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Fachübungen 3 – Steuerungen analysieren und anpassen - Elektroniker für Geräte und Systeme

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Einleitung

In diesem aiMOOC analysierst du einfache Steuerungen, beschreibst ihre Wirkungsketten und passt ihre Logik systematisch an. Der Kurs richtet sich an Auszubildende zum Elektroniker für Geräte und Systeme beziehungsweise zur Elektronikerin für Geräte und Systeme im ersten Ausbildungsjahr. Er orientiert sich an Lernfeld 3 Steuerungen analysieren und anpassen mit einem Zeitrichtwert von 80 Unterrichtsstunden. Im Mittelpunkt stehen das Planen, Analysieren, Ändern, Prüfen und Dokumentieren von Steuerungsfunktionen.

Du arbeitest mit synthetischen Beispieldaten. Praktische Tätigkeiten erfolgen ausschließlich an freigegebenen Schulungsaufbauten, in Simulationen oder an Schutzkleinspannung unter qualifizierter Anleitung. Arbeiten an Netzspannung, sicherheitsbezogenen Steuerungen, Maschinen oder Gefahrstellen sowie eine reale Maschinenfreigabe sind nicht Bestandteil dieses Kurses.

Nach diesem Kurs kannst du

Steuerungen und Regelungen anhand ihrer Wirkungsstruktur unterscheiden.
einen Signalfluss nach dem EVA-Prinzip mit Sensor, Verarbeitung und Aktor darstellen.
logische Grundverknüpfungen, Speicherfunktionen und einfache Kontaktpläne auswerten.
verbindungsprogrammierte und speicherprogrammierbare Lösungen fachlich vergleichen.
eine Änderung aus einem Auftrag ableiten, sicher simulieren, mit einem Prüfplan testen und nachvollziehbar dokumentieren.
typische Fehler mit Messwerten, Wahrheitstabellen und Ursache-Wirkungs-Hypothesen eingrenzen.

Einordnung in Ausbildung und Prüfung

Die folgenden Eckdaten wurden vor der Kurserstellung anhand der offiziellen Quellen von BIBB, KMK und der konsolidierten Ausbildungsordnung geprüft.

Aspekt	Geprüfte Einordnung
Ausbildungsberuf	Staatlich anerkannter industrieller Ausbildungsberuf im Zuständigkeitsbereich Industrie und Handel
Ausbildungsdauer	Dreieinhalb Jahre beziehungsweise 42 Monate
Struktur	Der Beruf ist in der geltenden Ordnung über Einsatzgebiete strukturiert; eine zusätzliche Fachrichtung wird in der Berufsbezeichnung nicht geführt
Einsatzgebiete	Informations- und kommunikationstechnische Geräte; medizinische Geräte; Automotive-Systeme; Systemkomponenten, Sensoren, Aktoren und Mikrosysteme; EMS; Mess- und Prüftechnik
Lernfeld	Lernfeld 3 im ersten Ausbildungsjahr mit 80 Unterrichtsstunden
Prüfungsstruktur	Gestreckte Abschlussprüfung mit den zeitlich auseinanderfallenden Teilen 1 und 2; dieser Kurs enthält keine Originalprüfungsaufgaben
Ausbildungsbeginn	Der konkrete Beginn ergibt sich aus dem Ausbildungsvertrag; es gibt keinen für alle Betriebe einheitlichen bundesweiten Starttermin

Verbindliche Quellen: BIBB-Berufsprofil, KMK-Rahmenlehrplan und konsolidierte Ausbildungsordnung. Für konkrete Prüfungstermine, Zulassung und organisatorische Einzelheiten gelten stets die aktuellen Hinweise der zuständigen IHK.

Steuerungen und Regelungen fachgerecht einordnen

Grundbegriffe

Eine Steuerung beeinflusst einen Prozess nach einer vorgegebenen Logik. Eingangsgrößen werden verarbeitet und erzeugen Ausgangsgrößen. Die Wirkung der Ausgangsgröße auf den Prozess wird bei der reinen Steuerung nicht fortlaufend als Regelgröße mit einem Sollwert verglichen. Typische Beispiele sind eine zeitabhängige Beleuchtungsfolge oder eine Freigabelogik aus mehreren digitalen Signalen.

Eine Regelung besitzt dagegen einen geschlossenen Wirkungsablauf. Ein Sensor erfasst die Regelgröße, die Regelung vergleicht Istwert und Sollwert und verändert die Stellgröße so, dass die Regelabweichung kleiner wird. Ein Temperaturregler ist ein typisches Beispiel: Er misst die aktuelle Temperatur und passt die Heizleistung an.

In realen Geräten können Steuerungs- und Regelungsfunktionen gemeinsam vorkommen. Entscheidend ist deshalb nicht die Gerätebezeichnung, sondern die konkrete Wirkungsstruktur.

Merkmal	Steuerung	Regelung
Wirkungsablauf	überwiegend offen	geschlossen
Rückführung der maßgeblichen Ausgangsgröße	nicht als fortlaufender Soll-Ist-Vergleich erforderlich	erforderlich
Reaktion auf Störungen	nur, wenn die Störung als Eingang erfasst und logisch berücksichtigt wird	über die gemessene Regelgröße möglich
Beispiel	Prüflampe leuchtet bei erfüllter Freigabebedingung	Lüfterdrehzahl wird auf einen Sollwert geregelt

Typischer Fehler: Eine Rückmeldung wie „Endlage erreicht“ macht nicht automatisch jede Steuerung zu einer Regelung. Prüfe, ob tatsächlich eine Regelgröße gemessen, mit einem Sollwert verglichen und durch die Stellgröße korrigiert wird.

Wirkungs- und Funktionsbeschreibung

Eine verständliche Funktionsbeschreibung beantwortet fünf Fragen:

Welcher Zustand löst die Funktion aus?
Welche Bedingungen müssen gleichzeitig erfüllt sein?
Welche Signale werden verarbeitet?
Welcher Aktor oder Ausgang wird angesteuert?
Welche Bedingung beendet, sperrt oder setzt die Funktion zurück?

Eine Wirkungskette lässt sich als Blockfolge darstellen:

Auftrag und Bedienung	→	Sensoren und Eingänge	→	Signalverarbeitung	→	Ausgänge und Aktoren	→	Prozesswirkung
Startanforderung	→	Taster und Näherungssensor	→	Verknüpfung und Speicher	→	Meldeleuchte und Relais	→	Prüfvorgang wird angezeigt

Eine gute Beschreibung trennt Funktion und technische Umsetzung. „Die Anzeige leuchtet, wenn Werkstück und Schutzhaube erkannt sind“ beschreibt die Funktion. Ob dies mit Relaiskontakten, Logikgattern, einer SPS oder einem Mikrocontroller umgesetzt wird, ist eine zweite Entscheidung.

Begriffe auf Deutsch und Englisch

Technische Dokumentationen enthalten häufig englische Begriffe. Wichtige Zuordnungen sind:

Deutsch	Englisch	Bedeutung
Eingang	input	Signal, das der Verarbeitung zugeführt wird
Ausgang	output	Signal, das einen Aktor oder eine Anzeige ansteuert
Sensor	sensor	erfasst eine physikalische oder logische Größe
Aktor	actuator	setzt ein elektrisches Signal in eine Wirkung um
Freigabe	enable	erlaubt eine Funktion, wenn die Bedingungen erfüllt sind
Rücksetzen	reset	bringt einen Speicher oder Ablauf in einen definierten Zustand
Verriegelung	interlock	verhindert unzulässige gleichzeitige Zustände
Fehler	fault	unzulässiger Zustand oder festgestellte Abweichung

Systeme mit EVA, Sensoren und Aktoren analysieren

EVA-Prinzip und Signalfluss

Das EVA-Prinzip gliedert eine technische Funktion in Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe.

Phase	Leitfrage	Beispiel	Dokument
Eingabe	Welche Information liegt an?	Taster gedrückt, Werkstück vorhanden, Schutzhaube geschlossen	E-A-Liste
Verarbeitung	Welche logische oder zeitliche Beziehung gilt?	Start UND Werkstück UND Schutzhaube	Funktionsgleichung oder Kontaktplan
Ausgabe	Welche Wirkung soll entstehen?	grüne Prüfanzeige ein	Aktorenliste und Prüfprotokoll

Ein Signalweg muss durchgehend nachvollziehbar sein. Beginne bei der Prozessgröße, folge dem Sensor bis zum Eingang, prüfe die Verarbeitung und verfolge den Ausgang bis zum Aktor. Vermeide Sprünge wie „Die SPS macht das“, denn sie verdecken die eigentliche Logik.

Sensoren, Aktoren und Schnittstellen

Ein Sensor wandelt eine erfasste Größe in ein auswertbares Signal um. Digitale Sensoren liefern für die einfache Logikanalyse meist zwei Zustände. Analoge Sensoren liefern einen Wertebereich, der zusätzlich skaliert und plausibilisiert werden muss.

Ein Aktor setzt ein Ausgangssignal in eine physikalische Wirkung um. Beispiele sind Leuchten, Summer, Relais, Ventile oder Motorsteller. Der Ausgang einer Steuerung darf einen leistungsstarken Aktor häufig nicht direkt speisen. Dann ist eine passende Schnittstelle oder ein Koppelglied erforderlich.

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes:

Schematische Darstellung eines Relaismoduls als Koppelglied zwischen Steuerung und Last

Element	Wichtige Kenndaten	Typische Prüffrage
digitaler Sensor	Versorgung, Schaltart, Pegel, Schaltabstand	Wechselt das Signal am erwarteten Arbeitspunkt?
analoger Sensor	Messbereich, Ausgangssignal, Genauigkeit	Passt der Rohwert zur physikalischen Größe?
Relais	Spulenspannung, Kontaktbelastbarkeit, Schaltvermögen	Wird die Spule korrekt angesteuert und ist der Kontakt geeignet?
SPS-Eingang	zulässiger Pegel, Eingangsstrom, Bezugspotenzial	Liegt der Pegel sicher im gültigen Bereich?
SPS-Ausgang	Ausgangsart, Nennstrom, Schutzbeschaltung	Ist die Last zulässig und korrekt angeschlossen?

Typische Fehler sind vertauschte Bezugspotenziale, ungeeignete PNP- oder NPN-Sensoren, fehlende Freilaufbeschaltung an induktiven Gleichstromlasten, falsche Adresszuordnung und eine Verwechslung von Ruhe- und Arbeitskontakt.

Fachrechnen am vereinfachten Eingangsmodell

Für eine erste Plausibilitätsrechnung betrachten wir ein synthetisches Ersatzmodell: Eine Spannung von 24 V liegt an einem Widerstand von 4,7 kΩ. Dieses Modell dient nur der Rechenübung und bildet keinen konkreten SPS-Eingang vollständig ab.

Nach dem Ohmschen Gesetz gilt:

I = U / R = 24 V / 4700 Ω = 0,00511 A ≈ 5,1 mA

Die Verlustleistung des Widerstands beträgt:

P = U · I = 24 V · 0,00511 A ≈ 0,123 W

Ein Bauteil mit 0,25 W Nennleistung hätte im idealisierten Modell rechnerisch Reserve. Für eine reale Auswahl müssen jedoch Datenblatt, Toleranzen, Umgebungstemperatur, Einschaltzustände und Herstellerangaben berücksichtigt werden.

Plausibilitätsprüfung: Wird bei gleichen Werten ein Ergebnis von 51 mA berechnet, liegt wahrscheinlich ein Zehnerpotenzfehler vor. 4,7 kΩ sind 4700 Ω und nicht 470 Ω.

Signale dokumentieren und auswerten

Eine E-A-Liste verbindet Funktionsbeschreibung, Verdrahtung und Programm. Sie muss eindeutig, aktuell und prüfbar sein.

Adresse	Betriebsmittel	Signalname	Bedeutung bei Signal 1
I0.0	S1	START	Starttaster betätigt
I0.1	B1	WERKSTUECK	Werkstück erkannt
I0.2	B2	HAUBE_ZU	Schutzhaube im Schulungsmodell geschlossen
Q0.0	H1	TEST_AKTIV	Prüfvorgang wird angezeigt
Q0.1	H2	WARNUNG	unzulässige Kombination wird angezeigt

Bei einer Datenauswertung vergleichst du Soll und Ist. Ein einzelner Messwert reicht selten aus. Notiere Zeitpunkt, Betriebszustand, Messstelle, Sollwert, Istwert, Einheit und Bewertung. So werden zufällige Beobachtungen zu einem nachvollziehbaren Prüfprotokoll.

Logische Verknüpfungen und Speicherfunktionen

UND, ODER und NICHT

Digitale Verknüpfungen arbeiten mit den Zuständen 0 und 1. Die UND-Verknüpfung liefert nur dann 1, wenn alle Eingänge 1 sind. Die ODER-Verknüpfung liefert 1, wenn mindestens ein Eingang 1 ist. Die NICHT-Verknüpfung kehrt einen Zustand um.

Für die Freigabe F = B1 UND B2 gilt:

B1 Werkstück	B2 Haube geschlossen	F Freigabe	Bewertung
0	0	0	keine Freigabe
0	1	0	kein Werkstück
1	0	0	Haube offen
1	1	1	Freigabebedingung erfüllt

UND-Verknüpfung in einer Kontaktplandarstellung

Eine ODER-Verknüpfung wird häufig für mehrere Rücksetzursachen genutzt: RESET = Reset-Taster ODER Haube offen ODER Test beendet. Eine Negation ist nötig, wenn ein Signal in seiner verneinten Bedeutung verwendet wird, beispielsweise NICHT HAUBE_ZU.

Boolesche Gleichungen in Kontaktpläne übertragen

Ein Kontaktplan orientiert sich an der Darstellung von Strompfaden. Kontakte in Reihe entsprechen in der einfachen Logik einer UND-Verknüpfung, parallele Zweige einer ODER-Verknüpfung. Ein negierter Kontakt wertet den Signalzustand 0 als wahr aus.

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes:

Beispiel einer Kontaktplan-Darstellung

Funktionsgleichung	Kontaktplan-Idee	Typischer Fehler
Y = A UND B	zwei auswertende Kontakte in Reihe	ein Kontakt wird versehentlich parallel gesetzt
Y = A ODER B	zwei parallele Zweige	beide Zweige werden hintereinander angeordnet
Y = A UND NICHT B	A in Reihe mit negierter Auswertung von B	Öffnerdarstellung und realer Kontaktzustand werden verwechselt
Y = A ODER B UND C	B und C bilden einen gemeinsamen UND-Zweig parallel zu A	Vorrangregeln werden nicht durch Struktur sichtbar gemacht

Arbeitsregel: Schreibe zuerst die Funktionsbedingung in Worten, dann als Gleichung, danach als Wahrheitstabelle und erst anschließend als Kontaktplan. Diese vier Darstellungen müssen dasselbe Verhalten beschreiben.

Speicher, Setzen und Rücksetzen

Eine Speicherfunktion hält einen Zustand, auch wenn das auslösende Startsignal wieder 0 wird. Beim SR- oder RS-Speicher müssen Setz- und Rücksetzbedingungen sowie die Dominanz bei gleichzeitigem Auftreten eindeutig festgelegt sein.

Für einen rücksetzdominanten Speicher kann die nächste Zustandsbeschreibung lauten:

M_neu = M_alt ODER SET, anschließend hat RESET Vorrang.

In einer eindeutigen Testtabelle wird der Konfliktfall ausdrücklich geprüft:

SET	RESET	M vorher	M nachher bei Rücksetzdominanz
0	0	0	0
0	0	1	1
1	0	0	1
0	1	1	0
1	1	0 oder 1	0

Typische Fehler sind eine nicht dokumentierte Dominanz, ein dauerhaft anliegendes Setzsignal, ein fehlender definierter Startzustand und eine Rücksetzung, die nur in einem seltenen Programmzustand ausgewertet wird.

Das eingebettete Fachvideo „RS/SR FlipFlop, Dominanz, Verriegelung, Temp-Variablen“ ergänzt die Darstellung. Prüfe beim Ansehen, welche Dominanz gewählt wird und wie der Konfliktfall behandelt ist.

Verbindungsprogrammierte und speicherprogrammierbare Steuerungen

Realisierungstechniken vergleichen

Bei einer verbindungsprogrammierten Steuerung wird die Funktion wesentlich durch die physische Verbindung von Bauteilen bestimmt. Änderungen erfordern häufig eine Änderung der Verdrahtung. Bei einer speicherprogrammierbaren Steuerung wird die Funktion überwiegend durch ein gespeichertes Programm festgelegt; Ein- und Ausgabebaugruppen verbinden das Programm mit dem Prozess.

Kriterium	Verbindungsprogrammiert	Speicherprogrammiert
Änderung der Funktion	Verdrahtung oder Bauteilanordnung ändern	Programm und gegebenenfalls Parametrierung ändern
Diagnose	Messung entlang realer Strompfade	zusätzlich Statusanzeige, Variablenbeobachtung und Diagnosepuffer
Wiederverwendung	durch standardisierte Schaltungen möglich	durch Bausteine und dokumentierte Programme gut möglich
Aufwand bei kleiner fester Funktion	oft überschaubar	kann für sehr kleine Aufgaben höher sein
Flexibilität bei Varianten	begrenzt	meist hoch
Sicherheitsbewertung	abhängig von Schaltung und geeigneten Komponenten	Standard-SPS ersetzt keine erforderliche Sicherheitssteuerung

Eine wirtschaftliche Bewertung betrachtet nicht nur den Einkaufspreis. Berücksichtige Planungszeit, Montage, Änderungsaufwand, Diagnosezeit, Ersatzteilhaltung, Dokumentation, Stillstandsrisiko und erforderliche Qualifikation.

Zyklische Verarbeitung einer SPS

Eine SPS bearbeitet typischerweise wiederholt einen Zyklus:

Eingänge einlesen und Prozessabbild aktualisieren.
Programm in definierter Reihenfolge bearbeiten.
Ergebnisse in das Ausgangsabbild schreiben.
Ausgänge aktualisieren und Systemdiagnosen ausführen.

Eine Änderung an einem Eingang wird daher nicht beliebig „sofort“ wirksam, sondern im Rahmen des Geräte- und Programmablaufs verarbeitet. Für zeitkritische Funktionen müssen Zykluszeit, spezielle Hardwarefunktionen und Herstellerdokumentation berücksichtigt werden.

Typischer Fehler: Eine Variable wird online beobachtet und daraus vorschnell geschlossen, die Verdrahtung sei korrekt. Die Beobachtung zeigt nur den gelesenen oder berechneten Zustand. Die gesamte Kette von Sensor, Klemme, Adresse, Programmlogik, Ausgang und Aktor muss geprüft werden.

Dokumentation einer Anpassung

Eine professionelle Änderungsdokumentation enthält mindestens:

Dokument	Inhalt	Qualitätskriterium
Änderungsauftrag	Ausgangslage, Ziel, Randbedingungen	eindeutig und prüfbar
Ist-Analyse	vorhandene Funktion, E-A-Liste, Signalfluss	keine Vermischung mit der geplanten Lösung
Soll-Funktion	Funktionsbeschreibung und Akzeptanzkriterien	beobachtbares Verhalten
Änderungsentwurf	Logik, Adressen, Komponenten, Versionsstand	rückverfolgbar
Prüfplan	Normalfälle, Grenzfälle, Fehlerfälle, erwartete Ergebnisse	vor der Prüfung erstellt
Prüfprotokoll	tatsächliche Ergebnisse und Abweichungen	datiert und reproduzierbar
Freigabehinweis	Lernsimulation oder fachlich autorisierte Freigabe	Zuständigkeit klar benannt

Das Fachvideo „SPS Grundlagen Schrittkette“ zeigt eine weitere Form der strukturierten Ablaufbeschreibung. Nutze es zur Beobachtung, nicht als Ersatz für Datenblätter, Schaltpläne oder die fachliche Sicherheitsprüfung.

Steuerungen anpassen, prüfen und Fehler eingrenzen

Sicherer Arbeitsablauf

Eine Änderung wird nicht mit dem Umschreiben eines Programms begonnen. Ein belastbarer Ablauf ist:

Auftrag und Grenzen klären.
vorhandene Unterlagen, Versionen und Zuständigkeiten prüfen.
Ist-Funktion beobachten und als Signalfluss darstellen.
Gefährdungen und erforderliche Schutzmaßnahmen durch qualifizierte Personen bewerten lassen.
Soll-Funktion mit messbaren Akzeptanzkriterien formulieren.
Änderung in einer Simulation oder an einem freigegebenen Schulungsaufbau umsetzen.
Prüfplan vor der Ausführung erstellen.
Normal-, Grenz- und Fehlerfälle prüfen.
Abweichungen analysieren und Änderungen versionieren.
Ergebnis dokumentieren; eine reale Freigabe erfolgt ausschließlich durch zuständige Fachkräfte.

Wichtig: Eine Standardlogik für eine Meldelampe ist keine geeignete Sicherheitsfunktion. Schutzhauben, Not-Halt, sichere Abschaltung und andere sicherheitsbezogene Funktionen erfordern eine fachgerechte Risikobeurteilung, geeignete Komponenten und qualifizierte Prüfung.

Systematische Fehlerdiagnose

Beginne mit dem beobachtbaren Fehlerbild und formuliere mehrere Hypothesen. Prüfe von der Quelle zur Wirkung oder halbiere den Signalweg an sinnvollen Messpunkten.

Symptom	mögliche Ursache	geeignete Prüfung	erwartete Aussage
Eingang bleibt 0	Sensor nicht versorgt	Versorgung am freigegebenen Messpunkt prüfen	Versorgung vorhanden oder Fehler vor dem Signal
Eingang bleibt 0	falsche Adresse	E-A-Liste mit Onlinezustand vergleichen	Zuordnung bestätigt oder korrigiert
Logik wird nicht wahr	negierte Bedingung falsch verstanden	Wahrheitstabelle mit Istwerten ausfüllen	fehlerhafte Bedingung wird sichtbar
Ausgangsvariable ist 1, Aktor bleibt aus	Ausgangsstufe, Verdrahtung oder Aktor fehlerhaft	Signalweg unter Anleitung abschnittsweise prüfen	Fehlerbereich wird eingegrenzt
Funktion startet unerwartet	Speicher nicht definiert zurückgesetzt	Startzustand und Konfliktfall testen	Speicherverhalten wird nachvollziehbar

Ein guter Diagnoseeintrag lautet nicht „SPS kaputt“, sondern beispielsweise: „Bei B1 = 1 und B2 = 1 bleibt die interne Freigabe F = 0. Die Onlineanzeige bestätigt beide Eingänge. In Netzwerk 3 wird B2 negiert ausgewertet. Hypothese: falsche Kontaktart in der Programmlogik.“

Berufstypischer Modellfall: Prüfstation für Sensormodule

Ausgangslage: In einer synthetischen Schulungssimulation zeigt eine kleine Prüfstation den Test eines Sensormoduls an. Ursprünglich kann der Test mit dem Starttaster S1 beginnen, sobald B1 ein Werkstück erkennt. Der Änderungsauftrag verlangt zusätzlich die Bedingung B2 „Haube geschlossen“. Öffnet die Haube während des simulierten Tests, muss die Anzeige sofort zurückgesetzt werden. Eine Warnanzeige soll leuchten, wenn ein Werkstück erkannt wird, die Haube aber offen ist.

Grenze des Falls: B2 ist hier nur ein logischer Übungseingang. Die Schaltung ist keine reale Schutzeinrichtung und darf nicht zur Maschinenfreigabe verwendet werden.

Schritt 1: E-A-Liste und Anforderungen

Adresse	Symbol	Bedeutung	Rolle
I0.0	S1	Starttaster	Setzanforderung
I0.1	B1	Werkstück erkannt	Freigabebedingung
I0.2	B2	Haube geschlossen	zusätzliche Freigabebedingung
I0.3	S0	Rücksetztaster	Rücksetzanforderung
I0.4	E1	Test beendet	automatische Rücksetzung
M0.0	M_TEST	Teststatus gespeichert	rücksetzdominanter Speicher
Q0.0	H1	Test aktiv	Statusanzeige
Q0.1	H2	Warnung	Hinweis bei Werkstück und offener Haube

Akzeptanzkriterien:

Der Test darf nur gesetzt werden, wenn S1, B1 und B2 gleichzeitig 1 sind.
S0, E1 oder eine geöffnete Haube setzen den Teststatus zurück.
Bei B1 = 1 und B2 = 0 leuchtet die Warnanzeige.
Nach einem Neustart beginnt das Lernmodell mit M_TEST = 0.
Jeder Prüffall wird mit Soll- und Ist-Ergebnis dokumentiert.

Schritt 2: Funktionsgleichungen

SET = S1 UND B1 UND B2

RESET = S0 ODER E1 ODER NICHT B2

M_TEST wird rücksetzdominant gespeichert.

H1 = M_TEST

H2 = B1 UND NICHT B2

Die Rücksetzdominanz ist wichtig: Wenn SET und RESET gleichzeitig wahr wären, muss der Teststatus 0 werden. Dadurch ist das Verhalten eindeutig.

Schritt 3: Prüfplan mit synthetischen Daten

Fall	M vorher	S1	B1	B2	S0	E1	M erwartet	H1 erwartet	H2 erwartet
A	0	1	1	1	0	0	1	1	0
B	1	0	1	0	0	0	0	0	1
C	0	1	0	1	0	0	0	0	0
D	1	0	1	1	0	1	0	0	0
E	0	1	1	0	0	0	0	0	1
F	1	1	1	1	1	0	0	0	0

Nachvollziehbares Ergebnis: Die simulierte Logik erfüllt alle sechs erwarteten Fälle. Besonders wichtig sind Fall B als Unterbrechung während des Tests und Fall F als Konfliktfall. In beiden Fällen setzt RESET den Speicher auf 0. Das Ergebnis ist damit logisch konsistent, ersetzt aber keine Prüfung einer realen Sicherheitsfunktion.

Schritt 4: Fachrechnen und Plausibilitätskontrolle

Für das vereinfachte 24-V-Ersatzmodell mit 4,7 kΩ wurden I ≈ 5,1 mA und P ≈ 0,123 W berechnet. Im Prüfprotokoll wird zusätzlich festgehalten, dass diese Werte nur für das synthetische Widerstandsmodell gelten. Vor einer realen Auswahl wären mindestens Datenblatt, Eingangsschaltschwellen, Sensorart, Reststrom, Leitungseinflüsse und Temperatur zu prüfen.

Schritt 5: Musterarbeitsprodukte

Produkt	Musterinhalt	Abnahmekriterium
Funktionsbeschreibung	Start nur bei Werkstück und geschlossener Haube; Rücksetzung durch S0, E1 oder geöffnete Haube	alle Zustände beobachtbar formuliert
E-A-Liste	eindeutige Adresse, Symbol, Bedeutung und Rolle	keine Doppelbelegung, gleiche Namen in allen Unterlagen
Logikentwurf	SET-, RESET-, H1- und H2-Gleichungen mit Rücksetzdominanz	stimmt mit Wahrheit und Prüfplan überein
Prüfplan	sechs Fälle einschließlich Unterbrechung, Fehlerzustand und Konflikt	erwartete Ergebnisse vor Testbeginn eingetragen
Prüfprotokoll	Soll-Ist-Vergleich mit Ergebnis und Abweichung	jeder Fall reproduzierbar dokumentiert
Änderungsnotiz	Version, Grund, geänderte Signale, offene Risiken	Rückverfolgbarkeit gegeben

Bewertungsraster zum Modellfall

Kriterium	4 Punkte	3 Punkte	2 Punkte	1 oder 0 Punkte
Analyse	vollständiger Signalfluss und klare Randbedingungen	kleine Lücke ohne Auswirkung	mehrere unklare Zuordnungen	Funktion nicht nachvollziehbar
Logik	alle Gleichungen korrekt und Dominanz eindeutig	ein kleiner Darstellungsfehler	Teilfunktion korrekt	wesentliche Fehlfunktion
Fachrechnen	Rechenweg, Einheit und Plausibilität korrekt	Ergebnis korrekt, Plausibilität knapp	Ansatz erkennbar, Rechenfehler	kein verwertbarer Ansatz
Prüfung	Normal-, Grenz-, Fehler- und Konfliktfälle vollständig	ein relevanter Fall fehlt	überwiegend Normalfälle	keine systematische Prüfung
Dokumentation und Sicherheit	konsistent, versioniert, klare Lernmodellgrenze	kleine formale Lücke	mehrere Inkonsistenzen	reale Freigabe behauptet oder Sicherheitsgrenze missachtet

Gesamt: 20 Punkte. Eine fachlich starke Leistung erreicht mindestens 16 Punkte und enthält keinen sicherheitskritischen Fehlansatz. Bei einer behaupteten realen Maschinenfreigabe ist das Produkt unabhängig von der Punktzahl zu überarbeiten.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Steuerungen analysieren und anpassen

Woran erkennst du eine Regelung im Unterschied zu einer reinen Steuerung? (Die Regelgröße wird gemessen und mit einem Sollwert verglichen) (!Die Verdrahtung enthält grundsätzlich ein Relais) (!Die Funktion besitzt immer nur einen Eingang) (!Die Ausgangsgröße wird niemals erfasst)

Rückführung, Soll-Ist-Vergleich und korrigierende Stellgröße kennzeichnen den geschlossenen Regelkreis.

Welche Reihenfolge beschreibt das EVA-Prinzip korrekt? (Eingabe Verarbeitung Ausgabe) (!Ausgabe Verarbeitung Eingabe) (!Verarbeitung Ausgabe Eingabe) (!Eingabe Ausgabe Verarbeitung)

Ein Signal wird zuerst aufgenommen, anschließend verarbeitet und danach als Ausgangswirkung ausgegeben.

Wann ist der Ausgang einer UND-Verknüpfung gleich eins? (Wenn alle erforderlichen Eingänge gleich eins sind) (!Wenn mindestens ein beliebiger Eingang gleich eins ist) (!Wenn alle Eingänge gleich null sind) (!Wenn genau ein Eingang seinen Zustand wechselt)

Die UND-Verknüpfung fordert die gleichzeitige Erfüllung aller verknüpften Bedingungen.

Welche Darstellung hilft am besten, alle Eingangskombinationen einer digitalen Funktion zu prüfen? (Eine Wahrheitstabelle) (!Eine Stückliste) (!Ein Wartungskalender) (!Ein Typenschild)

Die Wahrheitstabelle zeigt für jede Eingangskombination den erwarteten Ausgang und deckt fehlende Fälle auf.

Welche Bedingung ist im Modellfall die Setzbedingung für den Teststatus? (Start und Werkstück und geschlossene Haube) (!Start oder Werkstück oder geschlossene Haube) (!Werkstück und offene Haube) (!Rücksetzen und Test beendet)

Der Test darf nur starten, wenn Startanforderung, Werkstückerkennung und Haubensignal gleichzeitig vorliegen.

Was bedeutet Rücksetzdominanz bei einer Speicherfunktion? (Bei gleichzeitigem Setzen und Rücksetzen wird der Speicher null) (!Bei gleichzeitigem Setzen und Rücksetzen bleibt der Speicher immer eins) (!Der Speicher wechselt bei jedem Zyklus seinen Zustand) (!Der Speicher ignoriert das Rücksetzsignal)

Die festgelegte Dominanz macht den Konfliktfall eindeutig; rücksetzdominant bedeutet Zustand null.

Welche Aussage zur Fehlersuche ist fachlich sinnvoll? (Der Signalweg wird mit Hypothesen und Messpunkten systematisch eingegrenzt) (!Die Steuerung wird ohne Prüfung vollständig ersetzt) (!Nur die zuletzt geänderte Leitung kann fehlerhaft sein) (!Eine Onlineanzeige beweist die gesamte Verdrahtung)

Systematische Diagnose verbindet ein genaues Fehlerbild mit prüfbaren Hypothesen und geeigneten Messpunkten.

Warum wird ein Prüfplan vor der Durchführung erstellt? (Damit erwartete Ergebnisse unabhängig vom tatsächlichen Ergebnis feststehen) (!Damit nachträglich nur erfolgreiche Fälle ausgewählt werden) (!Damit keine Randbedingungen dokumentiert werden müssen) (!Damit Messwerte ohne Einheit genügen)

Vorab definierte Erwartungen verhindern eine nachträgliche Anpassung der Bewertung an beobachtete Ergebnisse.

Welche Aussage zu einer Standard-SPS ist richtig? (Eine Standard-SPS ersetzt nicht automatisch eine erforderliche Sicherheitssteuerung) (!Eine Standard-SPS darf jede Schutzfunktion ohne Risikobeurteilung übernehmen) (!Eine Standard-SPS benötigt keine Dokumentation) (!Eine Standard-SPS macht Prüfungen an der Anlage überflüssig)

Sicherheitsfunktionen benötigen eine fachgerechte Risikobeurteilung, geeignete Komponenten und qualifizierte Prüfung.

Wie groß ist der Strom im vereinfachten Modell bei 24 Volt und 4,7 Kiloohm ungefähr? (5,1 Milliampere) (!0,51 Milliampere) (!51 Milliampere) (!510 Milliampere)

Mit I gleich U durch R ergibt sich 24 geteilt durch 4700 Ampere und damit ungefähr 5,1 Milliampere.

Memory

EVA-Prinzip	Gliederung in Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe
Sensor	wandelt eine erfasste Größe in ein auswertbares Signal um
Aktor	setzt ein Steuersignal in eine physikalische Wirkung um
Wahrheitstabelle	zeigt Ausgangswerte für alle Eingangskombinationen
Rücksetzdominanz	Rücksetzen hat im Konfliktfall Vorrang
E-A-Liste	ordnet Adressen, Betriebsmittel und Signalnamen zu
Verriegelung	verhindert eine unzulässige Zustandskombination
Prüfprotokoll	dokumentiert Sollwert, Istwert und Bewertung

Drag-and-drop

Ordne den Fachbegriff der passenden Beschreibung zu.	Beschreibung
Steuerung	offener Wirkungsablauf ohne fortlaufenden Soll-Ist-Vergleich der maßgeblichen Ausgangsgröße
Regelung	geschlossener Wirkungsablauf mit Rückführung der Regelgröße
UND-Verknüpfung	Ausgang ist nur bei allen erfüllten Bedingungen wahr
ODER-Verknüpfung	Ausgang ist bei mindestens einer erfüllten Bedingung wahr
Speicherfunktion	hält einen Zustand nach Wegfall des auslösenden Signals

Ordne zunächst nach der Wirkungsstruktur und prüfe danach, ob die Beispiele wirklich alle Merkmale erfüllen.

Kreuzworträtsel

Steuerung	Welcher Begriff bezeichnet einen überwiegend offenen Wirkungsablauf?
Regelung	Welcher Begriff bezeichnet einen geschlossenen Wirkungsablauf mit Soll-Ist-Vergleich?
Sensor	Welches Bauteil erfasst eine physikalische oder logische Größe?
Aktor	Welches Element setzt ein elektrisches Signal in eine Wirkung um?
Schnittstelle	Was verbindet Signalbereiche oder technische Teilsysteme?
Speicher	Welche Funktion hält einen logischen Zustand fest?

LearningApps

Lückentext

Eine Steuerung verarbeitet

nach einer vorgegebenen Logik. Beim EVA-Prinzip folgt auf die Eingabe die

. Ein Sensor erfasst eine Größe und stellt ein

bereit. Ein Aktor erzeugt aus einem Ausgangssignal eine

. Bei einer Regelung wird die Regelgröße mit einem

verglichen. Eine UND-Verknüpfung wird nur wahr, wenn alle Bedingungen

sind. Eine Wahrheitstabelle enthält jede relevante

. Eine Speicherfunktion benötigt eindeutig definierte Setz- und

. Vor einer Änderung wird ein

mit erwarteten Ergebnissen erstellt. Eine reale Sicherheitsfreigabe darf nur durch eine

erfolgen.

Offene Aufgaben

Leicht

Signalfluss markieren: Kennzeichne in einer vorgegebenen Geräteskizze Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe und begründe jede Zuordnung in einem Satz.
Steuerung oder Regelung: Ordne sechs synthetische Alltags- und Gerätebeispiele zu und notiere jeweils das entscheidende Strukturmerkmal.
E-A-Liste ergänzen: Vervollständige für drei Sensoren und zwei Anzeigen eine E-A-Liste mit Adresse, Symbol, Signalname und Bedeutung.
Wahrheitstabelle erstellen: Erstelle die vollständige Wahrheitstabelle für die Freigabe F gleich A UND B und formuliere das Ergebnis in Worten.

Standard

Kontaktplan übersetzen: Übertrage eine Funktionsbeschreibung mit zwei Freigaben und einer Sperre in Gleichung, Wahrheitstabelle und Kontaktplan-Skizze.
Messdaten auswerten: Werte einen synthetischen Datensatz mit zehn Zeitpunkten aus, markiere Soll-Ist-Abweichungen und formuliere zwei begründete Fehlerhypothesen.
Steuerungsänderung planen: Ergänze in einer simulierten Startlogik einen zusätzlichen Sensor und erstelle Änderungsnotiz, E-A-Liste und Prüfplan.
Fachrechnung dokumentieren: Berechne Strom und Leistung für drei vorgegebene Widerstandsmodelle und prüfe Einheiten, Größenordnung und Bauteilreserve.

Schwer

Fehlerdiagnose durchführen: Grenze in einer Simulation einen Fehler vom Sensor bis zum Aktor mit mindestens vier dokumentierten Prüfschritten ein und begründe die Reihenfolge.
Speicherfunktion bewerten: Vergleiche setzdominantes und rücksetzdominantes Verhalten für einen Konfliktfall und entscheide begründet, welche Variante zum Auftrag passt.
Realisierungstechniken vergleichen: Erstelle eine Nutzwertanalyse für eine verbindungsprogrammierte und eine speicherprogrammierbare Lösung mit technischen, wirtschaftlichen und dokumentarischen Kriterien.
Modellfall transferieren: Übertrage den Prüfstationsfall auf ein anderes synthetisches Gerät, entwickle mindestens acht Prüffälle und kennzeichne klar, welche Aussagen keine reale Sicherheitsfreigabe darstellen.

Lösungshinweise und Musterarbeitsprodukte

Aufgabe	Musterarbeitsprodukt	Fachliche Kriterien
Signalfluss markieren	beschriftete Blockdarstellung	jeder Block besitzt ein konkretes Signal und eine eindeutige Richtung
Steuerung oder Regelung	Zuordnungstabelle	Begründung nennt offenen Ablauf oder Soll-Ist-Rückführung
E-A-Liste ergänzen	vollständige E-A-Liste	eindeutige Adressen, konsistente Symbole, verständliche Signalnamen
Wahrheitstabelle erstellen	vier Tabellenzeilen	nur bei A gleich 1 und B gleich 1 ist F gleich 1
Kontaktplan übersetzen	Wortbeschreibung, Gleichung, Tabelle und Skizze	alle Darstellungen beschreiben dasselbe Verhalten
Messdaten auswerten	Diagramm, Abweichungsliste und Hypothesen	Einheiten korrekt, Hypothesen mit Daten begründet
Steuerungsänderung planen	Änderungspaket mit Prüfplan	Ist und Soll getrennt, Fehlerfälle enthalten
Fachrechnung dokumentieren	Rechenblatt	Formel, Einsetzen, Einheit, Ergebnis und Plausibilität vollständig
Fehlerdiagnose durchführen	Diagnoseprotokoll	Beobachtung, Hypothese, Prüfung und Schlussfolgerung je Schritt
Speicherfunktion bewerten	Konflikttabelle und Entscheidung	Dominanz und Startzustand ausdrücklich dokumentiert
Realisierungstechniken vergleichen	gewichtete Nutzwertmatrix	Kriterien nachvollziehbar, Ergebnis nicht nur vom Kaufpreis abhängig
Modellfall transferieren	vollständige synthetische Falldokumentation	mindestens acht Fälle, Sicherheitsgrenze klar, keine reale Freigabe

Lernkontrolle

Wirkungsstruktur analysieren: Zeichne für eine temperaturabhängige Lüfterfunktion einen offenen und einen geschlossenen Wirkungsablauf und erkläre, welche zusätzliche Information die Regelung benötigt.
Logik prüfen: Untersuche die Gleichung Y gleich A ODER B UND C mit einer vollständigen Wahrheitstabelle und zeige, wie Klammerung oder Kontaktplanstruktur Missverständnisse verhindert.
Eingangswert plausibilisieren: Berechne für 24 V und 6,8 kΩ Strom und Leistung, gib Einheiten an und erläutere, warum das Ergebnis allein keine reale Komponentenauswahl erlaubt.
Fehlerhypothesen priorisieren: Ein Sensorstatus ist online 1, die interne Freigabe bleibt 0 und der Ausgang bleibt 0; formuliere drei Hypothesen und ordne passende Prüfungen zu.
Prüfplan vervollständigen: Ergänze zu einer Start-Stopp-Speicherlogik je einen Normalfall, Grenzfall, Fehlerfall und Konfliktfall mit erwartetem Ergebnis.
Dokumentationsqualität bewerten: Vergleiche zwei Änderungsprotokolle und begründe anhand von fünf Kriterien, welches eine spätere Diagnose besser unterstützt.
Wirtschaftlichkeit beurteilen: Berechne für zwei Realisierungsvarianten aus synthetischen Zeit- und Kostendaten die Gesamtkosten einer Änderung und diskutiere nicht monetäre Kriterien.
Transfer sichern: Entwickle für ein medizinisches Übungsgerät ohne Patientenkontakt eine reine Anzeigelogik, beschreibe Grenzen des Modells und trenne Funktionsprüfung von Sicherheitsfreigabe.

Erwartungshorizont zur Lernkontrolle

Bereich	Vollständig erfüllt	Teilweise erfüllt	Überarbeitung nötig
Fachbegriffe	Begriffe werden korrekt und kontextbezogen verwendet	einzelne Unschärfen	zentrale Begriffe verwechselt
Rechenweg	Formel, Werte, Einheit und Plausibilität stimmen	kleiner Rechen- oder Einheitenfehler	Ergebnis ohne verwertbaren Weg
Analyse	Signalfluss und Bedingungen vollständig	eine relevante Bedingung fehlt	nur Bauteile aufgezählt
Diagnose	Hypothesen sind prüfbar und priorisiert	Prüfungen grundsätzlich passend	ungerichtetes Austauschen ohne Befund
Prüfung	Normal-, Grenz-, Fehler- und Konfliktfälle enthalten	Fallauswahl unvollständig	nur ein Erfolgsfall
Sicherheit	Lernmodell und reale Freigabe klar getrennt	Grenze knapp beschrieben	unzulässige Freigabe behauptet

Lernnachweis

Ein vollständiger Lernnachweis besteht aus einem Portfolio mit den folgenden Bestandteilen:

Nachweisart	Erforderlicher Inhalt	Qualitätsmerkmal
Wissensnachweis	Erläuterung von Steuerung, Regelung, EVA, Sensor, Aktor, Logik und Speicher	eigene verständliche Formulierungen
Analysenachweis	Signalfluss, E-A-Liste und Wahrheitstabelle zu einem synthetischen System	durchgängige Bezeichnungen
Planungsnachweis	Soll-Funktion, Änderungsentwurf und Akzeptanzkriterien	Auftrag wird vollständig abgedeckt
Rechennachweis	mindestens zwei fachliche Berechnungen mit Plausibilitätsprüfung	Einheiten und Annahmen genannt
Prüfnachweis	Prüfplan und ausgefülltes Prüfprotokoll	Fehler- und Konfliktfälle enthalten
Diagnosenachweis	Fehlerbild, Hypothesen, Messpunkte und Schlussfolgerungen	keine unbegründeten Teilewechsel
Dokumentationsnachweis	Versionsstand, Quellen, Rechte und Änderungsnotiz	rückverfolgbar und konsistent
Transfernachweis	Übertragung auf ein anderes Gerät oder Einsatzgebiet	Gemeinsamkeiten, Unterschiede und Grenzen begründet

Als Abschlussprodukt eignet sich eine fünf- bis achtminütige Fachpräsentation mit einer eigenen Schemazeichnung, einem ausgewerteten Prüfprotokoll und einer begründeten Entscheidung. Personenbezogene Lern- oder Betriebsdaten werden nicht verwendet.

OER und Wikipedia

Eine frei zugängliche Einführung bietet der Wikipedia-Artikel zur Steuerungstechnik:

Offizielle fachliche Grundlagen

Quelle	Nutzung im Kurs	Status
KMK-Rahmenlehrplan Elektroniker für Geräte und Systeme	Lernfeldbezeichnung, erstes Ausbildungsjahr, Zeitrichtwert und Kompetenzziele	offizielle Veröffentlichung der Kultusministerkonferenz
BIBB-Berufsprofil	Ausbildungsdauer, Zuständigkeitsbereich, Einsatzgebiete und Verweis auf Rechtsgrundlagen	offizielles Berufsprofil des Bundesinstituts für Berufsbildung
Ausbildungsordnung für industrielle Elektroberufe	Anerkennung, Dauer, Struktur und gestreckte Abschlussprüfung	konsolidierter amtlicher Gesetzestext
Wikipedia: Speicherprogrammierbare Steuerung	ergänzende Begriffserklärung und weiterführende Verweise	frei zugänglicher Überblick, Einzelnachweise prüfen
Wikipedia: Boolesche Algebra	mathematische Grundlage logischer Verknüpfungen	frei zugänglicher Überblick, Einzelnachweise prüfen

Medien, Urheber und Rechte

Medium	Quelle	Urheber	Rechtehinweis
File:PLC Block Diagram.jpg	Wikimedia-Commons-Dateiseite	ProVision; Wikimedia-Bearbeitung und Upload durch Mithilrkadam	CC BY-SA 4.0
File:Pepperl+Fuchs inductive proximity switch 3RG4113-3AG33-PF.jpg	Wikimedia-Commons-Dateiseite	Lucasbosch	CC BY-SA 3.0
File:Relay module.svg	Wikimedia-Commons-Dateiseite	Serge Helfrich	CC BY-SA 4.0
File:Ladder Logic AND gate PLC.jpg	Wikimedia-Commons-Dateiseite	Mithilrkadam	CC BY-SA 4.0
File:Kontaktplan Software.svg	Wikimedia-Commons-Dateiseite	MatthiasDD	gemeinfrei
File:Simatic S7-1200.JPG	Wikimedia-Commons-Dateiseite	UlrichAAB	CC BY-SA 3.0
File:Ladder diagram.png	Wikimedia-Commons-Dateiseite	Nuno Nogueira	CC BY-SA 2.5
https://www.youtube.com/watch?v=xauSdGpKRKg	YouTube: RS/SR FlipFlop, Dominanz, Verriegelung, Temp-Variablen	veröffentlichender YouTube-Kanal laut Videoseite	Einbettung über YouTube; Rechte verbleiben beim Rechteinhaber, keine freie Lizenz wird behauptet
https://www.youtube.com/watch?v=6iCtu0lWatg	YouTube: SPS Grundlagen Schrittkette	Herr Scheller erklärt	Einbettung über YouTube; Rechte verbleiben beim Rechteinhaber, keine freie Lizenz wird behauptet

Die Dateinamen, Quellen und Lizenzangaben wurden auf den jeweiligen Wikimedia-Commons-Dateiseiten geprüft. Bei einer Weiterverwendung sind die konkreten Namensnennungs- und Weitergabeanforderungen der jeweiligen Lizenz einzuhalten. YouTube-Videos sind ergänzende Anschauungsmittel und werden nicht als OER ausgegeben.

Verknüpfte Lernbereiche

Steuerungstechnik

Passende Lernangebote und Portale auf MOOCwiki:

Verknüpfungen bestehen außerdem zu Mathematik durch Gleichungen und Einheiten, zu Physik durch elektrische Größen, zu Informatik durch Algorithmen und Zustände, zu Technisches Englisch durch Datenblätter sowie zu Arbeitssicherheit und Qualitätsmanagement durch systematisches Prüfen und Dokumentieren.