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Fachübungen 3 – Steuerungen und Regelungen analysieren und realisieren - Elektroniker Maschinen und Antriebstechnik (HwO)

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Einleitung

Du lernst im 1. Ausbildungsjahr des Berufs Elektronikerin bzw. Elektroniker für Maschinen und Antriebstechnik nach der Handwerksordnung, wie sich elektrische Steuerungen und Regelungen analysieren, planen, in einer Simulation realisieren und systematisch prüfen lassen. Lernfeld 3 des gemeinsamen KMK-Rahmenlehrplans umfasst als Zeitrichtwert 80 Unterrichtsstunden. Die Ausbildung nach HwO ist ein 42-monatiger Monoberuf auf Grundlage der am 1. August 2021 in Kraft getretenen Ausbildungsordnung vom 30. März 2021. Im Handwerk heißt die gestreckte Prüfung Gesellenprüfung mit Teil 1 und Teil 2; konkrete Prüfungstermine bestimmt die zuständige Stelle. Dieser Kurs enthält ausschließlich selbst erstellte Übungsaufgaben, keine Originalprüfungsaufgaben.

Dein Lernziel: Du liest den Kundenauftrag, beschreibst die Signalkette, erstellst Wahrheitstabelle und Funktionsplan, vergleichst verdrahtete und speicherprogrammierte Lösungen, untersuchst einfache Regelkreise und belegst die Funktion mit einem dokumentierten Test. Alle Daten des Modellfalls sind synthetisch. Schaltungen, Inbetriebnahmen, Messungen an elektrischen Anlagen und Arbeiten an bewegten Maschinen dürfen praktisch nur von qualifiziertem Fachpersonal bzw. unter seiner unmittelbaren fachlichen Anleitung und mit geeigneten Sicherheitsmaßnahmen erfolgen. Eine Simulation ist keine Maschinenfreigabe.

Anlagen analysieren: EVA, Sensoren und Aktoren

Der Kundenauftrag als Ausgangspunkt

Eine Werkstatt möchte Werkstücke über ein kleines Transportband zu einer Prüfstation bewegen. Zunächst klärst du: Was löst den Start aus? Welche Bedingungen müssen erfüllt sein? Wann soll der Antrieb stoppen? Welche Störung wird angezeigt? Nach dem EVA-Prinzip zerlegst du eine Funktion in Eingabe (Taster, Näherungssensor), Verarbeitung (Relaislogik oder SPS) und Ausgabe (Meldeleuchte, Schütz als Stellglied). Der gerichtete Informationsfluss ist ein Blockschaltbild; eine Rückmeldung eines tatsächlichen Betriebswerts an einen Soll-Ist-Vergleich kennzeichnet dagegen eine Regelung.

Ebene	Bauteil im synthetischen Auftrag	Signal	Fragestellung
Eingabe	Starttaster S_Start	digital, betätigt = 1	Wird ein Start angefordert?
Eingabe	Belegtmelder B_Frei	digital, frei = 1	Ist der Transportweg frei?
Eingabe	Rückmeldekontakt F_OK	digital, fehlerfrei = 1	Liegt eine simulierte Fehlermeldung vor?
Verarbeitung	Logikbaustein oder SPS	boolesche Bedingungen und Speicher	Ist der Start zulässig, bleibt der Zustand erhalten?
Ausgabe	Q_Antrieb als virtuelle Motoranzeige	digital, 0 oder 1	Soll der modellierte Antrieb laufen?

Blockbild im Modell: Eingänge (S_Start, B_Frei, F_OK) → Logik und Speicher → Q_Antrieb (virtueller Aktor). Eine reale Sicherheitseinrichtung wird durch dieses Unterrichtsmodell nicht ersetzt.

Sensor, Aktor, Schnittstelle und Signal

Ein Sensor wandelt eine physikalische Größe oder einen Zustand in ein auswertbares Signal um. Ein Endschalter erkennt mechanisch eine Lage, ein induktiver Näherungssensor häufig ein geeignetes metallisches Objekt; ein Temperatursensor liefert unter Umständen ein analoges Signal. Ein Aktor beeinflusst den Prozess, beispielsweise ein Relais, ein Schütz, ein Ventil oder ein Motor. Die Schnittstelle legt fest, wie Signalpegel, zeitliches Verhalten und Anschlussbedingungen zwischen zwei Baugruppen zusammenpassen. Digital bedeutet hier zwei definierte logische Zustände; analog beschreibt einen Wertebereich. 0 und 1 sind logische Zustände und nicht automatisch garantierte Spannungswerte: Das Datenblatt ist entscheidend.

Foto eines Schützes auf einer DIN-Schiene: Ein Schütz schaltet geeignete Laststromkreise über einen getrennten Steuerkreis. Bild: Kae, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons.

Beispielhafte Symbolsammlung nach IEC-Darstellungsweise; für reale Planunterlagen sind die einschlägigen aktuellen Normen und Herstellerangaben zu prüfen. Bild: Emareg, CC0, Wikimedia Commons.

Fehlerquelle: Ein Kontakt im Stromlaufplan ist nicht automatisch ein Sensor. Prüfe, ob das dargestellte Schaltzeichen einen Öffner oder einen Schließer meint und welcher Grundzustand der Darstellung zugrunde liegt. Bei einem simulierten Freigabekontakt mit Signalwert 1 bei normalem Zustand liefert ein unterbrochener Signalpfad oft 0; daraus darf keine universelle Sicherheitseigenschaft abgeleitet werden.

Logik, Ablauf und Selbsthaltung entwerfen

UND, ODER und NICHT

Die Boolesche Algebra beschreibt digitale Bedingungen. UND ist nur wahr, wenn alle Bedingungen wahr sind. ODER ist wahr, sobald mindestens eine wahr ist. NICHT kehrt einen logischen Zustand um. Mit A und B als Eingängen gilt Y_UND = A ∧ B, Y_ODER = A ∨ B. Eine Sicherheitseigenschaft ist aus einer reinen Wahrheitstabelle nicht bewiesen: Fehlerreaktionen, Bauteilausfälle und erforderliche Sicherheitsarchitektur müssen gesondert beurteilt werden.

IEC-Darstellung eines UND-Glieds. Bild: jjbeard, gemeinfrei, Wikimedia Commons.

IEC-Darstellung eines ODER-Glieds. Bild: jjbeard, gemeinfrei, Wikimedia Commons.

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

Rechenweg: A = 1 und B = 0. Das UND-Ergebnis ist 1 ∧ 0 = 0, das ODER-Ergebnis ist 1 ∨ 0 = 1. Eine fehlende Freigabe darf im Modell nicht durch einen Startimpuls überstimmt werden; ordne daher die Freigabebedingungen logisch als UND-Verknüpfung an.

Speicherfunktion und Priorität

Ein kurzer Startimpuls soll den modellierten Antrieb einschalten, auch wenn die Taste danach losgelassen wird. Die Selbsthaltung nutzt dazu einen rückgeführten Schaltzustand; beim Schütz kann das ein passend angeschlossener Hilfskontakt sein, in einer SPS ein programmierter Merker. Eine einfache Modellgleichung mit Ausschaltvorrang lautet:

Q_neu = Stop_OK UND F_OK UND B_Frei UND (Start ODER Q_alt).

Wenn Stop_OK = 0 ist, folgt Q_neu = 0 – unabhängig vom Start. Fällt B_Frei auf 0, fällt der Speicher im Modell ebenfalls zurück; nach erneuter Freigabe ist ein neuer Startimpuls nötig. Das ist für das Übungsmodell beabsichtigt, nicht als allgemein sichere Schaltung zu verstehen. Ein mechanisch verriegelter Sicherheitsschalter und seine Bewertung gehören in einen eigenständigen fachkundigen Sicherheitsentwurf.

Vereinfachte Darstellung von Kontaktplan-Elementen mit Kontakten und Spule. Bild: Mithilrkadam, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons. Das Bild zeigt ein Prinzip, nicht den geprüften Modellschaltplan.

Testfall	Stop_OK	F_OK	B_Frei	Start	Q_alt	Erwartet Q_neu
Normaler Start	1	1	1	1	0	1
Halten	1	1	1	0	1	1
Belegt	1	1	0	0	1	0
Stopp gegen Start	0	1	1	1	1	0
Fehler gegen Start	1	0	1	1	1	0
Kein Wiederanlauf	1	1	1	0	0	0

Typischer Denkfehler: Wer statt Q_alt den gerade berechneten Q_neu in dieselbe Gleichung einsetzt, erzeugt ein unklar definiertes Rückkopplungsmodell. Ordne den alten Speicherzustand eindeutig dem vorherigen Simulationsschritt zu. Nutze eine definierte Initialisierung Q_0 = 0.

Techniken vergleichen und die Logik simulieren

Verbindungsprogrammierte Steuerung und SPS

Bei der verbindungsprogrammierten Steuerung (VPS) entsteht die Funktion wesentlich durch verdrahtete Kontakte, Relais und Schütze. Bei einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) liegt die Logik im Anwenderprogramm; Eingänge werden eingelesen, logische Bedingungen verarbeitet und Ausgänge angesteuert. Ein typischer SPS-Zyklus liest Eingänge, bearbeitet das Programm und aktualisiert Ausgänge; genaue Aktualisierungs- und Reaktionszeiten hängen von System, Programm und Prozess ab. Beide Varianten benötigen eine sachgemäße Schnittstellen- und Schutzplanung; eine Standard-SPS ist nicht schon deshalb eine Sicherheitsteuerung.

Beispiel einer modularen SPS: SIMATIC S7-1500. Bild: Palatinatian, CC BY 3.0, Wikimedia Commons; keine Produktempfehlung.

Ergänzendes deutschsprachiges Video „Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) – Teil 8 Grundlagen“, ElektrotechnikBasis123, YouTube; nur eingebettet, Urheberrecht verbleibt beim Rechteinhaber.

Kriterium	VPS	SPS
Funktionsänderung	Häufig Umverdrahtung erforderlich	Häufig Programmänderung bei passender Hardware
Einfache Übersicht	Einzelne Relaispfade gut nachvollziehbar	Logik über KOP/FUP und Diagnose sichtbar
Erweiterbarkeit	Zahl der Kontakte und Verdrahtung wachsen	Zusätzliche Ein-/Ausgänge und Programmressourcen nötig
Aufwand	Für kleine feste Aufgaben wirtschaftlich	Für flexible, umfangreichere Aufgaben oft vorteilhaft
Sicherheit	Schutzkonzept gesondert nachweisen	Schutzkonzept und ggf. geeignete Sicherheits-SPS gesondert nachweisen
Ökologie	Ersatzteile und Energiebedarf betrachten	Lebenszyklus, Energiebedarf und Wartbarkeit betrachten

Programmablauf und Prüfschritte

Für unser rein virtuelles Modell definierst du Eingänge als Boolesche Variablen und speicherst Q_alt. Für jeden Simulationsschritt setzt du zuerst die Eingangswerte, berechnest aus der Modellgleichung Q_neu, notierst das Ergebnis und setzt erst danach Q_alt = Q_neu. Schreibe zu jeder Anforderung mindestens einen positiven und einen negativen Test. Bei einer realen Anlage wären formale Funktions- und Sicherheitsprüfungen, die Prüfung der Abschaltwege und fachkundige Inbetriebnahme zusätzlich nötig.

Pseudocode für die Tabellenkalkulation oder Simulation:

Q = 0
für jeden Testschritt:
    neu = stop_ok UND fehlerfrei UND weg_frei UND (start ODER Q)
    protokolliere Eingänge, Q, neu und Beobachtung
    Q = neu

Zeit- und Zahlenbeispiel: Bei einer angenommenen Zykluszeit von 50 ms entsprechen 1,50 s rechnerisch 1.500 ms / 50 ms = 30 Zyklen. Das ist ein Modellwert, kein Beleg für einen zuverlässig erreichbaren Schaltzeitpunkt. Ein 10-ms-Impuls könnte bei einer 50-ms-Abtastung übersehen werden, wenn geeignete Signalerfassung fehlt. Typischer Fehler ist die Behauptung, jede SPS erkenne automatisch beliebig kurze Signale.

Fachrechnen an einem virtuellen Eingang

Eine fiktive Ohmsche Prüflast im Rechenblatt hat R = 2.400 Ω und U = 24 V Gleichspannung. Mit I = U / R erhältst du I = 24 V / 2.400 Ω = 0,010 A = 10 mA. Mit P = U · I = 24 V · 0,010 A ergibt sich 0,24 W. Diese Rechenwerte gelten für das unterstellte ideale Widerstandsmodell; sie sind keine Bemessungs- oder Verdrahtungsempfehlung für reale SPS-Eingänge. Gerätespezifische Grenzwerte, Leistungsreserven und Schutzmaßnahmen müssen qualifiziert anhand der Herstellerdaten bewertet werden.

Regelkreise, Kennwerte und Störungen verstehen

Steuerung oder Regelung?

Eine Steuerung beeinflusst den Ablauf nach vorgegebenen Bedingungen, ohne die beeinflusste Größe ständig als Istwert zum Soll-Ist-Vergleich zurückzuführen. Eine Regelung misst eine Regelgröße, vergleicht sie mit dem Sollwert und erzeugt aus der Regeldifferenz eine Stellgröße: Der Wirkungsweg ist geschlossen. Beide können mit einer SPS realisiert werden. Eine einfache Temperaturregelung benutzt einen Temperaturfühler, Sollwert, Regler und Lüfter; Wärmequellen sind Störgrößen.

Blockschaltbild mit negativer Rückführung (englische Beschriftung): Sollwert r(t), Regelabweichung e(t), Regler C, Strecke P und Ausgang y(t). Original: Ap; Bearbeitung: Chetvorno, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons.

Deutschsprachige Gegenüberstellung von Steuerung und Regelung anhand zweier Beispiele; Alexander Stöger, „Elektrotechnik in 5 Minuten“, YouTube; nur eingebettet.

Begriff	Bedeutung	Einfaches Beispiel
Führungsgröße w	Gewünschter Sollwert	40 °C als modellierter Schaltwert
Regelgröße x	Tatsächlich erfasste Größe	gemessene Temperatur
Regeldifferenz e	Sollwert minus Istwert, e = w − x	40 °C − 37 °C = +3 K
Stellgröße u	Ausgang des Reglers zur Beeinflussung des Prozesses	Lüfterbefehl
Störgröße z	Externe Einwirkung auf die Regelstrecke	zusätzliche Wärmelast

Rechenbeispiel: Bei w = 40 °C und x = 37 °C ist e = +3 K. Bei x = 42 °C gilt e = −2 K. Das Vorzeichen hängt von der gewählten Definition e = w − x ab. Auch die Richtung der Stellwirkung muss zur Strecke passen: Bei einem Kühlprozess kann mehr Lüfterleistung die Temperatur senken.

Zweipunktregelung und Hysterese

Eine einfache Zweipunktregelung der Kühlung schaltet den Lüfter im Modell bei T ≥ 40 °C ein und erst bei T ≤ 35 °C wieder aus. Dazwischen bleibt der vorherige Zustand erhalten. Die Hysterese hat eine Breite von 40 °C − 35 °C = 5 K. Sie vermeidet bei Messschwankungen unnötig häufiges Ein- und Ausschalten. Bei T = 38 °C ist der Zustand ohne Kenntnis des vorherigen Lüfterzustands nicht eindeutig. Die Schaltschwellen sind reine Unterrichtswerte und ersetzen keinerlei Temperatur-Sicherheitsgrenzen.

Temperatur	Vorheriger Lüfterzustand	Neuer Zustand	Begründung
34 °C	1	0	unterer Schwellwert erreicht
38 °C	0	0	innerhalb der Hysterese, Zustand halten
38 °C	1	1	innerhalb der Hysterese, Zustand halten
41 °C	0	1	oberer Schwellwert überschritten

Weiterführende Darstellung eines PID-Regelkreises (englische Beschriftung), für Lernfeld 3 zur Orientierung; die Dimensionierung von PID-Reglern ist hier kein Prüfziel des Einstiegsmodells. Bild: DMGualtieri, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons.

Analogwerte richtig umrechnen

Angenommen, ein virtueller Drehzahlgeber ordnet 0 bis 10 V linear den Werten 0 bis 1.500 min⁻¹ zu. Bei U = 6,0 V folgt n = (6,0 / 10,0) · 1.500 min⁻¹ = 900 min⁻¹. Allgemein gilt bei linearem Kennfeld n = n_min + (U − U_min) · (n_max − n_min) / (U_max − U_min). Prüfe immer Nullpunkt, Messbereich, Einheit und die Frage, ob die Sensorcharakteristik tatsächlich linear ist. Ein falsch gewählter Messbereich verfälscht die Diagnose. Auch ein mathematisch korrekter Messwert beweist noch nicht die sichere Funktion der Maschine.

Berufstypischer Modellfall: Prüftransport analysieren und bewerten

Fiktiver Auftrag und Eingangsbedingungen

Kundenwunsch (synthetisch): Eine kleine Wickelwerkstatt möchte im Schulmodell das Einschalten eines Transportantriebs nachvollziehbar dokumentieren. Ein Startimpuls soll die virtuelle Anzeige M1 einschalten, sofern der Stopptaster nicht betätigt ist, keine simulierte Störung anliegt und der Weg frei ist. Nach Stopp, Störung oder Belegung bleibt M1 aus, bis erneut ein Startimpuls erfolgt. Es handelt sich um einen Logik- und Simulationsauftrag ohne reale Bewegung oder elektrische Anschlussarbeiten. Für reale Antriebsfreigaben ist eine gesonderte Risikobeurteilung, Schutz- und Sicherheitsplanung durch Fachkräfte erforderlich.

Festgelegte Signalbedeutung: S = 1 Starttaster gedrückt; N = 1 gewöhnlicher Stopptaster nicht gedrückt; F = 1 simuliert fehlerfrei; B = 1 Weg frei; Q = 1 virtuelle Anzeige läuft. Ein unabhängig nachzuweisender sicherheitsgerichteter Stopp ist nicht Bestandteil der Übung.

Pflichtabgaben: 1. EVA-Blockbild, 2. Signal- und Funktionsliste, 3. Gleichung und Speicherdefinition, 4. vollständig gefüllte Testtabelle, 5. Fehlerdiagnose mit Begründung, 6. Simulationsprotokoll und Reflexion.

Musterarbeitsprodukt: Logik und Protokoll

Muster-Funktionsgleichung: Q_neu = N ∧ F ∧ B ∧ (S ∨ Q_alt). Startwert: Q_alt = 0. Interpretation: Die drei durch UND verknüpften Bedingungen haben Vorrang gegenüber der Selbsthaltung.

Schritt	S	N	F	B	Q_alt	Berechnung	Q_neu
0: Initialisierung	0	1	1	1	0	1·1·1·(0∨0)	0
1: Start	1	1	1	1	0	1·1·1·(1∨0)	1
2: Start loslassen	0	1	1	1	1	1·1·1·(0∨1)	1
3: Weg belegt	0	1	1	0	1	1·1·0·(0∨1)	0
4: Weg wieder frei	0	1	1	1	0	1·1·1·(0∨0)	0
5: Neustart	1	1	1	1	0	1·1·1·(1∨0)	1
6: Stopptaster gedrückt	0	0	1	1	1	0·1·1·(0∨1)	0
7: Stopptaster gelöst	0	1	1	1	0	1·1·1·(0∨0)	0

Muster-EVA-Skizze: S, N, F, B → UND-/ODER-Logik mit Speicher Q_alt → Ausgang Q_neu → virtuelle Anzeige „M1 EIN/AUS“. Im Protokoll sind alle acht Schritte konsistent: Ein Start setzt die Anzeige, Unterbrechungsbedingungen löschen sie, und Wiederfreigabe ohne neuen Start führt nicht zum Anlaufen.

Störungsfall, Prüfmethode und Musterlösung

Störung A (synthetischer Test): Bei S = 1, N = 1, F = 1, B = 1, Q_alt = 0 bleibt die Simulation auf Q_neu = 0. Die erwartete Ausgabe ist 1. Erstelle zuerst eine Hypothese: falsche Eingangszuordnung, fehlende ODER-Verknüpfung oder fehlerhafte Berechnung des Merkers. Prüfe nacheinander die Eingabewerte, die Zwischenergebnisse S ∨ Q_alt und N ∧ F ∧ B sowie die Ausgangszuweisung. Musterergebnis: Wenn S im Programm irrtümlich negiert ist, wird aus (1 ∨ 0) fälschlich (0 ∨ 0) und damit Q_neu = 0. Nach Korrektur im rein virtuellen Programm liefert derselbe Test Q_neu = 1. Das ist eine mögliche Diagnose, kein Nachweis der einzigen Fehlerursache.

Störung B (synthetischer Test): Nach B = 0 und anschließender Freigabe B = 1 ohne neuen Start bleibt Q = 0. Dies ist kein Fehler, sondern der geforderte Wiederanlaufschutz innerhalb der modellierten Ablaufregel. Die Sicherheit einer realen Anlage ist damit weiterhin nicht nachgewiesen.

Prüfstrategie: Soll-Verhalten definieren → Versuchsfall festlegen → Simulation ausführen → Ist-Ergebnis dokumentieren → Abweichung eingrenzen → korrigierte Version erneut mit positiven und negativen Fällen testen → Restgefahren und Grenzen benennen. Führe keine Spannungsmessung oder Verdrahtung als Selbstversuch aus.

Bewertungsraster für den Modellfall

Kriterium	0 Punkte	1 Punkt	2 Punkte
Auftragsanalyse / EVA	Funktionen fehlen	wesentliche Komponenten erkennbar	Eingang, Verarbeitung, Ausgang und Anforderungen korrekt erklärt
Signal- und Logikmodell	widersprüchlich	teilweise korrekt	Signale, Initialisierung, Gleichung und Vorrang vollständig korrekt
Testabdeckung und Daten	kein auswertbarer Test	einige plausible Fälle	alle acht Schritte einschließlich Stopp, Blockierung und Neustart korrekt
Fehlerdiagnose	bloß geraten	Hypothese ohne vollständigen Nachweis	Hypothese, Zwischensignale und Gegenprobe nachvollziehbar
Dokumentation und Transfer	unvollständig	grundsätzlich verständlich	lesbare Musterprodukte, Grenzen und Sicherheit klar beschrieben

Bewertung: maximal 10 Punkte. 9–10 = sehr sicher, 7–8 = sicher, 5–6 = teilweise sicher, 0–4 = überarbeiten. Dies ist ein didaktisches Fachraster, keine offizielle Prüfungsgewichtung und keine Freigabe zur realen Inbetriebnahme. Eine gute Lösung zeigt Rechenweg, Signalannahmen, Testdeckung und prüfbare Begründungen; ein bloßes richtiges Endergebnis genügt nicht.

Interaktive Aufgaben

Multiple-Choice: Fachwissen prüfen

Was gehört beim EVA-Prinzip zur Eingabe eines Transportmodells? (Der Zustand eines Starttasters) (!Die fertige Motordrehung) (!Die abgenommene Maschinenfreigabe) (!Die mechanische Getriebeübersetzung)

Rückmeldung: Der Taster liefert ein Eingangssignal; eine Wirkung am Antrieb ist eine Ausgabe bzw. Prozessgröße. Sicherheit und Übersetzung sind nicht die Eingabe dieses Beispiels.

Welche Aussage kennzeichnet eine geschlossene Regelung? (Der erfasste Istwert wird mit dem Sollwert verglichen) (!Ein Taster schaltet ohne Rückmeldung eine Lampe) (!Die Ausgangsgröße wird nie erfasst) (!Alle Sensoren sind grundsätzlich überflüssig)

Rückmeldung: Erst die Rückführung des Istwerts zum Vergleich mit dem Sollwert bildet den geschlossenen Regelkreis.

Was ist das Ergebnis der UND-Verknüpfung von A gleich eins und B gleich null? (Null) (!Eins) (!Zwei) (!Nicht bestimmbar trotz bekannter Eingänge)

Rückmeldung: UND wird nur dann eins, wenn beide Eingänge eins sind; hier verhindert B den Ausgang.

Welche Funktion erfüllt Q_alt im Selbsthaltemodell? (Es speichert den Ausgangszustand des vorherigen Schrittes) (!Es gibt immer den Starttaster direkt wieder) (!Es ersetzt die Sicherheitsprüfung einer Anlage) (!Es verdoppelt die Versorgungsspannung)

Rückmeldung: Die Rückführung des vorigen Ausgangszustands ermöglicht das Halten nach Ende eines kurzen Startimpulses.

Wie reagiert Q_neu bei Stop_OK gleich null in der angegebenen Modellgleichung? (Es wird unabhängig von Start und Speicher null) (!Es wird bei Start immer eins) (!Es übernimmt stets unverändert Q_alt) (!Es wird nur bei einem analogen Eingang null)

Rückmeldung: Die Stopbedingung liegt in einer UND-Verknüpfung vor der gesamten Haltefunktion und hat dadurch logischen Vorrang.

Wo liegt bei einer SPS üblicherweise die veränderbare Verknüpfungslogik? (Im gespeicherten Anwenderprogramm) (!Ausschließlich in den Leitungsklemmen) (!Nur im Typenschild des Motors) (!Immer in einem mechanischen Endanschlag)

Rückmeldung: Eine SPS nutzt das Anwenderprogramm für ihre Steuerungslogik; Sensoren und geeignete Ausgangsstufen bleiben notwendig.

Welcher Strom ergibt sich im idealen Rechenmodell aus 24 Volt an 2400 Ohm? (10 Milliampere) (!1 Milliampere) (!100 Milliampere) (!2400 Ampere)

Rückmeldung: Mit I = U geteilt durch R ergibt sich 24 geteilt durch 2400 Ampere gleich 0,010 Ampere.

Was gilt bei einer Kühl-Zweipunktregelung mit EIN ab 40 Grad und AUS bis 35 Grad bei 38 Grad? (Der bisherige Lüfterzustand bleibt erhalten) (!Der Lüfter muss immer einschalten) (!Der Lüfter muss immer ausschalten) (!Der Istwert ist grundsätzlich ungültig)

Rückmeldung: Die Temperatur liegt zwischen den Schwellen; die Hysterese benötigt einen gespeicherten Vorzustand.

Welcher Drehzahlwert entspricht im fiktiven linearen Modell mit 0 bis 10 Volt und 0 bis 1500 Umdrehungen je Minute einer Spannung von 6 Volt? (900 Umdrehungen je Minute) (!600 Umdrehungen je Minute) (!150 Umdrehungen je Minute) (!1500 Umdrehungen je Minute)

Rückmeldung: Sechs Zehntel der maximalen Drehzahl sind 900 Umdrehungen je Minute; die Linearität ist eine Annahme.

Welcher Nachweis reicht allein NICHT für die Freigabe einer realen Maschine aus? (Eine erfolgreiche virtuelle Wahrheitstabelle) (!Eine von Fachkräften durchgeführte vollständige Risikobeurteilung) (!Ein fachgerecht dokumentiertes Sicherheitsprüfverfahren) (!Die Bewertung aller erforderlichen Schutzeinrichtungen durch Berechtigte)

Rückmeldung: Logische Funktionstests beweisen keine elektrische oder mechanische Sicherheit; reale Freigaben erfordern eigenständige fachkundige Nachweise.

Memory

Finde für jeden Fachbegriff die passende Erklärung; jedes Paar ist eindeutig.

Eingangssignal	Zustand eines Tasters oder Sensors vor der Verarbeitung
Aktor	Bauglied, das eine Aktion im Prozess ausführt
Selbsthaltung	Funktion, die einen gesetzten Zustand nach Loslassen des Starttasters beibehält
SPS	Steuergerät, dessen Ablauflogik in einem Anwenderprogramm steht
Regeldifferenz	Unterschied zwischen Sollwert und erfasstem Istwert nach festgelegter Vorzeichenregel
Hysterese	Abstand zweier Schaltschwellen mit Zustandsbeibehaltung dazwischen

Drag-and-drop: Begriffe zuordnen

Ordne die fünf Textbegriffe den zutreffenden Funktionen zu.

Gesuchter Begriff	Fachliche Beschreibung
Wahrheitstabelle	Listet alle betrachteten binären Eingangskombinationen und die zugehörigen Ausgänge auf
Funktionsplan	Stellt logische Verknüpfungen als grafische Funktionsblöcke dar
Schließer	Kontakt ist im unbetätigten Grundzustand offen
Öffner	Kontakt ist im unbetätigten Grundzustand geschlossen
Sollwert	Gewünschter Referenzwert einer Regelgröße

Kreuzworträtsel

Sensor	Welches Element erfasst eine physikalische Größe und stellt sie als Signal bereit?
Aktor	Welches Element wirkt auf den technischen Prozess ein?
Speicher	Was hält einen logischen Zustand über einen einzelnen Rechenschritt hinaus fest?
Hysterese	Wie heißt der Abstand zwischen oberem und unterem Schaltpunkt bei einer Zweipunktregelung?
Schütz	Wie heißt ein elektromagnetisch betätigtes Gerät zum Schalten geeigneter Laststromkreise?
Regelkreis	Wie heißt ein Wirkungszusammenhang mit Rückführung des Istwerts?

LearningApps

Suche auf LearningApps nach weiteren öffentlich angebotenen Übungen; das folgende Suchfenster ist keine als geprüft ausgegebene Einzel-LernApp.

Lückentext: Fachbegriffe sicher verwenden

Der Aufbau aus Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe heißt

.

Ein Messfühler im Signalweg ist ein

.

Ein Schütz kann in einem passenden Steuerstromkreis als

dienen.

Die logische Verknüpfung, die nur bei zwei Einsen eine Eins ergibt, heißt

.

Die Beibehaltung eines Ausgangszustands nach Loslassen des Starttasters nennt sich

.

Eine programmierbare industrielle Steuerung wird kurz

genannt.

Bei einer geschlossenen Regelung wird der Sollwert mit dem

verglichen.

Der Unterschied der zwei Temperaturschaltpunkte heißt

.

Aus 24 Volt und 2400 Ohm folgen im idealen Widerstandsmodell

Milliampere.

Bei sechs Volt beträgt die Drehzahl im angenommenen linearen Kennfeld

Umdrehungen pro Minute.

Offene Aufgaben

Bearbeite insgesamt zwölf handlungsorientierte Aufgaben, aufgeteilt in drei Niveaus. Für jede Abgabe werden Nachvollziehbarkeit, Fachsprache und die Grenzen der Simulation bewertet. Arbeiten mit elektrischer Spannung, bewegten Teilen oder Maschinen dürfen nicht eigenständig ausgeführt werden.

Leicht

EVA-Skizze: Zeichne für die virtuelle Bandsteuerung ein Blockbild mit zwei Eingängen, einem Logikblock und einer Ausgabe; liefere vier beschriftete Bausteine.
Signalsteckbrief: Ordne Starttaster, Belegtmelder, Schütz und Motor den Rollen Sensor, Bedieneingabe, Schaltglied und Aktor zu; begründe jede Zuordnung in einem Satz.
Wahrheitstabelle: Erstelle für A UND B und A ODER B alle vier Eingangskombinationen; prüfe deine Ergebnisse rechnerisch.
Begriffsvergleich: Formuliere je ein eigenständiges Beispiel für eine Steuerung und eine Regelung; markiere die Rückführung des Istwerts.

Standard

Funktionsgleichung: Übertrage Q_neu = N UND F UND B UND (S ODER Q_alt) in einen Funktionsplan; notiere den Anfangszustand und begründe den Ausschaltvorrang.
SPS-VPS-Vergleich: Entwickle für eine fiktive Werkstatt eine Entscheidungsmatrix aus Änderbarkeit, Wartung, Kosten und Energiebedarf; gib eine bedingte Empfehlung.
Rechenprotokoll: Ermittle aus 24 V und 2400 Ω den idealen Strom und die Leistung mit Einheiten, Formeln und einem Plausibilitätssatz.
Testfallanalyse: Erkläre anhand von drei Testschritten, warum der virtuelle Motor nach einer Wegbelegung ohne neuen Start nicht wieder anläuft; liefere einen Soll-Ist-Vergleich.

Schwer

Zustandsmodell: Erstelle ein Zustandsdiagramm AUS/EIN für den Modellfall mit Bedingungen an allen Übergängen und mindestens zwei Negativtests; beschreibe die Initialisierung.
Schwellenanalyse: Analysiere die simulierte Lüfterregelung für die Werte 34, 38, 41 und 38 °C bei nachvollziehbarer Reihenfolge; dokumentiere den Speicherzustand.
Diagnosebericht: Setze im virtuellen Modell einen invertierten Startwert als Softwarefehler ein; identifiziere ihn anhand der logischen Zwischenwerte, korrigiere ihn und teste die gesamte Tabelle erneut.
Transferbericht: Skizziere, welche zusätzlichen rechtlichen, organisatorischen und sicherheitstechnischen Fachprüfungen vor jeder echten Antriebsfreigabe nötig wären; grenze den Kursnachweis eindeutig von der realen Freigabe ab.

Erwartungshorizont und Musterarbeitsprodukte

Aufgabe	Erwartetes Musterergebnis / fachliche Kriterien
L1	Eingänge Start und Freigabe → Logik → virtuelle Motoranzeige; verständliche Pfeile und korrekte EVA-Rollen
L2	Starttaster: Bedieneingabe; Belegtmelder: Sensor; Schütz: Schaltglied; Motor: physischer Aktor, der im Modell nur symbolisch erscheint
L3	UND: 0,0,0,1; ODER: 0,1,1,1 in der Reihenfolge 00, 01, 10, 11
L4	Offene Zeitsteuerung ohne Rückführung gegenüber Temperaturregelung mit Sensor und Soll-Ist-Vergleich
S1	Speicher Q_alt als Rückführung, N/F/B als UND-Freigaben, Initialwert 0, Vorrang durch Multiplikation mit Freigaben
S2	Matrix mit mindestens vier Kriterien, Quellen/Annahmen und nachvollziehbarem Kosten-Nutzen-Urteil; keine pauschale Siegertechnik
S3	I = 0,010 A, P = 0,24 W mit Einheiten; Hinweis auf idealisierte Widerstandslast
S4	Nach Belegung Q = 0; bei Freigabe und S = 0 bleibt Q = 0; erst S = 1 setzt Q wieder auf 1
H1	AUS → EIN nur bei Start mit N/F/B = 1; EIN → AUS bei N = 0 oder F = 0 oder B = 0; mindestens zwei Negativtests
H2	Zustandsfolge bei 34, 38, 41, 38 °C aus Anfangszustand AUS: AUS, AUS, EIN, EIN; Schwellen 35/40 °C
H3	Originaltest mit S = 1 scheitert wegen Negation; nach Korrektur wird OR-Zwischenergebnis 1 und Ausgang 1; Regression über alle Schritte
H4	Dokumentierte Risikobeurteilung, geeignete Schutzmaßnahmen, Normen- und Herstellerprüfung, fachkundige Messung, Prüfung, Freigabeverantwortung sowie klare Simulationsgrenze

Lernkontrolle

Begründe deine Antworten schriftlich; die Aufgaben prüfen Anwendung und Transfer, nicht nur Definitionen.

Analyse: Eine Beleuchtung folgt einem Zeitschaltprogramm, ohne die Helligkeit zu messen. Erkläre, ob eine Steuerung oder eine Regelung vorliegt, und benenne eine mögliche Störgröße.
Logiktest: Für N = 1, F = 1, B = 0, S = 1, Q_alt = 1 berechne Q_neu mit vollständiger Einsetzung in die Gleichung und begründe das Ergebnis.
Regeldifferenz: Bei Sollwert 50 °C und gemessenem Istwert 53 °C berechne e = w − x, gib die Einheit an und erläutere die Konsequenz für einen sinnvoll ausgelegten Kühlregler.
Zustand: Ein Lüfter soll bei 40 °C einschalten und bei 35 °C ausschalten. Erkläre, weshalb 38 °C allein keinen eindeutigen Lüfterzustand bestimmt.
Technikentscheidung: Ein Werkstattprozess soll regelmäßig verändert werden. Begründe anhand zweier Kriterien, ob du für die Funktionslogik eher VPS oder SPS prüfen würdest und welche Sicherheitsanforderungen trotzdem offenbleiben.
Diagnose: Nach Loslassen des Starttasters fällt die virtuelle Anzeige sofort auf AUS, obwohl alle Freigaben 1 bleiben. Nenne eine überprüfbare Hypothese, einen gezielten Test und die erwartete Korrekturwirkung.

Musterlösungen zur Lernkontrolle

Nr.	Lösung und prüfbare fachliche Kriterien
1	Zeitabhängige Steuerung ohne Istwert-Rückführung; eine geänderte Umgebungshelligkeit kann das gewünschte Ergebnis beeinträchtigen.
2	Q_neu = 1·1·0·(1∨1) = 0; die Wegfreigabe unterbricht trotz Start und Haltezustand die Ausgangsbedingung.
3	e = 50 °C − 53 °C = −3 K; bei einem Kühlprozess ist eine geeignete höhere Kühlwirkung denkbar, sofern der konkrete Regler entsprechend entworfen ist.
4	Zwischen 35 und 40 °C wird der vorherige Zustand beibehalten; ohne Vorzustand ist bei 38 °C weder EIN noch AUS zwingend.
5	SPS ist bei häufigen Logikänderungen oft leichter anzupassen; Programmierung und Diagnose stehen gegen Geräte-, Prüf- und Schulungsaufwand. Sicherheitsfunktionen bleiben gesondert zu planen und zu prüfen.
6	Wahrscheinlich fehlt der gespeicherte Zustand in der ODER-Verknüpfung. Mit Start 0 und Q_alt 1 muss (Start ODER Q_alt) den Wert 1 ergeben; nach Korrektur bleibt Q auf EIN.

Lernnachweis

Dein vollständiger Lernnachweis besteht aus einer digitalen Mappe mit Auftragsanalyse, EVA- und Signalplan, Wahrheitstabelle, Funktionsgleichung mit Speicher, Testprotokoll des Modellfalls, einem dokumentierten Diagnosefall sowie Reflexion und Transfergrenzen. Füge einen Rechenweg mit Einheiten, eine begründete Technikentscheidung und den Vergleich Soll/Ist hinzu. Der Erwartungshorizont und das 10-Punkte-Bewertungsraster im Modellfall helfen dir bei der Selbsteinschätzung: Fachbegriffe korrekt, Ergebnisse reproduzierbar, Annahmen offengelegt und Sicherheit nicht überbehauptet.

Selbstprüfung: Kann ich die Rolle jedes Eingangs erklären? Kann ich den Ausgang für einen neuen Testfall ohne Raten berechnen? Kann ich den Unterschied zwischen Regelung und Steuerung an einem Rückführungsweg zeigen? Kann ich nachvollziehbar sagen, warum ein gelungener Simulationstest keine echte Maschinenabnahme ist? Lass deine Mappe mit einer fachkundigen Betreuungsperson besprechen; protokolliere Rückmeldungen ohne personenbezogene Daten.

OER und Wikipedia

Verlässliche berufliche Grundlagen (offizielle Quellen, Links geprüft):

BIBB – Berufesteckbrief Elektroniker für Maschinen und Antriebstechnik nach HwO (Beruf, 42 Monate, Monoberuf, Ausbildungsordnung).
KMK – Rahmenlehrpläne (Rahmenlehrplan, Lernfeld 3, 1. Ausbildungsjahr, Zeitrichtwert 80 Stunden; Dokument-Nr. 46661).
Gesetze im Internet – Elektromaschinenbauerausbildungsverordnung HwO (Fassung der Ausbildungsordnung, in Kraft seit 1. August 2021; HwO-Gesellenprüfung in zwei Teilen).
BIBB – Ausbildung gestalten: Elektroniker/-in für Maschinen und Antriebstechnik (kostenloser Leitfaden zur Ausbildungspraxis, BIBB 2021; urheberrechtlich nicht automatisch eine OER).
SPS-Tutorial – Was ist eine SPS? (ergänzender frei zugänglicher Facheinstieg, kein ausgewiesenes OER-Recht).

Wikimedia Commons – verifizierte Dateiseiten und Nutzungsrechte: Die folgenden Bilder wurden auf ihren einzelnen Commons-Dateiseiten geprüft. Bei CC BY bzw. CC BY-SA sind Urheber und Lizenz zu nennen; Bearbeitungen müssen nach den jeweiligen Bedingungen gekennzeichnet werden. Es werden hier die unveränderten Dateien eingebunden, nicht neu lizenziert.

Verwendete Datei	Dateiseite / Herkunft	Urheber	Lizenz
File:Contactor DIN IEK.jpg	Commons-Datei	Kae	CC BY-SA 3.0
File:Electrical Symbols IEC.svg	Commons-Datei	Emareg	CC0
File:AND IEC.svg	Commons-Datei	jjbeard	Gemeinfrei laut Commons-Dateiseite
File:OR IEC.svg	Commons-Datei	jjbeard	Gemeinfrei laut Commons-Dateiseite
File:Ladder logic diagram.jpg	Commons-Datei	Mithilrkadam	CC BY-SA 4.0
File:S71500.JPG	Commons-Datei	Palatinatian	CC BY 3.0
File:Simple feedback control loop.svg	Commons-Datei	Ap, Chetvorno	CC BY-SA 3.0
File:PID loop.svg	Commons-Datei	DMGualtieri	CC BY-SA 3.0

Videos – Quellen und Rechte: ElektrotechnikBasis123: SPS – Teil 8 Grundlagen, 02.07.2023 sowie Alexander Stöger: Unterschied – Regelung/Steuerung, 29.11.2015. Beide Videos wurden als vorhandene Titel mit zugehörigem Kanal überprüft und ausschließlich über ihre YouTube-Seiten eingebettet; die Urheberrechte verbleiben bei den jeweiligen Anbietern. Bei fehlender Einbettung verwende die verlinkte Originalseite. Keine Sofatutor-Inhalte.

Wikipedia als ergänzende, nicht verbindliche Fachdarstellung: Regelungstechnik, Speicherprogrammierbare Steuerung, Schütz, Logikgatter. Die Berufs- und Prüfungsgrundlagen stammen dagegen aus KMK, BIBB und der geltenden Verordnung.

Verknüpfte Lernbereiche

Die Fachübungen verbinden Elektronik, Digitaltechnik, Automatisierungstechnik, Regelungstechnik, Technische Dokumentation, Mathematik und Arbeitsschutz. Die Themen sind eng mit dem Ausbildungsberuf verknüpft. Die folgenden internen Kursverweise sind Navigationsziele; sie behaupten nicht, dass jede Zielseite bereits existiert.

Berufsportal Elektroniker Maschinen und Antriebstechnik (HwO)