig G als boolescher Wert. Ausgänge: Lüfteranforderung Q als boolescher Wert; Störmeldung M als boolescher Wert. Merker: Q_alt, der Ausgangszustand aus dem vorangegangenen Simulationsschritt. Modellgrenze: Es gibt keine realen Klemmen, Leitungen oder Geräte. Die physikalische Temperaturänderung kann durch manuelle Testwerte ersetzt werden.

Arbeitsplan:

Anforderungen und Gefährdungsgrenze im Team lesen; Grenzwerte und Verantwortlichkeiten schriftlich bestätigen.
Ein-/Ausgangsliste, Blockschaltbild, Zustandsübergänge und zwei technische Varianten auf Papier erstellen.
Eine Funktionsvariante begründet auswählen und ein Offline-Simulationsprojekt mit Versionskennung anlegen.
Im Simulator die logischen Bedingungen modellieren und unabhängige Testfälle vorbereiten.
Normalbetrieb, Schwellen, Speicherverhalten, Sperrung, Sensorfehler und Neustart mit Testwerten prüfen.
Ergebnisse und Abweichungen dokumentieren; eine Änderung nur nach erneuter Funktionsprüfung freigeben.
Arbeit, Teamabsprachen, Energiebedarf und Verbesserungsmöglichkeiten reflektieren.

Vollständig erläuterte Logik

Definiere H_ein als die Aussage T ≥ 28 °C und H_halten als die Aussage T > 26 °C. Dann gilt für jeden Simulationsschritt:

Q_neu = F UND G UND (H_ein ODER (Q_alt UND H_halten)).

Die Störmeldung lautet M = NICHT G. Beim Start wird Q_alt = 0 festgelegt; nach jedem Schritt speicherst du Q_neu als nächsten Zustand Q_alt. Die Eingänge F und G sind Sperrbedingungen; eine simulierte Störung hat Vorrang gegenüber dem Haltewunsch. Die Reihenfolge der Auswertung wird schriftlich festgelegt, damit Testfälle reproduzierbar sind.

Nachvollziehbarer Rechen- und Zustandsgang: Bei T = 25 °C, F = 1, G = 1 und Q_alt = 0 ist H_ein = 0, H_halten = 0 und Q_neu = 0. Bei T = 29 °C und Q_alt = 0 ergibt H_ein = 1 und damit Q_neu = 1. Sinkt T anschließend auf 27 °C, ist H_ein = 0, aber H_halten = 1 und Q_alt = 1: Der Ausgang bleibt auf 1. Bei T = 26 °C wird H_halten = 0 und der Ausgang fällt auf 0. Steigt T danach nur auf 27 °C, bleibt der zuvor ausgeschaltete Lüfter aus. Die Hysteresebreite beträgt 2 K.

Testfall	T in °C	F	G	Q_alt	Erwartetes Q_neu	Erwartetes M	Zweck
A	25	1	1	0	0	0	Untere Temperatur
B	29	1	1	0	1	0	Einschaltgrenze überschritten
C	27	1	1	1	1	0	Halten nach Einschalten
D	26	1	1	1	0	0	Abschalten
E	27	1	1	0	0	0	Keine ungewollte Einschaltung
F	30	0	1	1	0	0	Freigabe gesperrt
G	30	1	0	1	0	1	Sensorwert ungültig
H	28	1	1	0	1	0	Einschalten am Grenzwert

Die Tabelle beschreibt ein überprüfbares Soll-Ergebnis. Trage in der eigenen Prüfdokumentation zusätzlich den tatsächlichen Simulationsausgang ein und markiere „bestanden“ nur, wenn beide übereinstimmen. Ein weiterer Grenzfall bei T = 26,1 °C prüft die strikte Unterscheidung zwischen „größer als“ und „größer oder gleich“. Simuliere einen Neustart mit Q_alt = 0 und einen Wechsel von G = 1 auf G = 0, bevor du ein positives Gesamturteil vergibst.

Leistungs-, Energie- und Variantenrechnung

Angenommen, ein nur fiktiv spezifizierter 24-V-Gleichstromlüfter habe den Nennstrom 0,18 A. Dann beträgt die elektrische Leistung näherungsweise P = U · I = 24 V · 0,18 A = 4,32 W. Bei sechs Stunden angenommener Laufzeit gilt E = P · t = 4,32 W · 6 h = 25,92 Wh = 0,02592 kWh. Bei zwei Stunden tatsächlicher Laufzeit im selben Zeitraum wären es 8,64 Wh. Die Differenz von 17,28 Wh ist nur die rechnerische Differenz der Lüfterenergie unter diesen Annahmen. Für eine reale Gesamtbilanz wären Netzteilverluste, Steuerungs-Eigenverbrauch, Anlaufvorgänge, Stand-by-Zeiten und die tatsächliche Kühlwirkung zusätzlich zu berücksichtigen.

Eine mögliche Entscheidung: Die Simulation mit logischen Funktionsbausteinen wird einer reinen Zeitsteuerung vorgezogen, weil der Auftrag auf die gemessene Temperatur reagieren soll. Ein mechanisches Relaismodell eignet sich parallel, um die Selbsthaltung zu verstehen, nicht als Ersatz für die auftragsbezogene Temperaturmessung. Der Simulationsaufbau erfüllt die didaktische Aufgabenstellung, aber weder eine elektrotechnische Abnahme noch einen Nachweis sicherheitsgerichteter Eignung.

Abnahme, Dokumentation und Bewertungsraster

Erwartetes Arbeitsergebnis: Eine PDF- oder Textdokumentation mit anonymem Auftragsblatt, Ein-/Ausgangsliste und deutschem/englischem Fachwortverzeichnis; ein eigenes Blockschaltbild; eine nachvollziehbare boolesche Funktionsbeschreibung; eine kommentierte Simulationsdatei; eine Prüfmatrix mit Soll, Ist und bestanden/nicht bestanden; eine nachvollziehbare Leistungs-/Energierechnung; ein Sicherheits- und Datenschutzvermerk; ein Reflexionsabschnitt zu einer möglichen Verbesserung. Dateien tragen eine synthetische Versionsnummer wie „LF3_Modell_v1“, keine echten Firmen- oder Schülernamen.

Bewertungsbereich	Überprüfbarer Maßstab	Punkte
Auftrag analysieren	Ein- und Ausgänge, Grenzwerte, Störungen und Systemgrenze vollständig und eindeutig erfasst	15
Planung und Entscheidung	Blockschaltbild, Wirkungskette, Variantenvergleich und begründete Auswahl stimmen überein	15
Funktionslogik	Zustandsabhängigkeit, Hysterese, Freigabe, Sensorfehler und Neustart nachvollziehbar modelliert	20
Prüfung	Mindestens die acht Fälle A bis H sowie ein zusätzlicher Grenzfall sind mit Soll-Ist-Abgleich protokolliert	20
Rechnen und Nachhaltigkeit	Leistung, Energie und mindestens eine Einschränkung der Modellrechnung korrekt erklärt	10
Sicherheit und Datenschutz	Grenzen des Simulationsmodells, Aufsichtspflicht, sichere Testdaten und Quellen beachtet	10
Dokumentation und Reflexion	Verständliche Versionierung, Fachsprache, Quellen und begründete Verbesserung	10
Gesamt	Bestandenheitsentscheidung nur nach vereinbartem lokalem Bewertungsmaßstab	100

Rückmeldung an Lernende: Beurteile nicht nur, ob Q im Normalfall eingeschaltet wird, sondern auch, wie sauber Sperrbedingungen, Störungen und Rücksetzung nachgewiesen werden. Ein guter Verbesserungsvorschlag ist beispielsweise eine protokollierte Sensor-Plausibilitätsprüfung im Modell; er ersetzt keine reale Sicherheitszertifizierung. Vergleiche am Ende deine Entscheidung mit der eines anderen Teams, nenne eine technische Abweichung und beschreibe eine konkrete Überarbeitung.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste dein Wissen

Woran erkennst du im technischen Grundmodell eine Regelung? (Der gemessene Istwert wird zur Beeinflussung des Prozesses zurückgeführt) (!Die Ausgabe läuft immer nach einer festen Zeit ab) (!Es werden ausschließlich Relais eingesetzt) (!Ein Schalter hat zwei stabile Stellungen)

Welche Komponente erfasst in einer Temperaturregelung die Prozessgröße? (Der Temperatursensor) (!Der Lüftermotor) (!Die Störmeldeleuchte) (!Das Ausgangsrelais)

Wann liefert eine UND-Verknüpfung zweier digitaler Eingänge eine Eins? (Wenn beide Eingänge eine Eins haben) (!Wenn beide Eingänge eine Null haben) (!Wenn mindestens einer der Eingänge eine Eins hat) (!Wenn die beiden Eingänge verschieden sind)

Was beschreibt ein Blockschaltbild in erster Linie? (Teilfunktionen und ihre Wirkungszusammenhänge) (!Verbindliche Klemmenbelegungen eines konkreten Geräts) (!Ein vollständiges elektrisches Prüfprotokoll) (!Die Personendaten des Auftraggebers)

Warum verwendet die beispielhafte Zweipunktregelung zwei Temperaturschwellen? (Damit der Ausgang zwischen den Schwellen nicht unnötig häufig umschaltet) (!Damit der Sensor automatisch genauer kalibriert wird) (!Damit ein echter Sicherheitsschalter entbehrlich wird) (!Damit keine Messung des Istwerts mehr nötig ist)

Welche Funktion erfüllt ein Merker in einer Selbsthaltung? (Er bewahrt den vorherigen Schaltzustand bis zur wirksamen Zustandsänderung) (!Er misst die Netzfrequenz des Motors) (!Er ersetzt die technische Schutzprüfung) (!Er erhöht stets die Nennspannung der Last)

Was unterscheidet die SPS von einer überwiegend verbindungsprogrammierten Lösung? (Die gewünschte Signalverarbeitung ist in einem änderbaren Programm hinterlegt) (!Eine SPS benötigt grundsätzlich keinerlei Hardware) (!Nur eine SPS darf logische UND-Funktionen auswerten) (!Eine SPS ist ohne Prüfung für Sicherheitsfunktionen geeignet)

Welche Hysteresebreite haben Einschaltschwelle 28 Grad Celsius und Ausschaltschwelle 26 Grad Celsius? (Zwei Kelvin) (!Ein Kelvin) (!Vier Kelvin) (!Achtundzwanzig Kelvin)

Welche elektrische Leistung ergibt das Modell mit 24 Volt und 0,18 Ampere? (Vier Komma zweiunddreißig Watt) (!Null Komma nullsiebenfünf Watt) (!Vierundzwanzig Watt) (!Hundertdreiunddreißig Watt)

Welcher Nachweis ist für eine fachliche Funktionsabnahme einer Simulation besonders geeignet? (Ein Testprotokoll mit Sollwerten Istwerten und begründeter Bewertung) (!Nur ein Bild der ansprechenden Benutzeroberfläche) (!Nur eine unbelegte Aussage dass die Steuerung funktioniert) (!Nur der Dateiname einer nicht geprüften Programmversion)

Memory

EVA-Prinzip	Eingabe Verarbeitung Ausgabe als Grundstruktur
Sensor	Erfasst eine physikalische Größe und stellt ein Signal bereit
Aktor	Setzt eine Anforderung in eine physikalische Wirkung um
Sollwert	Vorgegebenes Ziel einer geregelten Größe
Istwert	Tatsächlich gemessener Wert der Prozessgröße
Rückführung	Übermittelt den erfassten Prozesszustand zur Regelung

Drag-and-drop

Ordne den Fachbegriffen die jeweils passende Funktionsbeschreibung zu.

Ordne den passenden Begriff zu.	Bedeutung im technischen Modell
UND-Verknüpfung	Ausgabe wird nur bei gleichzeitig erfüllten Eingangsbedingungen aktiv
ODER-Verknüpfung	Mindestens eine der Eingangsaussagen reicht für die Aktivierung aus
NICHT-Verknüpfung	Kehrt die logische Aussage eines Eingangssignals um
Hysterese	Unterschiedliche Schaltschwellen verhindern häufiges Umschalten
Speicherfunktion	Vorheriger Zustand beeinflusst den nächsten Ausgangszustand

Kreuzworträtsel

Sensor	Bauteil zur Erfassung einer physikalischen Prozessgröße
Aktor	Bauteil das ein Steuersignal in eine Wirkung umsetzt
Sollwert	Vorgegebenes Ziel einer technischen Führung
Istwert	Aktuell durch Messung bestimmter Prozesswert
Hysterese	Unterschied zwischen oberer und unterer Schaltschwelle
Relais	Elektromechanisches Bauteil zum Schalten eines Stromkreises

LearningApps

Weitere Übungen und thematisch passende Suchergebnisse zu Steuerungen und Regelungen findest du hier. Prüfe die jeweilige Fremdübung fachlich vor ihrer Verwendung; Suchtreffer werden nicht als automatisch qualitätsgesichert ausgegeben.

Lückentext

Die Abfolge Eingabe Verarbeitung Ausgabe wird mit

abgekürzt.

Eine messende Eingabekomponente heißt

.

Das Bauteil zur Umsetzung eines Signals in eine physikalische Wirkung heißt

.

Bei der Regelung wird der gemessene

zurückgeführt.

Der vom Auftraggeber gewünschte Zielwert heißt

.

Eine äußere Einwirkung auf die Regelstrecke wird als

bezeichnet.

Die unterschiedliche Ein- und Ausschaltschwelle nennt man

.

Die logische Verknüpfung mit zwei gleichzeitig nötigen Bedingungen heißt

.

Ein Zustand kann mit einer

erhalten werden.

Die programmierbare Verarbeitung in einer Kleinsteuerung ist eine Form der

.

Die Vergleichsdokumentation von erwartetem und gemessenem Ergebnis heißt

.

Offene Aufgaben

Nutze ausschließlich Papier, digitale Zeichenwerkzeuge und einen Offline-Simulator. Erläutere deine Vorgehensweise und kennzeichne Annahmen; führe keinen eigenmächtigen Eingriff in reale elektrische Anlagen durch.

Leicht

EVA-Prinzip: Zeichne für eine simulierte Lüfteranforderung ein EVA-Blockbild und beschrifte zwei Eingänge sowie zwei Ausgaben.
Sensor: Erstelle ein Begriffsblatt mit Sensor, Aktor, Schnittstelle und jeweils einem fachlich passenden Beispiel.
Steuerungstechnik: Beschreibe eine zeitgesteuerte Lüfterfunktion in fünf Sätzen und begründe, weshalb sie ohne Temperatur-Rückführung keine Regelung ist.
Logische Verknüpfung: Erstelle die vollständige Wahrheitstabelle für eine Freigabe mit zwei UND-verknüpften Signalen und prüfe alle vier Kombinationen.

Standard

Blockschaltbild: Lies die fiktive Kundenanforderung und entwickle ein Blockschaltbild mit Sensor, Verarbeitung, Stellanforderung und Rückführung.
Selbsthaltung: Vergleiche zwei logisch simulierte Start-Stopp-Konzepte mit und ohne gespeicherten Zustand; dokumentiere Neustart und Stoppfall.
Hysterese: Untersuche am Temperaturmodell eine Schaltschwelle ohne und zwei Schaltschwellen mit Hysterese; notiere mindestens sechs Testwerte.
Speicherprogrammierbare Steuerung: Dokumentiere den logischen Entwurf in einer vorhandenen Offline-SPS-Simulation und führe einen Soll-Ist-Vergleich durch.

Schwer

Regelkreis: Übertrage den Praxisauftrag auf eine modellhafte Raumtemperatur mit wechselnden Störgrößen und begründe die Grenzen der Zweipunktregelung.
Fehlersuche: Entwickle eine Prüfmatrix mit Sensorfehler, Freigabeausfall und Neustart und schlage eine überprüfbare Diagnoseanzeige vor.
Nachhaltigkeit: Vergleiche zwei angenommene Lüfterlaufzeiten rechnerisch und ergänze eine Lebenszyklusbetrachtung samt Unsicherheiten.
Technische Dokumentation: Gib den vollständigen fiktiven Auftrag mit Funktionsbeschreibung, Version, Simulation, Prüfnachweis, Datenschutzkontrolle und kritischer Reflexion ab.

Lernkontrolle

Funktionsanalyse: Erkläre anhand eines selbst erstellten Diagramms, welche Signale ein Kunde vorgeben und welche Größen ein Gerät messen muss.
Regelungstechnik: Begründe an einem konkreten Störgrößenwechsel, weshalb eine zeitgesteuerte Ausgabe ein anderes Ergebnis liefern kann als eine rückgekoppelte Regelung.
Wahrheitstabelle: Untersuche drei Kombinationen aus Freigabe, Sensorplausibilität und Temperaturschwelle; erläutere eine logisch notwendige Sperrbedingung.
Hysterese: Berechne die Hysteresebreite für selbst gewählte, eindeutige Grenzwerte und erkläre mit zwei aufeinanderfolgenden Zuständen den Speicherbedarf.
Steuerungstechnik: Vergleiche verbindungsprogrammierte und speicherprogrammierte Realisierung für eine angenommene spätere Auftragserweiterung; gewichte mindestens vier Kriterien.
Elektrische Leistung: Rechne elektrische Leistung und Energie aus fiktiven Gerätewerten aus und benenne mindestens zwei Größen, die in einer realen Bilanz zusätzlich fehlen.
Arbeitsschutz: Lege dar, welche Verantwortlichkeiten und Prüfungen vor einer realen Inbetriebnahme geklärt sein müssen und weshalb die PC-Simulation keine elektrische Abnahme ersetzt.
Qualitätssicherung: Entwickle einen negativen Testfall mit unerwartetem Sensorsignal und beschreibe Kriterien für einen dokumentierten bestandenen Test.

Lernnachweis

Der Lernnachweis besteht aus einem prüfbaren Projektportfolio für das ausdrücklich fiktive Modell. Es enthält: (1) Anforderungen und Ein-/Ausgangsliste; (2) Blockschaltbild und Glossar deutscher sowie englischer Fachausdrücke; (3) Variantenvergleich mit begründeter Auswahl; (4) kommentierte boolesche Logik mit Zustandsbeschreibung; (5) Simulationsdatei oder bildgestützte Schrittfolge; (6) dokumentierte Testfälle samt Soll-Ist-Vergleich, Abweichungen und Korrekturen; (7) Leistungs-/Energierechnung samt Annahmen; (8) Sicherheits-, Nachhaltigkeits- und Datenschutzprüfung; (9) persönliche und teambezogene Reflexion. Nutze das oben angegebene 100-Punkte-Raster für transparente Rückmeldungen; Lehrkraft und Ausbildungsbetrieb legen einen eventuell geltenden Benotungsmaßstab eigenständig fest.

Selbstcheck: Du kannst die Unterschiede zwischen Steuerung und Regelung mündlich erklären, anhand von Testfällen logisch vorhersagen, warum der Ausgang ein- oder ausgeschaltet ist, eine Änderung begründet vornehmen und ihren Erfolg dokumentieren. Die Arbeit ist eine Lernleistung; aus ihr folgt keine amtliche Berufszulassung, Prüfungszulassung oder elektrotechnische Fachbefugnis.

OER und Wikipedia

Geprüfte fachliche Ausgangsquellen und Rechtsgrundlagen:

KMK: Rahmenlehrplan Elektroniker/-in vom 18.12.2020, Lernfeld 3, gedruckte Seite 13 – curricularer Bezug, keine Kopie des Norm- oder Lehrplanvolltexts.
BIBB: Ausbildungsberuf Elektroniker/-in, Fachrichtung Energie- und Gebäudetechnik – Berufsprofil und Links zur geltenden Ausbildungsordnung; Fachrichtung Automatisierungs- und Systemtechnik im gleichen Ausbildungsgang beachten.
BGHM: Betreiben elektrischer Anlagen und Betriebsmittel und DGUV: Vorschriftenübersicht – konkrete beim zuständigen Unfallversicherungsträger geltende Vorschrift nachsehen.
DKE: sicherer Betrieb elektrischer Anlagen, DIN VDE 0105-100 und DGUV Information 203-001 – Grundsätze zum sicheren Arbeiten.
BetrSichV § 14 sowie DSGVO Art. 5 – Prüfungen und Datenminimierung.
Siemens: LOGO!Soft Comfort Online Help, 08/2024, Abschnitt 3.3 – englisches Original zur PC-Simulation, geräte- und versionsabhängig.
HubbS: Steuerung und Regelung – frei lesbare deutschsprachige Fachressource, urheberrechtlich geschützt und nicht pauschal OER.
Wikipedia: Steuerungstechnik und Wikipedia: Regelungstechnik – offen lizenzierte Einstiege, Primärquellen und technische Randbedingungen zusätzlich prüfen.

Mediennachweise – alle fünf Dateiseiten auf Wikimedia Commons mit Urheber und Lizenz geprüft; fremdsprachige Beschriftungen sind als solche gekennzeichnet:

Eingebettete Datei	Originalquelle	Urheber	Lizenz und Lizenzbeleg
File:Open-loop control system principle diagram and sample structure.png	Commons-Dateiseite	Luca Ghio	CC BY-SA 3.0
File:Geschlossener Regelkreis Feedback.png	Commons-Dateiseite	VFeebach, abgeleitete Grafik	CC BY-SA 4.0
File:AND IEC.svg	Commons-Dateiseite	jjbeard	Gemeinfrei durch Urheberfreigabe
File:Selbsthaltung1.svg	Commons-Dateiseite	Wendelin	CC BY-SA 3.0
File:PLC Block Diagram.jpg	Commons-Dateiseite	ProVision	CC BY-SA 4.0

Externe deutschsprachige Videos – urheberrechtlich geschützt, nicht als freie Weiterverwendung lizenziert: Studytiger – Physik & E-Technik: Steuerung vs. Regelung, 2024 und DerElektroniker: Schützschaltungen – Die Selbsthaltung, 2023. Eine Einbettung ersetzt keine Lizenz zur Vervielfältigung oder Bearbeitung. Links und Verfügbarkeit können sich ändern. Die selbst verfassten Fallbeispiele, Tabellen und Aufgaben dieses Kurses verwenden keine realen Kunden- oder Schülerdaten.

Wikipedia-Einstieg im eingebetteten Format:

Verknüpfte Lernbereiche

Steuerungen und Regelungen

Bezüge zu anderen Lernbereichen: Mathematik (logische Aussagen, Energie und Einheiten), Physik (Messgrößen und Rückführung), Informatik (Algorithmen, Testfallabdeckung und Versionskontrolle), Deutsch und Englisch (Kundengespräch und zweisprachige Dokumentation), Wirtschaft (Varianten- und Lebenszykluskosten) sowie Ethik und Recht (Sicherheit, Umwelt und Datenschutz). Aufeinander aufbauende Ausbildungsinhalte reichen von den ersten elektrotechnischen Grundschaltungen bis zu späteren SPS- und Systemintegrationsaufgaben. Das Lernfeld 3 ersetzt andere Lernfelder nicht.

aiMOOC-Projekte

Projektidee A – digitale Lernsituation: Entwirf eine in der Simulation automatisch geschaltete Modellraum-Lüftung mit klar definierten Testfällen und einer dokumentierten Änderung der Hysterese. Projektidee B – Fehlersuche: Erzeuge in der Simulation einen unplausiblen Messwert, lege das erwartete Störverhalten fest und überarbeite dein Prüfprotokoll. Projektidee C – Nachhaltigkeit: Vergleiche zwei hypothetische Betriebsstrategien mit transparenten Annahmen über Laufzeiten, Stromaufnahme und Steuerungs-Eigenverbrauch. Präsentiert werden ausschließlich anonymisierte Modelle; reale Anlage und rechtsverbindliche Abnahme bleiben ausdrücklich ausgeschlossen.