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Fachübungen 13 – Sicherstellen der Betriebsfähigkeit automatisierter Systeme - Industriemechaniker

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Einleitung

Du arbeitest im dritten Ausbildungsjahr der Ausbildung zum Industriemechaniker beziehungsweise zur Industriemechanikerin. In Lernfeld 13 untersuchst du, warum eine automatisierte Anlage zuverlässig funktioniert, wie du Störungen systematisch eingrenzt und wie sich ein Prozess ohne Eingriff in die Sicherheit optimieren lässt. Der KMK-Rahmenlehrplan in der Fassung vom 23.02.2018 ordnet dem Lernfeld 80 Unterrichtsstunden zu. Du analysierst technische Dokumentationen, entwickelst Verbesserungen, bewertest Fehler und dokumentierst fachlich begründete Lösungen. Alle Zahlen und Maschinenbezeichnungen in den Übungen sind synthetische Unterrichtsdaten.

Berufsrechtliche Einordnung: Das BIBB führt den anerkannten Ausbildungsberuf mit einer regulären Dauer von 42 Monaten und den Einsatzgebieten Feingerätebau, Instandhaltung, Maschinen- und Anlagenbau sowie Produktionstechnik; diese sind keine vier rechtlich eigenständigen Fachrichtungen. Maßgeblich sind die Verordnung über die Berufsausbildung in den industriellen Metallberufen in der konsolidierten Fassung nach der Neufassung 2018 sowie der zum Ausbildungsjahrgang passende Rahmenlehrplan. Die Abschlussprüfung ist gestreckt in Teil 1 und Teil 2; dieser Kurs enthält keine Originalprüfungsaufgaben, keine behaupteten Prüfungstermine und keine ungeprüften Zeit- oder Prozentangaben. Den konkreten Ausbildungsbeginn und die jeweils anwendbaren Vorgaben prüfst du anhand von Ausbildungsvertrag und zuständiger Kammer.

Sicherheitsrahmen: Dies ist ein Lern- und Simulationskurs, keine Inbetriebnahme-, Freigabe- oder Reparaturanweisung. Arbeiten an realen elektrischen, pneumatischen, hydraulischen oder bewegten Anlagen dürfen nur von qualifizierten und beauftragten Personen nach Gefährdungsbeurteilung, Herstellerunterlagen und geltenden Schutzmaßnahmen angeleitet beziehungsweise durchgeführt werden. Nie Schutzfunktionen überbrücken, niemals eine Warnung als Freigabe verstehen.

Lernziele: Du kannst das Zusammenspiel von Sensorik, SPS, Aktorik und Mechanik erklären, einfache Fachrechnungen mit Einheiten vornehmen, aus Messwerten mehrere Fehlerhypothesen ableiten, eine Prüfliste formulieren und die Wirkung einer sicheren, fachlich geprüften Verbesserungsmaßnahme anhand von Daten bewerten.

Schematischer Aufbau einer SPS mit Ein- und Ausgängen; Quelle und Lizenz stehen im Medienverzeichnis.

Automatisiertes System und technische Dokumentation analysieren

Vom Arbeitsauftrag zum Funktionsmodell

Ein automatisiertes System verbindet Stofffluss, Energiefluss und Informationsfluss. Beispiel: Eine Sortierstation transportiert ein Werkstück, erkennt dessen Anwesenheit, gibt einer Steuerung ein Signal und bewegt einen pneumatischen Ausschieber. Das System ist nur betriebsfähig, wenn seine Funktion bestimmungsgemäß, reproduzierbar und unter wirksamen Schutzmaßnahmen möglich ist. Eine leuchtende Betriebsanzeige allein belegt dies nicht.

Die Informationskette lautet in einem vereinfachten Modell: Werkstück → Sensor → SPS-Eingang → logische Auswertung → SPS-Ausgang → Ventilspule → Ventil → Zylinder → Rückmeldesensor. Die elektrische Versorgung, Druckluftqualität, mechanische Führung und die sicherheitsgerichteten Einrichtungen bilden jeweils eigenständige Voraussetzungen. Trenne für eine Diagnose immer Sollzustand, Istzustand und Mess- beziehungsweise Beobachtungsstelle.

Dokument	Leitfrage	Typischer Nutzen
Funktionsbeschreibung und Ablaufdiagramm	Welche Bewegung ist wann zulässig?	Sollfolge und erwartete Rückmeldung
Pneumatikplan und Elektroschaltplan	Wie sind Komponenten verschaltet?	Energie- und Signalwege
E/A-Liste beziehungsweise I/O-Liste	Welche SPS-Adresse gehört zu welchem Betriebsmittel?	Vergleich von Anzeige, Sensor und Ausgang
Herstellerdokumentation	Welche Grenzen und Voraussetzungen gelten?	Geeignete Prüfverfahren und zulässige Einstellungen
Wartungsplan und Störungsprotokoll	Was trat wann und wie oft auf?	Wiederkehrende Fehler und Wirtschaftlichkeit

Strukturierte Dokumentenauswertung

Schreibe aus einer Dokumentation zuerst die Funktion und die benötigten Eingangs- und Ausgangsgrößen heraus. Ordne dann jedes Signal physisch einer Komponente zu. Beispiel: B0 meldet „Zylinder eingefahren“, B1 meldet „Zylinder ausgefahren“ und Y1 bezeichnet die elektrische Ansteuerung eines Wegeventils. Diese Kürzel sind nur für unseren Modellfall definiert, nicht als universelle Klemmenbelegung. Eine SPS-Adressangabe ersetzt niemals die tatsächliche Hersteller- oder Projektdokumentation.

Typische Fehler: Eingangsadresse und Ausgangsadresse vertauschen; logische 1 mit vorhandener Betriebsspannung gleichsetzen; aus einer Fehlermeldung direkt auf ein defektes Bauteil schließen; veraltete Revisionen des Schaltplans verwenden. Prüfe deshalb Dokumentenstand, Zeitstempel und Signaldefinitionen.

Beispiele realer SPS-Geräte; ihre konkrete Verdrahtung kann nur mit den zugehörigen Unterlagen bewertet werden.

Betriebssicherheit und Kennzahlen

Betriebsfähigkeit bedeutet nicht dasselbe wie eine hohe rechnerische Verfügbarkeit. Für eine vereinfachte zeitbezogene Betrachtung gilt: Verfügbarkeit A = Betriebszeit / geplante Produktionszeit. Ein einzelner sicherheitskritischer Fehler kann den Betrieb ausschließen, auch wenn eine Kennzahl hoch ist. MTBF bezeichnet die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen reparierbarer Systeme, MTTR die mittlere Zeit zur Wiederherstellung; ihre sinnvolle Anwendung setzt klare Definitionen und ausreichend Daten voraus. Eine Kennzahl ersetzt weder Prüfbefunde noch die Sicherheitsbeurteilung.

Sensoren, Aktoren und Fluidtechnik beurteilen

Sensorik und Identifikation

Ein Sensor erfasst einen physikalischen Zustand und gibt ein auswertbares Signal ab. Ein induktiver Näherungssensor erkennt geeignete metallische Objekte berührungslos; ein am Pneumatikzylinder montierter Magnetfeldsensor erkennt die Position eines magnetischen Kolbens. Lichtschranken reagieren je nach Bauart auf unterbrochene oder reflektierte Lichtwege. Bei der Identifikation von Werkstücken können Barcode-Scanner oder RFID-Systeme eingesetzt werden. Die richtige Auswahl hängt von Material, Abstand, Umgebungsbedingungen, Schutzart, Wiederholgenauigkeit und Schnittstelle ab.

Eine positive Sensoranzeige am Gerät bedeutet nicht automatisch, dass die SPS das Signal korrekt empfangen oder verarbeitet hat. Ebenso belegt eine SPS-Eingangsänderung noch nicht die mechanische Zielposition, wenn der Sensor falsch positioniert ist. Nutze daher plausibilisierte Signalfolgen und voneinander unabhängige Belege.

Schema eines induktiven Näherungssensors.

Anordnung zweier magnetisch betätigter Endlagensensoren an einem Pneumatikzylinder.

Beispiel eines Barcode-Lesegeräts für die Identifikation von Werkstücken oder Ladungsträgern.

Pneumatik und Elektrohydraulik

Ein pneumatischer Antrieb nutzt verdichtete Luft; ein hydraulischer Antrieb nutzt eine Druckflüssigkeit. Ein 5/2-Wegeventil verfügt über fünf Anschlüsse und zwei Schaltstellungen; es kann beispielsweise einen doppeltwirkenden Pneumatikzylinder steuern. Zwei Zylinderanschlüsse allein verraten aber noch nichts über die sichere Schaltstrategie. Bei einem elektrisch angesteuerten Ventil ist zwischen Steuersignal, Schaltzustand des Ventils und tatsächlicher Bewegung zu unterscheiden.

Für das idealisierte Rechnen mit einem Zylinder gilt: A = π · d² / 4 und F = p · A. Bei einer Kolbenstange ist die wirksame Ringfläche auf der Stangenseite A_R = π · (d² − d_R²) / 4. Verwende Druck in Pascal, Durchmesser in Metern, Fläche in Quadratmetern und Kraft in Newton. Die real nutzbare Kraft hängt von Reibung, Gegendruck, Mechanik und Wirkungsgrad ab; angenommene Wirkungsgrade sind lediglich Modellwerte.

Rechenbeispiel: Bei einem angenommenen wirksamen Differenzdruck von 0,50 MPa, einem Kolbendurchmesser von 40 mm und einem angenommenen mechanischen Faktor von 0,85 beträgt die rechnerische Ausfahrkraft 500000 Pa · π · (0,040 m)² / 4 · 0,85 ≈ 534 N. Ohne festgelegte Last- und Randbedingungen ist dies keine Aussage über die zulässige reale Zylinderwahl. Typische Fehler sind bar und Pa zu verwechseln, den Stangendurchmesser beim Einfahren zu vergessen und aus dem statischen Kraftwert direkt auf die Bewegungsgeschwindigkeit zu schließen.

Animation der Zylinderbewegung, nicht als alleiniger Nachweis für eine bestimmte Schaltung geeignet.

Lernvideo „Webinar Grundlagenschulung der Pneumatik – Modul 1“, Landefeld; insbesondere Grundlagen zu Ventilen, Zylindern und Kraftberechnung. Plattformvideo, nicht als OER umdeklariert.

Volumen und überschlägiger Luftverbrauch

Das geometrische Ausfahrvolumen ist V_A = A · s. Für 40 mm Kolbendurchmesser und 160 mm Hub ergibt sich π · (0,040 m)² / 4 · 0,160 m ≈ 0,0002011 m³ = 0,201 l. Auf der Stangenseite mit 12 mm Stangendurchmesser ergibt sich 0,183 l. Bei 5 bar Überdruck entspricht der absolute Druck idealisiert ungefähr 6 bar, sofern der Umgebungsdruck ungefähr 1 bar beträgt. Unter Vernachlässigung von Leitungsvolumen, Temperaturänderung, Leckage und Restluft beträgt die freie Luftmenge pro vollständigem Aus- und Einfahren daher (0,201 + 0,183) l · 6 ≈ 2,30 l bezogen auf ungefähr 1 bar. Bei 30 vollständigen Zyklen pro Minute sind dies überschlägig 69 l/min freie Luft. Die Rechnung ist eine didaktische Näherung, keine Kompressorauslegung.

SPS, Ablaufsteuerung, Betriebsarten und Schnittstellen

Steuerung und Regelung unterscheiden

Bei einer Steuerung wird der Ablauf anhand festgelegter Eingänge und Bedingungen beeinflusst; bei einer Regelung wird eine Regelgröße fortlaufend mit einem Sollwert verglichen und die Stellgröße anhand der Abweichung verändert. Eine Endlagenrückmeldung in einer Ablaufsteuerung macht den Vorgang nicht automatisch zu einer stetigen Regelung. In komplexen Anlagen können beide Konzepte gemeinsam auftreten.

Die SPS verarbeitet Eingangssignale programmgesteuert und setzt daraus Ausgangssignale ab. Typische Betriebsmittel sind digitale Eingänge, digitale Ausgänge, Kommunikationsmodule und Visualisierung. Schnittstellen können Verdrahtungsgrenzen, Datenformate, Kommunikationsnetze oder mechanische Kupplungen betreffen. Für Fehleranalysen sind Signalquelle, Signalziel, Aktualisierungszeit und Diagnoseinformation zu dokumentieren.

Blockdiagramm einer programmierbaren Steuerung: Sensorinformationen werden verarbeitet und Ausgänge gesteuert.

Lernvideo „Grundlagen der SPS (speicherprogrammierbare Steuerung)“, Jörn Loviscach; zur begrifflichen Vertiefung.

Ablaufplan und Funktionsbausteinsprache

In einer Ablaufsprache beziehungsweise einem sequentiellen Funktionsplan werden Schritte, Aktionen und Übergangsbedingungen dargestellt. Eine Transition darf nur dann wirksam werden, wenn ihre vorgegebenen Voraussetzungen erfüllt sind. In der Funktionsbausteinsprache werden logische und funktionale Bausteine miteinander verbunden. Beide Darstellungen müssen mit der konkreten Softwareumgebung und den Anforderungen des Projekts abgeglichen werden; das Diagramm ersetzt keine Sicherheitslogik.

Didaktischer Beispielablauf, keine Maschinensteuerung: S0 „Grundstellung prüfen“, S1 „Ausschieber ausfahren“, S2 „Endlage auswerten“, S3 „Ausschieber zurückführen“. Der Übergang von S1 nach S2 setzt das vereinbarte B1-Signal voraus; bei fehlender Rückmeldung innerhalb der im Modell festgelegten Überwachungszeit wechselt die Simulation in den Fehlerzustand. Ein Ausschieber darf nie nur deshalb erneut starten, weil eine Störmeldung quittiert wird.

Beispielgrafik zu GRAFCET; sie dient dem Lesen von Schritten und Übergängen und ist nicht der Steuerungsplan des Modellfalls.

Modell-Betriebsart	Zweck	Sicherheitsrelevante Abgrenzung
Automatik	Definierter Ablauf bei erfüllten Freigabebedingungen	Nur mit projektierter und geprüfter Schutzfunktion
Einrichten	Vorbereitende Tätigkeiten nach Herstellervorgaben	Kein pauschaler Zugriff auf den Gefahrenbereich
Störung	Prozess bleibt in vorgesehenem Zustand beziehungsweise geht in den projektierten sicheren Zustand	Quittieren ersetzt keine Ursachenbehebung
Wartung	Arbeiten nach gesonderter Planung und Freigabe	Energieisolierung und Restenergie durch Fachkundige bewerten

Typische Denkfehler: Ein Ausgang ist logisch aktiv, also muss das Ventil mechanisch geschaltet haben; B1 ist 0, also ist B1 defekt; ein Reset stellt automatisch Betriebsbereitschaft her; ein Standard-SPS-Programm ersetzt eine Sicherheitssteuerung. Alle diese Schlussfolgerungen sind unzulässig.

Sichere Fehlereingrenzung und Instandhaltungsplanung

Von der Störmeldung zur prüfbaren Hypothese

Beginne mit einer Fehlerbeschreibung: Was war gefordert, was ist beobachtet worden, seit wann tritt die Abweichung auf und unter welchen Bedingungen? Erstelle danach eine Hypothesenliste entlang der Kette Sensor – Logik – Ausgang – Ventil – Antrieb – Mechanik – Versorgung. Prüfe nur mit zulässigen, vom Betrieb freigegebenen Diagnoseverfahren, was eine Hypothese bestätigen oder widerlegen würde. Ein Fehlerbaum unterscheidet beispielsweise unzureichende Versorgung, eingeschränkten Durchfluss, mechanische Blockade, fehlerhafte Rückmeldung und Softwarebedingung.

Diagnosematrix eines fiktiven Ereignisses:

Beobachtung	Mögliche Ursachen	Geeigneter sicherer Erkenntnisweg
SPS-Ausgang zeigt ein aktives Signal	Ausgangspfad, Ventil oder Antrieb dennoch gestört	Dokumentation und zugelassene Diagnosedaten vergleichen
Endlage B1 bleibt aus	Bewegung zu langsam, Mechanik blockiert, Sensor falsch eingestellt	Zeitprotokoll und unabhängige, zulässige Prüfbelege sichten
Druck fällt nur bei Belastung	Erhöhter Durchflussbedarf, Leckage oder Versorgungsengpass	Vorhandene Messaufzeichnungen und Herstellergrenzen fachkundig auswerten
Fehler tritt sporadisch auf	Wackelkontakt, wechselnde Last oder verschmutzte Sensorfläche	Ereignisse mit Zeitstempel korrelieren, keine Ursache raten

Schutzmaßnahmen und Zuständigkeiten

Vor praktischen Eingriffen sind nach betrieblichen Vorgaben und Gefährdungsbeurteilung unter anderem elektrische Energie, Druckenergie, gespeicherte Lageenergie und unerwarteter Wiederanlauf zu berücksichtigen. Die Planung umfasst eine fachkundige Risikobeurteilung, gesicherte Stillsetzung, erforderliche Energieisolierung, Kontrolle möglicher Restenergien und eine dokumentierte Wiederanlaufprüfung. Ein Not-Halt ist eine Schutzmaßnahme, aber kein Ersatz für das sichere Freischalten und die Energieisolierung. Änderungen an Sicherheitsfunktionen dürfen nicht als Übungsabkürzung erfolgen; für Prüfungen und Freigaben gelten die jeweiligen Zuständigkeiten.

Symbol eines Not-Halt-Bedienelements; die bildliche Darstellung ersetzt keinen sicherheitstechnischen Nachweis.

Planung, Prüfnachweis und Fehlerkosten

Trenne Diagnose, Instandsetzungsentscheidung, fachkundige Ausführung, Prüfung und Freigabe. Ein Prüfprotokoll nennt mindestens die geprüfte Anforderung, Prüfverfahren, Sollwert, Istwert, Datum, verwendete Dokumentenrevision, Befund und verantwortliche Fachfunktion. Während einer Simulation ist als Ergebnis ausdrücklich „Modellprüfung bestanden“ anzugeben, niemals „Maschine freigegeben“. Vergleiche Maßnahmen zudem nach Ausfallrisiko, Ersatzteilverfügbarkeit, dokumentierten Stillstandskosten und Folgekosten.

Die Fehler-Möglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) kann Fehlermöglichkeiten systematisch priorisieren. Eine Prioritätszahl ist jedoch weder ein allgemeingültiger Grenzwert noch eine Erlaubnis, sicherheitskritische Risiken bei geringer Häufigkeit zu akzeptieren. Wirtschaftlichkeit folgt erst nach Erfüllung der Sicherheitsanforderungen.

Vollständiger Modellfall: Ausschleusstation diagnostizieren und verbessern

Auftrag, Aufbau und synthetische Messdaten

Fiktiver Kundenauftrag: Eine automatisierte Station bewegt kleine Werkstücke auf einem Förderband. Ein doppeltwirkender Zylinder A mit 40 mm Kolbendurchmesser, 12 mm Stangendurchmesser und 160 mm Hub schiebt erkannte Werkstücke in eine Sammelspur. B0 zeigt die eingefahrene Endlage, B1 die ausgefahrene Endlage. Y1 kennzeichnet im Unterrichtsmodell die Ansteuerung des Ausfahrventils. Die vorgesehene Überwachungszeit beträgt 2,0 s. Alle folgenden Messwerte sind frei erfunden. Kein Bauteil einer realen Anlage wird damit freigegeben.

Zeitpunkt	SPS-/Sensorsignal	Druckanzeige im Datensatz	Modellbeobachtung
0,0 s	B0 = 1; B1 = 0; Y1 = 1	5,2 bar	Startanforderung plausibel
0,8 s	B0 = 0; B1 = 0; Y1 = 1	4,1 bar	Bewegung begonnen, Endlage offen
2,5 s	B0 = 0; B1 = 0; Y1 = 0	3,6 bar	B1 fehlt nach 2,0 s, simulierte Zeitüberschreitung
Nach fiktiver Korrektur	B0 = 0; B1 = 1; Y1 = 1	5,0 bar	B1 innerhalb von 1,2 s in Simulation erkannt

Aufgabe A – Analyse: Kennzeichne die Abweichung von der Sollfolge und unterscheide gesicherte Beobachtungen von Hypothesen. Musterantwort: Die Endlagenmeldung B1 fehlt innerhalb der modellierten Überwachungszeit. Y1 war im Ausgangsprotokoll aktiv, aber daraus folgt weder, dass das Ventil geschaltet hat, noch dass B1 selbst defekt ist. Möglich sind Leckage, zu geringer Durchfluss, mechanische Reibung, ein unpassender Sensorzustand oder eine weitere Störung. Die Druckwerte begründen eine priorisierte Untersuchung des Versorgungs- und Antriebspfads.

Aufgabe B – Diagnoseplan: Erstelle einen Fehlerbaum und einen sicheren Ablauf für die Informationsgewinnung. Musterarbeitsprodukt: 1. Auftrag, Schaltplanrevision, Sicherheitsstatus und Zeitprotokoll erfassen; 2. B0/B1/Y1 mit E/A-Liste abgleichen; 3. vorhandene Druck- und Ereignisaufzeichnungen auswerten; 4. alternative Ursachen dokumentieren; 5. Mess- und Prüfbedarf mit qualifizierter Fachperson und Herstellervorgaben abstimmen; 6. Änderungen nur nach betrieblicher Freigabe; 7. dokumentierte simulierte Wiederholprüfung und Ergebnisvergleich. Im Übungsdatensatz wird die Hypothese undichte Leitungsverbindung durch zusätzliche, ausdrücklich simulierte Prüfbefunde bestätigt; ohne diese Zusatzinformation wäre die Ursache nicht eindeutig identifizierbar.

Fachrechnung und Plausibilitätsprüfung

Aufgabe C – Kraft: Bei angenommenen 5 bar wirksamem Differenzdruck und Faktor 0,85 erhältst du für die Kolbenseite die Fläche 0,0012566 m² und die Ausfahrkraft 534 N. Auf der Stangenseite gilt die Ringfläche π · (0,040² − 0,012²) / 4 m² = 0,0011435 m²; die vereinfachte Einfahrkraft beträgt 486 N. Bei nur 3,6 bar wären es auf der Kolbenseite rund 385 N. Alle Werte sind Schätzungen ohne nachgewiesene Gegendruck- und Lastverhältnisse. Bewertungskriterium: Formel, Einheiten, plausibler Rechenweg, Aussagegrenze.

Aufgabe D – Verbrauch: Mit 160 mm Hub erhältst du ca. 0,201 l auf der Kolbenseite und 0,183 l auf der Stangenseite. Bezogen auf 1 bar und idealisiert 6 bar absolut sind das rund 2,30 l freie Luft je Zyklus beziehungsweise 69 l/min bei 30 Zyklen je Minute. Für eine reale Auslegung fehlen Totvolumina, Leckage, Kompressorkennlinie und Druckluftqualität.

Modellprüfung und OEE-Vergleich

Aufgabe E – Datenauswertung: Werte die synthetischen Schichtdaten mit OEE = Verfügbarkeit · Leistung · Qualität aus. Idealzykluszeit: 0,5 min je Teil. Vor Verbesserung: 120 min geplante Zeit, 20 min Stillstand, 160 produzierte Teile, davon 150 gut. Nach fachkundig geprüfter und ausschließlich modelliert dargestellter Korrektur: 120 min geplant, 8 min Stillstand, 200 Teile, davon 196 gut.

Kennzahl	Vorher	Nachher
Betriebszeit	100 min	112 min
Verfügbarkeit	100 / 120 = 83,33 %	112 / 120 = 93,33 %
Leistung	160 · 0,5 / 100 = 80,00 %	200 · 0,5 / 112 = 89,29 %
Qualität	150 / 160 = 93,75 %	196 / 200 = 98,00 %
OEE	0,8333 · 0,80 · 0,9375 = 62,50 %	0,9333 · 0,8929 · 0,98 ≈ 81,67 %
Verbesserung	Ausgangswert	+19,17 Prozentpunkte

Interpretation: Das Modell zeigt eine höhere Gesamteffektivität und eine geringere Störzeit. Es beweist aber weder Langzeitzuverlässigkeit noch Schutzwirkung. Für reale Entscheidungen wären repräsentative Daten, Kosten, Qualität, Sicherheitsstatus und eine qualifizierte dokumentierte Prüfung erforderlich. Eine Optimierung mit deaktivierter Schutzeinrichtung ist nie zulässig.

Musterarbeitsprodukte und fachliches Bewertungsraster

Abzugebende Produkte: beschriftetes Funktionsschema, E/A-Tabelle, Zeitspur, Fehlerbaum mit mindestens drei Alternativen, Fachrechenblatt, OEE-Auswertung, dokumentierter Simulationsprüfplan und adressatengerechte Übergabenotiz. Beispiel für den Schluss eines fiktiven Prüfprotokolls: „B1 im Simulationslauf nach 1,2 s erkannt; vorgegebene Zeitgrenze 2,0 s eingehalten; 10 von 10 simulierten Abläufen ohne Timeout; keine Aussage über eine reale Maschinenfreigabe.“

Bewertungskriterium	Erkennbares Qualitätsmerkmal	Punkte
Funktionsanalyse	Signal- und Energiepfade schlüssig, Soll-Ist-Vergleich belegbar	0–4
Fehlerdiagnose	Hypothesen getrennt, Prüfkriterien und Grenzen begründet	0–4
Fachrechnen	Formeln, Einheiten, Ringfläche und Rundung korrekt	0–4
Datenauswertung	Verfügbarkeit, Leistung, Qualität und OEE richtig interpretiert	0–4
Sicherheit und Dokumentation	Zuständigkeiten, Restenergie, keine reale Freigabe behauptet	0–4
Gesamt	Maximal 20 Punkte; 17–20 sehr fundiert, 13–16 fundiert, 9–12 teilweise erfüllt, darunter weiterer Übungsbedarf	20

Typische Fehler und Rückmeldung: Wer nur einen Sensor tauschen will, verwechselt Hypothese und Nachweis. Wer „3,6 bar = Zylinder defekt“ schreibt, übersieht Versorgungs- und Durchflussprobleme. Wer OEE-Werte addiert statt multipliziert, verwechselt Teilkennzahlen mit einem Produkt. Wer aus einer Simulation eine reale Wiederanlauffreigabe ableitet, verletzt die klare Zuständigkeitsgrenze.

Interaktive Aufgaben

Multiple-Choice-Quiz

Beantworte genau zehn Fragen. Pro Frage gibt es eine richtige Antwort; danach hilft dir die Rückmeldung beim Begründen.

Welche Aussage beschreibt die Funktion der SPS am treffendsten? (Sie verarbeitet Eingangssignale nach einem Programm und steuert Ausgänge) (!Sie erzeugt grundsätzlich die gesamte Druckluft der Anlage) (!Sie misst jede mechanische Kraft unmittelbar) (!Sie ersetzt jede zusätzliche Sicherheitseinrichtung)

Rückmeldung: Die SPS verknüpft verarbeitete Eingangsinformationen mit Ausgangsaktionen. Versorgung, Mechanik und Schutzfunktionen müssen gesondert betrachtet werden.

Welche Beobachtung allein beweist noch nicht, dass ein Zylinder ausgefahren ist? (Ein aktiver SPS-Ausgang für das Ventil) (!Eine plausibilisierte direkte Wegmessung am Zylinder) (!Ein dokumentierter mechanischer Endlagenbefund) (!Eine unabhängige geprüfte Positionsmessung)

Rückmeldung: Das SPS-Ausgangssignal zeigt nur die Ansteueranforderung, nicht die tatsächlich vollzogene Bewegung.

Welche Fläche ist bei der vereinfachten Berechnung der Einfahrkraft eines doppeltwirkenden Zylinders maßgeblich? (Die Kolbenfläche abzüglich der Stangenquerschnittsfläche) (!Die vollständige Mantelfläche des Zylinders) (!Die Kolbenfläche zuzüglich der Stangenfläche) (!Nur die Querschnittsfläche der Kolbenstange)

Rückmeldung: Die Stange verringert die wirksame Druckfläche. Deshalb unterscheiden sich die Kräfte auf beiden Seiten.

Warum sind vor einer Fehlerentscheidung mehrere Hypothesen sinnvoll? (Weil dieselbe Störmeldung verschiedene physikalische Ursachen haben kann) (!Weil die erste Fehlermeldung grundsätzlich falsch ist) (!Weil damit Schutzfunktionen umgangen werden können) (!Weil die Dokumentation dadurch überflüssig wird)

Rückmeldung: Ein fehlendes Endlagensignal kann aus fehlender Bewegung, Sensorproblemen oder weiteren Pfadfehlern entstehen.

Was bezeichnet eine Transition in einem Ablaufplan? (Eine Bedingung für den Übergang zwischen Schritten) (!Immer die Stromaufnahme eines Motors) (!Den absoluten Druck im Zylinder) (!Die interne Inventarnummer eines Sensors)

Rückmeldung: Erst wenn die Übergangsbedingung erfüllt ist, kann der nächste Schritt der Ablaufbeschreibung wirksam werden.

Was unterscheidet eine kontinuierliche Regelung grundsätzlich von einer reinen Ablaufsteuerung? (Die fortlaufende Rückführung einer Regelgröße und der Soll-Ist-Vergleich) (!Die ausschließliche Verwendung von Druckluft) (!Der vollständige Verzicht auf Sensoren) (!Die zwingende Verwendung eines Barcodescanners)

Rückmeldung: Bei einer Regelung beeinflusst die erfasste Abweichung die Stellgröße. Eine einfache Schrittrückmeldung allein ist noch keine kontinuierliche Regelung.

Welche Aussage zum Not-Halt trifft zu? (Er ersetzt keine gesondert erforderliche Energieisolierung für Instandhaltungsarbeiten) (!Er macht jede gespeicherte Druckenergie automatisch wirkungslos) (!Er erlaubt die Prüfung aller offenen Kontakte unter Spannung) (!Er bestätigt die Wiederanlauffreigabe jeder Maschine)

Rückmeldung: Auch nach einem Not-Halt können Energien vorhanden sein. Fachkundige sichere Stillsetzung und Freigabe bleiben notwendig.

Wie berechnet sich die zeitbezogene Verfügbarkeit im vereinfachten Modell? (Betriebszeit geteilt durch geplante Produktionszeit) (!Ausschuss geteilt durch alle produzierten Teile) (!Betriebszeit multipliziert mit dem Kolbendurchmesser) (!Störmeldungen geteilt durch die Anzahl Sensoren)

Rückmeldung: Geplante Zeit und Stillstand müssen einheitlich definiert werden; die Kennzahl ist nur ein Aspekt des Betriebs.

Welcher OEE-Wert ergibt sich für 83,33 Prozent Verfügbarkeit, 80 Prozent Leistung und 93,75 Prozent Qualität? (Ungefähr 62,5 Prozent) (!Ungefähr 85,7 Prozent) (!Ungefähr 257,1 Prozent) (!Ungefähr 93,75 Prozent)

Rückmeldung: Die drei Faktoren werden als Dezimalzahlen multipliziert. Die Kennzahlen werden weder addiert noch gemittelt.

Welche Aussage darf nach einer ausschließlich digitalen Übung dokumentiert werden? (Die simulierten Prüfkriterien wurden erfüllt) (!Die reale Maschine darf ohne weitere Prüfung gestartet werden) (!Alle Schutzeinrichtungen wurden amtlich abgenommen) (!Die Anlage ist unabhängig vom Betriebszustand dauerhaft sicher)

Rückmeldung: Eine Simulation erzeugt Lernnachweise, aber keine rechtswirksame oder technische Freigabe eines realen Systems.

Memory

Ordne jedem Begriff seine eindeutig passende Fachbeschreibung zu.

Näherungssensor	Erfasst ein Objekt ohne mechanischen Kontakt
Magnetfeldsensor	Meldet die Lage eines magnetischen Kolbens
Wegeventil	Lenkt den Fluidstrom zwischen Anschlüssen um
Transition	Beschreibt die Bedingung für einen Schrittwechsel
E/A-Liste	Ordnet Signale den Steuerungsadressen zu
Leckage	Unbeabsichtigter Austritt eines Betriebsmediums

Drag-and-drop

Ordne fünf Beschreibungen ihrer passenden Dokumentations- oder Diagnosefunktion zu.

Passenden Begriff zuordnen	Funktion im Arbeitsablauf
Funktionsbeschreibung	Beschreibt die vorgesehene Sollfolge
Signalprotokoll	Zeigt zeitlich geordnete Eingangs- und Ausgangszustände
Fehlerbaum	Stellt alternative Störungsursachen systematisch dar
Prüfplan	Definiert Kriterien und zulässige Nachweise
Übergabenotiz	Fasst Befund und Grenzen der Ergebnisse adressatengerecht zusammen

Kreuzworträtsel

Finde sechs eindeutige Fachbegriffe. Jede Lösung besteht aus genau einem Wort.

Zylinder	Welcher lineare Fluidantrieb besitzt einen Kolben und eine Kolbenstange?
Sensorik	Wie heißt die Gesamtheit der Einrichtungen zur Erfassung physikalischer Zustände?
Ventil	Welches Bauteil beeinflusst in der Fluidtechnik den Weg des Mediums?
Diagnose	Wie heißt die systematische Untersuchung einer Störungsursache?
Ablauf	Welches Wort bezeichnet die zeitliche Folge von Prozessschritten?
Leckage	Wie nennt man das unbeabsichtigte Entweichen eines Betriebsmediums?

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Lückentext

Ergänze die Begriffe mit Bezug auf die fünf Fachkapitel.

Ein berührungslos erfassendes Bauteil heißt

. Die elektrische Verarbeitung vieler Eingangssignale übernimmt eine

. Die mechanische Bewegung kann ein pneumatischer

erzeugen. Den Strömungsweg schaltet ein

. Im Ablaufplan bestimmt eine

den Schrittwechsel. Die systematische Untersuchung einer Störung heißt

. Ein unbeabsichtigter Medienaustritt wird

genannt. Die tatsächlich verfügbare Betriebszeit wird der geplanten Zeit als

gegenübergestellt. In der Gesamtanlageneffektivität werden drei Teilfaktoren

. Ein digital bestandener Test ist niemals eine reale Maschinenfreigabe durch eine qualifizierte

.

Offene Aufgaben

Bearbeite jeweils vier Aufgaben auf jedem Niveau. Alle Arbeiten an realen Anlagen sind ausgeschlossen; verwendet werden nur Simulationen, Bilder, frei zugängliche Dokumente und synthetische Daten. Zu jeder Lösung gehören ein nachvollziehbarer Lösungsweg und eine Selbsteinschätzung.

Leicht

Sensor: Zeichne ein beschriftetes Funktionsschema der fiktiven Ausschleusstation mit B0, B1, Y1 und SPS. Musterkriterium: Signalrichtung, Aktor, Energiequelle und Rückmeldung sind unterscheidbar.
Pneumatik: Berechne die Kolbenfläche bei 40 mm Durchmesser und markiere die Umrechnung in Meter. Musterlösung: ungefähr 0,001257 Quadratmeter; quadratischer Durchmesser und Einheit stimmen.
Speicherprogrammierbare Steuerung: Erstelle eine fünfteilige Begriffskarte zu SPS, Eingang, Ausgang, Sensor und Aktor. Musterkriterium: präzise Definition und ein technisch konsistentes Beispiel je Begriff.
Arbeitssicherheit: Gestalte ein Warnplakat mit drei Grenzen der Simulationsarbeit. Musterkriterium: keine Schutzfunktionsüberbrückung, keine reale Freigabe, fachkundige Zuständigkeit.

Standard

Fehleranalyse: Analysiere die vier Zeilen der Störungstabelle und liefere drei alternative Fehlerhypothesen samt benötigter Belege. Musterkriterium: Beobachtung und Vermutung werden klar getrennt.
Technische Dokumentation: Verfasse eine fiktive E/A-Liste mit Signalart und Sollzustand für B0, B1 und Y1. Musterkriterium: konsistente Bezeichnungen, keine erfundenen realen Klemmen.
Druckluft: Berechne das vereinfachte Hubvolumen für beide Zylinderseiten und einen vollständigen Zyklus. Musterlösung: etwa 0,201 l, 0,183 l und 2,30 l freie Luft bei den angegebenen Modellannahmen.
Qualitätsmanagement: Visualisiere Vorher-Nachher-Werte der OEE-Bestandteile in einem eigenen Diagramm und formuliere zwei begründete Interpretationen. Musterkriterium: richtige Skala, Nachvollziehbarkeit, keine Sicherheitszusage.

Schwer

Ablaufsteuerung: Entwirf für die fiktive Station ein vierstufiges Zustandsmodell einschließlich fehlerbedingtem Stopp und beschreibe die Bedingungen als Klartext. Musterkriterium: keine automatische Wiederanlaufannahme und keine Umgehung von Verriegelungen.
Ursache-Wirkungs-Diagramm: Erstelle einen Fehlerbaum mit mindestens sechs unterscheidbaren Ursachen und priorisiere zulässige Informationsquellen nach Aussagekraft. Musterkriterium: alternative Versorgungs-, Sensor-, Steuerungs- und Mechanikursachen.
Gesamtanlageneffektivität: Berechne beide OEE-Werte vollständig und entwickle eine Sensitivitätsanalyse für zusätzlich zehn Minuten Stillstand bei ansonsten unveränderten Daten. Musterkriterium: definierte Bezugsgrößen, nachvollziehbare Modellanpassung und keine unphysikalischen Leistungswerte.
Instandhaltungsstrategie: Formuliere einen fachlich begründeten Verbesserungsantrag einschließlich Sicherheitsfreigabeprozess, ökologischer Wirkung, Kostenannahmen und Lerntransfer. Musterkriterium: transparente Annahmen, Entscheidungsalternativen, prüfbare Erfolgskriterien und verantwortliche Fachfunktionen.

Lernkontrolle

Fehlerdiagnose: Begründe anhand des Signalprotokolls, warum ein aktives Ausgangssignal und ein fehlendes Endlagensignal keine eindeutige Bauteildiagnose ergeben; nenne mindestens drei weitere prüfbare Ursachen.
Zylinderkraft: Rechne Aus- und Einfahrkraft im Modell nach und erkläre, warum die Stangenfläche, der Gegendruck und die Reibung das Ergebnis beeinflussen.
Speicherprogrammierbare Steuerung: Vergleiche eine reine Ablaufsteuerung mit einer kontinuierlichen Regelung und beschreibe je einen geeigneten industriellen Einsatz.
Gesamtanlageneffektivität: Erkläre den Einfluss von Stillstand, Leistung und Ausschuss auf OEE; berechne die Differenz zwischen 62,50 und 81,67 Prozent fachsprachlich korrekt in Prozentpunkten.
Arbeitssicherheit: Entwickle für eine ausschließlich virtuelle Fehlerprüfung ein Rollen- und Nachweiskonzept und begründe, warum daraus keine reale Maschinenfreigabe folgt.
Prozessoptimierung: Stelle zwei konkurrierende Verbesserungsvarianten einer störanfälligen Station gegenüber und definiere messbare sowie sicherheitsbezogene Entscheidungskriterien.

Lösungshinweise: Bei den ersten beiden Aufgaben zählen Signalpfad, Hypothesenbreite und richtige Einheiten. Für den Vergleich von Steuerung und Regelung ist die Rückführung der Regelgröße entscheidend. Die OEE-Differenz beträgt 19,17 Prozentpunkte, nicht 19,17 Prozent relative Steigerung; die relative Steigerung ist größer und hat einen anderen Nenner. In Sicherheitsaufgaben werden ausschließlich begründete Zuständigkeiten, dokumentierte Simulationsbefunde und Grenzen des Verfahrens anerkannt.

Lernnachweis

Du legst eine digitale Fallmappe mit acht Nachweisen vor: (1) kommentiertes Funktionsschema, (2) Signal- und Energieflussanalyse, (3) E/A-Tabelle, (4) differenzierte Fehlerhypothesen, (5) Kraft- und Luftverbrauchsrechnung mit Einheiten, (6) Vorher-Nachher-Diagramm mit OEE-Rechnung, (7) fiktives Simulationsprüfprotokoll und (8) schriftliche Risiko- und Transferreflexion. Ergänze eine kurze Präsentation oder ein eigenes kommentiertes Schaubild zu deinem Lösungsvorschlag.

Bewertungsraster: Nutze das 20-Punkte-Raster aus dem Modellfall. Wesentlich sind: fachliche Richtigkeit, nachvollziehbare Quellen und Annahmen, strukturierte Fehlerdiagnose, kritische Dateninterpretation sowie eindeutige Trennung zwischen Lernmodell und realer Freigabe. Vergleiche bei einem Peer-Feedback zuerst die Unterlagen, dann die Schlussfolgerungen; vermeide unbelegte Bauteilschuldzuweisungen. Zulässiger abschließender Lernnachweis: „Die im Kurs festgelegten Simulationskriterien wurden erfüllt; eine Prüfung an realer Anlage ist damit nicht erfolgt.“

Transfer: Dokumentiere, wie du denselben Analyseweg bei einer fiktiven elektrohydraulischen Spannvorrichtung oder einem flexiblen Handhabungssystem anwenden würdest und welche anderen Fachleute du benötigen würdest.

OER und Wikipedia

Verlässliche berufliche Ausgangsquellen:

KMK-Rahmenlehrplan Industriemechaniker/-in, Fassung 23.02.2018, Lernfeld 13, 3. Ausbildungsjahr, Seite 21 der PDF-Zählung. Der verlinkte vollständige Lehrplan ist eine Quellenreferenz, keine Übernahme seiner Texte.
BIBB-Berufsprofil Industriemechaniker/-in: Aufgaben, 42 Monate, Einsatzgebiete und Rechtsgrundlagen.
Ausbildungsordnung § 13 und § 14: rechtliche Struktur der gestreckten Abschlussprüfung.
Ausbildungsrahmenplan, Anlage 3: berufliche Qualifikationen.
Wikipedia: Speicherprogrammierbare Steuerung und Wikipedia: Regelungstechnik als ergänzende Begriffsorientierung. Wikipedia ersetzt keine Fachnorm und keine Betriebsanweisung.

Geprüfte frei lizenzierte Abbildungen und Bildrechte:

Datei	Beleg und Inhalt	Urheber	Rechte
File:PLC Block Diagram.jpg	Commons: SPS-Blockbild	ProVision	CC BY-SA 4.0
File:Programmable logic controller.jpg	Commons: SPS-Geräte	Bisgaard	CC BY-SA 3.0
File:Inductive sensor scheme.svg	Commons: induktiver Sensor	MatthiasDD	Gemeinfrei laut Commons-Dateiseite; Lizenzhinweis dient als Erklärung von Gemeinfreiheit
File:Cylinders with Hall sensors.png	Commons: magnetische Endlagensensoren	IMeowbot	CC BY-SA 3.0
File:Barcodescanner.jpg	Commons: Barcode-Scanner	1sfoerster	CC BY-SA 3.0
File:Pneumatic cylinder (animation).gif	Commons: Zylinderanimation	Kamarton	Lizenzvarianten und Bedingungen auf der Dateiseite
File:GRAFexmple1.png	Commons: GRAFCET-Beispiel	SergeMoutou	Lizenzvarianten und Bedingungen auf der Dateiseite
File:OSP Emergency stop.svg	Commons: Not-Halt-Symbol	Team445	CC0 1.0

Videoquellen und Rechtehinweise: Landefeld, Webinar Grundlagenschulung der Pneumatik – Modul 1 (2018) und Jörn Loviscach, Grundlagen der SPS (2015). Die Seiten und Themen wurden verifiziert; das Einbetten verweist auf die jeweilige Streaming-Plattform. Keine offene Lizenz der Videos behauptet; alle weitergehenden Nutzungsrechte verbleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern. Bilder und Videos dienen der Erklärung und nicht als Bedien- oder Sicherheitsfreigabe. Keine Inhalte von Sofatutor.

Eigene OER-Beiträge: Die in diesem Kurs neu erstellten synthetischen Aufgaben, Tabellen und Modellrechnungen können mit korrekter Urheber- und Lizenzkennzeichnung weiterentwickelt werden. Beachte bei Abbildungen die je eigene Lizenz und Namensnennung.