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Fachübungen 3 – Steuerungen analysieren und anpassen - Industrieelektriker

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Einleitung

In diesen Fachübungen zum Lernfeld 3 lernst Du, industrielle Steuerungen zu analysieren, Änderungen zu planen, die Wirkung logisch nachzuweisen und Ergebnisse fachgerecht zu dokumentieren. Zielgruppe sind Auszubildende im ersten Ausbildungsjahr des Berufs Industrieelektriker beziehungsweise Industrieelektrikerin. Der KMK-Rahmenlehrplan nennt für „Steuerungen analysieren und anpassen“ einen Zeitrichtwert von 80 Unterrichtsstunden. Du übst auf drei Niveaus: Leicht, Standard und Schwer.

Beruflicher Rahmen (Quellenstand: Oktober 2026): Die laut BIBB geführte zweijährige Ausbildung beruht auf der Verordnung vom 28. Mai 2009 (Textnachweis seit 1. August 2009). Es gibt die Fachrichtungen Betriebstechnik sowie Geräte und Systeme. Das erste Ausbildungsjahr enthält gemeinsame Lernfelder; der Beginn eines individuellen Ausbildungsverhältnisses folgt dem jeweiligen Ausbildungsvertrag. Die Abschlussprüfung umfasst nach § 7 IndElekAusbV Arbeitsauftrag, Elektrische Sicherheit, Schaltungs- und Funktionsanalyse sowie Wirtschafts- und Sozialkunde. Dieser Kurs ist eine eigene Lernübung, keine Originalprüfung und keine Freigabeanweisung für reale Anlagen.

Sicherheit: Alle Beispielsignale, Messwerte und Bauteildaten sind synthetisch. Übungen erfolgen zunächst ausschließlich als papierbasierte Analyse oder in einer isolierten digitalen Simulation. Eingriffe an elektrischen Anlagen, Verdrahtung, Messungen, Inbetriebnahmen und Maschinenbewegungen dürfen nur durch qualifizierte Personen oder unter deren fachlicher Anleitung im jeweils zugelassenen Ausbildungsrahmen und nach Gefährdungsbeurteilung erfolgen. Normgerechte Schutzfunktionen, Not-Halt und Maschinensicherheit dürfen niemals durch eine hier erläuterte Standard-Steuerlogik ersetzt werden.

Dein Lernweg: System und EVA-Prinzip erkennen → Schaltlogik erklären → Änderungsauftrag planen → Fehler anhand synthetischer Protokolle eingrenzen → Modellfall auswerten → Wissen und Handlungsfähigkeit nachweisen.

Steuerungssysteme und Wirkungsketten analysieren

Steuerung und Regelung unterscheiden

Bei einer Steuerung wird die Ausgangsgröße durch Eingangsgrößen und eine Steuerlogik beeinflusst. Eine Steuerkette enthält Eingabe, Signalverarbeitung und Ausgabe. Ein Prozesssensor kann auch in einer Steuerung Zustände rückmelden; das macht sie noch nicht automatisch zu einer Regelung. Für eine Regelung ist entscheidend, dass die Regelgröße erfasst, mit einem Sollwert verglichen und die Abweichung über eine geschlossene Rückführung korrigiert wird.

Beispiel: Eine Förderfreigabe wird bei einem Startsignal gesetzt und bei einem Belegt-Signal zurückgenommen. Dies ist eine binäre Steueraufgabe. Eine Temperaturregelung dagegen vergleicht fortlaufend Ist- und Solltemperatur und verändert die Heizleistung abhängig von der Regelabweichung. Frage bei jeder Anlage: Welche Größe soll gezielt beeinflusst werden? Gibt es eine Rückführung dieser Größe zu einem Soll-Ist-Vergleich?

Medienanalyse: Dieses englisch beschriftete Blockbild zeigt einen geschlossenen Regelkreis. Markiere gedanklich Sollwert, Abweichung, Regler und Rückführung. Quelle und Lizenz stehen im OER-Abschnitt.

Fachvideo: „Unterschied – Regelung Steuerung erklärt anhand von zwei Beispielen“, Elektrotechnik in 5 Minuten. Beobachtungsauftrag: Welche Rückkopplung unterscheidet die Beispiele?

Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe: das EVA-Prinzip

Das EVA-Prinzip hilft Dir, jede Steuerung in Funktionen zu zerlegen. Eine Eingabe kann von einem Taster, einem optischen Näherungssensor oder einem Grenzschalter stammen. Die Verarbeitung bildet daraus eine logische Entscheidung, etwa „Freigabe vorhanden UND Bereich frei“. Eine Ausgabe steuert im Modell eine Signallampe und in einer realen, fachgerecht ausgelegten Anlage gegebenenfalls ein Schaltgerät. Ein Aktor setzt ein Ausgangssignal in eine physikalische Wirkung um. Ein Sensor nimmt einen Zustand oder eine physikalische Größe auf. Eine Schnittstelle verbindet Teilsysteme; dabei müssen Signalart, Pegel, Versorgung und Dokumentation zusammenpassen.

Ebene	Beispiel aus einer synthetischen Förderstation	Leitfrage
Eingabe	Starttaster A, Freimeldesensor F und Stop-Freigabe Z	Welche Zustände liegen logisch als 0 oder 1 an?
Verarbeitung	Freigabelogik mit Speicherbit Q	Wann muss die Freigabe ein- oder ausgeschaltet sein?
Ausgabe	Simulierte Anzeigeleuchte Q	Welches Ergebnis soll sichtbar werden?
Rückmeldung	F meldet, ob der Modellbereich frei ist	Welche Zustandsänderung löst ein Rücksetzen aus?

Beispiel für einen induktiven Näherungssensor. Solche Sensoren erkennen geeignete metallische Ziele berührungslos; die konkrete Schaltfunktion und Anschlüsse sind stets dem Datenblatt zu entnehmen.

Blockschaltbild und Signalfluss beschreiben

Zeichne zu jeder Aufgabenstellung ein Blockschaltbild mit beschrifteten Pfeilen. Für den Kursfall lautet die Funktionskette: Start-/Stop-Bedienung und Freimeldesensor → binäre Freigabe- und Speicherlogik → simulierte Betriebsanzeige. Trenne Informationsfluss und Energiefluss. Ein logisches Ausgangssignal bedeutet weder, dass ein Leistungsstromkreis korrekt aufgebaut ist, noch dass die Anlage elektrisch sicher betrieben werden darf.

Typischer Fehler: Ein Zustandskontakt wird für eine sicherheitsgerichtete Abschaltfunktion gehalten. Hier ist die logische Stop-Freigabe lediglich eine didaktische Modellvariable und ausdrücklich kein normgerechter Sicherheitskreis.

Logische Verknüpfungen, Relais und Speicherfunktionen

UND, ODER und NICHT systematisch lesen

Binäre Signale haben in einer festgelegten Interpretation den Wert 0 oder 1. Beim UND ist der Ausgang nur 1, wenn alle nötigen Bedingungen 1 sind. Beim ODER reicht mindestens eine 1. NICHT kehrt einen Wahrheitswert um. Achte darauf, ob ein Signal aktiv-high oder aktiv-low definiert ist: Ein falsch verstandener Öffnerkontakt führt häufig zu einer umgekehrten Fehlerdiagnose.

Geprüfte Logik-Symbole für UND, ODER und NICHT; je nach Darstellungsnorm unterscheiden sich die grafischen Symbole.

DIN-orientierte Symbolzeichnung eines UND-Gatters, nicht die vollständige Schaltung eines realen Eingangsmoduls.

Eingang A	Eingang B	A UND B	A ODER B	NICHT A
0	0	0	0	1
0	1	0	1	1
1	0	0	1	0
1	1	1	1	0

Übung mit Rechenweg: Eine Anzeige soll nur eingeschaltet werden, wenn Freigabe Z = 1 und Sensor F = 1 gelten. Funktionsgleichung: Y = Z UND F. Für Z = 1 und F = 0 wird Y = 1 UND 0 = 0. Für Z = 1 und F = 1 wird Y = 1. Der Rechenweg muss die Eingangswerte, den logischen Operator und das Ergebnis nennen.

Fachvideo: „Grundverknüpfungen (UND, ODER, NICHT) – Digitaltechnik“, #Sogeht by Sven Stemmler. Halte die drei Wahrheitstabellen an und prüfe sie selbst.

Öffner, Schließer und Selbsthaltung

Ein Schließerkontakt verbindet im betätigten Zustand seine Kontakte, ein Öffnerkontakt unterbricht sie bei Betätigung. Die Bezeichnungen beziehen sich auf den definierten Grundzustand des jeweiligen Betriebsmittels. Bei einer konventionellen Selbsthaltung übernimmt ein Hilfskontakt nach dem Startimpuls das Aufrechterhalten eines Steuerpfades; ein geeigneter Stop-Eingriff beendet die Haltung. Im Softwaremodell erfüllt ein gespeicherter Zustand Q dieselbe logische Gedächtnisfunktion. Übernimm keine Verdrahtungsbeispiele ungeprüft in einen realen Steuerstromkreis.

Schematische Darstellung eines elektromechanischen Relais zur Zuordnung von Spule und mechanisch betätigten Kontakten.

Fachvideo: „Selbsthaltung – Schützschaltung – einfach und anschaulich erklärt“, #Sogeht by Sven Stemmler. Arbeitsauftrag: Skizziere die logische Speicherwirkung, ohne einen Netzspannungsaufbau auszuführen.

Merksatz: Verknüpfungslogik liefert Ausgänge aus aktuellen Eingangssignalen. Speicherlogik benötigt zusätzlich einen vorherigen Zustand. Eine Wahrheitstabelle für eine speichernde Freigabe muss deshalb den Altzustand oder eine Folge von Zeitschritten enthalten.

VPS und SPS vergleichen

Eine verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS) realisiert die Logik durch die Verschaltung von Kontakten, Relais oder Bausteinen. Eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS; englisch PLC) verarbeitet Eingänge nach einem gespeicherten Programm und bildet Ausgänge. In einer SPS wird der Programmablauf typischerweise zyklisch verarbeitet; ein Programmänderungswunsch erfordert Prüfung, Versionierung und Freigabeverfahren. Eine SPS ist nicht schon deshalb funktional sicher, weil sie programmierbar ist.

Fotobeispiel dreier SPS-Geräte. Das Bild zeigt Gerätebauformen, keine Aussage über deren Eignung für eine konkrete sicherheitsgerichtete Anwendung.

Gesichtspunkt	VPS	SPS
Änderbarkeit	Häufig Änderung der Verdrahtung	Häufig Änderung von Programm und gegebenenfalls Ein- oder Ausgangsmodulen
Diagnose	Stromlaufplan und Signale an Bauteilen nachvollziehen	Ein-/Ausgangsstatus, Programm, Diagnosemeldungen analysieren
Dokumentation	Verdrahtungsplan und Betriebsmittelkennzeichnung	Schaltunterlagen, Programmstand, Variablentabelle und Testprotokoll
Bewertung	Bei überschaubaren Aufgaben einfach, aber Änderungen können aufwendig sein	Flexibel bei komplexeren Aufgaben, verlangt Softwarepflege und Zugriffsschutz

Anpassungen planen und Fachrechnen anwenden

Vom Änderungswunsch zum überprüfbaren Sollverhalten

Eine gute Änderungsplanung beginnt mit einer Anforderung, nicht mit einem Gerät. Formuliere eindeutig: „Wenn der Modellbereich belegt ist, muss die Freigabe 0 werden. Nach dem erneuten Freiwerden darf sie ohne neuen Startimpuls nicht selbsttätig wiederkehren.“ Daraus leitest Du ein Signalverzeichnis, eine logische Funktion, Testfälle und einen dokumentierten Abnahmestand ab.

Planungsschritte: Auftrag lesen; vorhandene Funktion erklären; Ein- und Ausgänge samt Signalpolarität erfassen; Änderungsvarianten vergleichen; Funktionsgleichung und Zustandsfolge erstellen; Simulation durchführen; Soll-Ist-Abgleich dokumentieren; offene Risiken sowie die Grenzen des Modells ausweisen. Bei echten Anlagen folgen zusätzliche qualifizierte Sicherheitsprüfungen und gegebenenfalls technische Freigaben, die dieser Kurs nicht ersetzt.

Datenblattvergleich und Auswahlkriterien

Vergleiche nur Komponenten, deren dokumentierte Kenngrößen zum Entwurf passen: Signalart (digital oder analog), Sensorprinzip, Versorgungsspannung, Ein-/Ausgangsbelastbarkeit, Reaktionszeit, Schaltverhalten, Umgebungsbedingungen, Schutzart, Kompatibilität und Verfügbarkeit. Bei realen Anwendungen können Normen und funktionale Sicherheitsanforderungen hinzukommen. Dieser Kurs legt keine Geräteauswahl für eine reale Anlage verbindlich fest.

Synthetische Auswahlmatrix:

Kriterium	Modellbaustein A	Modellbaustein B	Ergebnis im Papierfall
Digitale Freimeldung	Ja	Ja	Beide liefern die definierte binäre Information
Parametrierbarer Status	Nein	Ja	B erlaubt zusätzliche Diagnose im Modell
Dokumentationsaufwand	Niedrig	Mittel	A ist einfacher, B besser nachverfolgbar
Reale Zulassung	Unbekannt	Unbekannt	Keine Entscheidung für einen Anlagenbetrieb möglich

Fachrechnen: Strom, Leistung, Reserven

Beispiel 1 – synthetische Eingangsbelastung: Drei modellierte Eingänge nehmen bei einer angenommenen Versorgung von U = 24 V jeweils I = 5 mA auf. Gesamtstrom bei paralleler Speisung: I_gesamt = 3 · 0,005 A = 0,015 A. Vereinfachte Leistung: P = U · I = 24 V · 0,015 A = 0,36 W. Das ist nur der angenommene Anteil dieser drei Eingänge, nicht der gesamte Versorgungsbedarf einer SPS oder Anlage.

Beispiel 2 – theoretische Widerstandsberechnung: Für eine idealisierte Anzeige-LED mit angenommener Durchlassspannung 2 V, Versorgung 24 V und gewünschtem Strom 0,010 A ergibt sich U_R = 24 V − 2 V = 22 V; R = 22 V / 0,010 A = 2.200 Ohm. Verlustleistung P_R = 22 V · 0,010 A = 0,22 W. Eine theoretische Auswahl mit mindestens 0,5 W Nennbelastbarkeit schafft im stark vereinfachten Rechenmodell Reserve. Reale LEDs und Treiberschaltungen benötigen Herstellerdaten, zulässige Toleranzen sowie qualifizierte Auslegung; keine Bauanleitung.

Typische Rechenfehler: Milliampere nicht in Ampere umrechnen; den Spannungsabfall über einem Verbraucher vergessen; Watt mit Wattstunden verwechseln; Reserven und zulässige Grenzwerte ignorieren; einen modellierten Nennwert als reale Messung ausgeben.

Funktionsbeschreibung als Prüfgrundlage

Lege vor dem Test fest, was ein Ereignis bedeutet. Für den späteren Modellfall gelten: Z = 1, wenn die logische Stop-Freigabe vorliegt; F = 1, wenn der Modellbereich frei ist; A = 1, solange der Startimpuls gesetzt ist; Q_alt ist der zuletzt gespeicherte Freigabestatus. Der gewünschte neue Zustand lautet:

Q_neu = Z UND F UND (A ODER Q_alt).

Die Schaltung ist rücksetzdominant bezüglich Z und F: Wird eine dieser Voraussetzungen 0, wird Q_neu = 0. Wenn die Blockade endet, muss ein neuer Startimpuls kommen. Die Formel beschreibt nur das Lernmodell ohne sicherheitsgerichtete Funktion.

Fehlerdiagnose, Funktionsprüfung und Dokumentation

Systematische Fehlersuche ohne Gefährdung

Analysiere zunächst die beobachtete Abweichung: Was war erwartet, was wurde tatsächlich angezeigt, bei welcher Eingabekombination? Prüfe dann Schritt für Schritt im Simulationsprotokoll: Ausgang Q, erlaubte Bedingungen Z und F, Startsignal A, gespeicherter Zustand Q_alt und zuletzt die implementierte Logik. Eine plausible Fehlerursache ist noch kein Nachweis; für jede Hypothese brauchst Du eine unterscheidende Testbeobachtung.

Symptom im Modell	Hypothese	Unterscheidender Test im Simulator
Freigabe startet nie	F wird dauerhaft als 0 gelesen	Sensorvariable unabhängig vom Startimpuls zwischen 0 und 1 wechseln
Freigabe endet beim Loslassen des Startsignals	Speicherzweig fehlt	Q_alt nach dem ersten Startimpuls und im Folgeschritt vergleichen
Freigabe startet nach dem Freiwerden erneut	Unzulässiger Altzustand wurde erhalten	Übergangsfolge 1 → Blockade → 1 ohne Start untersuchen
Anzeige meldet „frei“ bei blockiertem Bereich	Sensorpolarität falsch beschrieben	Eingangswert und definierte Bedeutung von 0/1 abgleichen

Transfervergleich: Die Diagnose eines Rückführsignals in einem Regelkreis ist etwas anderes als das Prüfen eines binären Zustands in unserer Freigabelogik.

Grenze: Diese Tabelle ist eine rein softwarebasierte Fehlerhypothesenliste. An einem realen Stromkreis wird weder unter Spannung gesucht noch ein Schutzkontakt überbrückt. Gefährdungsbeurteilung, elektrotechnische Qualifikation, Arbeitsfreigabe und geeignete Prüfmittel liegen bei den zuständigen Fachkräften.

Testfälle, Soll-Ist-Vergleich und Änderungsprotokoll

Ein Testfall umfasst Startzustand, Eingaben, erwarteten Ausgang, simulierten Ist-Ausgang und Bewertung. Prüfe Grenzfälle: Start bei freiem Bereich, Start bei belegtem Bereich, Wegfall der Freimeldung, Wiederkehr der Freimeldung ohne Neustart und Wegfall der Stop-Freigabe. Halte außerdem fest, ob der Ausgang beim Übergang erwartungsgemäß zurückgesetzt wird.

Dokumentationsfeld	Musterinhalt
Versionsstand	Modell-Freigabelogik V1.1, rein synthetisch
Änderungsgrund	Kein Weiterlaufen bei belegtem Fördermodell
Vergleich	V1.0 hatte nur Z UND Speicherzweig; V1.1 ergänzt F
Nachweis	Wahrheitstabelle, Zustandsfolge und Simulatorprotokoll
Ergebnis	Alle definierten Logiktests bestanden; keine Aussage zur Anlagensicherheit

Fachsprache und Teamkommunikation

Nutze eindeutige Bezeichnungen und Versionen. Häufige englische Fachwörter sind input (Eingang), output (Ausgang), normally open (Schließer), normally closed (Öffner), latch (Halte- oder Speicherfunktion), feedback (Rückführung) sowie programmable logic controller (SPS). Eine Übersetzung ersetzt kein Datenblatt: „normally closed“ beschreibt den Kontaktzustand, aber nicht ohne Weiteres die logische Auswertung im Programm.

Vollständiger Modellfall: Freigabe einer Förderstation

Arbeitsauftrag und Ausgangslage

Fall „Sortierband-Simulator“, synthetische Daten: Ein digitales Bedienpanel zeigt die logische Freigabe eines Förderbandes an. In V1.0 startet das System mit A und hält die Freigabe, solange Z = 1 bleibt. Die gewünschte Anpassung V1.1 lautet: Zusätzlich verhindert F = 0 eine Freigabe; bereits laufende Freigaben fallen bei F = 0 ab. Nach dem Freiwerden F = 1 ist ein neuer Start erforderlich. Der Ausgang Q steht ausschließlich für eine virtuelle Leuchte; weder Motor noch Leistungsabgang werden angesteuert.

Auftragsgrenzen: Kein reales SPS-Programm, keine Maschinenfreigabe, keine Verdrahtung, kein Netzanschluss und kein Ersatz einer Not-Halt-Funktion. Die folgenden Pegel, Zeiten und Messergebnisse sind erfundene Simulationsdaten für das Lernen.

Modelllösung: Eingänge, Funktion und Zustandsfolge

Variable	Bedeutung bei 1	Bedeutung bei 0
Z	Logische Stop-Freigabe vorhanden	Stop-Freigabe fehlt
F	Modellbereich frei	Modellbereich belegt
A	Startimpuls aktiv	Kein Startimpuls
Q_alt	Bisherige Freigabe gespeichert	Bisher keine Freigabe
Q_neu	Neue Freigabe aktiv	Neue Freigabe inaktiv

Funktionsgleichung: Q_neu = Z UND F UND (A ODER Q_alt).

Musterrechenschritt: Z = 1, F = 1, A = 0, Q_alt = 1: zuerst A ODER Q_alt = 0 ODER 1 = 1; dann Q_neu = 1 UND 1 UND 1 = 1. Fällt nun F auf 0, lautet das Ergebnis 1 UND 0 UND 1 = 0. Im nächsten Zeitschritt ist Q_alt = 0; F darf wieder 1 sein, doch ohne Start gilt 1 UND 1 UND (0 ODER 0) = 0. Damit wird unerwünschtes automatisches Wiederanlaufen der Modellfreigabe vermieden.

Ergebnis der simulierten Zustandsfolge:

Schritt	Z	F	A	Q_alt	Q_neu	Erklärung
t0	1	1	0	0	0	Grundzustand
t1	1	1	1	0	1	Start setzt Freigabe
t2	1	1	0	1	1	Freigabe wird gehalten
t3	1	0	0	1	0	Belegt-Signal setzt zurück
t4	1	1	0	0	0	Freiwerden allein reicht nicht
t5	1	1	1	0	1	Neuer Start setzt erneut
t6	0	1	0	1	0	Stop-Freigabe fehlt

Soll-Ist-Nachweis (synthetisch): Der Modelltest liefert für Q_neu die Folge 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0; sie stimmt in allen sieben Schritten mit den erwarteten Werten überein. Fachliches Ergebnis: Die spezifizierte binäre Freigabelogik erfüllt im geprüften Simulationsumfang die Änderungsanforderung. Eine Aussage über Zuverlässigkeit, elektrische Sicherheit oder eine reale Maschinenfreigabe lässt sich daraus nicht ableiten.

Fehlerfall und nachvollziehbare Korrektur

Eingespielter Fehler: In einer fehlerhaften Version steht Q_neu = Z UND (A ODER Q_alt); F fehlt. Test t3 ergibt dann bei Z = 1 und Q_alt = 1 den falschen Wert 1. Die Ursache ist eine ausgelassene Freigabebedingung, nicht ein Defekt des physischen Sensors. Korrigiere nur die Simulationsformel um den Faktor F, starte die gesamte Zustandsfolge erneut und dokumentiere den Unterschied vor/nach Änderung. Musterbefund: Vor Änderung scheitert Test t3, nach Änderung bestehen t0 bis t6.

Transfer: Für einen Sensor, der logisch 1 bei „belegt“ liefert, ist nicht F, sondern die sauber definierte negierte Information nötig. Die Funktion wird erst nach Klarstellung der Signalpolarität umgeschrieben. Sichere Maschinenfunktionen erfordern unabhängig davon separate Risikobeurteilung und geeignete Sicherheitstechnik.

Bewertungsraster für den berufstypischen Modellauftrag

Fachliches Kriterium	Höchstpunkte	Nachweis für volle Punkte
Auftragsanalyse und EVA-Blockbild	20	Ein- und Ausgänge, Grenzen, Signalbedeutungen und Ablauf korrekt
Funktionsgleichung und Speicherfunktion	15	Q_neu vollständig, Rücksetzen und Neustart logisch erklärt
Test- und Zustandsfolge	20	Alle sieben Schritte richtig berechnet und Soll-Ist verglichen
Fehlerdiagnose	15	Fehlerursache anhand eines unterscheidenden Testfalls belegt
Fachrechnen und Dokumentation	20	Einheiten, Rechenwege, Version und Ergebnis nachvollziehbar
Sicherheits- und Reflexionskompetenz	10	Grenzen der Simulation und reale Qualifikationspflicht korrekt benannt
Gesamt	100	Bewertung nur des Lernprodukts, keine betriebliche Freigabe

Bewertungsorientierung: 90–100 Punkte: fachlich sehr sicher; 75–89: weitgehend sicher; 60–74: wichtige Grundlagen vorhanden, gezielte Korrektur nötig; unter 60: zentrale Nachweise fehlen. Diese didaktische Skala ist kein IHK-Prüfungsschlüssel.

Musterprodukte und Kriterien zu allen zwölf offenen Aufgaben

Die Kennungen L1–L4, S1–S4 und H1–H4 beziehen sich auf die Aufgaben im Abschnitt „Offene Aufgaben“. Ein gutes Produkt enthält Annahmen, saubere Fachsprache, überprüfbare Ergebnisse und die dokumentierte Grenze zwischen Simulation und realer Elektroarbeit.

Aufgabe	Erwartetes Musterarbeitsprodukt und Lösungskriterium
L1	EVA-Skizze mit drei korrekt beschrifteten Blöcken und getrenntem Informations-/Energiefluss
L2	Vier Zeilen Wahrheitstabelle für UND und ODER ohne Rechenfehler
L3	Glossar mit sechs korrekt übersetzten und in einem Beispielsatz verwendeten Fachbegriffen
L4	Sensor-Aktor-Tabelle mit mindestens drei sinnvollen Zuordnungen und Signalinterpretation
S1	Siebenschrittige Zustandsfolge mit Q = 0,1,1,0,0,1,0 und erklärtem Neustart
S2	Berechnung: 3 · 5 mA = 15 mA und 24 V · 0,015 A = 0,36 W, inklusive Einheiten
S3	Diagnosebericht „F im Algorithmus ausgelassen“ mit t3 als Gegenbeispiel und Korrekturformel
S4	Vergleichsmatrix VPS/SPS mit Änderbarkeit, Diagnose, Dokumentation und Sicherheit
H1	Vollständige Spezifikation einschließlich Versionsvergleich und Negativtests
H2	Polarititätswechsel: bei Belegt-Signal B = 1 lautet die Bedingung F = NICHT B
H3	Teststrategie mit Start-, Halte-, Blockade-, Wiederkehr- und Stop-Fällen samt Sollwerten
H4	Wirtschaftlichkeits- und Nachhaltigkeitsreflexion mit begründeten Annahmen, keine erfundene Kostenfreigabe

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

1. Woran erkennst Du eine echte technische Regelung? (Die Regelgröße wird zurückgeführt und mit einem Sollwert verglichen) (!Ein Starttaster schaltet einen gespeicherten Zustand ein) (!Ein Relais besitzt einen Schließerkontakt) (!Eine SPS verfügt über digitale Eingänge)

Rückmeldung: Eine Regelung korrigiert die Regelabweichung durch den Soll-Ist-Vergleich; bloße Zustandsmeldungen in einer Steuerung reichen dafür nicht aus.

2. Welche Reihenfolge beschreibt das EVA-Prinzip? (Eingabe dann Verarbeitung dann Ausgabe) (!Verarbeitung dann Ausgabe dann Eingabe) (!Ausgabe dann Eingabe dann Verarbeitung) (!Eingabe dann Ausgabe dann Speicherung)

Rückmeldung: Erfrage zuerst den Signalursprung, danach die Verknüpfung und schließlich das ausgegebene Ergebnis.

3. Welche Aufgabe erfüllt ein induktiver Näherungssensor typischerweise? (Er erkennt geeignete metallische Ziele berührungslos) (!Er verstärkt grundsätzlich die Motorspannung) (!Er ersetzt einen mechanischen Leistungsschutzschalter) (!Er regelt ohne Auswertung stets eine Temperatur)

Rückmeldung: Ob der Ausgang bei Erkennung 0 oder 1 wird, ist zusätzlich von Sensortyp, Beschaltung und dokumentierter Signaldefinition abhängig.

4. Welchen Wert liefert Z UND F bei Z gleich 1 und F gleich 0? (0) (!1) (!Der vorherige Ausgangszustand) (!Einen unbekannten Analogwert)

Rückmeldung: Bei einer UND-Verknüpfung führt bereits eine einzige falsche Freigabebedingung zum Ergebnis 0.

5. Wie wird Q_neu im Modell bei Z gleich 1, F gleich 1, A gleich 0 und Q_alt gleich 1? (1) (!0) (!Der Wert ist ohne reale Spannungsmessung unbestimmbar) (!Der Wert hängt allein vom Sensormodell ab)

Rückmeldung: Der Speicherzweig A ODER Q_alt hält die Freigabe, solange Z und F weiterhin 1 sind.

6. Was muss die Modellfreigabe bei F gleich 0 tun? (Sie fällt unabhängig vom Startimpuls auf 0) (!Sie bleibt bei jedem Startimpuls dauerhaft auf 1) (!Sie wartet zwingend eine Minute) (!Sie wechselt zu einem beliebigen Analogwert)

Rückmeldung: Der Faktor F steht als UND-Bedingung vor der Haltefunktion und setzt deshalb dominant zurück.

7. Warum bleibt Q nach dem Freiwerden ohne erneuten Start ausgeschaltet? (Weil Q_alt zuvor auf 0 zurückgesetzt wurde) (!Weil jede SPS ohne Spannung einen Neustart verhindert) (!Weil ein ODER-Gatter immer 0 ausgibt) (!Weil ein induktiver Sensor keinen Zustand speichern kann)

Rückmeldung: Für Z gleich 1, F gleich 1 und A gleich 0 entsteht nur dann wieder Q gleich 1, wenn bereits Q_alt gleich 1 wäre.

8. Was unterscheidet eine SPS typischerweise von einer relaisbasierten VPS? (Die Logik kann wesentlich durch ein gespeichertes Programm beschrieben werden) (!Eine SPS benötigt grundsätzlich keine dokumentierten Eingänge) (!Eine VPS kann keine logischen UND-Verknüpfungen bilden) (!SPS-Ausgänge sind automatisch für jede Maschine sicherheitsgeeignet)

Rückmeldung: Die Änderbarkeit durch Software verlangt kontrollierte Versionierung, Prüfung und gegebenenfalls sicherheitsbezogene Bewertung.

9. Welcher Diagnosebefund passt zu einer dauerhaft als 0 gelesenen Freimeldung F? (Die Modellfreigabe bleibt wegen der UND-Bedingung aus) (!Die Freigabe wird unabhängig von Z automatisch 1) (!Die Speicherfunktion macht F grundsätzlich unwirksam) (!Das Problem kann nur ein defekter Elektromotor sein)

Rückmeldung: Prüfe zunächst die Eingangsdefinition und vergleiche den Wert von F mit der Soll-Funktionsgleichung, statt Hardwarefehler zu unterstellen.

10. Welche theoretische Verlustleistung entsteht an einem Widerstand bei 22 Volt Spannungsabfall und 10 Milliampere Strom? (0,22 Watt) (!2,2 Watt) (!22 Watt) (!0,0022 Watt)

Rückmeldung: Rechne 10 Milliampere in 0,010 Ampere um und multipliziere 22 Volt mit 0,010 Ampere.

Memory

Ordne die Fachbegriffe ihren jeweils eindeutigen Erläuterungen zu.

Sensor	Wandelt eine erfasste physikalische Größe oder einen Zustand in Information um
Aktor	Setzt ein Ausgangssignal in eine physikalische Wirkung um
Schließer	Kontakt, der im betätigten Zustand schließt
Öffner	Kontakt, der im betätigten Zustand öffnet
Wahrheitstabelle	Stellt Eingangskombinationen und zugehörige Ergebnisse dar
Selbsthaltung	Speichert eine Freigabe über den ursprünglichen Startimpuls hinaus
Signalpolarität	Ordnet der logischen Eins und Null eine reale Bedeutung zu

Drag-and-drop

Ordne die fünf Aussagen den passenden Funktionsbegriffen zu.

Gesuchter Fachbegriff	Passende Funktion
Eingabebaugruppe	Übernimmt definierte Signale aus dem Feld
Logikverknüpfung	Verknüpft binäre Bedingungen nach einer Wahrheitstabelle
Speicherbit	Hält den vorherigen logischen Zustand fest
Ausgabebaugruppe	Gibt die berechnete Stellinformation aus
Prüfprotokoll	Vergleicht dokumentierte Soll- und Ist-Ergebnisse

Kreuzworträtsel

Gesucht sind sechs einzelne Fachwörter.

Sensor	Welches Bauteil nimmt einen physikalischen Zustand auf?
Aktor	Welches Bauteil setzt ein Ausgangssignal in eine Wirkung um?
Relais	Welches elektromechanische Schaltgerät besitzt Spule und Kontakte?
Kontakt	Welcher elektrisch leitende Teil wird geöffnet oder geschlossen?
Speicher	Welche Funktion erhält einen Zustand über einen kurzen Startimpuls hinaus?
Eingang	Wie heißt die Schnittstellenseite für ankommende Signale?

LearningApps

Suche hier nach ergänzenden Lernspielen zur Steuerungstechnik. Das Suchangebot ist keine Zusicherung, dass jede gefundene App fachlich richtig oder offen lizenziert ist; prüfe Inhalt und Rechte.

Lückentext

Setze die Fachbegriffe ein. Arbeite mit den Definitionen aus den fünf Kapiteln.

Eine technische Steuerung folgt einer vorgegebenen

.

Das EVA-Prinzip beginnt mit der

.

Ein Bauteil zur Zustandserfassung heißt

.

Die physikalische Wirkung wird vom

ausgeführt.

Eine UND-Verknüpfung liefert nur dann Eins, wenn alle Bedingungen

sind.

Die Weitergabe eines vorherigen Zustands heißt hier

.

Eine programmierbare Steuerung wird in der deutschen Fachsprache mit

abgekürzt.

Das Gegenteil einer Freigabe ist im Modell die

.

Ein systematischer Vergleich von erwarteten und beobachteten Werten heißt

.

Fehlerberichte und Versionsstände gehören zur technischen

.

Offene Aufgaben

Bearbeite genau die für Dein Lernniveau ausgewählten Aufgaben. Alle Produkte beruhen auf Papier, Tabellen oder Simulationen und enthalten keine reale Schaltungsfreigabe. Nutze die Kriterien der Musterprodukt-Tabelle im fünften Fachkapitel.

Leicht

L1 – EVA-Analyse: Zeichne die Blöcke Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe zum Sortierband-Simulator; beschrifte mindestens drei Signale und erkläre den Informationsfluss.
L2 – Wahrheitstabelle: Erstelle die vollständigen Wahrheitstabellen von UND und ODER für zwei Eingänge und prüfe die Fälle 01 sowie 10.
L3 – Fachsprache: Erstelle ein deutsch-englisches Glossar zu input, output, normally open, normally closed, latch und feedback mit je einem Beispielsatz.
L4 – Bauteile erkennen: Unterscheide in einer illustrierten digitalen Übersicht mindestens drei Sensoren und drei Aktoren nach Aufgabe und Signalart.

Standard

S1 – Zustandsfolge: Berechne Q_neu für die sieben vorgegebenen Schritte t0 bis t6 und erkläre den Unterschied zwischen Halten und erneutem Start.
S2 – Fachrechnen: Berechne Gesamtstrom und idealisierte Leistungsaufnahme dreier Eingänge mit je 5 mA bei 24 V; dokumentiere alle Umrechnungen und Grenzen des Modells.
S3 – Diagnosebericht: Analysiere die fehlerhafte Freigabegleichung ohne F, bestimme den aussagekräftigsten Testfall und formuliere eine simulierte Korrektur.
S4 – Variantenvergleich: Vergleiche VPS und SPS in einer vierkriteriellen Entscheidungsmatrix und begründe die Dokumentationspflicht.

Schwer

H1 – Änderungsakte: Entwickle eine vollständige versionierte Anforderungsspezifikation für die Modellerweiterung inklusive Blockschaltbild, signalbezogenem Pflichtenheft und Negativtests.
H2 – Polaritätswechsel: Schreibe die Modellgleichung für einen Sensor B um, der 1 bei belegtem Bereich liefert; begründe jede Negation durch eine Wahrheitstabelle.
H3 – Prüfstrategie: Entwirf mindestens acht unterscheidende simulierte Testfälle zu Start, Halten, Blockade, Stop und Wiederanlauf, einschließlich möglicher Fehlerursachen und Sollresultate.
H4 – Bewertungsbericht: Vergleiche zwei rein hypothetische Steuerungsvarianten nach Änderungsaufwand, Fehlerdiagnose, Ressourcennutzung und dokumentierter Sicherheitsgrenze; gib begründete Annahmen an.

Lernkontrolle

Löse die sechs zusätzlichen Transferaufgaben zunächst ohne Blick auf die Musterhinweise.

1 – Abgrenzung: Entscheide anhand von zwei selbst entworfenen Blockbildern, ob ein System steuert oder regelt, und belege Deine Entscheidung mit dem Vorhandensein beziehungsweise Fehlen eines Soll-Ist-Vergleichs.
2 – Transferlogik: Berechne für Z = 1, F = 0, A = 1, Q_alt = 1 den neuen Zustand und erkläre, warum ein Startimpuls eine fehlende Freigabe nicht überstimmen darf.
3 – Fehlerdaten: Eine Simulation protokolliert für t0 bis t6 die Werte 0,1,1,1,0,1,0. Vergleiche mit der Sollfolge, grenze einen wahrscheinlichen Logikfehler ein und formuliere einen Gegenbeispieltest.
4 – Polarität: Ein neuer Belegtsensor liefert B = 1 bei blockiertem Bereich. Gib eine passende Freimeldung F sowie die korrigierte Freigabegleichung an.
5 – Nachrechnung: Ein Modellwiderstand hat 22 V Spannungsabfall bei 10 mA. Berechne Widerstand und Verlustleistung und erkläre, warum das keine reale Bauteilfreigabe ergibt.
6 – Fachgespräch: Begründe im Rollenspiel mit einem fiktiven Auftraggeber, welche Unterlagen für die Modelländerung nötig sind und welche zusätzlichen Nachweise bei einer echten Maschine außerhalb dieses Kurses liegen.

Lösungshinweise zur Selbstkontrolle: 1 – Regelung erfordert Rückführung der Regelgröße und Soll-Ist-Vergleich. 2 – Ergebnis 0, weil F = 0 die UND-Verknüpfung sperrt. 3 – Der vierte Wert t3 ist falsch; eine ausgelassene Freimeldebedingung ist mit einem separaten Wechsel von F bei gehaltenem Q prüfbar. 4 – F = NICHT B; Q_neu = Z UND NICHT B UND (A ODER Q_alt). 5 – R = 2.200 Ohm, P = 0,22 W; Datenblatt, Toleranzen und realer Aufbau fehlen. 6 – Mindestens Anforderung, Signalplan, Logik, Version, Testfälle, Soll-Ist-Protokoll sowie klare Abgrenzung zur Sicherheitsfreigabe.

Lernnachweis

Wissen: Du erläuterst Steuerkette, EVA, Rückkopplung, Sensor, Aktor, VPS, SPS, Grundverknüpfungen, Speicherfunktion und Signalpolarität korrekt.

Können: Du formulierst eine Freigabeanforderung; erstellst Signalplan, Wahrheitstabelle und Zustandsfolge; rechnest mit korrekt umgerechneten elektrischen Größen; vergleichst Soll- und simulierte Ist-Werte; leitest aus einem Fehlersymptom eine überprüfbare Hypothese ab.

Einzureichende Lernprodukte: (1) EVA-Blockbild, (2) signalbezogene Funktionsbeschreibung mit Formel, (3) siebenzeilige Zustandsfolge, (4) dokumentierter Fehlervergleich und (5) einseitiger Reflexionsbericht mit Sicherheitsgrenzen. Im Team können Aufgaben verteilt werden, aber jedes Ergebnis braucht eine verständliche eigene Begründung.

Selbstbewertung: Vergleiche Deine Produkte mit dem 100-Punkte-Raster im Modellfall. Markiere fehlende Annahmen oder Rechenschritte und überarbeite mindestens einen Fehler mit kurzer Änderungsnotiz. Ein fehlerfreier Simulationstest ist kein Nachweis einer realen Maschinen- oder Elektrosicherheit.

OER und Wikipedia

Fachliche Primärquellen und Nachschlagwerke:

KMK-Rahmenlehrplan Industrieelektriker/Industrieelektrikerin, Beschluss 23.04.2009, Lernfeld 3 auf Seite 11 (Unterrichtsplanung; keine frei lizenzierte Abbildung behauptet).
BIBB-Berufsprofil Betriebstechnik und BIBB-Berufsprofil Geräte und Systeme (Beruf und Fachrichtungen).
Ausbildungsordnung IndElekAusbV (Ausbildung, Ausbildungsberufsbild und Prüfungsbereiche, keine Originalaufgaben).
IHK Ulm: Prüfung Industrieelektriker (Prüfungskontext; keine ungeprüfte Übernahme von Zeit- oder Gewichtungsangaben).
Wikipedia: Steuerungstechnik und Wikipedia: Speicherprogrammierbare Steuerung (offene Nachschlageartikel; Lizenzbedingungen auf Wikipedia beachten).
LEIFIphysik: einfache Stromkreise (ergänzende Grundlagen, Nutzungsbedingungen auf der Quellseite).

Abbildungsquellen und Nutzungsrechte: Die angegebenen Originaldateien sind auf Wikimedia Commons überprüft. Bei Weiterverwendung bitte Urheberangabe, Lizenzlink und gegebenenfalls ShareAlike-Bedingungen beachten. Die Bilder wurden im Kurs nicht verändert.

Verwendete Datei	Verifizierte Dateiseite	Urheber laut Dateiseite	Rechte laut Dateiseite
File:Simple feedback control loop.svg	Commons	Ursprung Ap, SVG-Fassung Chetvorno	CC BY-SA 3.0, weitere Optionen laut Dateiseite
File:Inductive proximity sensor.jpg	Commons	Ekbsensor	CC BY-SA 4.0
File:LogicGates.svg	Commons	Vaughan Pratt	CC BY 3.0
File:AND DIN.svg	Commons	jjbeard	Public Domain laut Dateiseite
File:Kontakt.svg	Commons	Mik81	Public Domain laut Dateiseite
File:Programmable logic controller.jpg	Commons	Bisgaard	CC BY-SA 3.0

Fachvideos und Rechte: Drei öffentlich erreichbare YouTube-Videos sind mit ihren konkreten Titeln und Beschreibungen als Lernressourcen ausgewählt. Das Einbetten ist keine Behauptung einer offenen Videolizenz. Urheber- und Plattformrechte verbleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern. Videos nicht herunterladen, kopieren oder neu lizenzieren.

Video-URL	Thema	Kanal/Urheber	Nutzungshinweis
Video zu Steuerung und Regelung	Unterschied Steuerung/Regelung	Elektrotechnik in 5 Minuten / Alexander Stöger	Externes YouTube-Embed, Rechte beim Anbieter
Video zu Grundverknüpfungen	UND, ODER, NICHT	#Sogeht by Sven Stemmler	Externes YouTube-Embed, Rechte beim Anbieter
Video zur Selbsthaltung	Schützschaltung und Haltefunktion	#Sogeht by Sven Stemmler	Externes YouTube-Embed, Rechte beim Anbieter