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Steuerungen analysieren und anpassen - Technischer Systemplaner - LF 7 ETS

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Einleitung

Du arbeitest im zweiten Ausbildungsjahr der Fachrichtung Elektrotechnische Systeme (ETS). Eine vorhandene Steuerung soll nach Kundenanforderung geprüft, logisch nachvollzogen und geändert werden. Im Lernfeld 7 ETS des KMK-Rahmenlehrplans (Zeitrichtwert 60 Unterrichtsstunden) analysierst du verbindungsprogrammierte Steuerungen (VPS) und digitale Steuerungen, erkennst Funktionszusammenhänge, setzt logische Verknüpfungen um, wählst passende Komponenten und dokumentierst die Änderung mit CAD beziehungsweise geeigneter Software. Du bearbeitest hier einen vollständigen, ausdrücklich fiktiven Auftrag von der Anforderung bis zum Testprotokoll.

Lernziele: Du kannst (1) Ein- und Ausgänge sowie Signalwege erklären, (2) Relais- und Schützschaltungen samt Kontaktbezeichnungen lesen, (3) UND, ODER, NICHT und Schaltalgebra anwenden, (4) eine VPS-Funktion in eine digitale Kleinsteuerung übertragen, (5) Schalt-, Anschluss- und Verdrahtungspläne entwickeln, (6) Funktion und Fehlerfälle in einer Simulation prüfen und (7) Entscheidungen sicher, wirtschaftlich, nachhaltig und datensparsam dokumentieren.

Sicherheit: Alle eigenen Versuche erfolgen ausschließlich als Simulation oder an einem freigegebenen, galvanisch getrennten Niederspannungs-Lernsystem unter Leitung einer befugten Elektrofachkraft. Dieser Kurs ist keine Verdrahtungs-, Prüf- oder Freigabeanweisung für reale Anlagen. Insbesondere keine Arbeiten an Netzspannung, Maschinen oder Sicherheitseinrichtungen in Eigenregie. Für reale Projekte gelten die Gefährdungsbeurteilung, der betriebliche Ausbildungsplan, die zuständige IHK und der Landeslehrplan.

Steuerungsauftrag und Systemanalyse

Steuerung, Regelung und Signalfluss

Eine Steuerung beeinflusst einen Vorgang aufgrund vorgegebener Eingänge, ohne die Wirkung zwingend als rückgeführte Regelgröße zu vergleichen. Eine Regelung vergleicht dagegen typischerweise Sollwert und Istwert in einem geschlossenen Kreis. Beim einfachen Signallicht sind die Eingänge Taster und Betriebsfreigabe, die Verarbeitung ist die logische Entscheidung und der Ausgang steuert Leuchte oder Relais. Das Rücklesen des Ausgangszustands innerhalb einer Selbsthaltung ist eine Speicherrückführung in der Steuerlogik, noch kein Regelkreis.

Analysiere einen Auftrag in dieser Reihenfolge: Funktion und Betriebszustände erfassen; Stromversorgung, Ein-/Ausgänge und Schnittstellen feststellen; Bestandspläne und Kontaktspiegel vergleichen; Fehler- und Schutzanforderungen gesondert identifizieren; Änderungsvarianten bewerten; Prüfkriterien vorab festlegen. Nutze nur anonymisierte, erfundene Bezeichnungen und eine gesicherte Arbeitskopie. Frage bei unklarer Kundenanforderung nach, statt eine Schaltfunktion zu erraten.

VPS und digitale Steuerung

Eine verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS) realisiert die Logik überwiegend mit physischen Verbindungen und Kontakten. Eine digitale Kleinsteuerung oder SPS erfasst Eingangssignale, verarbeitet eine parametrierte Logik und schaltet Ausgänge. Vorteilig können Änderbarkeit, Diagnose und reproduzierbare Dokumentation sein; Nachteile sind unter anderem Eigenverbrauch, Softwarepflege, Ersatzteil- und Informationssicherheitsfragen. Eine Programmänderung ersetzt keine geeignete, unabhängige Sicherheitsfunktion.

Bildinterpretation: Trenne Einspeisung, Eingangsmodul, Verarbeitung, Ausgänge und Aktoren. Ein Blockbild beschreibt Zusammenhänge, aber nicht alle physischen Klemmenverbindungen; dafür ist der Anschluss- bzw. Verdrahtungsplan nötig.

Anforderungen als prüfbare Kriterien

Formuliere Anforderungen beobachtbar. Beispiel: Eine Modellleuchte darf nur bei aktiver Freigabe eingeschaltet bleiben. Ein kurzer Tastendruck soll sie starten, ein Betriebs-Aus-Taster soll sie ausschalten. Bei wegfallender Freigabe muss sie aus sein und im Demo-Modell darf der Zustand nach Neustart nicht gespeichert bleiben. Jede Aussage wird später zu einem Testfall. „Funktioniert irgendwie“ ist weder eine technische Spezifikation noch ein brauchbares Abnahmekriterium.

Relais, Schütze und technische Zeichnungen

Bauelemente und Funktionsprinzip

Ein Relais betätigt Kontakte elektromagnetisch; ein Schütz ist für das Schalten geeigneter Lasten ausgelegt. Die Spule wird in üblichen Plänen mit A1/A2 bezeichnet; typische Hilfskontakte sind 13/14 für einen Schließer und 21/22 für einen Öffner. Anschlüsse und Kennzeichnungen sind immer mit dem aktuellen Datenblatt und der jeweiligen Zeichnungsnorm abzugleichen. Ein Schließer verbindet bei Betätigung; ein Öffner trennt bei Betätigung. Eine Spannungsangabe an der Spule ist nicht automatisch die Nennspannung oder Schaltleistung der Lastkontakte.

Selbsthaltung: Der Start-Schließer wird von einem Hilfsschließer des angezogenen Relais überbrückt. Nach dem Loslassen des Starttasters bleibt die Spule über diesen Hilfskontakt erregt. Ein in Reihe liegender Betriebs-Aus-Öffner unterbricht den Strompfad. Der Aus-Befehl muss Vorrang haben; der Hilfskontakt darf den Aus-Kontakt nicht überbrücken.

Typische Fehler: Öffner/Schließer verwechselt; Spulen- und Kontaktanschlüsse vermischt; Start parallel statt nur zum Haltekontakt geschaltet; fehlende Querverweise auf zusammengehörige Kontakte; gezeichneter Stromkreis passt nicht zur Stückliste. Bildbeispiele dienen der Logikanalyse, nicht der ungeprüften Übernahme in neue Schaltschränke.

Kontaktspiegel und Planarten

Der Kontaktspiegel beziehungsweise die Kontaktübersicht stellt zu einem Relais oder Schütz zugehörige Haupt- und Hilfskontakte, Kennzeichen und häufig ihren Bezug zum Schaltgerät dar. Der Stromlaufplan zeigt elektrische Funktionen und Strompfade mit gültigen Symbolen; der Anschlussplan benennt Geräte- und Klemmenanschlüsse; der Verdrahtungsplan ordnet konkrete Verbindungen und Leitungsziele zu. Ein Blockschaltbild abstrahiert dagegen die Funktion. Versionsstand, Blattnummer, Kennzeichnung, Schnittstellen und Änderungen müssen zwischen den Plänen konsistent sein.

Unterlage	Zweck	Prüffrage
Blockschaltbild	Eingänge, Verknüpfungen, Ausgänge	Ist der Signalfluss verständlich?
Stromlaufplan	elektrische Funktion	Stimmen Kontakte, Spulen und Strompfade?
Anschlussplan	Klemmen- und Anschlusszuordnung	Welche Klemme gehört zu welchem Gerät?
Verdrahtungsplan	Leitungswege und Zielpunkte	Sind sämtliche Verbindungen eindeutig?
Kontaktspiegel	Zusammengehörige Kontakte	Ist jeder Hilfskontakt dem richtigen Schaltgerät zugeordnet?

Fachvideo: Selbsthaltung erkennen

Videoauftrag: Zeichne die elektrische Selbsthaltung nach und markiere Startkontakt, Haltekontakt, Aus-Kontakt und Spule. Das deutschsprachige Video von „Sogeht by Sven Stemmler“ erläutert die Selbsthaltung; es ersetzt weder Normprüfung noch praktische Sicherheitsunterweisung.

Logikverknüpfungen und Schaltalgebra

Binärsignale und Grundfunktionen

Digitale Signale werden für die Analyse meist mit 0 (falsch/inaktiv) und 1 (wahr/aktiv) modelliert. Beachte die Polarität: Ein physischer Öffner in einem gesunden, geschlossenen Betriebs-Aus-Kreis kann am Eingang 1 liefern; beim Drücken des Tasters wird daraus 0. Die Eingangsbedeutung muss im Plan ausdrücklich benannt sein.

UND (AND): Y = A ∧ B, nur beide Einsen erzeugen eine Eins. ODER (OR): Y = A ∨ B, mindestens eine Eins genügt. NICHT (NOT): Y = ¬A, der Wert wird invertiert. Ein NAND entspricht ¬(A ∧ B), ein NOR entspricht ¬(A ∨ B); aus diesen Grundbausteinen lassen sich zusammengesetzte Funktionen konstruieren.

A	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

Merke: Das UND-Gatter verknüpft Bedingungen, das ODER-Gatter alternative Auslöser. Prüfe jede Logik anhand einer Wahrheitstabelle, nicht nur anhand eines einzelnen erfolgreichen Testlaufs.

Rechenregeln und Vereinfachung

In der Schaltalgebra gilt etwa A ∧ 1 = A, A ∨ 0 = A, A ∨ A = A sowie A ∧ ¬A = 0. Das Distributivgesetz erlaubt A ∧ (B ∨ C) = (A ∧ B) ∨ (A ∧ C). Nach De Morgan ist ¬(A ∧ B) = ¬A ∨ ¬B. Beispiel: Y = (F ∧ S) ∨ (F ∧ H) wird durch Ausklammern zu Y = F ∧ (S ∨ H). Beide Funktionen erzeugen für alle Kombinationen dasselbe Ergebnis. Die vereinfachte Darstellung kann übersichtlicher sein, entscheidend bleibt der dokumentierte Nachweis der Gleichwertigkeit.

Zustandsabhängige Logik und Vorrang

Eine Selbsthaltung ist keine rein kombinatorische Funktion, weil der vorherige Zustand mitbestimmt. Mit Betriebs-Aus-Status B, Freigabe F, Start S und bisherigem Ausgang H lautet die beispielhafte Folgezustandsgleichung H_neu = B ∧ F ∧ (S ∨ H_alt). Der normale Betriebs-Aus-Befehl B = 0 oder Freigabeverlust F = 0 erzwingt H_neu = 0, unabhängig von S und H_alt. Das lässt sich in einem Funktionsplan mit Rückführung oder geeignetem, rücksetzdominantem Speicherbaustein realisieren; dessen konkretes Anlaufverhalten muss im ausgewählten Gerät parametriert und getestet werden.

B	F	S	H_alt	H_neu	Interpretation
1	1	0	0	0	Anfangszustand
1	1	1	0	1	Start
1	1	0	1	1	Halten
0	1	1	1	0	Betriebs-Aus hat Vorrang
1	0	1	1	0	Freigabe fehlt
1	1	0	0	0	Nach Rücksetzen ohne Start aus

Grenze: Ein konventioneller SPS-Eingang und eine gewöhnliche Freigabeverknüpfung sind keine sicherheitsgerichtete Verriegelung. Wenn Menschen, Maschinen oder gefährliche Bewegungen geschützt werden müssen, sind eine gesonderte Risikobeurteilung und geeignete sicherheitsbewertete Hard- und Software erforderlich.

Fachvideo: Grundfunktionen in einer Kleinsteuerung

Videoauftrag: Übertrage eine UND- und eine ODER-Bedingung in eine Wahrheitstabelle. Das deutschsprachige Demonstrationsvideo von „ronnie“ benutzt eine vereinfachte Tankstellenfunktion; behandle sie nur als didaktisches Logikbeispiel und nicht als technische Freigabe für eine Zapfanlage.

Digitale Umsetzung, Bauteilauswahl und Qualität

Logik vor Hardware

Leite zuerst aus dem Auftrag ein Signalverzeichnis und einen Funktionsplan ab. Überlege dann, ob eine Kleinsteuerung, ein Relaisaufbau oder eine dokumentierte Kombination geeignet ist. Vergleiche I/O-Anzahl, Versorgungsspannung, Eingangspegel, Ausgangstyp (Relais oder Transistor), Ausgangsbelastbarkeit, Leistungsaufnahme, Umgebungsbedingungen, Diagnose, Softwarestand, Erweiterbarkeit und Verfügbarkeit von Ersatzteilen. Ein Preisvergleich ohne Funktion, Sicherheitsbetrachtung oder Datenblattprüfung ist keine ausreichende Auswahl.

Beispiel einer I/O-Liste für einen 24-V-DC-Modellaufbau:

Signal	Typ	1 bedeutet	Verarbeitete Funktion
I1 / B	Eingang	Betriebs-Aus-Taster nicht betätigt	Betrieb zulässig
I2 / S	Eingang	Starttaster gedrückt	Einschaltimpuls
I3 / F	Eingang	Funktionsfreigabe vorhanden	zusätzliche Bedingung
Q1 / K1	Ausgang	Modellrelais angesteuert	H1 über Kontakt eingeschaltet
Q2 / H2	Ausgang	Sperr-Meldeleuchte angesteuert	F = 0 wird angezeigt

Diese I/O-Namen sind frei gewählte Modellbezeichnungen; sie sind keine verbindliche Anschlussbelegung eines realen Geräts. Der tatsächliche Gerätetyp und dessen Dokumentation bestimmen die Klemmen und Ausgangsgrenzen.

Entwurfsunterlagen und Prüfstrategie

Erstelle einen beschrifteten Blockschaltplan „I1, I2, I3 → UND/ODER/Speicher → Q1, Q2“, einen Funktionsplan mit eindeutiger Rücksetzpriorität sowie einen separaten Klemmen-, Anschluss- und Verdrahtungsplan nach betrieblicher CAD-Vorgabe. Dokumentiere Gerätenummern, Planstand und die Quelle jedes Symbols. Prüfe zunächst ohne Energiefreigabe die Logik am Computer. Bei Hardware kommt die Prüfung ausschließlich durch die befugte Elektrofachkraft im genehmigten Versuchsaufbau hinzu. Ein erfolgreicher Softwaretest ist kein Nachweis der elektrischen Sicherheit oder CE-Konformität.

Typische Diagnosefehler: Eingangspegel wegen Öffnerlogik falsch interpretiert; nichtremanentes Speichern nicht eingestellt; Ausgangsbelastung ohne Einschaltstrom geprüft; gleiche Kennzeichnung für verschiedene Bauelemente benutzt; Start und Freigabe auf dieselbe Eingangsklemme gelegt; Protokoll enthält nur „OK“ statt Soll, Ist, Bedingung und Ergebnis.

Normen, Schutz und verantwortungsvolle Digitalisierung

Orientiere dich an der DGUV Vorschrift 3 und der BGHM-Information zu Elektroarbeiten. Für relevante elektrische Maschinen-Ausrüstungen ist insbesondere der sachlich passende Anwendungsbereich von DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1):2019-06 zu prüfen. Für SPS-Programmiersprachen ist die DIN EN 61131-3:2014-06 eine belegte Ausgabe; der Entwurf von 2023 ist nicht automatisch eine ersetzende geltende Norm. Maßgeblich ist immer der aktuelle Normstatus und der konkrete Anwendungsbereich. Schaltzeichen, Anschlussbezeichnungen und Herstellerwerte anhand aktuell gültiger Dokumentation prüfen; keine geschützten Normtexte kopieren.

Elektrofachkräfte bestimmen zulässige Prüf- und Arbeitsverfahren; Auszubildende führen gefährliche elektrische Arbeiten nicht eigenständig aus. Die fünf Sicherheitsregeln sind Schutzgrundlagen, aber kein Selbstversuchsprogramm. Eine Sicherheitsfunktion wie Not-Halt darf weder aus einer gewöhnlichen Betriebs-Aus-Funktion noch aus einem nicht sicherheitsbewerteten Lernprogramm abgeleitet werden. Ergonomisch und gesund arbeitest du mit gesicherten CAD-Arbeitsplätzen, Pausen und geeigneter Beleuchtung.

Digitalisierung und Datenschutz: Verwende fiktive Anlagenkennzeichen statt Personen- und Kundendaten, sichere Pläne versionskontrolliert und beschränke Zugriffe. Lade keine betrieblichen Originalpläne in öffentliche Lernangebote hoch. Nachhaltigkeit: Vergleiche Materialeinsatz, Kabellängen, Stand-by-Verbrauch, Reparierbarkeit und Lebensdauer beider Lösungsvarianten. Digitale Technik ist nicht automatisch energiesparender; rechne und begründe.

Durchgearbeiteter Praxisauftrag: Modell-Meldeleuchte

Auftrag, Bestand und Ziel

Fiktiver Kundenauftrag: An einem freigegebenen Lehrmodell mit 24-V-Gleichspannung wird bisher eine Modell-Meldeleuchte H1 über einen Starttaster S2, einen Betriebs-Aus-Taster S1 und ein Modellrelais K1 selbsthaltend geschaltet. Eine zusätzliche Betriebsfreigabe F ist nun Bedingung. Bei fehlender Freigabe muss H1 aus und die gelbe Meldeleuchte H2 ein sein, solange Versorgung vorhanden ist. Nach einem Spannungsverlust muss H1 beim Wiederanlauf ausgeschaltet bleiben. Setze diese Steuerlogik als digitales Konzept um, ohne Sicherheitsfunktionen zu behaupten oder eine reale Anlage anzuschließen.

Bestandsanalyse: S1 ist im Modell als Betriebs-Aus-Öffner ausgelegt, der I1 = 1 bei unbetätigtem Taster liefert. S2 ist Start-Schließer (I2 = 1 bei Druck). Der Freigabekontakt liefert I3 = 1 im zulässigen Zustand. K1 besitzt Spule A1/A2 und einen Schließerkontakt; H1 ist eine 24-V-Modellleuchte. Das reale Betätigen von S1 ist kein sicherheitsbewerteter Not-Halt.

Funktionsentwurf und überprüfbares Arbeitsergebnis

Die Dokumentation enthält folgende selbst entwickelte, geräteunabhängige Logik:

H1-Steuerung: Q1_neu = I1 ∧ I3 ∧ (I2 ∨ Q1_alt). Eine rücksetzdominante, nicht remanente Speichervariante ist so zu konfigurieren, dass Q1 bei Anlauf ohne neuen Start aus bleibt; Eingangsflanken und das Verhalten bei dauerhaft gedrücktem Start sind als eigener Prüffall festzulegen. Bei sicherheitsrelevanten Anforderungen genügt dies nicht.
Sperranzeige: Q2 = ¬I3, solange die geregelte Modellversorgung vorhanden ist. Bei vollständigem Spannungsausfall kann die Anzeige nicht leuchten; daraus folgt keine Fehlerfreiheit.
Hardware-Prinzip: I1, I2 und I3 sind drei getrennte digitale Eingänge. Q1 steuert die 24-V-Spule von K1, dessen geeigneter Kontakt H1 schaltet; Q2 steuert H2. Kontakte, Rückleiter, Geräteschutz und Entstörung legt erst die zuständige Elektrofachkraft nach Datenblatt fest.
Planabgabe: Blatt A: Blockschaltbild; Blatt B: Stromlauf- und Funktionsplan; Blatt C: Anschluss-/Verdrahtungsplan und Kontaktspiegel; Blatt D: I/O- und Stückliste; Blatt E: Testprotokoll und Änderungsvermerk. Alle Blätter tragen dieselbe fiktive Projektkennung ETS-LF7-DEMO und einen Versionsstand.

Ein beispielhafter Plantext für Blatt A lautet: „Betriebs-Aus I1 UND Freigabe I3 UND (Start I2 ODER vorheriger Q1-Zustand) ergibt Q1; NICHT Freigabe I3 ergibt Q2“. Das ist ein prüfbares logisches Ergebnis, keine freigegebene Verdrahtungszeichnung.

Durchgerechnete Dimensionierung für den fiktiven Lernaufbau

Angenommene Datenblattwerte nur für diese Musterrechnung: 24 V Gleichspannung, Elektronik der Kleinsteuerung 4 W, Modellrelais-Spule 1 W, H1 2 W und H2 1 W. Bei Volllast gilt P_gesamt = 4 W + 1 W + 2 W + 1 W = 8 W. Die erforderliche Stromaufnahme nach I = P/U ergibt I_gesamt = 8 W / 24 V = 0,333 A. Mit angenommenem 25-Prozent-Planungsspielraum ergibt sich P_Plan = 8 W × 1,25 = 10 W, beziehungsweise I_Plan = 10 W / 24 V = 0,417 A. Als reines Rechenbeispiel erscheint ein passendes 24-V-Netzteil mit 0,5 A Nennstrom (12 W) ausreichend. Tatsächlich sind Einschaltströme, zulässige Belastungs- und Temperaturbereiche, Leitungsschutz, Reserven, Spannungsabfälle und Herstellerdaten zusätzlich zu prüfen.

Der logische Ausgang Q1 treibt hier nur die angenommene 1-W-Spule: I_K1 = 1 W / 24 V = 0,0417 A. Q2 treibt die 1-W-Meldelampe mit ebenfalls 0,0417 A. Die 2-W-Leuchte H1 benötigt I_H1 = 2 W / 24 V = 0,0833 A und liegt im Beispielschema hinter dem geeigneten K1-Schaltkontakt. So werden SPS-Ausgangsbelastung, Schützkontaktbelastung und Netzteilgesamtstrom bewusst getrennt bewertet. Ein tatsächlicher Aufbau braucht passende Schutzmaßnahmen und eine dokumentierte Freigabe durch die Elektrofachkraft.

Arbeitsplan und Testfälle

Schritt	Arbeitsauftrag	Nachweis
Analyse	Bestand, Signalpolarität, Anforderungen klären	Ist-Analyse und Anforderungsliste
Planung	VPS und digitale Variante vergleichen, Norm-/Herstellerquellen prüfen	Variantenentscheidung und I/O-Liste
Entwurf	Schaltlogik, Blockbild, Stromlauf- und Anschlusskonzept zeichnen	beschriftete Pläne mit Revision
Berechnung	fiktive Leistungsbilanz und Ausgangslasten rechnen	nachvollziehbare Einheiten und Reserve
Simulation	alle Sollzustände, Stop, Freigabeverlust, Wiederanlauf prüfen	Wahrheitstabelle mit Soll-Ist-Vergleich
Qualität	Fehler korrigieren, Dokumentation gegen Stückliste prüfen	Änderungsprotokoll und Bewertungsraster

Soll-Ist-Prüfmatrix – ersetze die Spalte Ist nach deiner Simulation durch wirklich beobachtete, ausschließlich fiktive Werte:

Prüffall	Eingangssituation	Soll Q1 / Q2	Ist in deiner Simulation	Kriterium
T1 Grundzustand	I1=1, I2=0, I3=1, Q1_alt=0	0 / 0	selbst eintragen	H1 und H2 aus
T2 Start	I1=1, I2=1, I3=1, Q1_alt=0	1 / 0	selbst eintragen	H1 an
T3 Halten	I1=1, I2=0, I3=1, Q1_alt=1	1 / 0	selbst eintragen	H1 bleibt an
T4 Betriebs-Aus	I1=0, I2=1, I3=1, Q1_alt=1	0 / 0	selbst eintragen	Aus hat Vorrang
T5 Freigabe weg	I1=1, I2=1, I3=0, Q1_alt=1	0 / 1	selbst eintragen	H1 aus, H2 an
T6 Wiederanlauf	Spannungswiederkehr, Start losgelassen, nicht remanenter Speicher	0 / abhängig von I3	selbst eintragen	kein selbsttätiges Wiedereinschalten

Zusatzfall: Ist Start beim Wiederanlauf dauerhaft betätigt, kann eine naive Selbsthaltung sofort anlaufen. Dokumentiere diesen Fehler als nicht erfülltes Schutzziel und entwirf nur in der Simulation eine geeignete Startflanken-/Wiederanlaufsperre. Keine Übertragung auf reale Anlagen ohne gesonderte Sicherheitsanalyse.

Bewertungsraster für die Auftragsabgabe

Kriterium	Maximalpunkte	Volle Leistung liegt vor, wenn …
Anforderungsanalyse	15	Bestand, Signalpolaritäten, Sollzustände und Grenzen vollständig und plausibel beschrieben
Logik und Schaltalgebra	25	Funktion, Aus-Priorität, Wahrheitstabelle und Simulation widerspruchsfrei sind
Pläne und Komponentenwahl	20	Planarten, Kontaktbezüge, I/O-Liste, Hersteller- und Normnachweise konsistent sind
Prüfung und Fehlersuche	20	alle sechs Testfälle mit wirklichen Soll-Ist-Werten und begründeten Korrekturen dokumentiert sind
Sicherheit, Datenschutz und Nachhaltigkeit	10	keine reale Gefährdung entsteht und die Abwägung fachlich nachvollziehbar ist
Dokumentation und Rechenweg	10	Berechnungen, Einheiten, Revisionen, Quellen und Übergabeunterlagen nachvollziehbar sind

Summe: 100 Punkte. Bei jeder Kategorie gilt: vollständig und fachlich richtig = volle Punkte, teils korrekt = entsprechend begründeter Teilwert, fehlend oder gefährlich unzulänglich = 0 Punkte. Sicherheitskritische Mängel verhindern eine praktische Freigabe unabhängig von der Punktzahl. Die Bewertung ist ein didaktisches Raster, keine amtliche Prüfungsordnung.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Fachwissen überprüfen

Wodurch unterscheidet sich eine verbindungsprogrammierte Steuerung grundlegend von einer digitalen Kleinsteuerung? (Bei der VPS wird die Funktion wesentlich durch physische Kontaktverbindungen gebildet) (!Eine VPS besitzt grundsätzlich keinerlei elektrische Kontakte) (!Eine digitale Kleinsteuerung arbeitet immer ohne Eingänge) (!Die VPS benötigt in jedem Fall einen Computer als Laufzeitsteuerung)

Welchen logischen Zustand kann ein nicht gedrückter Betriebs-Aus-Öffner am korrekt beschalteten Digitaleingang liefern? (Er kann als gesund geschlossener Kontakt den Wert eins liefern) (!Er liefert unabhängig von Verdrahtung und Spannung immer null) (!Er liefert nur bei Betätigung den Wert eins) (!Er ist grundsätzlich ein Analogsignal)

Welche Bedeutung hat bei vielen Relais und Schützen die Hilfskontaktbezeichnung 13 und 14? (Sie bezeichnet typischerweise einen Schließerkontakt) (!Sie bezeichnet immer die Spulenanschlüsse) (!Sie bezeichnet zwingend einen Öffnerkontakt) (!Sie bezeichnet die drei Außenleiter eines Motors)

Was ist das Ergebnis der ODER-Verknüpfung bei A gleich null und B gleich eins? (Eins) (!Null) (!Zwei) (!Unbestimmt bei jedem digitalen Signal)

Welche Umformung entspricht dem De-Morgan-Gesetz für NICHT von A UND B? (NICHT A ODER NICHT B) (!NICHT A UND NICHT B) (!A ODER B ohne Negation) (!A UND B ohne Negation)

Was muss bei einer Selbsthaltung neben dem Starttaster in die Folgezustandslogik eingehen? (Der vorherige Ausgangszustand) (!Nur die Anzahl der Planblätter) (!Ausschließlich die Farbe des Gehäuses) (!Allein der Preis des Netzteils)

Welche Leistungsreserve ergibt sich bei acht Watt Grundlast und einem Zuschlag von fünfundzwanzig Prozent? (Zehn Watt als angenommener Planungswert) (!Acht Komma zwei Watt als Planungswert) (!Sechzehn Watt sind rechnerisch zwingend) (!Zwei Watt sind die gesamte geplante Leistung)

Wie groß ist der Strom einer idealisierten ein Watt starken Modellspule bei vierundzwanzig Volt Gleichspannung ungefähr? (Etwa zweiundvierzig Milliampere) (!Etwa zweiundvierzig Ampere) (!Etwa vierhundert Milliamperesekunden) (!Etwa vierundzwanzig Ampere)

Welche Unterlage ordnet konkrete Geräteanschlüsse und Klemmen einander zu? (Ein Anschlussplan) (!Ein beliebiges Foto des Schaltschrankraums) (!Eine reine Kostenaufstellung) (!Ein Pausenplan des Montageteams)

Welches erwartete Ergebnis gilt bei gedrücktem Betriebs-Aus-Taster und bisher eingeschalteter Modellleuchte? (Der logische Ausgang wird durch die Aus-Priorität null) (!Der Haltekontakt setzt den Ausgang zwingend auf eins) (!Die Lampe bleibt unabhängig vom Befehl für immer an) (!Ein digitaler Eingang kann keinen Zustandswechsel bewirken)

Memory: Fachbegriffe zuordnen

Relaiskontakt	Elektrisch betätigter Schaltkontakt eines Relais
Kontaktspiegel	Übersicht der zusammengehörigen Kontakte eines Schaltgeräts
Öffner	Trennt einen Kontaktpfad bei Betätigung
Selbsthaltung	Halten des Ausgangszustands durch Rückführung eines Schaltzustands
Wahrheitstabelle	Aufstellung von Eingabekombinationen und zugehörigen Ergebnissen
Kleinsteuerung	Kompakte digitale Baugruppe zum Verarbeiten von Eingängen und Schalten von Ausgängen

Drag-and-drop: Unterlagen und Funktionen

Ordne den passenden Fachbegriff zu.	Beschreibung
Blockschaltbild	Verdeutlicht den funktionalen Signalfluss zwischen Baugruppen
Verdrahtungsplan	Beschreibt Leitungszuordnungen und reale Verbindungspunkte
Schließer	Stellt bei Betätigung eine Verbindung her
Funktionsfreigabe	Zusätzliche Betriebsbedingung für das Einschalten
Testprotokoll	Hält Sollwert, Istwert und Prüfergebnis nachvollziehbar fest

Kreuzworträtsel

Schütz	Elektromagnetisch betätigtes Schaltgerät für passende Lasten?
Öffner	Welcher Kontakt trennt beim Betätigen?
Freigabe	Welche zusätzliche Bedingung muss zum Starten erfüllt sein?
Kontaktspiegel	Wie heißt die Übersicht zusammengehöriger Kontakte eines Schaltgeräts?
Blockschaltbild	Welche Darstellung zeigt vor allem den funktionalen Signalfluss?
Wahrheitstabelle	Welche Tabelle vergleicht die Ergebnisse aller logischen Eingabefälle?

LearningApps: interaktive Übungssuche

Über diese Suchansicht findest du ergänzende Übungsangebote zum Thema; kontrolliere externe Aufgaben kritisch auf technische Aktualität, Nutzungsrechte und fachliche Richtigkeit.

Lückentext: Steuerung fachlich begründen

Eine Steuerung aus fest verdrahteten Kontakten heißt

.

Ein elektromagnetisch betätigtes Schaltgerät kann ein

sein.

Die Klemmen A1 und A2 sind im typischen Beispielschema Anschlüsse der

.

Ein Kontakt, der bei Betätigung verbindet, wird

genannt.

Bei einer UND-Verknüpfung müssen beide Bedingungen den Wert

haben.

Die ODER-Verknüpfung liefert bei wenigstens einer wahren Eingabe den Wert

.

Der vorherige Ausgangswert wird für die

gebraucht.

Eine Tabelle möglicher Eingabekombinationen heißt

.

Im Funktionsmodell muss der Betriebs-Aus-Befehl

haben.

Die geeignete Versorgungsleistung berechnet man zunächst aus der gesamten

.

Die tatsächliche Verbindung zwischen Gerät und Klemme beschreibt der

.

Ein nachvollziehbarer Test hält Soll- und

fest.

Offene Aufgaben

Leicht

Steuerung: Beschreibe in einer beschrifteten Skizze für die fiktive Modellleuchte drei Eingänge, die Verarbeitung und zwei Ausgänge. Stelle ausdrücklich klar, warum es keine Rückkopplungsregelung ist.
Relais: Zeichne symbolisch einen typischen Schließer, einen Öffner und eine Spule; erkläre ihre Zustände in einer eigenen kurzen Audio- oder Textbeschreibung.
Wahrheitstabelle: Erstelle für zwei Binäreingänge die vier Fälle einer UND- und ODER-Verknüpfung und prüfe jede Zeile mit einer ungefährlichen Computersimulation oder Karteikarten.
Stromlaufplan: Vergleiche zwei geprüfte Commons-Prinzipgrafiken der Selbsthaltung, markiere die Schaltzustände und liste drei mögliche Lesefehler auf.

Standard

Schaltalgebra: Vereinfache F ∧ S ∨ F ∧ H schrittweise, dokumentiere das Distributivgesetz und zeige die Gleichwertigkeit durch eine eigene vollständige Tabelle.
Kontaktspiegel: Fertige für das fiktive Relais K1 eine Kontaktübersicht mit Spule, einem Schließer und einem Öffner an; vermerke, welche Kennzeichen erst das konkrete Datenblatt bestätigt.
Speicherprogrammierbare Steuerung: Übertrage die Modell-Selbsthaltung in ein rücksetzdominantes Funktionsschema und sichere sechs ausgewertete Simulationszustände als anonymisierte Dokumentation.
Leistungsberechnung: Variiere eine Modelllampenleistung, berechne die veränderte 24-V-Gesamtaufnahme samt begründeter Reserve und überprüfe separat die angenommene Ausgangslast.

Schwer

Schützsteuerung: Plane den vollständigen fiktiven Änderungsauftrag mit I/O-Liste, Signalpolaritäten, Blockschaltbild, Stromlauf- und Anschlusskonzept sowie einer Prüfliste für die Elektrofachkraft.
Fehleranalyse: Untersuche in der Simulation die Szenarien klebender Starttaster, Freigabeverlust und Netzwiederkehr, grenze betriebliche Logik von Sicherheitsfunktionen ab und begründe die Grenzen deiner Lösung.
Technische Dokumentation: Erstelle einen Versionsvergleich VPS gegen digitale Steuerung einschließlich Kostenannahmen, Ersatzteilstrategie, Stromverbrauch, Datenschutz und nachvollziehbarer Quellen.
Projektpräsentation: Produziere ein 3-minütiges Erklärvideo oder eine bebilderte OER-Dokumentation deines simulierten Prüfablaufs; verwendete Medien korrekt lizenzieren und keinerlei reale Kundendaten offenlegen.

Lernkontrolle

Funktionsanalyse: Erläutere an einem selbst gewählten fiktiven Steuerungssystem, wie du aus einem unklaren Auftrag zu eindeutigen Ein-/Ausgangsanforderungen und Testkriterien gelangst.
Schaltplan: Finde mindestens vier fachliche Fehler in einem selbst präparierten Modellplan und begründe die Korrektur mit Bauteil-, Anschluss- und Kontaktbezügen.
Schaltalgebra: Beweise die Gleichwertigkeit einer zusammengesetzten Funktion vor und nach Vereinfachung über Regeln und vollständige Wahrheitstabelle.
Speicherprogrammierbare Steuerung: Erkläre die Übertragung einer physischen Selbsthaltung in eine digitale Zustandslogik einschließlich Betriebs-Aus-Vorrang und Netzwiederkehr.
Dimensionierung: Rechne für geänderte fiktive 24-V-Verbraucher Netzteilleistung, Stromstärken und geeigneten Planungsspielraum vor und trenne nachweislich Lastkontakt von SPS-Ausgang.
Qualitätssicherung: Gib sechs Soll-Ist-Simulationstests mit je nachvollziehbarem Ergebnis ab und bewerte ihren Aussagewert gegenüber Prüfungen der elektrischen Sicherheit.
Nachhaltigkeit: Vergleiche nachvollziehbar Material, Energiebedarf, Wartbarkeit und Datenschutz einer VPS mit einer digitalen Alternative, ohne eine pauschale Umweltüberlegenheit zu behaupten.

Lernnachweis

Abzugeben ist ein vollständiges fiktives Projektpaket mit: (1) Anforderungsliste und Ist-Analyse; (2) selbst entwickeltem Blockschaltbild, Stromlauf-/Funktionsskizze, Anschluss- und Verdrahtungsübersicht sowie Kontaktspiegel; (3) digitaler I/O-Liste und logisch begründetem Zustandsmodell; (4) mindestens einer nachvollziehbaren Leistungsberechnung einschließlich Einheiten und Reserve; (5) sechs tatsächlich geprüften Simulationsfällen mit Soll-Ist-Werten, Fehlerkorrektur und Versionsnummer; (6) Stücklistenentwurf, ausgewerteten Hersteller- und Regelwerksquellen; (7) Sicherheits-, Nachhaltigkeits- und Datenschutzeinschätzung; (8) Übergabepräsentation und Selbsteinschätzung am 100-Punkte-Bewertungsraster. Der Nachweis bewertet die Planungskompetenz, nicht eine praktische Elektro-Freigabe.

Feedbackverfahren: Kontrolliere zuerst selbst die Tests, lasse anschließend einen Lernpartner gezielt nach widersprüchlichen Signalpolaritäten und fehlenden Belegen suchen und hole dann die fachliche Rückmeldung der Lehrkraft oder Ausbilderin ein. Hinweise zu Fehlern gehören in ein Versionsprotokoll; Lösungen zu den interaktiven Aufgaben werden nicht vorab als Antwortliste veröffentlicht.

OER und Wikipedia

Verbindliche fachliche Bezugspunkte und weiterführende Materialien:

KMK-Rahmenlehrplan Technische Systemplanung, PDF-Seite 36, Lernfeld 7 ETS – offizieller Lernfeldrahmen mit 60 Stunden, Zielkompetenzen und Inhaltsangaben.
BIBB-Berufsprofil Fachrichtung Elektrotechnische Systeme und konsolidierte Ausbildungsordnung – Ausbildungsberuf, zu prüfende Ausbildungsinhalte und Rechtsgrundlagen. Das BIBB-Profil mit der Kennung 270810 betrifft hingegen die andere Fachrichtung Versorgungs- und Ausrüstungstechnik und wird hier nicht als ETS-Pflichtprofil benutzt.
DGUV Vorschrift 3 und BGHM-Fachinformation – Schutz und Befugnisse bei elektrotechnischen Tätigkeiten.
DKE-Nachweis DIN EN 61131-3:2014-06 sowie DKE-Nachweis DIN EN 60204-1:2019-06 – Normbereich und Editionsstand vor Planung prüfen; Normtexte sind nicht frei reproduzierbar.
Siemens LOGO! Systemhandbuch 08/2024 – Herstellerbeispiel für Datenblatt- und Anschlussprüfungen; vor einem Geräteentscheid genaue Variante und neueste Herstellerinformationen kontrollieren.
Wikipedia: Schaltalgebra, Wikipedia: SPS, Wikipedia: Selbsthaltung – frei zugängliche Erklärungen als Einstieg; stets mit Fachquellen abgleichen.

Geprüfte Bilddateien und Rechte (Einbettung aus Wikimedia Commons; die hochgeladenen Originale bleiben unter ihrer jeweiligen Lizenz, keine grafische Veränderung vorgenommen):

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File:PLC Block Diagram.jpg	Commons-Dateiseite	ProVision	CC BY-SA 4.0
File:Selbsthaltung1.svg	Commons-Dateiseite	Wendelin	CC BY-SA 3.0
File:Selbsthaltung2.svg	Commons-Dateiseite	Wendelin	CC BY-SA 3.0
File:AND IEC Labelled.svg	Commons-Dateiseite	Inductiveload	Gemeinfrei laut Dateiseite
File:OR IEC Labelled.svg	Commons-Dateiseite	Inductiveload	Gemeinfrei laut Dateiseite

Video-Nachweise: Selbsthaltung – Schützschaltung – einfach und anschaulich erklärt von Sogeht by Sven Stemmler (2019) und Siemens Logo Grundfunktionen, AND, OR, NOT von ronnie (2023). Beide sind deutschsprachige, thematisch überprüfte YouTube-Veröffentlichungen. Sie werden nur über die Plattformfunktion eingebettet; eine freie Lizenz zur Weiterverbreitung der Videodateien ist damit nicht belegt. Alle Links sind Quellenhinweise, keine amtlichen Prüfbestätigungen.

Wikipedia zum vertiefenden Lesen:

Verknüpfte Lernbereiche

Steuerungstechnik

Fachliche Anschlussstellen: Mathematik (Binärlogik und Gleichungen), Informatik (Algorithmen, Simulation und Versionierung), Physik (Leistung und Stromstärke), Elektrotechnik (Schaltungen und Kennzeichen), Projektmanagement (Auftrag und Qualität), Datenschutz und Bildung für nachhaltige Entwicklung. In der Ausbildung knüpft dieses Lernfeld an ETS-Lernfelder 5 und 6 an und bereitet fachlich auf spätere Anwendungen in der Gebäude- und Automatisierungstechnik vor. Andere Fachrichtungen werden nur verglichen, nicht als zusätzliche Pflichtinhalte behandelt.

aiMOOC Projekte

Projekt A – Vom Relais zur digitalen Logik: Erstelle in Kleingruppen ein vollständig simuliertes Änderungsprojekt mit fachlich geprüften Plänen, Variantenvergleich und offen zugänglicher, anonymisierter Dokumentation.

Projekt B – Fehlersuche als Lernstation: Entwickle sechs schaltlogische Fehlerszenarien als sichere Bildschirmübung mit Feedback, Prüfprotokoll und gemeinsam geprüften Lösungshinweisen.

Projekt C – Energie- und Materialcheck: Vergleiche zwei fiktive Steuerungskonzepte anhand der angegebenen Daten, mit offengelegten Annahmen, Nutzungsdauer, Reparierbarkeit und Quellen. Veröffentliche nur selbst erstellte oder korrekt lizenzierte Medien.