aiMOOC

Fachübungen 3 – Steuerungen analysieren und anpassen - Elektroniker für Automatisierungstechnik

QR-Code

Einleitung

Im ersten Ausbildungsjahr lernst du als angehende Elektronikerin oder angehender Elektroniker für Automatisierungstechnik, wie du Steuerungen analysierst, planst, anpasst und mit geeigneten Prüfverfahren bewertest. Du untersuchst die Verarbeitung von Eingangssignalen, erstellst Blockschaltbilder, Wahrheitstabellen, logische Ausdrücke und Simulationsprotokolle. Der Beruf verbindet elektrotechnisches Grundwissen mit Informationsverarbeitung, Signaltechnik, technischer Kommunikation und systematischer Fehlersuche.

Einordnung: Der KMK-Rahmenlehrplan für Elektronikerinnen und Elektroniker für Automatisierungstechnik (Beschluss 16. Mai 2003 in der Fassung vom 23. Februar 2018) führt „Steuerungen analysieren und anpassen“ als Lernfeld 3 im ersten Ausbildungsjahr mit 80 Unterrichtsstunden. Es behandelt unter anderem das EVA-Prinzip, die Wirkungskette, Blockschaltbilder, Sensoren, Aktoren, logische Grundverknüpfungen, Speicherfunktionen und die Gegenüberstellung verbindungs- und speicherprogrammierter Steuerungen. Das BIBB nennt für den industriellen Ausbildungsberuf 42 Monate Ausbildungsdauer. Die industrielle Ausbildungsordnung und ihre aktuellen Änderungen sind zu beachten; die Abschlussprüfung ist gestreckt in Teil 1 und Teil 2. Individuelle Prüfungstermine und Gewichtungen werden hier nicht ungeprüft vorgegeben.

Verbindliche Ausgangsquellen: KMK-Rahmenlehrplan, Lernfeld 3 · BIBB: Berufsprofil Elektroniker/-in für Automatisierungstechnik · Industrielle Elektroberufe-Ausbildungsverordnung, geltende Fassung · IHK: Hinweise zur gestreckten Abschlussprüfung. Prüfe für deinen Ausbildungsbeginn die jeweils gültige Regelung und die zuständige IHK.

Lernziele: Am Ende kannst du Signalquellen und Signalwege identifizieren, Steuerung und Regelung unterscheiden, Bedingungen mit UND, ODER und NICHT modellieren, Speicher- und Rücksetzverhalten untersuchen, eine Änderung in der Simulation prüfen, Messdaten mathematisch auswerten und ein fachlich reproduzierbares Protokoll erstellen.

Sicherheit und Datenschutz: Alle Arbeitsaufträge verwenden ausschließlich fiktive oder synthetische Daten und, soweit von Programmen die Rede ist, offline simulierte Zustände. Dieser Kurs ist keine Anleitung zur realen Verdrahtung, Änderung oder Freigabe einer elektrischen Anlage oder Maschine. Elektrische Arbeiten, Gefahrstoff- und Maschinenarbeiten, sicherheitsbezogene Änderungen sowie Messungen an realen Anlagen dürfen ausschließlich entsprechend Gefährdungsbeurteilung, Regelwerk und unter Verantwortung qualifizierter Personen durchgeführt werden. Eine gewöhnliche SPS-Freigabe ersetzt niemals eine geeignete Sicherheitsfunktion.

Aufbau von Steuerungen und Analyse der Wirkungskette

Steuerung, Regelung und technische Zielbeschreibung

Eine Steuerung beeinflusst einen Ablauf nach festgelegten Eingangsbedingungen, ohne dass die gerade beeinflusste Ausgangsgröße fortlaufend zur selben Steuerfunktion als Soll-Ist-Abweichung zurückgeführt wird. Bei einer Regelung wird eine Regelgröße erfasst, mit einem Sollwert verglichen und anhand der Abweichung beeinflusst. Beispiel Steuerung: Eine Lampe wird auf Tastendruck für eine festgelegte Zeit eingeschaltet. Beispiel Regelung: Ein Temperaturregler misst die aktuelle Raumtemperatur, vergleicht sie mit einem Sollwert und verändert daraufhin die Heizleistung. Auch Steuerungen können Sensoren enthalten; ein Sensor allein macht aus einer Steuerung keine Regelung.

Beginne jede Analyse mit einer Funktionsbeschreibung: Was soll die Anlage tun? Welche Ereignisse lösen eine Änderung aus? Welche Zustände dürfen nicht eintreten? Welche Voraussetzungen gelten beim Start und nach einer Störung? Formuliere Bedingungen so eindeutig, dass zwei Personen beim selben Eingangssatz dasselbe erwartete Ergebnis ermitteln.

Fachvideo „Steuerung vs. Regelung“ von Studytiger – Physik & E-Technik, Originalvideo. Es wird als externes Video eingebettet; keine freie Videolizenz wird behauptet.

EVA-Prinzip und Blockschaltbild

Das EVA-Prinzip beschreibt Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe. Ein Taster oder Sensor liefert ein Eingangssignal. Eine logische Verknüpfung, ein Relais oder eine Speicherprogrammierbare Steuerung verarbeitet die Informationen. Ein Aktor oder eine Anzeige setzt das Ausgabesignal um. In einem Blockschaltbild stellst du diese Funktionen mit gerichteten Signalpfeilen dar, während ein Stromlaufplan die elektrischen Verbindungen beschreibt.

Station	Bestandteil eines virtuellen Fördermodells	Analysierte Frage
Eingabe	Startsignal S	Soll ein neuer Betriebswunsch ausgelöst werden?
Eingabe	Betriebsfreigabe F	Ist der normale Prozessbetrieb freigegeben?
Eingabe	Belegtsensor B	Ist die virtuelle Übergabestelle belegt?
Verarbeitung	Logikfunktion und Speicher M	Darf der Laufwunsch gesetzt bzw. erhalten bleiben?
Ausgabe	Simulierter Ausgang Q	Zeigt das Modell „Förderung an“ oder „aus“?

SPS-Blockschema, Wikimedia Commons, Datei „PLC Block Diagram.jpg“, Urheber ProVision, CC BY-SA 4.0. Das Bild dient der Anschauung; die Komponenten sind herstellerabhängig.

Eine I/O-Liste ergänzt das Blockschaltbild: Für jedes Signal nennt sie Namen, Herkunft bzw. Ziel, physikalische oder logische Bedeutung und gegebenenfalls die Zuordnung zum Ein- oder Ausgang. Ohne diese Definition können korrekt aufgebaute logische Verknüpfungen fachlich trotzdem falsch sein.

Sensoren, Aktoren und Schaltkontakte

Sensoren nehmen einen Zustand wahr, beispielsweise eine Position, einen Abstand oder einen Druck. Aktoren bewirken eine Zustandsänderung, beispielsweise eine Bewegung oder eine Anzeige. Ein Schließerkontakt (NO) ist in Ruhelage offen und schließt beim Betätigen; ein Öffnerkontakt (NC) ist in Ruhelage geschlossen und öffnet beim Betätigen. Diese physikalischen Beschreibungen dürfen nicht mit einer vereinbarten logischen Bedeutung verwechselt werden. Ein unbetätigter Öffner kann am Eingang gerade eine logische Eins liefern.

Logisches Signal	Bedeutung bei 0	Bedeutung bei 1
S – Start	Keine Startanforderung	Start angefordert
F – Prozessfreigabe	Prozess nicht freigegeben	Prozess freigegeben
B – Belegung	Station frei	Station belegt
Q – Modell-Ausgang	Modell-Ausgabe aus	Modell-Ausgabe an

Beispiel für SPS-Anschlüsse und Adressbezug: Wikimedia Commons, Urheber Mithilrkadam, CC BY-SA 4.0. Keine Anleitung zur Verdrahtung eines realen Geräts.

Typischer Diagnosefehler: Aus der Bezeichnung „Öffner“ wird vorschnell der Wert Null abgeleitet. Korrekt ist, zuerst Kontaktzustand, Verdrahtungslogik und vereinbarte Softwarebedeutung getrennt zu prüfen. Eine SPS-Standardlogik darf nicht mit einer Sicherheitssteuerung gleichgesetzt werden.

Logische Grundfunktionen und Schaltungsanalyse

UND, ODER und NICHT als boolesche Bedingungen

Mit boolescher Logik lassen sich Bedingungen mathematisch eindeutig formulieren. Bei A UND B gilt: Nur wenn beide Werte Eins sind, ist das Ergebnis Eins. Bei A ODER B genügt mindestens ein Einswert; das ODER ist hier inklusiv. NICHT A kehrt die Aussage um. Die Fachzeichen sind ∧ für UND, ∨ für ODER und ¬ für NICHT.

A	B	A ∧ B	A ∨ B	¬A
0	0	0	0	1
0	1	0	1	1
1	0	0	1	0
1	1	1	1	0

Rechenweg: Setze A = 1 und B = 0. UND fordert beide Einswerte, daher 0. ODER fordert mindestens einen, daher 1. NICHT A = 0. Bei größeren Ausdrücken wertest du zuerst die Klammern und Negationen aus und dokumentierst jeden Zwischenschritt. Ein fehlender Klammerausdruck kann die gesamte Steuerungsfunktion verändern.

UND-Verknüpfung in Kontaktplan-Logik: Wikimedia Commons, Mithilrkadam, CC BY-SA 4.0.

ODER-Verknüpfung in Kontaktplan-Logik: Wikimedia Commons, Mithilrkadam, CC BY-SA 4.0.

Von der Funktionsbeschreibung zum logischen Ausdruck

Der Auftrag für eine rein virtuelle Förderstation lautet: Ein bereits vorhandener Laufwunsch oder ein neuer Startimpuls darf die Anlage nur aktivieren, wenn eine Prozessfreigabe vorliegt und die Übergabestelle frei ist. Bezeichne den zuvor gespeicherten Laufwunsch mit M_alt. Daraus folgt die neue Speicherfunktion M_neu = F ∧ ¬B ∧ (S ∨ M_alt). Die drei Bestandteile sind: F als Freigabe, ¬B als freie Station und (S ∨ M_alt) als neuer oder gespeicherter Wunsch.

Für die Zwischenprüfung kannst du R = F ∧ ¬B sowie T = S ∨ M_alt setzen. Es gilt M_neu = R ∧ T. Eine vereinfachte Wahrheitstabelle macht die Logik sichtbar:

R	T	M_neu	Bedeutung
0	0	0	Weder Bereitschaft noch Laufwunsch
0	1	0	Laufwunsch vorhanden, aber nicht freigegeben
1	0	0	Freigegeben, aber kein Laufwunsch
1	1	1	Beide notwendigen Teilbedingungen erfüllt

Konkretes Gegenbeispiel: Für F = 1, B = 1, S = 1, M_alt = 0 ist das Ergebnis 1 ∧ 0 ∧ 1 = 0. Die Formulierung F ∧ (S ∨ M_alt) wäre dagegen 1 und missachtete den Sensor. Fehler entstehen besonders häufig, wenn Eingänge verwechselt, eine Negation ausgelassen oder UND und ODER vertauscht werden.

Kontaktplanelemente als Vergleichsgrafik: Wikimedia Commons, Mithilrkadam, CC BY-SA 4.0.

Prüffälle und vollständige Wahrheitstabellen

Für n unabhängige binäre Eingänge enthält die vollständige Wahrheitstabelle 2 hoch n Eingangsbelegungen. Bei zwei Eingängen sind das 2² = 4 Zeilen, bei drei Eingängen 2³ = 8 und bei vier Eingängen 2⁴ = 16. Dies ist ein Zählverfahren, keine Garantie, dass allein die vollständige Tabelle bereits reale Fehlerszenarien oder Zeitverhalten abdeckt. Ein Zustandsmodell mit Speicher benötigt zusätzlich einen definierten Anfangszustand und eine Reihenfolge von Ereignissen.

Erstelle Testfälle gezielt für das Einschalten, Halten, Stoppen bei Belegung, Rücksetzen der Freigabe und den erneuten Start. Notiere vor der Auswertung, was du erwartest, statt eine plausible Erklärung erst nach dem beobachteten Ergebnis zu erfinden.

Verbindungsprogrammierte und speicherprogrammierbare Steuerungen

Relaislogik und SPS systematisch vergleichen

Bei einer verbindungsprogrammierten Steuerung (VPS) wird die gewünschte Logik vorrangig durch die physische Verschaltung von Schaltgeräten realisiert. Bei einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) ist die Steuerungslogik in einem Programm gespeichert. Beide Konzepte verlangen eine vollständige Funktionsbeschreibung und geeignete Dokumentation. Die Wahl hängt von Umfang, Änderungsbedarf, Diagnosemöglichkeiten, Wartungsaufwand, Beschaffung und sicherheitsbezogenen Anforderungen ab.

Kriterium	Verbindungsprogrammiert	Speicherprogrammiert
Funktionsänderung	Häufig Änderung der Verdrahtung	Häufig Änderung von Programm oder Parametern
Diagnose	Kontakte und Schaltplan untersuchen	I/O-Status, Logik und Diagnoseinformationen untersuchen
Dokumentation	Aktueller Stromlaufplan	Versioniertes Projekt, Programm, I/O-Liste
Störungsursache	Beispielsweise Kontakt- oder Verdrahtungsfehler	Beispielsweise Zuordnungs- oder Softwarefehler
Sicherheitsnachweis	Nicht durch Technikbezeichnung allein gegeben	Nicht durch Technikbezeichnung allein gegeben

Darstellung eines Relais-Schaltkonzepts: Wikimedia Commons, David Lippincott / Chassis Plans, CC BY-SA 3.0.

Ladder-Diagramm als Beispiel für Kontaktplanlogik: Wikimedia Commons, Mithilrkadam, CC BY-SA 4.0.

Kontaktplan, Funktionsplan und Speicherbaustein

Der Kontaktplan (KOP, englisch Ladder Diagram) stellt logische Bedingungen kontaktorientiert dar. Der Funktionsplan (FUP) nutzt Funktionsblöcke wie UND und ODER. Beide sind grafische Darstellungsformen einer Steuerungslogik. Ein Merker kann einen Zustand über die Auswertung eines einzelnen kurzen Startimpulses hinaus halten. Bei einer Selbsthaltung wirkt ein bereits vorhandener Laufwunsch an der erneuten Setzbedingung mit.

Die Gleichung M_neu = F ∧ (S ∨ M_alt) speichert eine Laufanforderung solange F anliegt. Die verfeinerte Funktion M_neu = F ∧ ¬B ∧ (S ∨ M_alt) löscht diesen Laufwunsch bei einer Belegung B = 1. Wird B danach wieder 0 und liegt kein neuer Startimpuls vor, bleibt M_neu = 0: Das ist das gewünschte Verhalten im Modell. Eine Set/Reset-Funktion kann je nach Baustein setz- oder rücksetzdominant sein; die verwendete Priorität muss explizit dokumentiert und anhand der Softwarebeschreibung überprüft werden.

Video „Der Kontaktplan“ von Schülerunterlagen: Originalvideo. Externes Lehrvideo mit Rechten beim Anbieter; keine offene Lizenz behauptet.

SPS-Zyklus und Grenzen der Interpretation

Viele SPS-Systeme erfassen Eingänge, verarbeiten einen Programmzyklus und aktualisieren die Ausgänge. Der tatsächliche Zeitpunkt kann von Hardware, Prozessabbild, Programm und Konfiguration abhängen. In einem vereinfachten Lernmodell wird der Zustand vor der Auswertung M_alt und danach M_neu genannt. Verwechsle diese Modellnotation nicht mit einer garantierten Reaktionszeit realer Anlagen. Auch eine in der Simulation bestandene Prozessfreigabe beweist nicht den korrekten Aufbau einer Sicherheitsfunktion.

Änderungsauftrag, Fehlerdiagnose und technische Fachrechnung

Systematisches Vorgehen von Ist zu Soll

Die Analyse startet mit dem dokumentierten Ist-Zustand: Funktionen, I/O-Liste, Blockbild, aktuelle Programmversion, bekannte Abweichungen und Betriebsbedingungen. Danach übersetzt du den Kundenwunsch in eindeutige Soll-Anforderungen. Entwickle zuerst eine logische Änderung, bevor du simulierst. Vergleiche Ergebnisse mit zuvor festgelegten Sollwerten und dokumentiere Abweichungen nachvollziehbar.

Arbeitsschritt	Musterprodukt	Fachliches Kriterium
Anforderung aufnehmen	Funktionsbeschreibung	Eindeutig und überprüfbar
Signale analysieren	I/O-Liste	Namen, Bedeutungen und Werte geklärt
Logik entwerfen	Formel oder FUP-Skizze	Alle Bedingungen mit richtiger Priorität
Simulation vorbereiten	Testfallmatrix	Anfangszustände und Sollausgänge definiert
Testen und beurteilen	Soll-Ist-Protokoll	Ergebnisse wiederholbar
Änderung dokumentieren	Versions- und Fehlerprotokoll	Änderungen und Grenzen transparent

Wichtig: Ein interner Prozessstopp, ein normaler Betriebssensor und ein SPS-Standardprogramm sind keine Ersatzmittel für Sicherheitsfunktionen wie einen geeigneten Not-Halt oder eine sicherheitsgerichtete Schutzeinrichtung. Bei realen Anlagen sind eine gesonderte Risikobeurteilung und Prüfungen durch qualifizierte Personen erforderlich.

Fehlerhypothesen statt beliebigem Ausprobieren

| class="wikitable" Die Fehlersuche folgt dem Prinzip Beobachtung – Hypothese – gezielte Prüfung – Befund. Wenn der simulierte Ausgang trotz Startanforderung aus bleibt, könnten F = 0, B = 1 oder eine fehlerhafte Verknüpfung ursächlich sein. Prüfe die Werte nacheinander und ändere nicht mehrere Merkmale gleichzeitig. Sonst lässt sich die Ursache eines veränderten Ergebnisses nicht eindeutig bestimmen.

Symptom in der Simulation	Hypothese	Prüfschritt
Ausgang startet trotz freier Station nicht	F ist 0	Freigabewert einzeln in der Eingabetabelle prüfen
Ausgang fällt beim Loslassen von S ab	M_alt fehlt im ODER-Zweig	Zwei aufeinanderfolgende Schritte mit S = 1 und S = 0 testen
Ausgang bleibt bei B = 1 an	¬B fehlt	Logikformel und Testfall für Belegung vergleichen
Ausgang startet nach Aufhebung der Belegung von selbst	Nur Q statt M wird gesperrt	Zustand M bei B = 1 explizit auswerten
Test ist nicht reproduzierbar	Initialwert M_alt nicht dokumentiert	Speicher zuerst auf 0 setzen und Reihenfolge wiederholen

Bei sicherheitsrelevanten Problemen endet die Lernsimulation an der Grenze der Gefährdungsbeurteilung. Die reale Fehlersuche gehört in verantwortliche fachliche Hände.

Fachrechnung mit Strom, Widerstand und Zeit

Zur Simulation einer rein ohmschen Last wählst du die synthetischen Werte U = 24 V und R = 1,2 kΩ. Zuerst rechnest du 1,2 kΩ in 1 200 Ω um. Danach gilt nach Ohmschem Gesetz I = U / R = 24 V / 1 200 Ω = 0,02 A = 20 mA. Für die Leistung folgt P = U × I = 24 V × 0,02 A = 0,48 W. Diese Größen beweisen weder die sichere Auswahl eines Sensors noch die zulässige Belastbarkeit eines SPS-Ausgangs. Dafür wären Datenblattwerte und fachliche Auslegung notwendig.

Zur zeitlichen Auswertung erhältst du zehn künstliche Messpunkte mit dem Abstand Δt = 50 ms. Vom ersten bis zum zehnten Messzeitpunkt gibt es neun Zwischenräume. Die Spanne beträgt 9 × 50 ms = 450 ms. Zehn vollständige Intervalle von je 50 ms dauern dagegen 500 ms. Nenne in einem Protokoll daher ausdrücklich, ob „Messpunkte“ oder „Intervalle“ gemeint sind.

Typische Rechenfehler: Milliamperes nicht in Ampere umwandeln, Kiloohm als Ohm einsetzen oder bei zehn Zeitpunkten fälschlich zehn Zwischenräume zählen. Rechne jeden Wert mit Einheit, überprüfe die Plausibilität und halte die Ausgangsannahmen fest.

Vollständiger Modellfall: Virtuelle Förderstation

Berufstypischer Auftrag und Signaldefinition

Eine fiktive Montagelinie soll in einer Offline-Simulation analysiert und um eine klare Rücksetzfunktion erweitert werden. Das virtuelle Förderband hat einen Starttaster S, eine allgemeine Prozessfreigabe F und einen Belegtsensor B. Nach einem kurzen Startimpuls soll der Laufwunsch gespeichert werden. Wenn B = 1 wird, soll der Ausgang sofort im abstrakten Logikmodell aus sein und der gespeicherte Laufwunsch gelöscht werden. Nach dem Freiwerden der Station soll kein automatischer neuer Start erfolgen. Erst ein erneuter Startimpuls darf die virtuelle Förderung wieder aktivieren. Die Aufgabe betrifft ausdrücklich keine sicherheitsgerichtete Funktion.

Symbol	Bedeutung	Werte
S	Simulierte Startanforderung	0 = nicht angefordert; 1 = angefordert
F	Simulierte Prozessfreigabe	0 = nicht freigegeben; 1 = freigegeben
B	Simulierte Belegung	0 = frei; 1 = belegt
M_alt	Laufwunsch vor Auswertung	0 oder 1
M_neu	Laufwunsch nach Auswertung	0 oder 1
Q	Simulierte Förderanzeige	0 = aus; 1 = an

Anfangsbedingung: M_alt = 0. Alle übrigen Werte werden je Prüfzeile vorgegeben. Beim Übergang zwischen zwei Schritten wird M_neu des vorherigen Schritts zum M_alt des folgenden Schritts.

Analyse und vollständige Modelllösung

Schritt 1 – Logische Forderung: Damit ein bereits gespeicherter Wunsch weiterlaufen darf, muss S ODER M_alt wahr sein. Damit der Laufwunsch nur unter zulässigen Prozessbedingungen gilt, müssen F UND NICHT B ebenfalls wahr sein. Deshalb lautet die Zustandsfunktion:

M_neu = F ∧ ¬B ∧ (S ∨ M_alt).

Schritt 2 – Ausgabe: Das virtuelle Signal Q erhält den Wert M_neu. Die Gleichung Q = M_neu ist eine didaktische Abstraktion, keine reale Ausgangsverdrahtung und keine zeitlich garantierte sicherheitsbezogene Abschaltfunktion.

Schritt 3 – Negativbeispiel: Angenommen, die falsche Logik würde nur Q = M_alt ∧ ¬B berechnen, ohne M bei Belegung zu löschen. Dann könnte nach Rückkehr von B = 1 auf B = 0 ein alter Laufwunsch weiterhin anliegen und Q erneut einschalten. Deshalb muss die Belegtmeldung im Modell die Speicherfunktion selbst zurücksetzen.

Schritt 4 – Reproduzierbare Testfolge:

Test	S	F	B	M_alt	M_neu	Q	Begründetes Sollergebnis
Anfangsruhe	0	1	0	0	0	0	Kein Laufwunsch
Startimpuls	1	1	0	0	1	1	Start wird übernommen
Halten	0	1	0	1	1	1	Speicher erhält Laufwunsch
Belegtmeldung	0	1	1	1	0	0	Belegung setzt M zurück
Wieder frei	0	1	0	0	0	0	Ohne neuen Start bleibt aus
Erneuter Start	1	1	0	0	1	1	Erst neuer Impuls startet
Freigabeentzug	0	0	0	1	0	0	Freigabe setzt Speicher zurück

Schritt 5 – Soll-Ist-Auswertung: In der abstrahierten Berechnung stimmen die sieben berechneten Q-Werte mit den sieben zuvor definierten Sollwerten überein. Ergebnis: 7 von 7 Modellprüffällen bestanden. Das ist kein Nachweis einer Anlage unter realen Bedingungen, kein Test physikalischer Abschaltzeiten und insbesondere keine Maschinenfreigabe.

Schritt 6 – Dokumentation: Musterprotokoll „SIM-LF3-01“, Stand „1.0“, Bearbeitungsdatum im Unterricht, Fachfunktion „virtuelle Förderfreigabe“, Anfangszustand M_alt = 0, Prüflogik als Formel, sieben Testzeilen, Ergebnis „Modellfunktion erfüllt“. Als offene Punkte werden Datenblattprüfung, Sicherheitskonzept, reale Schnittstellen und eventuelle fachlich verantwortete Prüfungen angeführt. Es findet in dieser Lernaufgabe ausdrücklich keine praktische Umsetzung statt.

Fachliches Bewertungsraster und Transfer

Bewerte das erstellte Modellprodukt mit folgenden Kriterien:

Kriterium	Maximalpunkte	Voll erfüllt, wenn
Auftrags- und Signalanalyse	4	S, F, B, M_alt, M_neu und Q fachlich eindeutig definiert
Formel und Priorität	5	Speicherformel, Negation und Rücksetzen logisch richtig erklärt
Simulationsnachweis	5	Sieben Testfälle mit Anfangszustand, Eingängen, Soll- und Istwert
Fehlerdiagnose	3	Risiko falscher Selbsthaltung am Gegenbeispiel nachgewiesen
Dokumentationsqualität	3	Version, Prüffallfolge, Ergebnis und Grenzen der virtuellen Prüfung nachvollziehbar
Gesamt	20	20 Punkte bilden das vollständige Kompetenzraster

Transferfall: Ergänze die rein virtuelle Störmeldung Z = B ∧ M_alt, die unmittelbar vor der Speicheraktualisierung ausgewertet wird. Beim Eintritt der Belegung kann sie 1 sein, während nach dem Rücksetzen von M_neu die Berechnung Z = B ∧ M_neu den Wert 0 ergäbe. Beschreibe deshalb in der Dokumentation immer den Bezugszeitpunkt von Zustandsgrößen. Unklare Zeitbezüge verursachen widersprüchliche Diagnosen.

Zusätzlicher Musterbefund: Wenn der Test „Wieder frei“ fälschlich Q = 1 liefert, dann ist der Speicher vermutlich beim vorherigen Belegtschritt nicht gelöscht worden. Der entscheidende Nachweis ist die Prüfung von M_neu im Test „Belegtmeldung“. Erst nach korrigierter Modellfunktion wird die gesamte siebenstufige Folge erneut durchlaufen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Prüfe dein Wissen

Welches Merkmal unterscheidet eine Regelung von einer reinen Steuerung? (Die Regelgröße wird gemessen und zum Soll-Ist-Vergleich zurückgeführt) (!Jedes Eingangssignal ist mit einem Sensor verbunden) (!Eine Anlage besitzt mindestens einen elektrischen Ausgang) (!Die Verarbeitung erfolgt ausschließlich durch eine SPS)

Rückmeldung: Entscheidend ist die Rückführung der Regelgröße in den Vergleich mit dem Sollwert. Ein Sensor oder eine SPS allein genügt nicht.

Welche Aufgabe erfüllt ein Sensor innerhalb des EVA-Prinzips? (Er erfasst einen Prozesszustand und liefert eine Eingangsgröße) (!Er ersetzt eine vorgeschriebene Sicherheitsfunktion) (!Er speichert die gesamte Programmversion dauerhaft) (!Er bewirkt stets unmittelbar eine mechanische Bewegung)

Rückmeldung: Sensoren erfassen Zustände. Aktoren setzen Ausgabesignale in Wirkungen um; die Verarbeitung liegt dazwischen.

Wann ergibt die boolesche UND-Verknüpfung von A und B den Wert eins? (Nur wenn A und B beide eins sind) (!Sobald mindestens eine der beiden Größen eins ist) (!Immer wenn beide Eingänge verschieden sind) (!Immer wenn A den Wert null besitzt)

Rückmeldung: Für UND müssen alle Teilbedingungen gleichzeitig erfüllt sein.

Welches Ergebnis hat A ODER B bei A gleich null und B gleich eins? (Eins) (!Null) (!Zwei) (!Ohne physisches Relais ist kein Ergebnis definierbar)

Rückmeldung: Das inklusive ODER ergibt eins, sobald mindestens ein Eingang eins ist.

Was bewirkt die Negation eines digitalen Belegtsignals B? (Sie tauscht die logischen Werte null und eins aus) (!Sie verdoppelt die Spannung des Sensors) (!Sie speichert das Signal automatisch für den nächsten Zyklus) (!Sie macht eine gewöhnliche SPS sicherheitsgerichtet)

Rückmeldung: NICHT kehrt den logisch interpretierten Wert um, nicht die elektrischen Eigenschaften einer Komponente.

Was kennzeichnet eine verbindungsprogrammierte Steuerung? (Die Logik beruht im Wesentlichen auf physisch verschalteten Komponenten) (!Die Logik ist ausschließlich als Softwarecode gespeichert) (!Jede Anpassung geschieht zwingend ohne Umverdrahtung) (!Die Diagnose kann nur über einen Webbrowser erfolgen)

Rückmeldung: Bei einer VPS entsteht die Funktion aus Schaltgeräten und Verbindungen. Bei einer SPS ist die Logik programmgespeichert.

Welche Bedingung sorgt im virtuellen Fördermodell dafür, dass eine Belegung den Laufwunsch löscht? (Die Verknüpfung der Haltebedingung mit NICHT B durch UND) (!Die ausschließliche Verknüpfung von Startsignal und Merker durch ODER) (!Die Verknüpfung der Freigabe mit dem Startsignal durch ODER) (!Die alleinige Ausgabe des zuvor gespeicherten Laufwunsches)

Rückmeldung: ¬B muss in der Speicherfunktion wirken, damit eine Belegung den alten Laufwunsch rücksetzt.

Wie groß ist bei 24 Volt und 1200 Ohm der Strom einer rein ohmschen Modelllast? (20 Milliampere) (!2 Milliampere) (!200 Milliampere) (!50 Milliampere)

Rückmeldung: Nach I = U geteilt durch R folgt 24 geteilt durch 1200 Ampere gleich 0,02 Ampere.

Welche Dokumentation ermöglicht eine reproduzierbare Zustandsprüfung? (Die Eingangswerte und der Anfangszustand des Speichers) (!Nur der Name der Programmiersoftware) (!Nur ein Bild des zuletzt leuchtenden Ausgangs) (!Eine mündliche Aussage ohne Prüfdaten)

Rückmeldung: Zustandsabhängige Ausgänge kannst du nur bei bekanntem Anfangszustand und bekannten Eingängen nachvollziehen.

Welche Aussage folgt aus sieben bestandenen Simulationsprüfungen? (Die sieben definierten Modellprüfungen sind bestanden) (!Damit ist eine reale Maschine vollständig freigegeben) (!Damit wurden alle elektrischen Gefahren ausgeschlossen) (!Damit gilt ein realer Not-Halt als normgerecht geprüft)

Rückmeldung: Modelltests liefern Informationen über das definierte Modell, nicht über die reale Maschine oder die Sicherheitseinrichtungen.

Memory-Spiel

Finde die fachlich zusammengehörenden Begriffspaare. Jeder Begriff wird genau einmal verwendet.

Sensor	Bauteil zur Erfassung eines Zustands
Aktor	Bauteil zur physikalischen Umsetzung eines Steuersignals
Merker	Speicher für einen logischen Zwischenzustand
Kontaktplan	Grafische Darstellung mit Kontakten und Spulen
Wahrheitstabelle	Vollständige Zuordnung von Eingangs- und Ausgangskombinationen
Freigabe	Betriebliche Voraussetzung für eine erlaubte Prozessfunktion
Fehlersuche	Systematische Prüfung von Ursachenhypothesen

Drag-and-drop: Fachbegriffe den Tätigkeiten zuordnen

Ziehe die passenden Begriffe zu den jeweiligen Beschreibungen.

Gesuchter Begriff	Passende Beschreibung
Signalanalyse	Eingangsbits und ihre Bedeutungen bestimmen
Logikentwurf	Eine Funktionsbeschreibung in Bedingungen übertragen
Simulation	Prüffälle ohne reale Maschine ausführen
Fehlerdiagnose	Eine Vermutung mit einem gezielten Test überprüfen
Dokumentation	Version und Prüfergebnisse dauerhaft nachvollziehbar festhalten

Kreuzworträtsel

Sensor	Welches Bauteil erfasst einen Prozesszustand?
Aktor	Welches Bauteil bewirkt die physikalische Umsetzung?
Merker	Wie heißt eine Speicherstelle für einen logischen Zustand?
Freigabe	Wie heißt eine betriebliche Voraussetzung für einen erlaubten Prozess?
Schließer	Welcher Kontakt ist in Ruhelage offen und schließt beim Betätigen?
Ausgang	Wie heißt die zur Ausgabe führende Schnittstelle einer Steuerung?

LearningApps

Finde zusätzliche Lernübungen zum Thema; prüfe externe Angebote auf fachliche Eignung, Werbung und Datenschutz.

Lückentext

Ergänze pro Satz den jeweils einen passenden Fachbegriff.

Im EVA-Prinzip bedeutet der erste Buchstabe

.

Ein Prozesszustand wird durch einen

erfasst.

Ein Steuersignal wird durch einen

in eine Wirkung umgesetzt.

Bei UND müssen alle Teilbedingungen

sein.

Die logische Umkehrung eines Bits heißt

.

Ein alter Laufwunsch kann in einem

hinterlegt sein.

Der Soll-Ist-Vergleich kennzeichnet eine

.

Alle binären Eingangskombinationen zeigt eine

.

Zur Reproduzierbarkeit eines Tests gehört der

.

Ein Simulationsnachweis ersetzt keine reale sicherheitstechnische

.

Offene Aufgaben

Fertige zwölf selbstständige Lernprodukte an. Alle Beispiele sind synthetisch, Zeichnungen und Versuche ausschließlich theoretisch bzw. simuliert; keine echte Anlage wird verändert, geprüft oder freigegeben. Orientiere dich an den zugehörigen fachlichen Lösungshinweisen.

Leicht

EVA-Prinzip: Erstelle ein beschriftetes Blockschaltbild für die virtuelle Förderstation und kennzeichne drei Eingänge, die Verarbeitung und den Ausgang Q.
Sensor: Ordne fünf erfundene Anlagensignale den Kategorien Sensor, Bedienelement oder Aktor zu; erkläre bei zwei Signalen die Bedeutung von logisch null und eins.
Wahrheitstabelle: Berechne für A und B alle vier möglichen Zustände von UND, ODER und NICHT A und begründe die Ergebnisse.
Steuerungstechnik: Vergleiche Steuerung und Regelung schriftlich mit jeweils einem selbst entwickelten Alltagsbeispiel und mindestens zwei eindeutigen Merkmalen.

Standard

Funktionsbeschreibung: Entwickle für eine virtuelle Anzeige mit den Eingangswerten F und S eine eindeutige Sollfunktion, eine Formel sowie vier Prüfzeilen.
Speicherprogrammierbare Steuerung: Erstelle eine Entscheidungsmatrix zu VPS und SPS mit Kriterien Änderungsbedarf, Wartung, Diagnose und Dokumentation und begründe deine Wahl für einen fiktiven Auftrag.
Fehlerdiagnose: Analysiere die falsche virtuelle Logik M_neu = F UND Klammer auf S ODER M_alt Klammer zu; finde einen Prüffall mit B = 1 und formuliere die notwendige Änderung.
Ohmsches Gesetz: Berechne an den reinen Modelldaten U = 24 Volt und R = 1,2 Kiloohm den Strom in Ampere und Milliampere sowie die Leistung; kennzeichne alle Einheiten.

Schwer

Selbsthaltung: Leite für den Modellfall die vollständige Merkerformel her und erstelle mindestens sieben aufeinanderfolgende Simulationsschritte mit eindeutigem Anfangszustand.
Fehlersuche: Entwickle einen Entscheidungsbaum zu drei simulierten Störungsbildern mit alternativen Hypothesen, jeweils einem isolierten Prüfschritt und einer Ergebnisinterpretation.
Technische Dokumentation: Gestalte ein versioniertes Änderungs- und Simulationsprotokoll mit I/O-Liste, Blockbild, Formel, Soll-Ist-Tabelle, Risikoabgrenzung und Abschlussbefund.
Automatisierungstechnik: Erweitere das Modell um eine Störanzeige Z und untersuche, wie sich die Auswertung mit M_alt von einer Auswertung mit M_neu unterscheidet; dokumentiere zwei Zeitabläufe.

Lösungshinweise und Musterarbeitsprodukte

Aufgabe	Fachlich überprüfbares Musterergebnis
Leicht 1	Blockskizze mit S, F und B als Eingaben, Logik plus Merker als Verarbeitung und Q als Ausgabe
Leicht 2	Sensor erfasst, Bedienelement formuliert Bedienwunsch, Aktor setzt Ausgabesignal um; jede Bitbedeutung benannt
Leicht 3	Bei Reihenfolge 00, 01, 10, 11 gilt für UND: 0/0/0/1; ODER: 0/1/1/1; NICHT A: 1/1/0/0
Leicht 4	Rückführung der betreffenden Regelgröße und Soll-Ist-Vergleich als Unterscheidungsmerkmale erklärt
Standard 1	Beispiel Q = F ∧ S; Q ist nur bei F = 1 und S = 1 aktiv, vier Kombinationen systematisch geprüft
Standard 2	Auswahl nachvollziehbar gewichtet; keine pauschale Behauptung, SPS sei immer sicherer oder günstiger
Standard 3	Gegenbeispiel F = 1, S = 1, B = 1; ¬B fehlt als notwendige UND-Bedingung zum Rücksetzen von M
Standard 4	R = 1200 Ohm; I = 0,020 A = 20 mA; P = 0,48 W; reine Modellrechnung
Schwer 1	M_neu = F ∧ ¬B ∧ (S ∨ M_alt) und Q = M_neu; Start, Halten, Belegung und erneuter Start nachvollzogen
Schwer 2	Pro Störung klarer Befund mit Beobachtung, prüfbarer Hypothese und gezielt veränderter Größe
Schwer 3	Identifizierbare Version, Eingangsdefinitionen, definierter Speicherstart, Tests, Risiken und keine reale Freigabe
Schwer 4	Zeitbezug für Z = B ∧ M_alt bzw. Z = B ∧ M_neu angegeben und Unterschied erklärt

Lernkontrolle

Diese sechs Aufgaben gehen über reine Wiedergabe hinaus. Begründe deinen Rechen- oder Entscheidungsweg.

Signalverarbeitung: Berechne M_neu und Q bei F = 1, B = 0, S = 0 und M_alt = 1 und erkläre den Halteeffekt.
Start-Stopp-Schaltung: Berechne M_neu bei F = 1, B = 1, S = 1 und M_alt = 1 und erläutere, weshalb sich die Rücksetzung durchsetzt.
Fehleranalyse: Ein virtueller Ausgang bleibt trotz B = 1 eingeschaltet. Formuliere zwei unterschiedliche Fehlerhypothesen und entwickle für jede eine gezielte Simulation.
Wirtschaftlichkeit: Vergleiche eine VPS und eine SPS für einen frei erfundenen Auftrag mit häufigen Änderungen. Gib mindestens drei Entscheidungskriterien und mögliche Nachteile an.
Datenauswertung: Berechne die Spanne zwischen zehn Messpunkten mit je 50 Millisekunden Abstand und vergleiche sie mit der Dauer von zehn vollständigen 50-Millisekunden-Intervallen.
Sicherheitstechnik: Erkläre, weshalb bestandene Prozess-Simulationen weder die elektrische Sicherheit noch eine sicherheitsgerichtete Not-Halt-Funktion nachweisen.

Kontrolllösungen: Aufgabe 1: M_neu = Q = 1 wegen M_alt. Aufgabe 2: M_neu = 0, da B = 1 und folglich ¬B = 0. Aufgabe 3: Beispielsweise fehlende Negation im Programm oder falsch verstandene Eingangsbedeutung; Hypothesen getrennt testen. Aufgabe 4: Änderungsaufwand, Kosten, Diagnose, Dokumentation und Wartung abwägen. Aufgabe 5: Neun Zwischenräume ergeben 450 ms, zehn Intervalle 500 ms. Aufgabe 6: Reale elektrische und sicherheitsgerichtete Funktionen erfordern separate Risikobeurteilung, geeignete Komponenten sowie qualifizierte Prüfung.

Lernnachweis

Erstelle ein zusammenhängendes LF3-Dossier mit den folgenden überprüfbaren Lernprodukten: einer knappen Auftragsanalyse, einem EVA-Blockbild, einer vollständigen Signaldefinition von S, F, B, M_alt, M_neu und Q, einer Wahrheitstabelle, der hergeleiteten booleschen Speicherfunktion, einem ausgefüllten Prüftest mit sieben Ereignissen, mindestens zwei dokumentierten Fehlerhypothesen, dem versionierten Simulationsprotokoll und einer kurzen Reflexion zu den Grenzen des Modells.

Nutze für die Bewertung das 20-Punkte-Raster des Modellfalls. Begründe jede Abweichung vom Sollzustand durch eine Formel oder einen reproduzierbaren Test. Als Transferleistung zeigst du, wie der Merker im Fall von B = 1 zurückgesetzt wird und weshalb ein neuer Startimpuls erforderlich bleibt. Der Lernnachweis belegt theoretische und simulative Kompetenzen, jedoch keine reale technische Befähigung oder Freigabe.

Selbstkontrolle vor Abgabe: Sind alle Signalwerte definiert? Ist der Initialzustand dokumentiert? Wird die Speicherfunktion bei Belegung gelöscht? Ist ein Wiederanlaufversuch simuliert? Sind Rechnung und Einheiten richtig? Sind Quellen, Bildurheber und Lizenzen angegeben? Wurde die Trennung zwischen Modell und realer Maschine deutlich gemacht?

OER und Wikipedia

Amtliche und fachliche Quellen:

KMK – Rahmenlehrplan, Lernfeld 3. Inhaltliche Orientierung für diesen Vollkurs; die Nutzungsrechte am amtlichen Original verbleiben bei den zuständigen Stellen.
BIBB – Ausbildungsberuf Elektroniker/-in für Automatisierungstechnik. Berufsprofil, Berufsbezeichnung, Ausbildungsdauer und Ausbildungsgrundlagen.
Bundesrecht – industrielle Elektroberufe-Ausbildungsverordnung. Jeweils die geltende Fassung heranziehen.
IHK – Prüfungsinformationen. Die zuständige IHK informiert verbindlich für den konkreten Einzelfall.
Wikipedia – Steuerungstechnik und Wikipedia – Speicherprogrammierbare Steuerung. Ergänzende, verlinkte Nachschlageartikel; die jeweiligen Wikipedia-Lizenz- und Quellenangaben gelten.

Einbettung eines passenden deutschsprachigen Wikipedia-Überblicks:

Mediennachweise und Lizenzen: Sämtliche nachfolgend eingebundenen Dateinamen wurden anhand der verlinkten Wikimedia-Commons-Dateiseiten geprüft. Für jedes Bild gelten die angegebenen Urheber- und Lizenzinformationen; Nachnutzung kann die Nennung des Urhebers, die Lizenzverlinkung und die Weitergabe unter gleichen Bedingungen erfordern. Die Bilder sind erläuternd, kein elektrischer Montageplan.

Verwendete Datei	Originalquelle	Urheber	Lizenznachweis
File:PLC Block Diagram.jpg	Commons-Dateiseite	ProVision	CC BY-SA 4.0
File:Switch and LED PLC connection address.jpg	Commons-Dateiseite	Mithilrkadam	CC BY-SA 4.0
File:Ladder Logic AND gate PLC.jpg	Commons-Dateiseite	Mithilrkadam	CC BY-SA 4.0
File:Ladder Logic OR gate PLC.jpg	Commons-Dateiseite	Mithilrkadam	CC BY-SA 4.0
File:Ladder logic structure.jpg	Commons-Dateiseite	Mithilrkadam	CC BY-SA 4.0
File:Relay Rack Ladder Diagram.gif	Commons-Dateiseite	David Lippincott / Chassis Plans	CC BY-SA 3.0
File:Ladder logic diagram.jpg	Commons-Dateiseite	Mithilrkadam	CC BY-SA 4.0

Externe Fachvideos: „Steuerung vs. Regelung“ – Studytiger – Physik & E-Technik und „Der Kontaktplan“ – Schülerunterlagen. Die Videoeinbettungen sind Verweise auf die Anbieterinhalte. Es wird keine freie Lizenz behauptet; Urheber- und Nutzungsrechte verbleiben bei den Rechteinhabern. Es wird kein Sofatutor-Inhalt verwendet.

Didaktische Weiternutzung: Die eigens formulierten Aufgaben, Rechenbeispiele und synthetischen Prüfprotokolle können als offen nachnutzbares Lehrmaterial dienen, soweit die jeweiligen Autorisierungen vorliegen. Eingebundene Fremdmedien behalten ihre gesonderten Rechte. Der Begriff OER entbindet nicht von individuellen Lizenzprüfungen.

Verknüpfte Lernbereiche

Berufsportal: Ausbildung – Elektroniker für Automatisierungstechnik

Thematisch verknüpfte Kurse: Fachübungen 1: Elektrotechnische Systeme bietet fachliche Grundlagen. Fachübungen 2: Installationsplanung vertieft das Dokumentieren elektrischer Systeme. Fachübungen 7: Steuerungen programmieren ist ein anschließender Lernpfad. Die Wikiverweise sind Navigation; das Vorhandensein jeder einzelnen Seite ist kein gesondert behaupteter Prüfstatus.