aiMOOC

Analysieren von Funktionszusamme nhängen in mechatronischen Systemen - Mechatroniker - LF 1

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Einleitung

Mechatronische Systeme verbinden Mechanik, Elektrotechnik, Elektronik, Informationstechnik und Automatisierungstechnik zu einer funktionalen Einheit. In diesem aiMOOC lernst Du, einen berufstypischen Auftrag systematisch zu analysieren: Du klärst Anforderungen, grenzt ein System ab, erkennst Signal-, Stoff- und Energieflüsse, erstellst ein Blockschaltbild, planst Arbeitsschritte, prüfst ein Ergebnis und dokumentierst Deine Erkenntnisse nachvollziehbar.

Der Kurs erschließt die Kompetenzen des KMK-Lernfelds 1 für den Ausbildungsberuf Mechatronikerin beziehungsweise Mechatroniker. Das Lernfeld ist im ersten Ausbildungsjahr mit 40 Unterrichtsstunden vorgesehen. Es legt Grundlagen für spätere Lernfelder, weil eine fachgerechte Montage, Programmierung, Inbetriebnahme oder Instandhaltung nur möglich ist, wenn die Funktionszusammenhänge des Gesamtsystems verstanden sind.

Sicherheitshinweis: Praktische Arbeiten an elektrischen, pneumatischen oder mechanischen Einrichtungen dürfen nur im Rahmen der betrieblichen und schulischen Befugnisse, nach Gefährdungsbeurteilung und unter geeigneter Aufsicht durchgeführt werden. Arbeiten an unter Spannung stehenden Teilen sind für die hier beschriebenen Lernaufgaben nicht vorgesehen. Nutze für Übungen eine berührungssichere 24-V-Modellanlage, eine drucklos geschaltete Pneumatik-Lernstation oder eine Simulation. Beachte stets die aktuellen Herstellerangaben, Betriebsanweisungen und betrieblich eingeführten Normen.

Der Kurs ersetzt weder den betrieblichen Ausbildungsplan noch den Landeslehrplan, die Unterweisung im Betrieb oder Vorgaben der zuständigen Kammer. Er behauptet keine amtliche Anerkennung und keine Prüfungszulassung.

Das Video der IHK Berlin gibt einen beruflichen Einblick in Tätigkeiten von Mechatronikerinnen und Mechatronikern. Überlege beim Ansehen, welche Teilsysteme zusammenarbeiten und welche Informationen die Fachkraft für ihre Entscheidungen benötigt.

Mechatronische Systeme als funktionale Einheit

System, Systemgrenze und Umgebung

Ein System besteht aus Elementen, die so miteinander verbunden sind, dass sie gemeinsam eine Aufgabe erfüllen. Bei einer automatisierten Sortierstation gehören beispielsweise Förderband, Sensor, Steuerung, Antrieb, Ausschleusezylinder, Energieversorgung und Bedienoberfläche zum System. Die Systemgrenze legt fest, was untersucht wird. Alles außerhalb dieser Grenze wird als Umgebung betrachtet.

Eine gute Systemgrenze ist weder zu eng noch zu weit. Wird nur der Sensor betrachtet, bleibt unklar, wie sein Signal verarbeitet wird. Wird die gesamte Fabrik betrachtet, entstehen unnötig viele Informationen. Für einen Arbeitsauftrag kann die Systemgrenze zum Beispiel von der Materialübergabe am Förderband bis zum sortierten Werkstück reichen.

Fragen zur Systemabgrenzung sind:

Systemgrenze: Welche Bauteile gehören zum Auftrag?
Eingangsgröße: Welche Stoffe, Energien und Informationen treten ein?
Ausgangsgröße: Welches prüfbare Ergebnis soll entstehen?
Störgröße: Welche Einflüsse können die Funktion beeinträchtigen?
Schnittstelle: Wo wird Energie, Material oder Information übertragen?

Sensor, Verarbeitung und Aktor

Viele mechatronische Funktionen lassen sich durch die Wirkungskette Erfassen – Verarbeiten – Handeln beschreiben. Ein Sensor erfasst eine physikalische Größe oder einen Zustand. Die Steuerung verarbeitet das Eingangssignal nach einem Programm oder einer logischen Bedingung. Ein Aktor setzt das Ausgangssignal in eine physikalische Wirkung um.

Beispiel: Ein induktiver Näherungsschalter erkennt ein metallisches Werkstück. Die SPS wertet das Signal aus. Nach einer festgelegten Verzögerungszeit schaltet sie ein Magnetventil. Das Ventil lenkt Druckluft zum Zylinder, der das Werkstück ausschleust. Erst das Zusammenspiel aller Glieder erzeugt die gewünschte Sortierfunktion.

Steuerung und Regelung unterscheiden

Bei einer Steuerung wirkt die Ausgangsgröße nicht automatisch auf die Eingangsentscheidung zurück. Eine zeitgesteuerte Förderbandbewegung läuft beispielsweise für eine festgelegte Dauer. Bei einer Regelung wird die Ausgangsgröße gemessen, mit einem Sollwert verglichen und über eine Rückführung beeinflusst. Eine Drehzahlregelung erfasst die tatsächliche Drehzahl und passt die Stellgröße an, wenn eine Abweichung auftritt.

Typischer Fehler: Eine Anlage mit Sensor ist nicht automatisch eine Regelung. Entscheidend ist, ob die gemessene Ausgangsgröße als Rückmeldung für den Soll-Ist-Vergleich verwendet wird.

Anforderungen, technische Unterlagen und Systemparameter

Auftrag und Anforderungen klären

Vor jeder technischen Bearbeitung wird der Auftrag in prüfbare Anforderungen übersetzt. Unterscheide dabei:

Muss-Anforderung: Ohne ihre Erfüllung ist der Auftrag nicht abgenommen, etwa sichere Abschaltung oder richtige Sortierrichtung.
Soll-Anforderung: Sie ist anzustreben, etwa kurze Taktzeit oder geringe Geräuschentwicklung.
Randbedingung: Sie begrenzt die Lösung, etwa vorhandene Betriebsspannung, Bauraum oder zulässiger Druck.
Prüfkriterium: Es beschreibt messbar, wann die Anforderung erfüllt ist.

Eine Aussage wie „Die Station soll gut funktionieren“ ist nicht prüfbar. Besser ist: „Von 20 nacheinander zugeführten metallischen Prüfkörpern werden mindestens 19 in den vorgesehenen Behälter ausgeschleust; es treten keine unzulässigen Berührungs- oder Quetschgefahren auf.“

Kläre außerdem Kunden- und Nutzeranforderungen, ohne reale personenbezogene Daten in Lernunterlagen zu übernehmen. Verwende neutrale Rollenbezeichnungen und synthetische Kennungen.

Technische Unterlagen gezielt auswerten

Zur Analyse können Stücklisten, Aufbaupläne, Stromlaufpläne, Pneumatikpläne, Anschlussbilder, Datenblätter, Funktionsbeschreibungen, Ablaufdiagramme, Softwareauszüge, Bedienungsanleitungen und Wartungshinweise gehören. Prüfe bei jeder Unterlage:

Ist sie für die konkrete Baugruppe und den aktuellen Änderungsstand gültig?
Welche Einheiten, Symbole und Bezugskennzeichen werden verwendet?
Welche Grenzwerte und Herstellerhinweise sind sicherheitsrelevant?
Welche Informationen fehlen oder widersprechen sich?
Wie wird die Quelle in der Dokumentation angegeben?

Eine technische Zeichnung zeigt geometrische Beziehungen, ein Stromlaufplan elektrische Verbindungen und ein Blockschaltbild vor allem funktionale Zusammenhänge. Verwechsle diese Darstellungszwecke nicht.

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes:

Beispiel einer modularen SPS-Baugruppe der Baureihe S7-300

Systemparameter berechnen und plausibilisieren

Systemparameter sind Größen, mit denen sich Funktion und Belastung beschreiben lassen, zum Beispiel Spannung, Strom, Leistung, Druck, Volumenstrom, Weg, Geschwindigkeit, Zeit, Drehzahl oder Temperatur. Neben der Rechnung ist immer eine Plausibilitätsprüfung nötig.

Elektrisches Beispiel: Ein 24-V-Gleichstromantrieb nimmt im betrachteten Betriebspunkt 0,75 A auf. Die elektrische Leistung beträgt:

P = U · I = 24 V · 0,75 A = 18 W.

Läuft der Antrieb insgesamt acht Stunden, ergibt sich als vereinfachte Energieabschätzung:

E = P · t = 18 W · 8 h = 144 Wh = 0,144 kWh.

Die Rechnung ist nur dann belastbar, wenn Stromaufnahme und Laufzeit zum tatsächlichen Betrieb passen. Anlaufströme, Pausen, Wirkungsgrade und wechselnde Lasten können das Ergebnis verändern.

Mechanisches Beispiel: Ein Werkstück legt auf einem Förderband 0,15 m mit 0,20 m/s zurück. Die Transportzeit ist:

t = s / v = 0,15 m / 0,20 m/s = 0,75 s.

Typische Fehler sind vertauschte Einheiten, fehlende Umrechnungen, unklare Bezugsgrößen und scheinbar genaue Ergebnisse aus ungenauen Eingangsdaten.

Blockschaltbilder sowie Signal-, Stoff- und Energieflüsse

Blockschaltbilder erstellen

Ein Blockschaltbild reduziert ein komplexes System auf Funktionen und Verbindungen. Jeder Block erhält eine eindeutige Funktionsbezeichnung. Pfeile zeigen die Wirkrichtung. Ein gutes Blockschaltbild enthält nur so viele Details, wie für die Fragestellung erforderlich sind.

Für eine Sortierstation kann die Grundstruktur lauten:

Werkstück zuführen → Werkstück erkennen → Signal verarbeiten → Ausschleuszeitpunkt bestimmen → Zylinder ansteuern → Werkstück ausleiten → Endlage rückmelden.

Achte darauf, Bauteil und Funktion zu unterscheiden. „Induktiver Sensor“ bezeichnet ein Betriebsmittel; „Metallisches Werkstück erkennen“ beschreibt seine Funktion. Für eine Funktionsanalyse sind Funktionsbezeichnungen besonders aussagekräftig.

Signalfluss verfolgen

Der Signalfluss beschreibt, wie Informationen entstehen, übertragen, verarbeitet und ausgegeben werden. In der Modellanlage kann er so verfolgt werden:

Der Näherungsschalter wandelt die Werkstückerkennung in ein elektrisches Signal um.
Ein Eingang der SPS übernimmt den Signalzustand.
Das Programm prüft Bedingungen und Zeitbezug.
Ein SPS-Ausgang schaltet die Ventilspule.
Endlagensensoren melden die Zylinderstellung zurück.
Diagnoseanzeigen oder ein Bedienpanel stellen Zustände dar.

Bei der Fehlersuche gehst Du schrittweise entlang der Signalkette vor. Ein nicht fahrender Zylinder muss nicht mechanisch defekt sein; möglich sind auch ein fehlendes Sensorsignal, eine nicht erfüllte Programmbedingung, ein abgeschalteter Ausgang, eine unterbrochene Leitung oder fehlende Druckluft.

Das Fachvideo zeigt die Verbindung von Sensoren und Aktoren mit einer SPS. Nutze es zur Beobachtung von Ein- und Ausgangssignalen; konkrete Verdrahtungen sind nur nach Herstellerunterlagen, Freigabe und sicherer Unterweisung zu übernehmen.

Stoff- und Energiefluss unterscheiden

Der Stofffluss beschreibt die Bewegung oder Veränderung von Material. Bei der Sortierstation ist das der Weg des Werkstücks vom Einlauf über das Förderband bis zum Zielbehälter. Druckluft wird je nach Betrachtungszweck als Arbeitsmedium im Energiefluss beschrieben; bei einer detaillierten pneumatischen Analyse kann zusätzlich ihr Mediumfluss betrachtet werden.

Der Energiefluss zeigt, welche Energieformen bereitgestellt, umgewandelt und genutzt werden. Elektrische Energie versorgt SPS, Sensoren, Motor und Magnetventil. Das Ventil steuert pneumatische Energie. Der Zylinder wandelt sie in mechanische Bewegung um. Reibung, Leckage und Wärmeabgabe führen zu Verlusten.

Pneumatikzylinder mit Sensoren zur Erfassung von Kolbenstellungen

Eine nachhaltige Analyse fragt deshalb nicht nur „Funktioniert die Anlage?“, sondern auch: Ist der Druck höher als nötig? Gibt es Leckagen? Läuft der Motor unnötig? Können langlebige, reparierbare Komponenten eingesetzt werden? Lassen sich Zustände für eine vorausschauende Wartung nutzen, ohne unnötige personenbezogene Daten zu sammeln?

Analyseverfahren, Sicherheit und digitale Dokumentation

Vorgehensmodell für den beruflichen Auftrag

Ein belastbares Vorgehen folgt einem vollständigen Handlungszyklus:

Informieren: Auftrag, Unterlagen, Gefährdungen und offene Fragen erfassen.
Analysieren: Systemgrenze, Funktionen, Schnittstellen und Flüsse darstellen.
Planen: Arbeitsschritte, Hilfsmittel, Zuständigkeiten und Prüfkriterien festlegen.
Entscheiden: Lösungsweg begründen und Freigaben klären.
Durchführen: Nur freigegebene, sichere Tätigkeiten nach Plan ausführen.
Kontrollieren: Ergebnis messen, Soll-Ist-Vergleich durchführen und Abweichungen bewerten.
Dokumentieren und Reflektieren: Ergebnisse, Grenzen und Verbesserungen nachvollziehbar festhalten.

Für die Funktionsanalyse ist eine Prüfkette hilfreich: Anforderung → Funktion → Betriebsmittel → Schnittstelle → Mess- oder Beobachtungspunkt → erwartetes Ergebnis → tatsächliches Ergebnis → Bewertung.

Arbeits-, Gesundheits- und Umweltschutz

Vor praktischen Tätigkeiten ist eine auf den Arbeitsplatz bezogene Gefährdungsbeurteilung erforderlich. Nach § 5 Arbeitsschutzgesetz und § 3 Betriebssicherheitsverordnung müssen Gefährdungen beurteilt und geeignete Schutzmaßnahmen festgelegt werden. Für elektrische Anlagen und Betriebsmittel sind außerdem die betrieblich eingeführten Regeln, insbesondere DGUV Vorschrift 3, Herstellerangaben und die jeweils gültigen elektrotechnischen Normen zu beachten.

Für den Kurs gelten folgende Grundsätze:

Spannungsfreiheit herstellen und gegen Wiedereinschalten sichern, soweit die praktische Aufgabe dies erfordert und die befugte Fachkraft das Verfahren vorgibt.
Pneumatische Restenergie abbauen und gegen unbeabsichtigte Bewegung sichern.
Quetsch-, Scher-, Einzugs- und Nachlaufbereiche erkennen und abschirmen.
Geeignete persönliche Schutzausrüstung und sichere Werkzeuge nach Gefährdungsbeurteilung verwenden.
Schutzeinrichtungen niemals für eine Lernaufgabe überbrücken.
Prüfungen und Freigaben nur durch dafür befugte Personen durchführen lassen.

Die DIN EN 50110-1 (VDE 0105-1):2024-11 und DIN VDE 0105-100 sind fachliche Bezugspunkte für den Betrieb elektrischer Anlagen. Verbindlich ist stets die im Betrieb aktuell eingeführte und gültige Ausgabe. Normenentwürfe sind nicht mit veröffentlichten Normen gleichzusetzen. Dieser Kurs gibt keine geschützten Normtexte wieder.

Sichere Alternative: Analysiere das Verhalten zunächst in einer SPS-Simulation oder an einem galvanisch getrennten, berührungssicheren 24-V-Lernmodell. Simuliere Sensorzustände über freigegebene Eingabefelder und beobachte virtuelle Ausgänge. Mechanische Bewegungen werden erst nach sicherer Freigabe zugeschaltet.

Digitalisierung, Datenschutz und Informationssicherheit

Digitale Werkzeuge erleichtern Recherche, Schaltplanverwaltung, SPS-Diagnose, Messwerterfassung und Dokumentation. Sie erzeugen jedoch Anforderungen an Datenqualität und Sicherheit:

Verwende nur freigegebene Softwarestände und geprüfte Dateien.
Dokumentiere Versionsstand, Datum, Autorrolle und Änderung nachvollziehbar.
Vergib Zugriffsrechte nach dem Erforderlichkeitsprinzip.
Übernimm keine realen Kunden-, Beschäftigten- oder Schülerdaten in Lernprotokolle.
Nutze synthetische Auftrags-, Werkstück- und Messdaten.
Prüfe Dateien und Wechseldatenträger nach betrieblichen Sicherheitsregeln.
Trenne technische Diagnosewerte von personenbezogenen Leistungsdaten.

Ein Screenshot allein ist keine ausreichende technische Dokumentation. Er benötigt Kontext: Was wurde geprüft, unter welchen Bedingungen, mit welchem Sollwert, welchem Ergebnis und welcher Bewertung?

Kommunikation, Teamarbeit und englische Fachbegriffe

Die Analyse wird häufig im Team durchgeführt. Vereinbart Rollen wie Auftragsklärung, Dokumentenprüfung, Blockschaltbild, Sicherheitsprüfung und Ergebnispräsentation. Begründungen müssen für andere Fachkräfte verständlich sein. Häufige englische Begriffe in Datenblättern sind input, output, power supply, proximity sensor, actuator, wiring diagram, rated voltage und troubleshooting. Übersetze nicht nur wörtlich, sondern ordne den Begriff der konkreten Funktion zu.

Praxisfall: Funktionsanalyse einer 24-V-Sortierstation

Auftrag und Anlagenbeschreibung

Eine berührungssichere Modellanlage soll metallische Prüfkörper von nichtmetallischen Prüfkörpern unterscheiden. Ein Förderband transportiert die Teile. Ein induktiver Sensor meldet ein Metallteil an die SPS. Nach einer berechneten Verzögerung steuert die SPS ein 24-V-Magnetventil an. Ein doppeltwirkender Pneumatikzylinder schiebt das Metallteil in den seitlichen Behälter. Zwei Endlagensensoren melden die eingefahrene und ausgefahrene Position. Für den Lernversuch werden ausschließlich synthetische Werkstückkennungen M01 bis M20 verwendet.

Prüfbares Arbeitsergebnis: Ein vollständiges Analysepaket aus Anforderungsliste, Systemgrenze, Blockschaltbild, Flussanalyse, Berechnung, Arbeitsplan, Prüfprotokoll und begründeter Bewertung. Bei einem beaufsichtigten Modelltest sollen mindestens 19 von 20 Metallprüfkörpern richtig sortiert werden. Die Schutzmaßnahmen müssen vollständig eingehalten sein.

Funktions- und Flussanalyse

Die Systemgrenze beginnt an der Werkstückübergabe auf das Förderband und endet an den beiden Zielbehältern. Eingänge sind Werkstück, elektrische Energie, Druckluft, Startfreigabe und Sensorsignale. Ausgänge sind sortierte Werkstücke, Zustandsanzeigen, Diagnoseinformationen, Wärme und Geräusch.

Signalfluss: induktiver Sensor → SPS-Eingang → Programmlogik und Zeitglied → SPS-Ausgang → Magnetventil → Zylinderbewegung → Endlagensensor → SPS-Eingang.

Stofffluss: Prüfkörper → Förderband → Erkennungsstelle → Ausschleusestelle → Zielbehälter.

Energiefluss: 24-V-Versorgung → Steuerung, Sensor und Ventil; elektrische Versorgung → Motor → mechanische Bandbewegung; Druckluft → Ventil → Zylinder → lineare Bewegung.

Mögliche Störgrößen sind veränderter Werkstückabstand, falsche Sensorposition, lockere Steckverbindung, zu geringer Druck, verschmutzte Führung, geänderte Bandgeschwindigkeit oder eine falsche Zeitparametrierung.

Berechnung der Zeitparameter

Der Abstand zwischen Erkennungspunkt und Ausschleuseposition beträgt 0,15 m. Die Bandgeschwindigkeit beträgt 0,20 m/s.

Transportzeit: t = s / v = 0,15 m / 0,20 m/s = 0,75 s.

Vom Einschalten des Magnetventils bis zum wirksamen Eingriff des Ausschiebers vergehen im geprüften Modell 0,25 s. Das Ausgangssignal muss deshalb früher erfolgen:

Verzögerungszeit = 0,75 s − 0,25 s = 0,50 s.

Der Ausschieber bleibt 0,20 s ausgefahren und benötigt 0,35 s für den Rücklauf. Für den betrachteten Funktionszyklus ergibt sich:

Zykluszeit = 0,75 s + 0,20 s + 0,35 s = 1,30 s.

Die Werkstücke treffen im Mindestabstand von 2,00 s ein. Die zeitliche Reserve beträgt:

Reserve = 2,00 s − 1,30 s = 0,70 s.

Bei einem Werkstückabstand von 2,00 s wäre die theoretische Obergrenze:

Durchsatz = 3600 s/h / 2,00 s = 1800 Werkstücke pro Stunde.

Diese Zahl ist kein Produktionsversprechen. Reale Beschickung, Störungen, Pausen, Sicherheitsfunktionen und Materialeigenschaften reduzieren den nutzbaren Durchsatz. Vor der Parametrierung müssen Messbedingungen und Herstellergrenzen geprüft werden.

Arbeitsplan

Schritt	Tätigkeit	Hilfsmittel und Unterlagen	Prüfkriterium
Auftrag klären	Anforderungen, Systemgrenze und Abnahmekriterium festlegen	Auftragsblatt, Anlagenübersicht	Muss-Anforderungen sind eindeutig und messbar
Sicherheit planen	Gefährdungen und Schutzmaßnahmen mit befugter Aufsicht bewerten	Gefährdungsbeurteilung, Betriebsanweisung	Freigabe liegt vor, Restenergien sind beherrscht
Unterlagen prüfen	Pläne, Datenblätter, Softwarestand und Änderungsstand vergleichen	Stromlaufplan, Pneumatikplan, Datenblätter	Unterlagen passen zur Modellanlage
Funktion analysieren	Blockschaltbild sowie Signal-, Stoff- und Energiefluss erstellen	Zeichenwerkzeug oder freigegebene Software	Alle wesentlichen Schnittstellen sind enthalten
Parameter bestimmen	Transport-, Verzögerungs-, Zykluszeit und Reserve berechnen	Messwerte, Taschenrechner	Einheiten und Rechenwege sind plausibel
Simulation prüfen	Sensorzustände und Ausgangslogik ohne gefährliche Bewegung testen	SPS-Simulation oder 24-V-Lernmodell	Ausgang schaltet nur bei erfüllten Bedingungen
Modelltest durchführen	20 synthetisch gekennzeichnete Prüfkörper beaufsichtigt testen	Prüfkörper M01 bis M20, Prüfprotokoll	Mindestens 19 von 20 werden richtig sortiert
Ergebnis dokumentieren	Abweichungen, Ursachen, Korrekturen und Freigabe festhalten	Protokollvorlage	Ergebnis ist reproduzierbar und nachvollziehbar

Prüfprotokoll und Fehlerbewertung

Prüfpunkt	Soll	Beobachtung oder Messwert	Bewertung
Sensorsignal ohne Metall	Eingang bleibt inaktiv	Im Lernversuch einzutragen	erfüllt oder Abweichung
Sensorsignal mit Metall	Eingang wechselt reproduzierbar	Im Lernversuch einzutragen	erfüllt oder Abweichung
Verzögerung	0,50 s im festgelegten Toleranzbereich	Im Lernversuch einzutragen	erfüllt oder Abweichung
Zylinder-Endlagen	Beide Rückmeldungen sind eindeutig	Im Lernversuch einzutragen	erfüllt oder Abweichung
Sortierergebnis	Mindestens 19 von 20 Metallteilen richtig	Im Lernversuch einzutragen	erfüllt oder Abweichung
Schutzmaßnahmen	Vollständig wirksam, keine Überbrückung	Durch befugte Aufsicht zu bestätigen	erfüllt oder Versuch stoppen

Wird das Ziel verfehlt, darf nicht nur die Verzögerungszeit verändert werden. Prüfe zunächst systematisch: Sensorabstand, Reproduzierbarkeit des Eingangssignals, Bandgeschwindigkeit, pneumatischer Druck, Ventilschaltzeit, Zylinderbewegung, Werkstückabstand und Softwarebedingungen. Dokumentiere jede Änderung einzeln, damit Ursache und Wirkung erkennbar bleiben.

Bewertungsraster für den Lernnachweis

Jedes Kriterium wird mit 0 bis 3 Punkten bewertet. Maximal sind 18 Punkte erreichbar.

Kriterium	3 Punkte	2 Punkte	1 Punkt	0 Punkte
Auftragsanalyse	Anforderungen und Systemgrenze vollständig und prüfbar	überwiegend vollständig, kleine Unklarheit	mehrere wichtige Lücken	keine brauchbare Analyse
Funktionsdarstellung	Blockschaltbild und alle drei Flüsse fachlich schlüssig	geringe Darstellungsfehler	wesentliche Schnittstelle fehlt	Zusammenhang nicht erkennbar
Berechnungen	Rechenwege, Einheiten und Plausibilität korrekt	kleiner Rechen- oder Einheitenfehler	Ergebnis teilweise nachvollziehbar	keine verwertbare Berechnung
Sicherheitsplanung	Gefährdungen, Maßnahmen und Befugnisse vollständig berücksichtigt	kleinere Ergänzung erforderlich	wichtige Schutzmaßnahme fehlt	unsicheres Vorgehen
Prüfung	Kriterien, Messwerte und Abweichungen vollständig dokumentiert	überwiegend nachvollziehbar	lückenhaftes Protokoll	keine prüfbare Kontrolle
Fachkommunikation	klare Begründung, korrekte Fachbegriffe und reflektierte Verbesserung	verständlich mit kleinen Schwächen	teilweise unklar	nicht nachvollziehbar

Orientierende Auswertung: 16 bis 18 Punkte zeigen eine sehr sichere Bearbeitung, 13 bis 15 Punkte eine weitgehend sichere Bearbeitung, 9 bis 12 Punkte einen noch zu vertiefenden Stand und 0 bis 8 Punkte einen grundlegenden Überarbeitungsbedarf. Sicherheitsmängel können unabhängig von der Punktzahl zum Abbruch des praktischen Teils führen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Prüfe dein Wissen

Wozu dient die Systemgrenze bei einer Funktionsanalyse? (Sie legt fest welche Elemente und Schnittstellen untersucht werden) (!Sie ersetzt sämtliche technischen Unterlagen) (!Sie bestimmt automatisch den Hersteller der Anlage) (!Sie erlaubt das Überbrücken von Schutzeinrichtungen)

Welche Wirkungskette beschreibt eine typische mechatronische Funktion? (Sensor Verarbeitung Aktor) (!Aktor Werkzeug Lager) (!Motor Schraube Zeichnung) (!Druckluft Farbe Verpackung)

Wann liegt eine Regelung vor? (Wenn die Ausgangsgröße zurückgeführt und mit einem Sollwert verglichen wird) (!Wenn ein Ablauf nur durch eine feste Zeit bestimmt wird) (!Wenn eine Anlage ausschließlich mechanische Bauteile enthält) (!Wenn ein Sensor ohne Auswertung montiert ist)

Welcher Fluss beschreibt den Weg eines Werkstücks durch die Sortierstation? (Stofffluss) (!Signalfluss) (!Datenarchiv) (!Versionsfluss)

Was zeigt ein Blockschaltbild in erster Linie? (Funktionen und ihre gerichteten Zusammenhänge) (!Alle Maße eines Werkstücks) (!Jede einzelne Schraubenverbindung) (!Die Anwesenheitsliste des Teams)

Wie groß ist die Leistung bei 24 Volt und 0 Komma 75 Ampere? (18 Watt) (!32 Watt) (!0 Komma 03125 Watt) (!1800 Watt)

Welche Maßnahme gehört zu einer sicheren Analyse einer Pneumatikanlage? (Restenergie kontrolliert abbauen und Bewegung sichern) (!Schutzeinrichtungen für bessere Sicht entfernen) (!Leckagen mit der Hand bei vollem Druck suchen) (!Den Zylinder ohne Freigabe manuell blockieren)

Warum muss der Änderungsstand technischer Unterlagen geprüft werden? (Damit die Unterlagen zur tatsächlich betrachteten Anlage passen) (!Damit jede Prüfung ohne Messwerte auskommt) (!Damit ältere Pläne grundsätzlich bevorzugt werden) (!Damit Herstellerhinweise nicht beachtet werden müssen)

Welche Aussage zur digitalen Dokumentation ist richtig? (Sie soll Version Prüfbedingung Ergebnis und Bewertung nachvollziehbar machen) (!Sie darf reale Kundendaten ungeprüft als Lernbeispiel verwenden) (!Ein Screenshot ohne Kontext ersetzt jedes Prüfprotokoll) (!Zugriffsrechte sind bei technischen Dateien bedeutungslos)

Was folgt nach dem Durchführen im vollständigen Handlungszyklus? (Kontrollieren und dokumentiertes Bewerten) (!Ungeprüftes Übergeben an den Kunden) (!Löschen aller Messwerte) (!Ändern der Systemgrenze ohne Begründung)

Memory

Sensor	Erfasst einen physikalischen Zustand oder eine Größe
Aktor	Wandelt ein Steuersignal in eine physikalische Wirkung um
Systemgrenze	Trennt den Untersuchungsbereich von seiner Umgebung
Signalfluss	Beschreibt die Übertragung und Verarbeitung von Information
Stofffluss	Beschreibt den Weg oder die Veränderung von Material
Energiefluss	Beschreibt Bereitstellung Umwandlung und Nutzung von Energie

Drag and Drop

Ordne die richtige Funktion zu.	Bestandteil
Werkstück erkennen	Induktiver Sensor
Logische Bedingungen auswerten	SPS
Druckluftwege schalten	Magnetventil
Lineare Bewegung erzeugen	Pneumatikzylinder
Werkstück transportieren	Förderband

Die Zuordnung bildet die wesentliche Funktionskette der Sortierstation ab.

Kreuzworträtsel

Sensor	Welches Betriebsmittel erfasst einen Zustand oder eine physikalische Größe?
Aktor	Welches Betriebsmittel setzt ein Steuersignal in eine Wirkung um?
Energiefluss	Welcher Fluss beschreibt Bereitstellung und Umwandlung von Energie?
Stofffluss	Welcher Fluss verfolgt den Weg des Werkstücks?
Blockschaltbild	Welche Darstellung zeigt Funktionen als Blöcke und Beziehungen als Pfeile?
Systemgrenze	Welcher Begriff trennt Untersuchungsbereich und Umgebung?

LearningApps

Lückentext

Eine klare

legt fest, welche Elemente untersucht werden. Ein

erfasst einen Zustand oder eine physikalische Größe. Die Steuerung verarbeitet das Eingangssignal und schaltet bei erfüllten Bedingungen einen

. Der Weg von Informationen durch das System heißt

. Der Weg eines Werkstücks wird als

beschrieben. Vor einer praktischen Tätigkeit müssen Gefährdungen in einer

ermittelt werden. Das Prüfergebnis wird mit einem festgelegten

verglichen. Eine nachvollziehbare Dokumentation enthält auch den verwendeten

.

Offene Aufgaben

Leicht

Systemgrenze markieren: Zeichne eine einfache automatische Tür und markiere Systemgrenze, Umgebung, Eingänge und Ausgänge. Begründe Deine Abgrenzung in fünf Sätzen.
Funktionskette beschreiben: Wähle ein ungefährliches Alltagsgerät und beschreibe die Kette Sensor, Verarbeitung und Aktor mit korrekten Fachbegriffen.
Flüsse farblich darstellen: Erstelle für die Sortierstation eine Skizze, in der Signal-, Stoff- und Energiefluss eindeutig unterschieden und mit einer Legende erklärt werden.
Fachbegriffe erklären: Formuliere für sechs Begriffe des Kurses jeweils eine verständliche Definition und ein passendes Beispiel, ohne Text aus einer Quelle zu kopieren.

Standard

Blockschaltbild erstellen: Erstelle aus der Anlagenbeschreibung ein vollständiges Blockschaltbild mit Funktionsblöcken, Pfeilrichtungen und beschrifteten Schnittstellen.
Technische Unterlagen prüfen: Vergleiche zwei von der Lehrkraft bereitgestellte Planstände einer Modellanlage, dokumentiere Unterschiede und entscheide begründet, welche Fassung verwendet werden darf.
Zeitparameter berechnen: Berechne für drei veränderte Abstände und Bandgeschwindigkeiten die Transportzeit, bestimme eine geeignete Verzögerung und führe jeweils eine Einheiten- und Plausibilitätsprüfung durch.
Sicherheitsunterweisung gestalten: Produziere im Team ein zweiminütiges Erklärvideo oder ein digitales Poster über sichere Modellversuche an einer 24-V-Sortierstation; verwende keine realen Personen- oder Betriebsdaten.

Schwer

Fehler systematisch eingrenzen: Entwickle für das Fehlerbild „Zylinder fährt trotz erkanntem Metallteil nicht aus“ einen Diagnosebaum mit mindestens acht Prüfschritten, sicheren Messpunkten und Abbruchkriterien.
Praxisauftrag durchführen: Bearbeite den beschriebenen Sortierauftrag an einer Simulation oder unter befugter Aufsicht an einer sicheren Modellanlage vollständig von der Analyse bis zum Prüfprotokoll und bewerte Dein Ergebnis mit dem Raster.
Nachhaltigkeit optimieren: Analysiere Energieverbrauch, Druckluftnutzung, Verschleiß und Reparierbarkeit der Modellanlage und entwickle drei technisch begründete Verbesserungen mit möglichen Zielkonflikten.
Digitale Dokumentation auditieren: Prüfe ein synthetisches Projektdossier auf Versionsführung, Datenqualität, Datenschutz und Informationssicherheit, korrigiere die Schwachstellen und begründe ein geeignetes Rechtekonzept.

Lernkontrolle

Auftrag in Prüfkriterien übersetzen: Formuliere aus einer ungenauen Kundenanforderung mindestens vier messbare Muss- und Soll-Kriterien und begründe ihre Eignung für die Abnahme.
Systemmodell begründen: Erstelle eine Systemgrenze und ein Blockschaltbild für eine neue mechatronische Anlage und erläutere, warum bestimmte Elemente einbezogen oder ausgeschlossen wurden.
Flüsse analysieren: Verfolge für einen ausgewählten Betriebszustand Signal-, Stoff- und Energiefluss, benenne Schnittstellen und leite zwei mögliche Fehlerursachen aus der Darstellung ab.
Parameter übertragen: Berechne einen Zeit- oder Leistungsparameter mit neuen Werten, prüfe Einheiten und Größenordnung und erkläre, welche realen Einflüsse das Ergebnis verändern können.
Sicherheitsentscheidung treffen: Bewerte ein vorgegebenes Arbeitsszenario anhand von Gefährdung, Befugnis, Schutzmaßnahmen und sicherer Alternative und entscheide begründet, ob die Tätigkeit begonnen werden darf.
Prüfergebnis bewerten: Vergleiche ein synthetisches Prüfprotokoll mit den Sollkriterien, ordne Abweichungen ein und entwickle einen nachvollziehbaren Plan für Korrektur und erneute Prüfung.

Lernnachweis

Der zentrale Lernnachweis ist ein vollständiges Analysedossier zu einem berufstypischen mechatronischen Auftrag. Es umfasst:

Eine präzise Auftrags- und Anforderungsanalyse mit Systemgrenze.
Ein fachlich schlüssiges Blockschaltbild.
Die Darstellung von Signal-, Stoff- und Energiefluss.
Mindestens eine nachvollziehbare Berechnung mit Einheiten und Plausibilitätsprüfung.
Einen Arbeitsplan mit Zuständigkeiten, Hilfsmitteln, Schutzmaßnahmen und Prüfkriterien.
Ein ausgefülltes Prüfprotokoll auf Basis einer Simulation oder eines beaufsichtigten sicheren Modellversuchs.
Eine Bewertung mit dem 18-Punkte-Raster und eine begründete Verbesserung.
Eine kurze Fachpräsentation, in der Rückfragen zu Funktion, Sicherheit, Nachhaltigkeit und Digitalisierung beantwortet werden.

Als Kompetenznachweis gilt nicht nur das richtige Endergebnis. Entscheidend sind der begründete Arbeitsweg, die sichere Durchführung, die Qualität der Dokumentation und die Fähigkeit, Erkenntnisse auf eine andere mechatronische Anlage zu übertragen.

OER und Wikipedia

Zentrale Fach- und Rechtsquellen

Quelle	Verwendung im Kurs
KMK-Rahmenlehrplan Mechatronikerin und Mechatroniker	Lernfeld 1 auf PDF-Seite 9 mit Zielen und Inhalten
BIBB-Berufsprofil Mechatronikerin und Mechatroniker	Berufsbild, Ausbildungsdauer und modernisierte Ausbildungsinhalte
Arbeitsschutzgesetz § 5	Gefährdungsbeurteilung
Betriebssicherheitsverordnung § 3	Gefährdungsbeurteilung bei Arbeitsmitteln
DGUV Vorschrift 3	Elektrische Anlagen und Betriebsmittel
DIN EN 50110-1 VDE 0105-1 Ausgabe 2024-11	Fachlicher Bezug zum Betrieb elektrischer Anlagen; Normtext wird nicht wiedergegeben

Rechtsgrundlagen, Normen, DGUV-Regelwerk und Herstellerangaben können sich ändern. Vor einer realen Tätigkeit ist die aktuell gültige und im Betrieb eingeführte Fassung durch die verantwortliche Fachkraft zu prüfen.

Mediennachweise

Eingebundenes Medium	Geprüfte Quellseite	Urheber	Lizenz oder Nutzungshinweis
File:Feedback Loop.svg	Wikimedia Commons	Inductiveload	Gemeinfrei
File:PLC Block Diagram.jpg	Wikimedia Commons	ProVision und Mithil R. Kadam	CC BY-SA 4.0
File:Pepperl+Fuchs inductive proximity switch 3RG4113-3AG33-PF.jpg	Wikimedia Commons	Lucasbosch	CC BY-SA 3.0
File:S7300.JPG	Wikimedia Commons	Ulli1105 und Palatinatian	CC BY-SA 2.5
File:Pneumatica.svg	Wikimedia Commons	traxtorm	CC BY-SA 2.5
File:Cylinders with Hall sensors.png	Wikimedia Commons	IMeowbot	CC BY-SA 3.0
https://www.youtube.com/watch?v=ljtxboIMhic	Was macht Dejan eigentlich als Mechatroniker? 🧐	IHK Berlin	Eingebettetes Plattformvideo; Rechte verbleiben beim Anbieter, keine freie OER-Lizenz behauptet
https://www.youtube.com/watch?v=LJUcyWCAH_Y	SPS mit Sensoren und Aktoren verbinden	Christian Stöcker und automationTutorials	Eingebettetes Plattformvideo; Rechte verbleiben beim Anbieter

Die Commons-Dateiseiten enthalten die maßgeblichen Lizenz- und Attributionsangaben. Die Videos werden lediglich über die unterstützte YouTube-Einbettung angezeigt und nicht als offene Bildungsressourcen neu lizenziert.

Verknüpfte Lernbereiche

Funktionsanalyse mechatronischer Systeme

Verknüpfungen bestehen insbesondere zu Mathematik und Physik für Größen, Einheiten und Berechnungen, zu Technischer Kommunikation für Pläne und Dokumentationen, zu Informatik für logische Verknüpfungen und sichere Datenverarbeitung, zu Wirtschafts- und Sozialkunde für Arbeits- und Umweltschutz sowie zu Englisch für Datenblätter und internationale Fachbegriffe. Als anschließende Projekte eignen sich die Analyse einer automatischen Tür, einer Abfüllstation, eines Handhabungsgeräts oder eines energieoptimierten Fördermoduls.