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Fachübungen 11 ETS – Steuerungen für Anlagen der Gebäude- und Automatisierungstechnik planen – Fachrichtung Elektrotechnische Systeme (ETS) - Technischer Systemplaner

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Einleitung

Wie lässt sich eine Steuerung für einen Raum oder eine technische Anlage so planen, dass Anforderungen, Sensoren, Aktoren, Steuerungslogik und technische Unterlagen zusammenpassen? In diesem aiMOOC für das 3. Ausbildungsjahr der Fachrichtung Elektrotechnische Systeme (ETS) lernst du, Gebäude- und Automatisierungstechnik als Planungsaufgabe zu bearbeiten. Du analysierst Steuerungsabläufe, entwirfst Funktions- und Kontaktpläne, wertest synthetische Messwerte aus und dokumentierst eine Lösung. Der Schwerpunkt entspricht Lernfeld 11 ETS des KMK-Rahmenlehrplans mit einem schulischen Zeitrichtwert von 100 Stunden; das ist keine Prüfungszeit.

Der Ausbildungsberuf Technischer Systemplaner hat nach dem aktuellen Berufsprofil eine reguläre Ausbildungsdauer von 42 Monaten. Grundlage sind die Ausbildungsordnung vom 21. Juni 2011 in der Fassung der Änderung von 2014 und der KMK-Rahmenlehrplan vom 27. Mai 2011. Die hier verwendeten Aufgaben sind eigens erstellte Lernfälle, keine Originalprüfungen. Die Inhalte beziehen sich ausschließlich auf die Fachrichtung ETS. Du arbeitest hier an Papier, mit CAD oder mit Simulationen; realer Netzanschluss, Sicherheitsfunktionen, Prüfungen oder Maschinenfreigaben sind ausschließlich Sache entsprechend qualifizierter und beauftragter Fachkräfte.

Dein Lernweg: Anforderungen erfassen → Systemstruktur lesen → SPS-Logik planen → Schrittkette und Schutzkonzept kritisch prüfen → Modellfall berechnen und simulieren → normbezogene Dokumentation und Testnachweise anfertigen.

Anforderungen und Wirkzusammenhänge analysieren

Arbeitsauftrag und Anforderungsarten

Ein technischer Systemplaner erstellt nachvollziehbare Unterlagen, damit Fachplanung, Ausführung und spätere Prüfung denselben funktionalen Sachverhalt verstehen. Trenne Muss-Anforderungen (z. B. definierter Zustand bei ungültigem Messwert), Soll-Anforderungen (z. B. energetisch günstiger Betrieb), Schnittstellen, Randbedingungen und offene Fragen. Ein Lastenheft beschreibt die Anforderungen aus Auftraggebersicht; ein Pflichtenheft legt die geplante Umsetzung fest. In einer Änderungsmatrix sollte jede Anforderung eine Kennung, ein Prüfkriterium und einen Dokumentverweis erhalten.

Beispiel: „Der Lüfter soll bei schlechter Luft anspringen“ ist nicht prüfbar. Besser lautet die synthetische Anforderung A-01: „Bei anwesenden Personen, gültigem CO₂-Signal und CO₂ ≥ 1.000 ppm wird die simulierte Lüfterfreigabe aktiv.“ A-02 lautet: „Bei CO₂ ≤ 800 ppm wird sie deaktiviert.“ Die Lücke dazwischen bildet eine Hysterese; dadurch flattert das Signal nicht bei kleinen Messschwankungen.

Sensoren, Aktoren und Signalwege

Ein Sensor liefert Informationen (z. B. Belegungssignal, CO₂-Konzentration, Temperatur, Endlagemeldung). Ein Aktor beeinflusst einen Vorgang (z. B. Ventilantrieb, Leuchte, Jalousieantrieb, Freigabeschütz). Die speicherprogrammierbare Steuerung oder Kleinsteuerung verarbeitet Eingangssignale gemäß einer dokumentierten Logik. Ein Leitsystem kann Betriebszustände visualisieren. Die Planung muss zwischen der Signalebene und der Energieversorgung unterscheiden; ein digitaler SPS-Ausgang ist keine pauschale Freigabe zur direkten Lastschaltung.

Ebene	Typische Aufgabe	Beispiel im Raum
Feldebene	Messwert erfassen oder Stellwirkung ausführen	CO₂-Sensor, Bewegungsmelder, Lüfteransteuerung
Automationsebene	Logik, Zeitfunktionen und Verriegelungen ausführen	Kleinsteuerung oder Automationsstation
Managementebene	Anzeigen, trendbasierte Auswertung und Meldungen	Visualisierung mit protokollierten Zuständen

Eine Gebäudeautomationsanlage kann zusätzlich Bussysteme wie KNX, BACnet oder DALI verwenden. Ein Feldbus ersetzt weder die Funktionsbeschreibung noch eine angemessene elektrische Planung. Welches System geeignet ist, hängt von den Schnittstellen und dem Auftrag ab; ETS als Fachrichtungsabkürzung ist hier nicht mit der KNX-Engineering-Tool-Software „ETS“ gleichzusetzen.

Schematischer SPS-Aufbau: Unterscheide Eingangsaufnahme, Verarbeitung und Ausgabe. Bildnachweis in „OER und Wikipedia“.

Steuerung und Regelung unterscheiden

Bei einer Steuerung gibt es für die betrachtete Führungsaufgabe keine kontinuierliche Rückführung einer Regelgröße zur laufenden Korrektur der Stellgröße. Beispiel: Ein Lüfter läuft für eine eingestellte Zeit nach Tasterbetätigung. Bei einer Regelung wird ein Istwert erfasst, mit dem Sollwert verglichen und daraus eine Stellgröße gebildet. Beispiel: Eine Raumtemperatur wird über einen Regler und ein Heizventil auf einen Sollwert geführt. Diskrete Ein-/Ausschaltlogik mit Hysterese verarbeitet zwar Messwerte, ist aber nicht mit einer kontinuierlichen proportionalen Regelung gleichzusetzen. Benenne jeweils genau die betrachtete Funktion.

Offener Wirkungsweg ohne geschlossene Rückführung, schematisch.

Geschlossener Regelkreis mit Rückführung: Vergleiche Referenz, Regler, Strecke und Messgröße.

SPS, Kleinsteuerungen und logische Darstellungen

Arbeitszyklus und Ein-/Ausgangsplanung

Eine SPS liest in einem typischen zyklischen Ablauf Eingangszustände ein, verarbeitet das Anwenderprogramm und aktualisiert Ausgänge. Prozessabbild, Zykluszeit, Eingangsentprellung und signalabhängige Aktualisierungen sind bei der Auswahl zu beachten; das genaue Verhalten hängt vom Gerät und seiner Konfiguration ab. Eine Kleinsteuerung eignet sich für überschaubare Funktionen, ist jedoch nicht allein aufgrund der Bezeichnung für sicherheitsbezogene Funktionen geeignet.

Lege eine I/O-Liste an: Kennzeichen, Signalname, Datenart, Bereich, Einheit, logischer Normalzustand, Quelle/Ziel, Klemmen- beziehungsweise Softwareadresse, Fehlerreaktion. Die reale Auswahl von Spannungspegel, Schutzkonzept, Schnittstelle und Versorgung erfolgt nach Herstellerdaten und einschlägigen Regelwerken durch Fachpersonal. In den folgenden Übungen sind „I0.0“, „AI0“ und „Q0.0“ lediglich fiktive Symboladressen.

Signalart	Beispiel	Dokumentationshinweis
Digitaler Eingang	Belegung ja/nein	Normalzustand und Flankenauswertung erläutern
Analoger Eingang	CO₂-Messwert über 0–10 V	Messbereich, Skalierung und Ungültigkeit festlegen
Digitaler Ausgang	Simulierte Lüfterfreigabe	Funktionsbedingung und sichere Planungsschnittstelle beschreiben
Statusmeldung	Sensorfehler	Anzeige, Protokolleintrag und Prüfkriterium vorsehen

Boolesche Logik, FUP und KOP

Die Boolesche Algebra beschreibt logische Verknüpfungen: UND ist nur bei zwei wahren Eingängen wahr, ODER bei mindestens einem wahren Eingang, NICHT invertiert einen Wahrheitswert. Im Funktionsplan (FUP) wird eine solche Funktion als Verknüpfung von Funktionsblöcken dargestellt; im Kontaktplan (KOP) als Kontakt- und Spulenstruktur. Das für ein konkretes System maßgebliche Symbolregelwerk und die Herstellerbibliothek sind anhand der Aufgabenstellung zu prüfen, statt alte Schaltsymbole ohne Kontrolle zu kopieren.

Logische UND-, ODER- und NICHT-Symbole. Diese Grafik ist eine Grundlagendarstellung und keine vollständige elektrotechnische Ausführungszeichnung.

Beispiel einer UND-Verknüpfung im Kontaktplan.

Kontakt- und Spulendarstellung in einem einfachen KOP.

Belegt B	Sensor gültig G	B UND G	B ODER G
0	0	0	0
0	1	0	1
1	0	0	1
1	1	1	1

Typischer Fehler: Aus einem grafischen Schließerkontakt unmittelbar auf eine physische Verdrahtung schließen. KOP-Kontakte repräsentieren im Programm Wahrheitswerte; ein realer Öffnerkontakt, ein fehlerauswertender Eingang und seine Softwaredarstellung müssen getrennt dokumentiert werden.

Video „Einführung in die Siemens Logo! Programmierung“ (rund um die Elektrotechnik, 2024). Beobachtungsauftrag: Welche Schritte gehören zur Offline-Simulation und welche wären reale Inbetriebnahme? Nur die Simulation ist Gegenstand dieses Kurses.

Skalierung und Fachrechnen

Analoge Sensoren liefern häufig ein elektrisches Signal, das anhand des spezifizierten Messbereichs skaliert wird. Für einen nur beispielhaften, linear skalierten CO₂-Sensor von 0 bis 2.000 ppm und 0 bis 10 V gilt im zulässigen Bereich:

Konzentration c = U / 10 V · 2.000 ppm.

Bei 5,5 V folgt c = 5,5 / 10 · 2.000 = 1.100 ppm. Bei einer idealisierten 12-Bit-Wandlung mit Ganzzahlcodes 0 bis 4.095 ergibt sich ungefähr 5,5 / 10 · 4.095 = 2.252 Digit. Der tatsächliche Messwert ist nur so gut wie die Sensorparameter, Linearität, Auflösung und Plausibilitätskontrolle; „0 V“ darf bei fehlender Leitungsüberwachung nicht ungeprüft als „saubere Raumluft“ interpretiert werden.

Ablaufsteuerung, Sicherheit und Fehlerdiagnose

Schrittkette und GRAFCET

Eine Ablaufsteuerung beschreibt Zustände und Übergänge. Im GRAFCET stehen Schritte für aktive Phasen, Transitionen für Übergänge und Transitionsbedingungen für die nötigen Signale. Beispiel einer rein simulierten Jalousie-Steuerfolge: Schritt S0 „Ruhe“ → bei gültiger Anforderung Schritt S1 „Fahrt freigegeben“ → bei virtueller Endlagenmeldung Schritt S2 „Wartezustand“ → bei Rücksetzbedingung zurück zu S0. Die Endlagenmeldungen werden in einer Simulation gesetzt; es wird keine reale Antriebsansteuerung freigegeben. Bei widersprüchlichen Endlagensignalen ist ein definierter Diagnosezustand nötig.

Verifiziertes Einzelzeichen aus der GRAFCET-Symbolik; eine vollständige Schrittkette muss zusätzlich Aktionen, Transitionen und Bedingungen enthalten.

Video „Ablauf eines GRAFCET“ (Schülerunterlagen, 2013). Auftrag: Zeichne die Schritte und notiere je eine eindeutige Transitionsbedingung.

Drahtbruchüberwachung und NOT-HALT nicht verwechseln

Bei einem nach geeigneten Regeln ausgelegten und überwachten Ruhestromprinzip kann das Unterbrechen einer Leitung als Fehler erkannt werden. Ein einzelner Öffnerkontakt allein stellt jedoch keine nachgewiesene Drahtbruchsicherheit dar: Fehlererkennung, Leitungsführung, Diagnose, erforderliche Sicherheitsintegrität, Fehlerausschlüsse und Validierung sind getrennt zu betrachten. Das gilt besonders für NOT-HALT-Einrichtungen und andere sicherheitsbezogene Steuerungsfunktionen.

Wichtig: Eine gewöhnliche SPS-Funktion, ein Standard-KNOPF oder das reine Ausknipsen eines Ausgangs sind kein Ersatz für ein nach Risikobeurteilung ausgewähltes und validiertes Sicherheitskonzept. NOT-HALT und NOT-AUS sind nicht automatisch gleichbedeutend. Beurteile einschlägige Normen, beispielsweise die anwendbaren Teile der DIN EN 60204-1 sowie DIN EN ISO 13850 und – für sicherheitsbezogene Steuerungen je nach Anwendungsfall – DIN EN ISO 13849-1 beziehungsweise IEC 62061 anhand der aktuellen projektspezifischen Fassungen; der Kurs trifft keine technische Freigabe oder Konformitätsaussage. Brandschutz- und Rauchschutzfunktionen dürfen nicht durch eine allgemeine Komfortlüftungslogik übersteuert werden.

Planungsauftrag statt Verdrahtungsanleitung: Dokumentiere im Sicherheitskapitel offene Gefährdungen, Zuständigkeiten, geforderte Nachweise und die Trennung von Komfortfunktion und Schutzfunktion. Eine reale Installation, Spannungsprüfung und Freigabe bleibt qualifiziertem Personal vorbehalten.

Systematische Fehlerdiagnose

Beginne an der dokumentierten Funktion und beobachte ausschließlich simulierte Signalwerte: Ist das Eingangssignal plausibel? Wird seine Gültigkeit erkannt? Ist die Verriegelung aktiv? Stimmt der Sollzustand mit der Zustandsfolge überein? Erstelle eine Tabelle mit Symptom → vermuteter Fehlerursache → Simulationstest → erwartetem Befund → Korrektur der Unterlagen. Trenne Sensorfehler, Adressierungsfehler, Skalierungsfehler, Logikfehler und Kommunikationsfehler. Eine bloße Änderung des Programms ohne neue Prüffälle ist keine belastbare Fehlerbehebung.

Beobachtung im Modell	Mögliche Ursache	Prüfgedanke
Angezeigte CO₂-Werte halb so groß	Falscher Skalenendwert	Vergleich zweier synthetischer Stützpunkte
Lüfterfreigabe wechselt häufig	Fehlende Hysterese	Zeitreihe nahe dem Schwellwert simulieren
Ungültiger Sensorwert erzeugt Freigabe	Gültigkeitsprüfung fehlt	Fehlerfall im Logikmodell erzwingen
Rücksprung der Schrittkette fehlt	Transition nicht vollständig	Zustandsübergänge einzeln prüfen

Durchgerechneter Modellfall: Mehrzweckraum M-203

Synthetischer Kundenauftrag und Abgrenzung

Ein fiktiver Planungsauftrag betrifft den Mehrzweckraum M-203. Im reinen Softwaremodell soll eine Lüfterfreigabe bei Belegung und erhöhter CO₂-Konzentration entstehen. Alle Zahlen, Raumangaben, Adressen und Gerätekennzeichen sind erfunden. Das Konzept ist eine Unterrichtslogik, keine gesundheits-, brandschutz- oder anlagentechnische Auslegung und keine Freigabe zur Montage.

A-01: Freigabe einschalten, wenn Belegung B = 1, Messwert gültig G = 1 und c ≥ 1.000 ppm ist. A-02: Freigabe ausschalten, wenn c ≤ 800 ppm, B = 0 oder G = 0 ist. A-03: Sensorfehler F melden, wenn G = 0; die simulierte Freigabe bleibt dann aus. A-04: Das Verhalten muss anhand eines reproduzierbaren Testprotokolls und einer I/O-Liste nachweisbar sein. A-05: Energieeinsparung nur mit angegebenen Annahmen modellieren; keine reale Messwirkung unterstellen.

Kennzeichen	Signal	Typ und fiktive Zuordnung	Gültigkeitsannahme
B	Raum belegt	BOOL, I0.0	1 bedeutet belegt
U_CO2	Sensorspannung	REAL, AI0	0–10 V entspricht 0–2.000 ppm; G ist separat
G	Messwert gültig	BOOL, I0.1	1 bedeutet gültig
Q_L	Lüfterfreigabe	BOOL, Q0.0	Nur simuliertes Freigabebit
F	Störmeldung	BOOL, Q0.1	1 bedeutet ungültiger Sensorwert

Musterarbeitsprodukt 1 – Funktionsschema: Belegung B und Signal G speisen eine UND-Bedingung. Der analog skalierte Wert c geht in die Schwellwertlogik. Eine Speicherfunktion hält Q_L zwischen oberem und unterem Schwellwert. B = 0 oder G = 0 setzt Q_L zurück. F = NICHT G. Die reale Schnittstelle zum Lüfter bleibt ausdrücklich außerhalb dieses Lernmodells.

Berechnung, Zustandslogik und FUP-Entwurf

Berechne zuerst c aus der Sensorspannung: Bei U = 5,25 V ergibt sich c = 1.050 ppm. Die Hysteresebreite beträgt Δc = 1.000 ppm − 800 ppm = 200 ppm. Definiere H = (c ≥ 1.000 ppm) und L = (c ≤ 800 ppm). Der neue Zustand entsteht aus:

Q_L(neu) = B UND G UND ( H ODER ( Q_L(alt) UND NICHT L ) ).

F(neu) = NICHT G.

Die Formel beschreibt die gespeicherte Freigabe mit Vorrang für die genannten Abschaltbedingungen. Bei c = 900 ppm, B = G = 1 und Q_L(alt) = 1 bleibt die Freigabe eingeschaltet. Bei denselben Eingängen, jedoch Q_L(alt) = 0, bleibt sie ausgeschaltet. Genau dafür ist die Hysterese erforderlich. Prüfe in der Simulation zudem Start- und Wiederanlaufzustände. Das Modell setzt beim Simulationsstart Q_L(alt) = 0; ein Hardware-Wiederanlauf müsste gesondert geplant werden.

Fall	B	G	c in ppm	Q_L alt	Q_L neu	F neu
T1: Einschalten	1	1	1.100	0	1	0
T2: Halten	1	1	900	1	1	0
T3: Noch aus	1	1	900	0	0	0
T4: Ausschalten	1	1	780	1	0	0
T5: Unbelegt	0	1	1.200	1	0	0
T6: Sensor ungültig	1	0	1.200	1	0	1

Musterarbeitsprodukt 2 – Zeitdiagramm als Datentabelle: In allen gültigen Zeilen ist B = G = 1; die Ausgangslage um 08:00 Uhr lautet Q_L = 0.

Uhrzeit	c in ppm	Q_L nach Auswertung	Begründung
08:00	760	0	Unter unterem Schwellwert
08:15	1.020	1	Oberen Schwellwert erreicht
08:30	910	1	Hysterese hält Freigabe
08:45	790	0	Unteren Schwellwert erreicht
09:00	970	0	Noch kein erneutes Einschalten

Für den FUP zeichnest du Vergleichsblöcke, eine Speicherfunktion, die Belegungs-/Gültigkeitsverriegelung und einen invertierten Meldeausgang. Für den KOP wählst du eine äquivalente Darstellung mit eindeutigem Setz-/Rücksetzverhalten. Die konkrete Umsetzung und die Prioritäten bei gleichzeitigen Signalen hängen vom gewählten Programmsystem ab und müssen im Programm mit dem Testfall T6 geprüft werden.

Energievergleich mit offengelegten Annahmen

Ein fiktiver Lüfter benötigt bei Freigabe konstant P = 180 W. Vergleiche an einem Beispieltag acht Stunden Dauerfreigabe mit drei Stunden bedarfsgeführter Freigabe. Es gilt E = P · t, mit P in kW und t in Stunden:

Dauerbetrieb: 0,180 kW · 8 h = 1,44 kWh.
Bedarfsführung: 0,180 kW · 3 h = 0,54 kWh.
Rechnerische Differenz: 0,90 kWh pro Tag.
Bei 200 vergleichbaren Tagen: 0,90 · 200 = 180 kWh pro Jahr.
Bei einem rein angenommenen Strompreis von 0,30 € pro kWh: 54 € pro Jahr.

Dies ist keine reale Einsparprognose. In der Praxis können Grundlüftung, Mindestluftmengen, Gebäudehygiene, Wirkungsgradänderungen, Nachlauf und Lastprofile die Rechnung wesentlich verändern. Energieeinsparung ersetzt keine fachgerechte raumlufttechnische Planung.

Prüfkriterien und typischer Änderungsfall

Änderungswunsch: Der Auftraggeber möchte bei Sensorfehler weiterlüften. Im Schulmodell lässt sich die Konsequenz analysieren, aber keine fachlich abgesicherte Ersatzstrategie angeben, ohne Anforderungen etwa an Mindestlüftung, Hygiene, Brandschutz und Verantwortlichkeiten neu zu klären. Halte die Änderung zunächst als offene Planungsentscheidung fest und gib sie an die zuständige Fachplanung. Ändere nicht stillschweigend die Fehlersicherheitsannahme.

Musterarbeitsprodukt 3 – Prüfprotokoll: Test-ID, Vorbedingungen, simulierte Werte, vorheriger Zustand, erwarteter Zustand, tatsächlich beobachteter Zustand, bestanden/nicht bestanden, Modellversion und Datum. Für T1 bis T6 sind die erwarteten Werte in der Tabelle oben vollständig angegeben. Ein nicht bestandener Test führt zu Fehleranalyse, Versionsänderung und erneuter Prüfung der betroffenen Grenz- und Nachbarfälle.

Technische Unterlagen, Qualität und Übergabe

Dokumentationspaket für die Fachrichtung ETS

Ein berufstypisches Planungsprodukt enthält ein Deckblatt mit Versionsstand, funktionale Systemübersicht, Anforderungsliste, beschriftete Sensor-/Aktorübersicht, I/O-Liste, Funktionsbeschreibung, FUP beziehungsweise KOP, Schrittkette soweit erforderlich, relevante Berechnungen, Simulationstests und Änderungsverzeichnis. In CAD-Unterlagen müssen verwendete Symbole, Planköpfe, Bezugskennzeichen, Blattverweise und Bibliotheksstände konsistent sein. Bei geänderten Bauteilen prüfst du Verweise und Stücklisten erneut. Nur freigegebene Herstellerdaten und anwendbare Vorschriften dürfen eine reale Ausführungsplanung begründen.

Dokument	Prüffrage	Beispiel eines ausreichenden Nachweises
Anforderungsliste	Ist jede Funktion eindeutig testbar?	A-01 bis A-05 mit Prüfverweis
I/O-Liste	Sind Signalart, Bereich und Fehlerfall bekannt?	AI0: 0–10 V / 0–2.000 ppm, separates G
Funktionsplan	Sind Speicherverhalten und Prioritäten klar?	Gleichung und FUP mit Setz-/Rücksetzlogik
Schrittkette	Sind Start, Übergänge und Rücksprung beschrieben?	S0–S2 mit gültigen Transitionen
Testprotokoll	Sind Grenzfälle reproduzierbar?	T1–T6, insbesondere T3 und T6
Änderungsverzeichnis	Ist der Bearbeitungsstand erkennbar?	Version, Grund, betroffene Blätter, Prüferrolle

Fachenglisch und kritische Dokumentenprüfung

Übliche Begriffe aus Herstellerunterlagen sind input (Eingang), output (Ausgang), setpoint (Sollwert), actual value (Istwert), feedback (Rückführung), fail-safe (aus einer Risikobeurteilung abzuleitendes Verhalten im Fehlerfall), interlock (Verriegelung) und commissioning (Inbetriebnahme). Übersetze nicht nur Wörter, sondern bestimme den technischen Kontext. „Normally closed“ an einem physischen Kontakt sagt noch nichts über die sicherheitsbezogene Eignung des Gesamtsystems aus.

Qualitätsschleife: Selbstkontrolle der Anforderung → Partnerkontrolle der Pläne → simulationsgestützte Prüfung → fachliche Freigabebeurteilung durch zuständige qualifizierte Personen. Dokumentierte Tests belegen das Verhalten des Modells, nicht die Sicherheit oder Funktionsfähigkeit einer realen Anlage.

Bewertungsraster für das vollständige Modellprojekt

Kriterium	Maximalpunkte	Woran gute Qualität sichtbar wird
Anforderungsanalyse und Abgrenzung	15	Messbare A-01 bis A-05, Schnittstellen, offene Sicherheitsfragen
Sensor-/Aktor- und I/O-Plan	15	Bezeichnung, Typ, Bereich, Fehlerannahme und Datenfluss konsistent
Logik und Schwellwertberechnung	20	Korrekte Skalierung, Hysterese, nachvollziehbare Zustandsformel
Simulation und Fehleranalyse	20	T1–T6 reproduziert, Grenzwerte und Fehlerfall geprüft
Zeichnung und technische Dokumentation	15	Lesbare Pläne, Versionierung, Quellen und nachvollziehbare Änderungen
Sicherheit, Transfer und Fachgespräch	15	Keine Freigabebehauptung, Grenzen und Zuständigkeiten sachlich begründet
Gesamt	100	Ergebnis mit Belegen bewerten, nicht nach bloßer Textmenge

Bewertungshinweis: 90–100 Punkte entsprechen einer in diesem Unterrichtsraster weitgehend vollständigen Lösung; 75–89 einer gut nachvollziehbaren Lösung mit kleineren Lücken; 60–74 einer im Kern brauchbaren Lösung mit Nachbesserungsbedarf; unter 60 sind zentrale Nachweise zu ergänzen. Dieses Raster ist keine amtliche Prüfungsbewertung.

Interaktive Aufgaben

Multiple-Choice: Fachwissen anwenden

Welche Aussage beschreibt eine geschlossene Regelung am treffendsten? (Ein Istwert wird mit einem Sollwert verglichen und beeinflusst die Stellgröße) (!Ein Taster startet einen zeitlich festen Ablauf ohne Rückführung) (!Ein Plan zeigt nur die elektrische Energieversorgung) (!Ein Ausgang bleibt grundsätzlich unabhängig von Eingangssignalen)

Rückmeldung: Eine Regelung führt die Regelgröße zurück. Ein zeitgesteuerter Ablauf ohne Rückführung ist dafür kein hinreichendes Beispiel.

Welche Angabe macht eine Steuerungsanforderung prüfbar? (Ein eindeutiger Einschaltwert mit festgelegten Vorbedingungen) (!Die Aussage dass die Anlage möglichst intelligent sein soll) (!Ein beliebiger Produktname ohne Funktionskriterien) (!Ein Foto des Steuerungsschranks ohne Signalbeschreibung)

Rückmeldung: Messbarer Schwellwert, Bedingungen und beobachtbares Ergebnis bilden gemeinsam einen Testfall.

Welche Konzentration entspricht bei der Modellskalierung einer Sensorspannung von 5 Volt? (1000 ppm) (!500 ppm) (!1500 ppm) (!2000 ppm)

Rückmeldung: 5 Volt sind die Hälfte des angenommenen Bereichs von 0 bis 10 Volt; die Hälfte von 2000 ppm beträgt 1000 ppm.

Warum wird zwischen 800 und 1000 ppm eine Hysterese verwendet? (Um häufiges Ein- und Ausschalten nahe einer Schwelle zu vermeiden) (!Um den Sensor ohne Kalibrierung genauer zu machen) (!Um jede Not-Halt-Funktion zu ersetzen) (!Um das Signal automatisch in einen Digitalausgang zu verwandeln)

Rückmeldung: Die zwei Schwellen bewirken ein zustandsabhängiges Halten. Sie ersetzen weder Sensorprüfung noch ein Sicherheitskonzept.

Was ist bei einem ungültigen CO₂-Signal im beschriebenen Lernmodell festgelegt? (Die Lüfterfreigabe wird null und die Störmeldung eins) (!Die Lüfterfreigabe wird immer eins und die Störmeldung null) (!Der letzte Messwert gilt ohne Kennzeichnung unbegrenzt weiter) (!Die Sensorprüfung wird automatisch aus dem Programm entfernt)

Rückmeldung: Die Anforderungen A-02 und A-03 verlangen einen definierten Fehlerzustand; für eine echte Anlage müsste dieser gesondert beurteilt werden.

Welche Darstellung nutzt Schritte und Transitionen für Abläufe? (GRAFCET) (!Eine reine Stromkostenrechnung) (!Eine unbeschriftete Stückliste) (!Ein Grundriss ohne Funktionssymbole)

Rückmeldung: GRAFCET macht Zustände und Übergangsbedingungen nachvollziehbar; Ausführungspläne ergänzen diese Funktionssicht.

Was gehört mindestens zu einer brauchbaren I/O-Liste? (Signalname Signaltyp Wertebereich und Fehlerannahme) (!Nur eine Herstellerwerbung) (!Nur die Gesamtlänge des Schaltschrankes) (!Nur der Vorname einer planenden Person)

Rückmeldung: Signalbeschreibung und mögliche Fehlerzustände sind entscheidend für Zuordnung, Berechnung und spätere Prüfung.

Welche Aussage zur Drahtbruchsicherheit ist korrekt? (Ein Öffnerkontakt allein ist noch kein vollständiger Sicherheitsnachweis) (!Jede normale SPS ist automatisch eine zertifizierte Sicherheitssteuerung) (!Ein fehlender Leiter kann prinzipiell nie erkannt werden) (!Ein erfolgreicher Simulationslauf ersetzt jede Risikobeurteilung)

Rückmeldung: Das gesamte Sicherheitskonzept einschließlich Diagnose und Validierung muss zur ermittelten Gefährdung passen.

Wie groß ist die modellierte Energieeinsparung pro Tag bei 180 Watt und fünf Stunden weniger Laufzeit? (0,90 Kilowattstunden) (!0,09 Kilowattstunden) (!9,00 Kilowattstunden) (!90,00 Kilowattstunden)

Rückmeldung: 0,180 Kilowatt mal fünf Stunden ergibt 0,90 Kilowattstunden; der Wert gilt nur unter den Modellannahmen.

Welche Aussage zur technischen Dokumentation trifft zu? (Eine geänderte Funktionslogik erfordert passende Planversionen und erneut überprüfte Testfälle) (!Nach Programmänderungen bleiben Prüfnachweise grundsätzlich unverändert gültig) (!Eine I/O-Liste ist bei einer Simulation immer überflüssig) (!Ein erfolgreicher Funktionstest ist eine reale Anlagenfreigabe)

Rückmeldung: Nachvollziehbarkeit erfordert Versionierung und erneute Prüfung; ein Modelltest ist keine Anlagenabnahme.

Memory: Fachbegriffe zuordnen

Prozessabbild	Gespeicherte Repräsentation der Ein- oder Ausgangszustände im Steuerungszyklus
Hysterese	Unterschiedliche Ein- und Ausschaltschwellen zur Zustandsstabilisierung
Aktor	Element zur Erzeugung einer technischen Stellwirkung
Transitionsbedingung	Logische Voraussetzung für einen Schrittwechsel
Grenzwerttest	Prüfung des Verhaltens unmittelbar an einer definierten Schwelle
Änderungsverzeichnis	Nachweis von Dokumentversionen und fachlichen Anpassungen

Drag-and-drop: Planungsbestandteile richtig zuordnen

Ordne den Fachbegriff zu	Funktion im Planungsprozess
Lastenheft	Anforderungen und Erwartungen aus Auftraggebersicht
Funktionsplan	Grafische Darstellung von Verknüpfungs- und Steuerungsfunktionen
Eingangsliste	Übersicht über erfasste Sensor- und Bedieninformationen
Testprotokoll	Reproduzierbarer Vergleich zwischen erwartetem und beobachtetem Zustand
Fachgespräch	Erläuterung und Begründung der gewählten technischen Lösung

Kreuzworträtsel: Sechs Schlüsselwörter

Sensor	Bauteil, das eine physikalische Größe erfasst
Aktor	Bauteil, das eine Stellwirkung ausführt
Hysterese	Abstand zwischen zwei Schaltschwellen
Schrittkette	Darstellung mehrerer aufeinanderfolgender Zustände
Drahtbruch	Fehler durch unterbrochene elektrische Verbindung
Funktionsplan	Grafische Logikdarstellung mit Funktionsblöcken

LearningApps: Weitere Übungen suchen

Wähle dort nur passende, fachlich überprüfte Übungen aus; die Suchergebnisse sind Fremdinhalte und nicht Bestandteil des amtlichen Lehrplans.

Lückentext: Steuerung von der Anforderung bis zum Test

Eine prüfbare Anforderung nennt einen messbaren

.

Die Information über die Raumbelegung wird von einem

bereitgestellt.

Eine technische Stellwirkung wird durch einen

ausgeführt.

Eine speicherprogrammierbare Steuerung heißt abgekürzt

.

Ein Funktionsplan stellt logische Verknüpfungen mit

dar.

Die grafische Ablaufbeschreibung mit Schritten und Transitionen heißt

.

Zwei getrennte Schaltschwellen bilden eine

.

Ein ungültiger Messwert muss in der Planung als

berücksichtigt werden.

Die verwendeten Ein- und Ausgangssignale dokumentierst du in einer

.

Für die Kontrolle von Grenzfällen dient ein reproduzierbares

.

Nach einer Änderung wird der Stand im

dokumentiert.

Offene Aufgaben

Die zwölf Aufgaben benutzen ausschließlich fiktive Daten, Skizzen oder eine Offline-Simulation. Bearbeite genau vier Aufgaben je Niveau. Zu jeder Aufgabe sind Produkt und wesentliches Erfolgskriterium genannt.

Leicht

Sensor: Ordne fünf erfundene Gebäudesignale den Kategorien digitaler Eingang, analoger Eingang oder Ausgang zu. Musterprodukt: dreispaltige Zuordnungstabelle. Kriterium: Messgröße und Stellwirkung nicht verwechseln.
Steuerungstechnik: Zeichne den offenen Signalweg für eine zeitgesteuerte Flurleuchte und stelle daneben einen geregelten Temperaturkreis dar. Musterprodukt: zwei beschriftete Blockschemata. Kriterium: Rückführung nur beim Regelkreis.
Boolesche Algebra: Ergänze die vier Zeilen der Wahrheitstabelle B UND G aus Kapitel 2 und erläutere die Bedingung bei B = 1, G = 0. Musterprodukt: Wahrheitstabelle mit 0 als Ergebnis. Kriterium: alle vier Fälle stimmen.
Analoge Signale: Rechne 2,5 V, 5,0 V und 7,5 V in die Modellkonzentration um. Musterprodukt: Tabelle mit 500, 1.000 und 1.500 ppm. Kriterium: lineare Skalierung und Einheiten stimmen.

Standard

Funktionsplan: Erstelle aus A-01 bis A-03 einen FUP und kommentiere die Speicherfunktion zwischen den Grenzwerten. Musterprodukt: Blockplan mit B, G, H, L und Q_L. Kriterium: Haltefall und ungültiger Sensor erfasst.
Kontaktplan: Übersetze eine einfache Freigabe B UND G in KOP und lege die Signaldefinitionen daneben. Musterprodukt: Programmskizze und Symboltabelle. Kriterium: Programmkontakt von realem Öffner unterscheiden.
Fehlerdiagnose: Analysiere einen Modellfehler, bei dem 5 V irrtümlich als 500 ppm angezeigt werden. Musterprodukt: Fehlerprotokoll mit korrekter Skalierung auf 1.000 ppm. Kriterium: Ursache und Nachtest nachvollziehbar.
Energieeffizienz: Berechne den Energiebedarf für 180 W bei vier Stunden Betrieb und den Vergleich zu acht Stunden. Musterprodukt: 0,72 kWh gegenüber 1,44 kWh, Differenz 0,72 kWh. Kriterium: kW und Stunden korrekt.

Schwer

GRAFCET: Entwirf für eine fiktive Jalousie eine Schrittkette mit Ruhe, virtueller Fahrt und Rückkehr sowie einem widersprüchlichen Endlagenzustand. Musterprodukt: beschriftetes GRAFCET mit Diagnoseübergang. Kriterium: keine ungeklärten oder gleichzeitigen unzulässigen Zustände.
Gebäudeautomation: Vergleiche zwei fiktive Varianten zur Integration von Belegung und CO₂-Wert in eine Raumautomation. Musterprodukt: gewichtete Entscheidungsmatrix. Kriterium: Schnittstellen, Wartbarkeit, Sicherheit und Grenzen begründet.
Technische Dokumentation: Entwickle eine vollständige Änderungsliste, wenn ein zweiter CO₂-Sensor im Modell ergänzt wird. Musterprodukt: aktualisierte I/O-Liste, Funktionsbeschreibung, Testfälle und Versionshistorie. Kriterium: alle Verweise konsistent.
Not-Halt: Erstelle eine Planungsnotiz, warum die Komfortlüftungslogik nicht als Sicherheitsfunktion belegt ist und welche Nachweise an qualifizierte Stellen gehen. Musterprodukt: Risiko- und Zuständigkeitsmatrix ohne praktische Schaltanweisung. Kriterium: Risikobeurteilung, Trennung und Validierungsbedarf erkennbar.

Lernkontrolle

Löse die folgenden sechs zusätzlichen Transferaufgaben schriftlich und gleiche sie mit dem Erwartungshorizont ab.

Anforderungsanalyse: Formuliere aus „Die Belüftung soll möglichst sparsam laufen“ zwei messbare Anforderungen und jeweils einen Modelltest.
Schwellwert: Berechne bei 0–10 V und 0–2.000 ppm den Messwert bei 6,25 V; beurteile, ob bei Q_L alt = 0 eine Freigabe entsteht.
Hysterese: Erkläre für B = G = 1, warum bei 900 ppm die Zustandsinformation Q_L alt benötigt wird.
Fehlerdiagnose: Entwickle einen Test, der einen Leitungsfehler nicht mit einem plausiblen Minimalwert verwechselt.
GRAFCET: Prüfe eine Skizze mit den Zuständen Ruhe, Fahren, Warten auf einen fehlenden Rücksprung und ergänze eine überprüfbare Transition.
Technischer Systemplaner: Begründe, welche Unterlagen nach einer Änderung der virtuellen Sensorskalierung anzupassen sind und welche Aufgaben nicht in die Zuständigkeit einer ungeprüften Simulation fallen.

Musterantworten und Bewertungskriterien

Aufgabe	Erwartungshorizont
1	Zwei messbare Kriterien etwa definierte Freigabe bei Belegung und c ≥ 1.000 ppm sowie Abschaltung bei c ≤ 800 ppm; je ein reproduzierbarer Test mit Eingangs- und Ausgangswert
2	c = 6,25 / 10 · 2.000 = 1.250 ppm; bei B = G = 1 folgt mit Q_L alt = 0 der neue Zustand 1
3	Bei c = 900 ppm gilt weder Einschalt- noch Ausschaltbedingung; bei altem Zustand 1 bleibt 1 und bei altem Zustand 0 bleibt 0
4	Gültigkeitsbit oder fachgerecht geplante Signaldiagnose getrennt vom Messwert auswerten; Ungültigkeit im Modell erzwingen und definierte Meldung prüfen
5	Eindeutigen Rücksprung mit prüfbarer Bedingung ergänzen und widersprüchliche Übergänge ausschließen; Startzustand markieren
6	I/O-Liste, Skalierungsformel, Funktionsbeschreibung, Pläne, Testdaten und Revision aktualisieren; reale Inbetriebnahme und Sicherheitsvalidierung nicht aus Simulation ableiten

Selbstkontrolle: Jede Lösung ist fachlich begründet, nennt Voraussetzungen, dokumentiert Einheiten und trennt Vorhersage, Simulation und reale Prüfung. Zuordnungen ohne Begründung reichen für Standard und Schwer nicht aus.

Lernnachweis

Erstelle ein kurzes Projektportfolio M-203 mit (1) fünf prüfbaren Anforderungen, (2) I/O-Liste, (3) Funktionsschema und Zustandsformel, (4) Berechnung der Sensor-Skalierung und des Energievergleichs, (5) ausgefüllten Testfällen T1–T6, (6) Versions- und Quellenliste, (7) einer schriftlichen Reflexion über Sicherheitsgrenzen. Dies sind zusammengehörige Musterarbeitsprodukte eines vollständig synthetischen Falls.

Ein Fachgespräch kann anhand von drei Leitfragen stattfinden: Warum ist der Zustand bei 900 ppm speicherabhängig? Welche Fehler werden durch G = 0 erkannt und welche nicht? Warum wäre eine reale Freigabe nach nur sechs Simulationstests unzulässig? Für eine erfolgreiche Lösung müssen mindestens die korrekten Zustandswerte T1–T6, die Skalierung 5,5 V → 1.100 ppm und die nachvollziehbare Sicherheitsabgrenzung vorliegen. Bewerte mit dem fachlichen 100-Punkte-Raster aus Kapitel 5 und dokumentiere konkrete Rückmeldungen zu fehlenden Nachweisen.

Transfer: Übertrage das Vorgehen auf eine virtuelle Flurlichtsteuerung oder Jalousie-Logik. Benenne, welche Grundprinzipien gleich bleiben, welche Signale sich ändern und warum sicherheitsrelevante Anforderungen nicht pauschal übernommen werden dürfen.

OER und Wikipedia

Fachliche Grundlagen (geprüfte Ausgangsseiten):

KMK-Rahmenlehrplan, Lernfeld 11 ETS, Seite 40 – amtliche berufsschulische Grundlage, Beschluss 27. Mai 2011; nicht als frei nachlizenzierter Kurstext wiedergegeben.
BIBB: Technischer Systemplaner, Fachrichtung Elektrotechnische Systeme – Beruf, Ausbildungsdauer und Rechtsgrundlagen.
Ausbildungsordnung in geltender Online-Fassung – Rechtsgrundlage von 2011, Änderung 2014; insbesondere die Regelungen zur Fachrichtung ETS. Die Abschlussprüfung ist gestreckt; dieser Lernkurs übernimmt keine amtlichen Aufgaben oder unüberprüften Gewichtungen.
Ausbildungsordnung, § 26 – Prüfungsbereiche von Teil 2 in der Fachrichtung ETS; maßgeblich ist jeweils der rechtsgültige Text.
GRAFCET-Schulungen: frei zugängliche Lehrvideos – Anschauungsmaterial, keine pauschale OER-Nachlizenzierung.
SPS-Tutorial: frei zugängliche SPS-Grundlagenlektionen – zusätzliche Übungen, Nutzungsbedingungen auf der Anbieterseite beachten.

Wikipedia zur fachlichen Vertiefung: Gebäudeautomation, Speicherprogrammierbare Steuerung, GRAFCET. Wikipedia-Texte stehen grundsätzlich unter den jeweils ausgewiesenen freien Lizenzen; Bilddateien können andere Einzellizenzen haben.

Bildnachweise und Nutzungsrechte

Die folgenden Dateiseiten auf Wikimedia Commons wurden als existierende Mediendatensätze mit Urheber- und Lizenzangabe geprüft. Bei Nachnutzung sind die dort angegebenen Lizenzbedingungen und gegebenenfalls Bearbeitungshinweise einzuhalten. Die Bildunterschriften im Kurs erklären die jeweils behandelte Funktion, nicht eine reale Gebäudeausführung.

Datei	Bildquelle	Urheber	Ausgewiesene Lizenz
PLC Block Diagram.jpg	Commons-Dateiseite	ProVision	CC BY-SA 4.0
OpenControlLoop.png	Commons-Dateiseite	Netlad	Gemeinfrei
Simple feedback control loop.svg	Commons-Dateiseite	Urheber und Nachweise siehe Dateiseite	Lizenz gemäß Dateiseite
LogicGates.svg	Commons-Dateiseite	Vaughan Pratt	Mehrfachlizenz laut Dateiseite
Ladder Logic AND gate PLC.jpg	Commons-Dateiseite	Mithilrkadam	CC BY-SA 4.0
Ladder logic diagram.jpg	Commons-Dateiseite	Mithilrkadam	CC BY-SA 4.0
EncStep.svg	Commons-Dateiseite	BenDjGh	CC BY-SA 4.0 als eine angebotene Lizenz

Videonachweise

Eingebettetes Video	Fundstelle	Kanal	Rechte
https://www.youtube.com/watch?v=odB0NUTBnCU	Einführung in die Siemens Logo! Programmierung	rund um die Elektrotechnik (2024)	YouTube-Einbettung; Urheberrecht verbleibt beim Rechteinhaber
https://www.youtube.com/watch?v=ZbCpR1PQ67w	Ablauf eines GRAFCET	Schülerunterlagen (2013)	YouTube-Einbettung; Urheberrecht verbleibt beim Rechteinhaber

Die Videoeinbettung erlaubt keine Übernahme oder Weiterverbreitung des Videomaterials als eigene OER. Der erläuternde Unterrichtstext, die synthetischen Tabellen, die fiktiven Datensätze, die offenen Aufgaben und die eigenen Lösungen dieses aiMOOC sind zur offenen Nachnutzung bestimmt, vorbehaltlich der separat ausgewiesenen Fremdinhalte und Plattformbedingungen.

Verknüpfte Lernbereiche

Lernfeld 11 ETS verbindet Elektrotechnik, Automatisierungstechnik, Technische Dokumentation, CAD, Mathematik, Boolesche Algebra, Regelungstechnik, Sicherheitssteuerung und fachsprachliches Lesen. Berufsportale und angrenzende Lernfelder helfen, Grundlagen vor- und nachzubereiten.

Berufsportal Technischer Systemplaner

Die Verknüpfungen beschreiben fachlich passende Anschlusskurse und Themen. Ob eine konkrete interne Zielseite bereits veröffentlicht ist, hängt vom aktuellen Wiki-Bestand ab; rote Links sind keine Bestätigung einer bestehenden Kursseite.