Untersuchen des Informationsflusses in komplexen mechatronischen Systemen - Mechatroniker - LF 9

aiMOOC

Untersuchen des Informationsflusses in komplexen mechatronischen Systemen - Mechatroniker - LF 9

QR-Code

Einleitung

Dieser aiMOOC richtet sich an Auszubildende im Beruf Mechatronikerin beziehungsweise Mechatroniker im dritten Ausbildungsjahr. Er erschließt die Kompetenzen des KMK-Lernfelds 9: Du untersuchst den Informationsfluss in komplexen mechatronischen Systemen, liest und ergänzt technische Unterlagen, verfolgst Signale über elektrische, mechanische, pneumatische und hydraulische Teilsysteme, nutzt Mess- und Diagnoseverfahren, beurteilst Daten, lokalisierst Fehler und dokumentierst belastbare Ergebnisse. Dabei verbindest du Sensorik, SPS, industrielle Kommunikation, Aktorik, Prozessvisualisierung und Informationssicherheit zu einem Gesamtbild.

Übergeordnetes Lernziel: Du analysierst einen berufstypischen Auftrag, planst die Untersuchung, führst sie begründet und sicher durch, prüfst das Arbeitsergebnis und dokumentierst es so, dass eine andere Fachkraft den Befund nachvollziehen kann. Der Kurs ersetzt weder den betrieblichen Ausbildungsplan noch Herstellerunterlagen, Gefährdungsbeurteilungen, Freigaben, den Landeslehrplan oder Vorgaben der zuständigen Kammer.

Sicherheit und Verantwortung

Arbeiten an realen Maschinen, elektrischen Anlagen, Druckluft- oder Hydrauliksystemen dürfen nur im Rahmen deiner Befugnisse, nach betrieblicher Freigabe und unter Aufsicht einer verantwortlichen Fachkraft erfolgen. Vor Eingriffen sind insbesondere Energiequellen zu identifizieren, gegen Wiedereinschalten zu sichern und gespeicherte Energien zu berücksichtigen. Für diesen Kurs genügt eine spannungsfreie Lernanlage, ein Schulungsmodell oder eine Simulation mit synthetischen Daten. Echte Kunden-, Betriebs-, Personen- oder Schülerdaten werden nicht verwendet.

Eine automatisierte Fertigungszelle verdeutlicht, dass Informationen zwischen Sensoren, Steuerungen, Netzwerken, Bedienebenen und Aktoren fließen.

Video laden

YouTube

YouTube sammelt möglicherweise persönliche Daten. Datenschutzrichtlinie

Fortfahren Ausblenden

Das Video „Was ist eine SPS Steuerung?“ des Kanals SPS Tutorial dient als Einstieg. Prüfe bei jedem Video, ob gezeigte Softwarestände und Geräte zu deiner realen Anlage passen; maßgeblich bleiben aktuelle Herstellerangaben und betriebliche Vorgaben.

Informationsfluss als Wirkungskette verstehen

Vom physikalischen Ereignis zur Maschinenreaktion

Ein mechatronisches System verarbeitet nicht einfach „Daten“, sondern bildet einen technischen Prozess ab. Ein Werkstück unterbricht etwa eine Lichtschranke. Der Sensor wandelt das physikalische Ereignis in ein elektrisches Signal um. Ein Eingangsmodul erfasst den Zustand, die SPS übernimmt ihn in ihr Prozessabbild, das Programm bewertet ihn und erzeugt eine Ausgangsentscheidung. Über Ausgangsmodul, Ventilinsel oder Antriebsregler wird schließlich eine mechanische, pneumatische, hydraulische oder elektrische Wirkung ausgelöst.

Eine typische Kette lautet:

Prozessgröße → Sensor → Signalaufbereitung → Eingangsbaugruppe → Kommunikationssystem → Steuerungsprogramm → Ausgangsbaugruppe → Aktor → Prozessreaktion → Rückmeldung

Jedes Glied kann den Informationsgehalt verändern. Ein Sensor kann falsch justiert sein, eine Leitung kann gestört werden, ein Eingang kann falsch adressiert sein, ein Telegramm kann verspätet eintreffen, eine Programmbedingung kann fehlen oder ein Aktor kann trotz korrektem Ausgangssignal mechanisch blockieren. Deshalb ist eine reine Sicht auf das SPS-Programm für die Fehlersuche nicht ausreichend.

Information, Signal, Datenpunkt und Nachricht

Ein Signal ist eine physikalisch darstellbare Größe, zum Beispiel 24 Volt, 4 bis 20 Milliampere, ein Frequenzwert oder eine Bitfolge. Ein Datenpunkt ist die technisch und semantisch beschriebene Information, beispielsweise „Druck Station 2 in bar“. Eine Nachricht oder ein Telegramm überträgt strukturierte Daten zwischen Teilnehmern. Erst die Zuordnung aus Schaltplan, Variablenliste, Adressierung, Skalierung und Prozessbeschreibung gibt einem Zahlenwert seine Bedeutung.

Beispiel: Der Rohwert 13 824 ist ohne Kontext nicht aussagekräftig. Ist dokumentiert, dass ein Analogeingang den Bereich 0 bis 27 648 auf 0 bis 10 bar abbildet, ergibt sich:

$p=\frac{13824}{27648}\cdot 10\mathrm{b}\mathrm{a}\mathrm{r}=5\mathrm{b}\mathrm{a}\mathrm{r}$

Wird stattdessen irrtümlich ein Bereich von 0 bis 20 bar angenommen, zeigt die Visualisierung 10 bar. Das elektrische Signal kann korrekt sein, obwohl die dargestellte Information falsch ist. Typische Ursachen sind eine falsche Skalierung, ungeklärte Einheiten, vertauschte Byte-Reihenfolge oder eine veraltete Variablenliste.

Hierarchien und Informationsstrukturen

Komplexe Anlagen sind meist hierarchisch aufgebaut: Feldgeräte erfassen und beeinflussen den Prozess; Steuerungen führen zeitkritische Logik aus; Bedien- und Beobachtungssysteme visualisieren Zustände; übergeordnete Systeme planen, archivieren oder optimieren. Nicht jede Information benötigt dieselbe Aktualität. Ein Not-Halt gehört in eine dafür ausgelegte Sicherheitsfunktion und darf nicht von einer gewöhnlichen Visualisierungsverbindung abhängen. Ein Energieverbrauchswert kann dagegen langsamer übertragen und langfristig ausgewertet werden.

Erstelle beim Analysieren ein Informationsflussbild. Es zeigt Quelle, Ziel, Schnittstelle, Datenrichtung, Format, Aktualisierungsbedingung, erwarteten Wert und zulässige Reaktionszeit. Ergänze Rückmeldungen: Ein Schaltbefehl ist erst dann als erfolgreich bewertet, wenn eine geeignete Rückmeldung die tatsächliche Wirkung bestätigt.

Ein induktiver Näherungsschalter liefert eine Information über die Anwesenheit eines metallischen Objekts. Verdrahtung, Schaltlogik und Einbauabstand müssen zur Dokumentation passen.

Signale, Schnittstellen und zeitliches Verhalten

Digitale und analoge Signale prüfen

Bei einem digitalen 24-Volt-Signal untersuchst du nicht nur „ein“ oder „aus“. Du prüfst Bezugsleiter, Potenzial, Eingangstyp, Schaltlogik, Leitungszustand, Diagnoseanzeige und SPS-Status. PNP- und NPN-Schaltungen, Öffner- und Schließerlogik sowie invertierte Variablen können zu scheinbaren Widersprüchen führen. Ein Eingang kann im Programm „wahr“ sein, obwohl am Sensor keine Prozessbetätigung vorliegt, wenn eine Drahtbruchüberwachung oder Öffnerlogik verwendet wird.

Analoge Signale verlangen zusätzlich eine Prüfung von Messbereich, Einheit, Auflösung, Skalierung, Grenzwerten und Plausibilität. Bei 4 bis 20 Milliampere kann ein Wert deutlich unter 4 Milliampere auf Leitungsbruch oder Gerätefehler hindeuten, sofern der Hersteller dies so festlegt. Messungen müssen mit geeignetem, geprüftem Messgerät und nach der freigegebenen Messmethode erfolgen. Ein Oszilloskop oder Netzwerkanalysator darf die Anlage nicht unzulässig beeinflussen.

Prüfebene	Leitfrage	Geeigneter Nachweis
Physik	Liegt die erwartete Prozessgröße tatsächlich an?	Sichtprüfung, Referenzmessung oder sichere Simulation
Sensor	Wandelt der Sensor korrekt und reproduzierbar?	Statusanzeige, Ausgangsmessung und Datenblattabgleich
Eingang	Erreicht das Signal die richtige Klemme und Adresse?	Schaltplan, Klemmenplan und Online-Status
Programm	Wird der Zustand logisch richtig verarbeitet?	Beobachtungstabelle, Ablaufplan und Testfall
Ausgang und Aktor	Entsteht die beabsichtigte Wirkung mit Rückmeldung?	Ausgangsstatus, sichere Funktionsprüfung und Rückmeldesignal

Schnittstellen eindeutig beschreiben

Eine Schnittstelle ist mehr als ein Steckverbinder. Zu ihr gehören mechanische Ausführung, elektrische Pegel, Pinbelegung, Protokoll, Datenmodell, Aktualisierungszeit, Fehlerreaktion und Verantwortungsgrenze. Bei der Übergabe zwischen Teilsystemen muss eindeutig sein, welche Seite ein Signal erzeugt, welche es auswertet und welcher sichere Zustand bei Ausfall gilt.

Beispiel einer Übergabeschnittstelle zwischen Förderer und Roboter:

Signal	Richtung	Bedeutung	Plausibilitätsregel
Werkstück bereit	Förderer zur Robotersteuerung	Werkstück liegt in definierter Übergabeposition	Darf nur mit belegtem Positionssensor gesetzt sein
Roboter bereit	Robotersteuerung zum Förderer	Automatik aktiv und Übergabebereich frei	Muss bei Schutzraumverletzung sicher zurückgenommen werden
Übernahme abgeschlossen	Robotersteuerung zum Förderer	Werkstück wurde gegriffen und aus der Position entfernt	Erwartet innerhalb der projektierten Zeit nach Freigabe
Störung	Beidseitig	Teilsystem kann den Ablauf nicht fortsetzen	Fehlercode und Zeitstempel müssen zur Diagnose passen

Typische Fehler sind doppelte Signalnamen, unklare aktive Pegel, nicht dokumentierte Zeitbedingungen, verschiedene Versionsstände und eine fehlende Definition des Verhaltens nach Kommunikationsabbruch.

Latenz, Jitter und Reaktionszeit

Die Latenz ist die Verzögerung zwischen Ursache und beobachteter Wirkung. Jitter bezeichnet Schwankungen dieser Verzögerung. Für eine Wirkungskette kannst du die maximale Reaktionszeit überschlägig addieren:

$t_{\mathrm{g}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{t}}=t_{\mathrm{S}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{r}}+t_{\mathrm{E}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{g}}+t_{\mathrm{N}\mathrm{e}\mathrm{t}\mathrm{z}}+t_{\mathrm{S}\mathrm{P}\mathrm{S}}+t_{\mathrm{A}\mathrm{u}\mathrm{s}\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{g}}+t_{\mathrm{A}\mathrm{k}\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{r}}$

Angenommen, ein Sensor benötigt höchstens 6 Millisekunden, das Eingangsmodul 4 Millisekunden, das Netzwerk 8 Millisekunden, die SPS bis zu 10 Millisekunden, der Ausgangspfad 7 Millisekunden und der pneumatische Aktor 110 Millisekunden. Dann ergibt sich:

$t_{\mathrm{g}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{t}}=6+4+8+10+7+110=145\mathrm{m}\mathrm{s}$

Bei einer Fördergeschwindigkeit von 0,60 Meter pro Sekunde bewegt sich das Werkstück in dieser Zeit um:

$s=v\cdot t=\mathrm{0,60}\mathrm{m}/\mathrm{s}\cdot \mathrm{0,145}\mathrm{s}=\mathrm{0,087}\mathrm{m}=87\mathrm{m}\mathrm{m}$

Der Wert ist nur belastbar, wenn die Teilzeiten aus Datenblättern, Konfiguration oder Messungen stammen und ungünstige Fälle berücksichtigt sind. Durchschnittswerte dürfen eine garantierte Maximalzeit nicht ersetzen.

In einem Steuerungsschrank treffen Energie- und Informationspfade zusammen. Eine saubere Kennzeichnung und aktuelle Dokumentation erleichtern die sichere Signalverfolgung.

Vernetzte Steuerungen und Bussysteme

Punkt-zu-Punkt-Verbindung, Feldbus und Industrial Ethernet

Bei einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung sind Quelle und Ziel unmittelbar gekoppelt. Ein Bussystem erlaubt mehreren Teilnehmern den Austausch über ein gemeinsames Übertragungsmedium. Industrial-Ethernet-Systeme nutzen Ethernet-Technik, ergänzen sie aber um für Automatisierung geeignete Geräte-, Echtzeit-, Diagnose- und Konfigurationsmechanismen. Beispiele sind PROFINET, EtherNet/IP oder EtherCAT. Welches System verwendet wird, ergibt sich aus Anlage, Herstellerangaben und Projektierung; Begriffe dürfen nicht als austauschbar behandelt werden.

Bei PROFINET tauscht ein IO-Controller zyklische Prozessdaten mit IO-Devices aus. Azyklische Dienste können Parameter und Diagnosen übertragen. Gerätename, IP-Konfiguration, Modulaufbau, GSDML-Datei, Firmwarestand und projektierte Adressen müssen zusammenpassen. Ein erreichbares Gerät ist noch kein korrekt eingebundenes IO-Device.

Video laden

YouTube

YouTube sammelt möglicherweise persönliche Daten. Datenschutzrichtlinie

Fortfahren Ausblenden

Das deutschsprachige Erklärvideo „PROFINET – Der Film“ von Indu-Sol veranschaulicht Zusammenhänge zwischen Aktualisierungsrate, Zykluszeit, Netzaufbau und Kommunikationsqualität. Verwende die Analogie als Verständnisstütze, nicht als Ersatz für aktuelle PI-Richtlinien und Herstellerunterlagen.

Topologie und Datenwege untersuchen

Eine Topologie beschreibt die Anordnung der Verbindungen. Linien-, Stern-, Baum- und Ringstrukturen haben unterschiedliche Auswirkungen auf Erweiterbarkeit, Fehlereingrenzung und Verfügbarkeit. Ein managed Industrial-Ethernet-Switch kann Portstatistiken, Nachbarschaftsinformationen oder Diagnosemeldungen bereitstellen. Ein Ring erhöht nicht automatisch die Verfügbarkeit; Redundanzmechanismus, Umschaltzeit und unterstützte Komponenten müssen projektiert und geprüft sein.

Beim Signalweg über ein Netzwerk untersuchst du:

1. Netzwerktopologie: Welche Geräte, Ports, Leitungen und Medienwandler liegen im Pfad?
2. Adressierung: Sind Gerätename, IP-Adresse, Subnetz und logische Zuordnung konsistent?
3. Konfiguration: Stimmen Gerätebeschreibung, Modulsteckplätze, Datenlängen und Firmware?
4. Kommunikationsqualität: Gibt es Paketverluste, Wiederholungen, Portfehler, Überlast oder unerwartete Teilnehmer?
5. Zeitverhalten: Passen Aktualisierungszeit, Watchdog, Programmzyklus und Prozessanforderung zusammen?
6. Fehlerreaktion: Welche Ersatzwerte, Alarme und sicheren Zustände entstehen bei Unterbrechung?

Switches und Medienkonverter beeinflussen den realen Datenweg. Port, Übertragungsmedium, Versorgung und Diagnose müssen in der Dokumentation erkennbar sein.

Video laden

YouTube

YouTube sammelt möglicherweise persönliche Daten. Datenschutzrichtlinie

Fortfahren Ausblenden

Das Video „Der SWITCH – der Profi im Netzwerk“ von Indu-Sol erklärt Funktionen eines Industrial Switches und Bezüge zur Netzwerkdiagnose. Prüfe technische Aussagen für den konkreten Gerätetyp in dessen aktueller Dokumentation.

Daten erfassen, auswerten und visualisieren

Online-Status, Diagnosepuffer, Trendkurven, Meldelisten und Netzwerkmitschnitte liefern unterschiedliche Ausschnitte. Eine gute Diagnose kombiniert mehrere Quellen und ordnet sie auf einer gemeinsamen Zeitachse. Synchronisierte Uhren und dokumentierte Zeitzonen sind wichtig. Ein einzelner Screenshot ohne Zeitstempel, Anlagenzustand und Messpunkt ist nur eingeschränkt beweiskräftig.

Prozessvisualisierung soll Bedienhandlungen unterstützen, Zustände klar unterscheiden und Alarme priorisieren. Farbe allein genügt nicht; Text, Symbol und Kontext müssen die Bedeutung tragen. Trends können schleichende Veränderungen sichtbar machen, etwa steigende Antwortzeiten oder häufigere Sensorpreller. Simulationen helfen, Sollverhalten und Fehlerreaktionen gefahrlos zu prüfen. Sie bilden jedoch nur das modellierte Verhalten ab und müssen durch geeignete Prüfungen an der freigegebenen Anlage ergänzt werden.

Nachhaltigkeit entsteht nicht nur durch Energieeinsparung. Eine strukturierte Diagnose reduziert unnötigen Teiletausch, Stillstand, Ausschuss und Anfahrverluste. Für Energie- und Zustandsdaten sind sinnvolle Abtastraten, Speicherfristen und Datenmengen zu wählen. „Mehr Daten“ ist nicht automatisch eine bessere Analyse.

Systematische Diagnose, Schutz und Dokumentation

Vom Symptom zur prüfbaren Hypothese

Ein Symptom ist eine Beobachtung, noch keine Ursache. „Zylinder fährt zu spät aus“ kann durch Sensorposition, Signalprellen, Netzwerklatenz, Programmlogik, Ventilverzögerung, Druckabfall oder Mechanik entstehen. Formuliere daher Hypothesen, ordne jeder Hypothese eine Messung zu und lege vorab fest, welches Ergebnis sie stützt oder widerlegt.

Eine robuste Reihenfolge lautet:

1. Auftrag, Sollfunktion und Grenzen klären.
2. Aktuellen Anlagenzustand und Sicherheitsbedingungen erfassen.
3. Dokumentation und Versionsstände prüfen.
4. Informationsfluss vom Symptom rückwärts und von der Quelle vorwärts verfolgen.
5. Messpunkte mit geringem Eingriffsrisiko auswählen.
6. Sollwerte, Toleranzen und Zeitbezug festlegen.
7. Messung oder Simulation reproduzierbar durchführen.
8. Befund gegen Hypothesen prüfen.
9. Ursache beheben oder eindeutig eingrenzen.
10. Funktions-, Sicherheits- und Wiederholungsprüfung durchführen.
11. Änderungen und Restabweichungen dokumentieren.

Verändere während der Fehlersuche immer nur kontrolliert einen Einflussfaktor. Ein gleichzeitig getauschter Sensor, geändertes Programm und verstellter Druckregler zerstört die Nachvollziehbarkeit und kann neue Fehler erzeugen.

Informationssicherheit und Datenschutz in der OT

Für industrielle Systeme sind die Schutzziele Verfügbarkeit, Integrität, Vertraulichkeit und Authentizität wichtig. Verfügbarkeit bedeutet, dass notwendige Funktionen und Informationen rechtzeitig bereitstehen. Integrität schützt vor unbemerkter Veränderung. Vertraulichkeit begrenzt Kenntnisnahme. Authentizität unterstützt die verlässliche Zuordnung von Geräten, Benutzern und Datenquellen.

Praktische Maßnahmen sind segmentierte Netze, minimale Berechtigungen, freigegebene Engineering-Geräte, gesicherte Konfigurationsstände, nachvollziehbare Änderungen, kontrollierte Fernzugänge, aktuelle Sicherungskopien und ein abgestimmtes Patch- und Schwachstellenmanagement. Ein ungeplanter aktiver Netzwerkscan kann eine Anlage beeinträchtigen und ist ohne Freigabe unzulässig. Für Lernaufgaben verwendest du ein isoliertes Modellnetz oder bereitgestellte Aufzeichnungen.

Diagnosedaten können Personenbezug enthalten, etwa Benutzernamen, Schichtzeiten oder Bedienprotokolle. Es gelten Zweckbindung, Datenminimierung, Zugriffsschutz und angemessene Löschfristen. Exportiere nur erforderliche Daten und anonymisiere Beispiele. Zugangsdaten, Schlüssel, echte IP-Pläne und vertrauliche Betriebsinformationen gehören nicht in Lernprodukte oder öffentliche Kursseiten.

Arbeits-, Gesundheits- und Umweltschutz

Bei der Untersuchung sind elektrische, pneumatische, hydraulische, thermische, mechanische und gespeicherte Energien zu berücksichtigen. Maßgeblich sind die Gefährdungsbeurteilung, Betriebsanweisungen, die Betriebssicherheitsverordnung, einschlägige DGUV-Regeln, aktuelle Normen, Herstellerangaben und die Anweisungen der verantwortlichen Fachkraft. Die Auswahl und Benutzung von Messmitteln richtet sich nach Messkategorie, Spannungsbereich, Umgebungsbedingungen und Prüfzustand.

Änderungen an Steuerungs-, Netzwerk- oder Sicherheitsfunktionen dürfen nicht als harmlose „Softwarekorrektur“ behandelt werden. Sie benötigen Änderungsbewertung, Sicherung des Ausgangsstands, Freigabe, Prüfung und Dokumentation. Sicherheitsfunktionen werden nur mit dafür vorgesehenen Verfahren und qualifizierten Personen geprüft. Eine Standard-SPS, ein gewöhnliches Feldbusbit oder ein Bildschirmhinweis ersetzt keine validierte Sicherheitsfunktion.

Umweltschutz umfasst den sparsamen Einsatz von Material und Energie, fachgerechte Entsorgung, Vermeidung unnötigen Teiletauschs und die Bewertung von Lebenszyklusfolgen. Ein korrekt diagnostizierter Leitungs- oder Parametrierfehler kann den Austausch einer funktionsfähigen Baugruppe verhindern.

SPS-Baugruppen bilden nur einen Teil des Systems. Für Diagnose und Änderung sind Hardwarestand, Firmware, Programmversion, Verdrahtung und Peripherie gemeinsam zu betrachten.

Technische Dokumentation als Teil des Arbeitsergebnisses

Eine verwertbare Dokumentation beantwortet: Was war beauftragt? Welcher Sollzustand galt? Unter welchen Bedingungen wurde geprüft? Welche Unterlagen und Versionen wurden verwendet? Wo wurde gemessen? Welche Werte und Zeitstempel wurden erfasst? Wie wurden sie bewertet? Was wurde geändert? Welche Wiederholungsprüfung war erfolgreich? Welche Restpunkte bleiben?

Geeignete Bestandteile sind ein aktualisierter Signalflussplan, eine Messpunktliste, Messprotokolle, Diagnoseauszüge, ein Änderungsnachweis und ein Prüfbericht. Englische Herstellerunterlagen werden fachlich korrekt genutzt; übersetze nicht frei, wenn dadurch festgelegte Begriffe oder Warnhinweise verändert werden. Änderungen sind in die betrieblich geführten Unterlagen zu übernehmen, nicht nur in persönliche Notizen.

Praxisfall: Sortierstation analysieren und prüfen

Berufstypischer Auftrag

Eine automatisierte Sortierstation transportiert Werkstücke auf einem Band. Ein induktiver Sensor S1 erkennt ein Metallwerkstück. Die SPS überträgt den Zustand über ein Industrial-Ethernet-Netz an eine dezentrale Ausgangsbaugruppe. Ein pneumatischer Ausschleuser soll das Werkstück in einen Seitenkanal schieben. Seit einer Änderung trifft der Ausschleuser zu spät; die Mechanik, der Druck und das Ventil erscheinen bei Einzeltests funktionsfähig.

Auftrag: Analysiere den Informationsfluss, bestimme die erforderliche zeitliche Ansteuerung, prüfe die Hypothese „falscher Zeitwert nach Änderung“, führe eine sichere simulierte Korrektur durch und dokumentiere ein prüfbares Ergebnis. Die reale Anlage bleibt gesperrt; verwendet werden eine Simulation und synthetische Messdaten.

Gegebene Daten:

Größe	Wert	Bedeutung
Abstand Sensor bis Ausschleuspunkt	1,20 Meter	Weg des Werkstücks
Bandgeschwindigkeit	0,75 Meter pro Sekunde	als konstant angenommener Prüfwert
Sensor- und Eingangspfad	8 Millisekunden	bis zum gültigen SPS-Eingang
Netzwerk und SPS-Verarbeitung	12 Millisekunden	bis zur Ausgangsentscheidung
Ausgang und Kommunikation	14 Millisekunden	bis zum Ventilsignal
Pneumatische Reaktionszeit	120 Millisekunden	bis zur wirksamen Bewegung
aktuell eingestellte Verzögerung	1,550 Sekunden	Zeitbaustein im Programm

Analyse und Rechenweg

Zuerst wird die reine Fahrzeit des Werkstücks berechnet:

$t_{\mathrm{F}\mathrm{a}\mathrm{h}\mathrm{r}\mathrm{t}}=\frac{s}{v}=\frac{\mathrm{1,20}\mathrm{m}}{\mathrm{0,75}\mathrm{m}/\mathrm{s}}=\mathrm{1,600}\mathrm{s}$

Die technische Wirkungskette nach dem Sensor benötigt:

$t_{\mathrm{K}\mathrm{e}\mathrm{t}\mathrm{t}\mathrm{e}}=\mathrm{0,008}\mathrm{s}+\mathrm{0,012}\mathrm{s}+\mathrm{0,014}\mathrm{s}+\mathrm{0,120}\mathrm{s}=\mathrm{0,154}\mathrm{s}$

Die programmierte Verzögerung muss die bereits enthaltene technische Verzögerung berücksichtigen:

$t_{\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{r}}=t_{\mathrm{F}\mathrm{a}\mathrm{h}\mathrm{r}\mathrm{t}}-t_{\mathrm{K}\mathrm{e}\mathrm{t}\mathrm{t}\mathrm{e}}=\mathrm{1,600}\mathrm{s}-\mathrm{0,154}\mathrm{s}=\mathrm{1,446}\mathrm{s}$

Der aktuelle Wert von 1,550 Sekunden ist somit:

$\Delta t=\mathrm{1,550}\mathrm{s}-\mathrm{1,446}\mathrm{s}=\mathrm{0,104}\mathrm{s}$

zu groß. In 0,104 Sekunden legt das Band zurück:

$\Delta s=\mathrm{0,75}\mathrm{m}/\mathrm{s}\cdot \mathrm{0,104}\mathrm{s}=\mathrm{0,078}\mathrm{m}=78\mathrm{m}\mathrm{m}$

Die Rechnung stützt die Hypothese: Der Ausschleuser wirkt rechnerisch etwa 78 Millimeter zu spät. Für den simulierten Test wird kein scheinbar „exakt perfekter“ Wert erzwungen. Ein freigegebener Startwert von 1,440 Sekunden berücksichtigt die Auflösung der Simulation; anschließend wird die reale Streuung in mehreren Zyklen bewertet.

Typische Fehler im Rechenweg sind Millisekunden nicht in Sekunden umzuwandeln, die Aktorzeit zu addieren statt abzuziehen, eine schwankende Bandgeschwindigkeit als exakt anzunehmen oder Messwerte ohne Toleranz zu behandeln.

Arbeitsplan

Schritt	Tätigkeit	Werkzeug oder Unterlage	Prüfkriterium
Auftrag klären	Sollposition, Toleranz, Betriebsart und Freigabe festlegen	Auftrag, Ablaufbeschreibung, Gefährdungsbeurteilung	Prüfziel und Grenzen sind schriftlich eindeutig
Dokumente prüfen	Signal S1, SPS-Variable, Timer, Ausgang und Ventil zuordnen	Schaltplan, Netzplan, Variablenliste, Programmversion	Durchgängiger Signalweg ohne widersprüchliche Versionen
Daten sichern	Ausgangsstand und Parameter exportieren	freigegebenes Engineering-System	Wiederherstellbarer, gekennzeichneter Stand
Zeitkette untersuchen	Zeitstempel und Teilzeiten aus synthetischem Trace bestimmen	Simulation, Trend und Diagnoseprotokoll	Messpunkte und Einheiten sind nachvollziehbar
Berechnen	Fahrzeit, Kettenzeit, Timerwert und Positionsabweichung bestimmen	Rechenblatt	Rechenweg, Einheiten und Rundung korrekt
Änderung simulieren	Timer auf freigegebenen Testwert 1,440 Sekunden setzen	isolierte Simulation	Keine Änderung an realer Anlage
Wiederholungsprüfung	Fünf Prüfläufe mit gleichen Startbedingungen durchführen	simulierte Werkstücke und Positionsprotokoll	Alle Ergebnisse innerhalb der Toleranz
Dokumentieren	Befund, Änderung, Resultate, Grenzen und Rücksetzung festhalten	Prüfbericht und aktualisierter Signalflussplan	Andere Fachkraft kann den Test reproduzieren

Prüfergebnis und Bewertung

Die Simulation liefert bei einem Solltreffpunkt von 0 Millimeter folgende Abweichungen: minus 6, plus 3, plus 8, minus 2 und plus 5 Millimeter. Die festgelegte Toleranz beträgt plus oder minus 10 Millimeter. Alle fünf Läufe liegen innerhalb der Toleranz. Der Mittelwert beträgt:

$\overline{x}=\frac{-6+3+8-2+5}{5}\mathrm{m}\mathrm{m}=\mathrm{1,6}\mathrm{m}\mathrm{m}$

Das prüfbare Arbeitsergebnis lautet: In der isolierten Simulation ist die vollständige Informationskette dokumentiert, der vorherige Zeitwert als plausible Ursache der Verspätung rechnerisch bestätigt, der Testwert 1,440 Sekunden in fünf Läufen geprüft und die Positionsanforderung plus oder minus 10 Millimeter erfüllt. Dieses Ergebnis erlaubt noch keine ungeprüfte Übernahme in eine reale Anlage. Dort wären Freigabe, tatsächliche Geschwindigkeitsstreuung, Druckverhalten, Schutzfunktionen, Herstellerangaben und ein kontrollierter Inbetriebnahmetest zu berücksichtigen.

Bewertungsbereich	Punkte	Kriterien
Auftrags- und Sicherheitsanalyse	20	Prüfziel, Grenzen, Befugnisse, Energiegefahren und sichere Simulationsalternative vollständig
Informationsfluss und Dokumente	20	Quelle, Schnittstellen, Adressen, Versionen, Datenrichtung und Rückmeldung korrekt dargestellt
Mess- und Rechenweg	25	Größen, Einheiten, Formeln, Teilzeiten, Differenz und Positionsabweichung nachvollziehbar
Durchführung und Prüfung	20	Änderung kontrolliert, fünf Wiederholungen, Toleranzvergleich und keine unzulässige Anlagenwirkung
Dokumentation und Reflexion	15	Ergebnis reproduzierbar, Restgrenzen benannt, Datenschutz und Nachhaltigkeit berücksichtigt
Gesamt	100	Ab 80 Punkten ist der Lernnachweis fachlich überzeugend; sicherheitskritische Auslassungen müssen unabhängig von der Punktzahl nachgebessert werden.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Prüfe dein Wissen

Welche Darstellung beschreibt einen vollständigen Informationsfluss am besten? (Prozessereignis Sensor Eingang Steuerungslogik Ausgang Aktor Rückmeldung) (!Sensor Aktor ohne Auswertung und Rückmeldung) (!Bedienbildschirm Datenbank Drucker Beleuchtung) (!Mechanik Schmierung Reinigung Lagerhaltung)

Welche Aussage zu einem Rohwert eines Analogeingangs ist richtig? (Er erhält erst durch Messbereich Skalierung und Einheit seine fachliche Bedeutung) (!Er entspricht immer direkt dem Messwert in der SI Einheit) (!Er ist unabhängig von der Parametrierung des Eingangsmoduls) (!Er beweist allein die korrekte Funktion des Sensors)

Was bezeichnet Latenz in einer mechatronischen Wirkungskette? (Die Verzögerung zwischen Ursache und beobachteter Wirkung) (!Die Anzahl aller Teilnehmer im Netzwerk) (!Die elektrische Leistung eines Aktors) (!Die Genauigkeit einer technischen Zeichnung)

Welcher Befund spricht am ehesten für einen Adressierungs- oder Zuordnungsfehler? (Der richtige Sensor schaltet aber im Programm ändert sich eine andere Variable) (!Der Sensor und die zugehörige Variable wechseln gleichzeitig) (!Der Aktor erreicht nach Freigabe seine Sollposition) (!Die Dokumentation stimmt mit Klemme und Variable überein)

Welche Information gehört zu einer eindeutig beschriebenen Schnittstelle? (Datenrichtung Bedeutung Pegellogik Zeitverhalten und Fehlerreaktion) (!Nur die Farbe des verwendeten Kabels) (!Nur der Name des Anlagenherstellers) (!Nur der Preis des angeschlossenen Geräts)

Warum werden bei einer Diagnose Hypothesen vor der Messung formuliert? (Damit Messungen gezielt ausgewählt und Befunde prüfbar bewertet werden) (!Damit alle Komponenten vorsorglich gleichzeitig ersetzt werden) (!Damit die Dokumentation nach der Reparatur entfallen kann) (!Damit ohne Freigabe aktive Netzwerkscans durchgeführt werden können)

Welches Schutzziel beschreibt den Schutz vor unbemerkter Veränderung von Daten? (Integrität) (!Verfügbarkeit) (!Vertraulichkeit) (!Ergonomie)

Was ist bei einer Änderung an einer Steuerung erforderlich? (Ausgangsstand sichern Änderung bewerten freigeben prüfen und dokumentieren) (!Nur den neuen Wert eintragen und die alte Version löschen) (!Die Schutzfunktionen während der Prüfung dauerhaft überbrücken) (!Alle Diagnosedaten öffentlich teilen)

Wie groß ist bei 0 Komma 75 Meter pro Sekunde der Weg in 0 Komma 104 Sekunden? (78 Millimeter) (!7 Komma 8 Millimeter) (!780 Millimeter) (!104 Millimeter)

Welches Ergebnis ist nach einer erfolgreichen Simulation fachlich zulässig? (Die Hypothese ist im Modell gestützt und muss für die reale Anlage kontrolliert geprüft werden) (!Die reale Anlage darf ohne weitere Freigabe geändert werden) (!Alle realen Störgrößen sind durch die Simulation ausgeschlossen) (!Die Simulation ersetzt die Prüfung von Sicherheitsfunktionen)

Memory

Sensor	Wandelt eine physikalische Größe in ein auswertbares Signal um
Aktor	Setzt ein Steuersignal in eine technische Wirkung um
Latenz	Zeitliche Verzögerung zwischen Ursache und Wirkung
Telegramm	Strukturierte Nachricht zwischen Kommunikationsteilnehmern
Integrität	Schutz vor unbemerkter Veränderung von Informationen
Topologie	Anordnung der Verbindungen und Teilnehmer eines Netzes

Drag-and-drop

Ordne den Prüfschritt der passenden Leitfrage zu.	Leitfrage
Prozess prüfen	Liegt die erwartete physikalische Situation tatsächlich vor
Sensor prüfen	Wird das Ereignis korrekt und reproduzierbar gewandelt
Eingang prüfen	Erreicht das Signal die richtige Klemme und SPS Adresse
Programm prüfen	Wird der Zustand logisch und zeitlich korrekt verarbeitet
Aktor prüfen	Entsteht die beabsichtigte Wirkung mit passender Rückmeldung

Eine systematische Prüfung folgt dem Signalweg und trennt Beobachtung, Hypothese und Nachweis.

Kreuzworträtsel

Sensorik	Welcher Bereich erfasst physikalische Prozessgrößen?
Prozessabbild	Wie heißt der von einer SPS zyklisch verwendete Ein- und Ausgangszustand?
Telegramm	Wie heißt eine strukturierte Nachricht in einem Kommunikationssystem?
Topologie	Wie heißt die Anordnung von Teilnehmern und Verbindungen?
Latenz	Wie heißt die Verzögerung zwischen Ursache und Wirkung?
Integrität	Welches Schutzziel verhindert unbemerkte Datenänderungen?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Ein physikalisches Ereignis wird durch einen in ein auswertbares Signal umgewandelt. Die SPS übernimmt Eingangszustände typischerweise in ihr . Eine strukturierte Nachricht zwischen Netzwerkteilnehmern heißt . Die Verzögerung zwischen Ursache und Wirkung wird als bezeichnet. Schwankungen dieser Verzögerung heißen . Der Schutz vor unbemerkter Veränderung von Informationen heißt . Eine Diagnose beginnt mit einer prüfbaren . Änderungen müssen abschließend geprüft und in der technischen nachvollziehbar festgehalten werden.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Signalweg skizzieren: Zeichne für ein ungefährliches Schulungsmodell den Weg von einem Sensor über die Steuerung bis zum Aktor und kennzeichne Quelle, Verarbeitung, Wirkung und Rückmeldung.
2. Begriffe erklären: Erstelle ein einseitiges Glossar zu Signal, Datenpunkt, Schnittstelle, Telegramm, Latenz, Jitter, Topologie und Diagnose; ergänze zu jedem Begriff ein eigenes Beispiel.
3. Dokumente vergleichen: Vergleiche einen bereitgestellten Schaltplanausschnitt mit einer synthetischen Variablenliste und markiere mindestens drei Informationen, die für eine eindeutige Zuordnung benötigt werden.
4. Sicherheitscheck: Formuliere zehn Fragen, die vor einer Messung an einer mechatronischen Anlage mit der verantwortlichen Fachkraft geklärt werden müssen.

Standard

1. Analoge Skalierung: Berechne für einen vorgegebenen Rohwert und Messbereich den technischen Wert, erkläre jeden Rechenschritt und prüfe das Ergebnis mit einer Grenzwertbetrachtung.
2. Zeitkette untersuchen: Erstelle aus bereitgestellten synthetischen Zeitstempeln eine Zeitachse, bestimme Teilzeiten, Gesamtlatenz und Jitter und bewerte, ob eine gegebene Toleranz eingehalten wird.
3. Netzplan analysieren: Untersuche einen anonymisierten Modellnetzplan auf Datenwege, mögliche Einzelfehlerstellen und fehlende Dokumentationsangaben; schlage begründete Verbesserungen vor.
4. Diagnoseprotokoll erstellen: Bearbeite einen simulierten Fehler nach dem Schema Symptom, Hypothese, Messung, Befund, Ursache, Maßnahme und Wiederholungsprüfung.

Schwer

1. Praxisauftrag planen: Plane die Untersuchung einer verzögerten Ausschleusung vollständig mit Arbeitsplan, Gefährdungsbetrachtung, Messpunkten, Sollwerten, Toleranzen, Freigaben und sicherer Simulationsalternative.
2. Trace auswerten: Werte einen bereitgestellten synthetischen SPS- und Netzwerk-Trace aus, ordne Ereignisse einer gemeinsamen Zeitachse zu und begründe, an welcher Schnittstelle der Informationsfluss gestört ist.
3. Änderung bewerten: Beurteile eine vorgeschlagene Änderung von Aktualisierungszeit, Watchdog und Programmverzögerung hinsichtlich Prozessfunktion, Netzlast, Fehlerreaktion, Informationssicherheit und notwendiger Prüfung.
4. Lernprodukt entwickeln: Produziere ein fachlich korrektes Erklärvideo oder eine interaktive Präsentation zur systematischen Signalverfolgung; verwende ausschließlich eigene oder offen lizenzierte Medien und dokumentiere Quellen und Lizenzen.

Lernkontrolle

1. Informationsfluss rekonstruieren: Rekonstruiere aus Schaltplan, Netzplan, Variablenliste und Ablaufbeschreibung den vollständigen Weg eines ausgewählten Signals und begründe, welche Rückmeldung den Erfolg bestätigt.
2. Fehlerhypothesen priorisieren: Ordne für das Symptom „Aktor reagiert sporadisch zu spät“ mindestens fünf Hypothesen nach Wahrscheinlichkeit und Risiko und leite zu jeder eine möglichst eingriffsarme Prüfung ab.
3. Reaktionszeit berechnen: Berechne aus vorgegebenen Sensor-, Netzwerk-, SPS- und Aktorzeiten die ungünstigste Gesamtreaktionszeit und übertrage sie bei gegebener Geschwindigkeit in eine Wegabweichung.
4. Messdaten bewerten: Entscheide anhand mehrerer synthetischer Messreihen, ob ein Fehler reproduzierbar ist, ob Jitter vorliegt und ob die Daten für eine Freigabe ausreichen; begründe Unsicherheiten.
5. Schutzkonzept prüfen: Beurteile einen Modellfall hinsichtlich Verfügbarkeit, Integrität, Vertraulichkeit, Authentizität, Datenschutz und sicherem Fernzugang und formuliere konkrete Verbesserungen.
6. Abnahme argumentieren: Verfasse eine fachliche Abnahmeempfehlung oder begründete Nichtfreigabe für eine simulierte Änderung; beziehe Funktion, Toleranz, Wiederholungsprüfung, Dokumentation und verbleibende Risiken ein.

Lernnachweis

Als konkreten Lernnachweis bearbeitest du einen vollständigen, anonymisierten Diagnoseauftrag an einem Modell oder in einer Simulation. Dein Portfolio enthält:

Nachweis	Erwartete Leistung
Auftragsanalyse	Sollfunktion, Prüfgrenzen, Zuständigkeit und Sicherheitsbedingungen sind eindeutig beschrieben
Informationsflussplan	Sensor, Eingänge, Kommunikation, SPS-Logik, Ausgänge, Aktor und Rückmeldung sind mit Datenrichtung und Schnittstellen dargestellt
Arbeits- und Prüfplan	Reihenfolge, Hilfsmittel, Messpunkte, Sollwerte, Toleranzen und Freigaben sind begründet
Auswertung	Messwerte, Zeitbezug, Rechenwege, Hypothesen und Unsicherheiten sind nachvollziehbar
Arbeitsergebnis	Fehlerursache ist nachgewiesen oder fachlich eingegrenzt; die Funktionsprüfung ist reproduzierbar
Dokumentation	Änderungen, Versionsstände, Datenschutz, Nachhaltigkeit, offene Punkte und Rücksetzung sind festgehalten
Transfer	Du erklärst, wie das Vorgehen auf ein anderes Bussystem oder eine andere mechatronische Station übertragen werden kann

Für die Bewertung kann das 100-Punkte-Raster des Praxisfalls verwendet werden. Ein sicherheitskritischer Mangel, eine nicht autorisierte Anlagenänderung oder die Verwendung vertraulicher Echtdaten erfordert unabhängig von der Punktzahl eine Überarbeitung.

OER und Wikipedia

Offizielle und fachliche Ausgangsquellen, geprüft am 25. Oktober 2026:

1. KMK-Rahmenlehrplan Mechatroniker: Lernfeld 9 auf PDF-Seite 17 mit Ziel- und Inhaltsbeschreibung.
2. BIBB-Berufsprofil Mechatroniker: Berufsprofil, Ausbildungsdauer und Verweis auf die geltende Ausbildungsordnung.
3. Mechatroniker-Ausbildungsverordnung: Ausbildungsberufsbild, Fertigkeiten, Kenntnisse und Prüfungsrahmen; betriebliche und kammerbezogene Vorgaben bleiben zusätzlich maßgeblich.
4. Betriebssicherheitsverordnung: Rechtsrahmen für die sichere Bereitstellung und Benutzung von Arbeitsmitteln.
5. DGUV Vorschrift 3: Elektrische Anlagen und Betriebsmittel; aktuelle betriebliche Umsetzung und ergänzende Regeln prüfen.
6. BSI zu industriellen Steuerungs- und Automatisierungssystemen: Empfehlungen zur OT- und ICS-Sicherheit.
7. Datenschutz-Grundverordnung: Rechtsgrundlage für den Schutz personenbezogener Daten.
8. DIN EN 60204-1:2026-06: Sicherheit von Maschinen und elektrische Ausrüstung; Normtext nicht frei übernommen, konkrete Ausgabe und Übergangsregeln projektbezogen prüfen.
9. DIN EN ISO 12100: Risikobeurteilung und Risikominderung bei Maschinen; aktuelle Fassung und Anwendbarkeit prüfen.
10. IEC 61131-3:2025: Internationale Ausgabe zu Programmiersprachen für speicherprogrammierbare Steuerungen; nationale Ausgabe und vertraglich geltende Version gesondert prüfen.
11. PROFINET International: Technische Einführungen, Systembeschreibung, Planung und Diagnose; für konkrete Geräte gelten zusätzlich deren aktuelle Handbücher.
12. OPC Foundation zu OPC UA: Überblick zu Informationsmodellen, Kommunikation und Sicherheitsmechanismen.

Geprüfte Medien und Rechtehinweise:

Eingebettetes Medium	Quelle	Urheber oder Anbieter	Lizenz beziehungsweise Rechtehinweis
File:Automated Manufacturing Research Facility.jpg	Wikimedia Commons	James S. Albus, National Institute of Standards and Technology	Public Domain laut Dateibeschreibungsseite
File:Pepperl+Fuchs inductive proximity switch 3RG4113-3AG33-PF.jpg	Wikimedia Commons	Lucasbosch	Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 laut Dateibeschreibungsseite
File:PLC Control Panel.png	Wikimedia Commons	Dailynetworks	Public Domain laut Dateibeschreibungsseite
File:Eks Medienkonverter2 Industrial Ethernet Switch.jpg	Wikimedia Commons	Ralph Engel und eks Engel	Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Germany laut Dateibeschreibungsseite
File:Programmable logic controller.jpg	Wikimedia Commons	Bisgaard	GNU Free Documentation License und Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 laut Dateibeschreibungsseite
https://www.youtube.com/watch?v=cNx3z9GVZQU	YouTube: Was ist eine SPS Steuerung?	SPS Tutorial	Kein OER-Nachweis; Einbettung über YouTube, Rechte beim Anbieter
https://www.youtube.com/watch?v=k8MFH9QpEBQ	YouTube: PROFINET – Der Film	Indu-Sol GmbH	Kein OER-Nachweis; Einbettung über YouTube, Rechte beim Anbieter
https://www.youtube.com/watch?v=C99cqmhcOPM	YouTube: Der SWITCH – der Profi im Netzwerk	Indu-Sol GmbH	Kein OER-Nachweis; Einbettung über YouTube, Rechte beim Anbieter

Die Commons-Medien sind unter den jeweils genannten Bedingungen nachnutzbar. Prüfe vor einer Weiterverwendung die vollständigen Lizenzangaben und erforderliche Namensnennung auf der verlinkten Dateiseite. Die eingebetteten Videos sind fachlich passende externe Lernmedien, aber nicht als OER ausgewiesen.

Verknüpfte Lernbereiche

Informationsfluss in mechatronischen Systemen Mechatronik Sensorik Aktorik Speicherprogrammierbare Steuerung Feldbus Industrial Ethernet PROFINET Netzwerktopologie Signalverarbeitung Fehlerdiagnose Prozessvisualisierung Informationssicherheit Arbeitssicherheit Technische Dokumentation Qualitätsmanagement

Der Lernbereich verbindet Elektrotechnik, Steuerungs- und Regelungstechnik, Mechanik, Pneumatik, Hydraulik, Informatik, Mathematik, Englisch für technische Dokumentation, Arbeits- und Gesundheitsschutz, Umweltschutz, Datenschutz, Nachhaltigkeit und betriebliche Kommunikation. Geeignete Folgeprojekte sind eine digitale Signalwegkarte, ein simulierter Netzwerkfehler mit Diagnosebericht, ein Energie- und Zustandsmonitoring mit synthetischen Daten oder eine versionsgeführte Abnahmeakte für ein Modellteilsystem.

aiMOOC Projekte

Schulfach+

aiMOOCs

aiMOOC Projekte