Informations- und Steuerungstechnik – Aufbereitungsmechaniker

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Informations- und Steuerungstechnik – Aufbereitungsmechaniker

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Einleitung

Wie wird aus einem Füllstandsignal ein Förderbefehl? Du entwickelst eine sichere Lernsimulation für einen Vorratsbunker: vom Ablaufentwurf über die virtuelle Logikschaltung zum getesteten Programm mit Prüfprotokoll.

Zielgruppe: Auszubildende im Beruf Aufbereitungsmechaniker/Aufbereitungsmechanikerin, erstes Ausbildungsjahr, gemeinsame Grundlagen aller Fachrichtungen. Bezug: KMK-Lerngebiet 1.5 mit einem schulischen Zeitrichtwert von 40 Stunden. Die Übersicht steht auf PDF-Seite 3; die vollständigen Detailziele stehen auf den Seiten 6–7. Der Zeitrichtwert ist keine automatisch bescheinigte Bearbeitungszeit dieses Kurses.

Arbeitsweise: Du arbeitest zunächst auf Papier und in Software. Alle Betriebsnamen, Messwerte und Ereignisse sind erfunden. Reale Elektro-, Maschinen-, Druck- oder Gefahrstoffarbeiten erfolgen ausschließlich im zulässigen Tätigkeitsrahmen unter qualifizierter Anleitung, nach betrieblicher Freigabe und Gefährdungsbeurteilung. Dieser Kurs verleiht keine Arbeits-, Ausbildungs- oder Prüfungsfreigabe.

Computer, Daten und Peripherie im Aufbereitungsbetrieb

Vom Messwert zur nutzbaren Information

Ein Sensor meldet zunächst ein Signal. Erst die Zuordnung zu einer Bedeutung macht daraus eine nutzbare Information: Die Zahl 12,0 kann eine Uhrzeit, eine Masse oder einen Stromwert bezeichnen. Die vollständige Angabe 12,0 mA, Messstelle LT1, Messbereich 4–20 mA, Zeitpunkt 08:10 lässt sich fachlich auswerten. In unserem Modell entsprechen 12,0 mA genau 50 % des vereinbarten Füllstands-Messbereichs. Daraus folgt ohne Kenntnis der Bunkergeometrie keine Aussage über das halbe Füllvolumen. Ohne Einheit, Messbereich und Herkunft wäre diese Schlussfolgerung nicht zulässig.

Das EVA-Prinzip beschreibt Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe. Speichern ergänzt diese Schritte: Ein Computer liest Daten, verarbeitet sie nach einem Programm und gibt ein Ergebnis aus. Daten und Programme können gespeichert werden. Ein Motor bewegt sich nicht schon deshalb, weil auf einem Bildschirm ein grünes Symbol erscheint: Zwischen Anzeige, Ausgangsbefehl und tatsächlichem Anlagenzustand muss unterschieden werden.

Bild lesen: Ordne einen virtuellen Füllstandsensor der Eingabe, die Vergleichsrechnung der Verarbeitung und die Meldung „Bunker voll“ der Ausgabe zu. Eine gespeicherte Ereignisliste gehört zur Datenspeicherung. Bild: Deadlyhappen, CC BY-SA 3.0; vollständiger Nachweis im Medienverzeichnis.

Stufe	Beispiel im Lernbetrieb	Prüffrage
Eingabe	Tastatur, Mausklick oder ein eingelesener Messwert	Ist die Herkunft klar und ist der Wert plausibel?
Verarbeitung	Ein Programm rechnet mA in Prozent um und vergleicht Grenzen	Stimmen Formel, Einheit und Bedingungen?
Ausgabe	Anzeige, Protokoll oder simulierter Stellbefehl	Wird das Ergebnis verständlich und eindeutig ausgegeben?
Speicherung	Projektdatei, Prüfprotokoll und freigegebene Programmversion	Kann die richtige Version wiedergefunden werden?

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Video: „Das EVA(S)-Prinzip – Wie verarbeitet ein Computer Informationen?“, Land Hessen/HMKB, 4:35 Minuten. Nutze die Erklärung als Einstieg und übertrage die Komponenten anschließend auf die Tabelle. Der Anbieter erläutert Computerkomponenten; unsere Bunkerbeispiele sind eine eigene berufliche Anwendung. Offizielle Veröffentlichungsseite.

Hardware, Software und Speicher unterscheiden

Hardware umfasst die körperlichen Bauteile: Prozessor, Arbeitsspeicher, Datenträger, Bildschirm und Schnittstellen. Der Prozessor führt Maschinenbefehle aus; der Arbeitsspeicher hält gerade benötigte Daten bereit. Typischer Arbeitsspeicher verliert seinen Inhalt beim Ausschalten. Eine SSD kann Dateien auch ohne Versorgung dauerhaft speichern, schützt aber nicht von selbst vor Löschen, Ausfall oder Schadsoftware.

Software sind Programme und zugehörige Daten. Das Betriebssystem verwaltet beispielsweise Geräte, Dateien, Benutzerrechte und laufende Anwendungen. Eine Tabellenkalkulation ist eine Anwendung; ein Druckertreiber vermittelt zwischen Betriebssystem und Drucker. Ein Dateiname ist weder das Programm selbst noch dessen Inhalt. Die Endung .py kennzeichnet üblicherweise Python-Quelltext; sie macht eine beliebige Textdatei allein noch nicht zu einem korrekten Programm.

Peripheriegeräte ergänzen den Rechner. Ein Bildschirm ist überwiegend Ausgabe, ein Scanner Eingabe; ein Touchscreen ermöglicht beides. Ein Netzanschluss überträgt Daten in beide Richtungen. Ein Industriecomputer oder eine speicherprogrammierbare Steuerung, kurz SPS, erfüllt ebenfalls Informationsverarbeitungsaufgaben, ist jedoch auf seine jeweilige technische Umgebung ausgelegt. Aus einem Produktfoto lassen sich weder die aktuelle Softwareversion noch sicherheitstechnische Eigenschaften ableiten.

Bild lesen: Wo liegen Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe dieser SPS? Hardwarebeispiel, kein Anschlussplan. Foto: UlrichAAB, 2010, CC BY-SA 3.0.

Geführte Computerbedienung: ein überprüfbares Arbeitsprodukt

Du nutzt einen freigegebenen Schulungsrechner mit persönlicher, passend beschränkter Anmeldung. Prüfe vor Beginn die Arbeitsanweisung: Welche Anwendung, welcher Speicherort und welches Austauschformat sind vorgesehen? Schließe keine unbekannten USB-Geräte an Produktionssysteme an. An einem Schulungsplatz darfst Du Peripherie nur entsprechend der dortigen Einweisung verwenden.

Durchgeführtes Beispiel zum Nachbilden: Öffne den Dateimanager und lege im zugewiesenen Lernordner den Unterordner „Bunker_Simulation“ an. Öffne einen Texteditor, trage die synthetischen Werte „LT1;12,0;mA;08:10“ ein und speichere die Datei als „messwert_v01.txt“ mit UTF-8-Zeichencodierung. Schließe den Editor, öffne die gespeicherte Datei erneut und kontrolliere Inhalt, Endung und Speicherort. Erzeuge über die Druckvorschau eine PDF-Ausgabe mit dem Titel „Messwert LT1 – Simulation“. Prüfe, ob die Einheit und die Kennzeichnung „Simulation“ lesbar sind. Die konkrete Menübezeichnung kann je nach Betriebssystem abweichen.

Erwartetes Ergebnis: Die Textdatei lässt sich erneut öffnen; die PDF enthält denselben Messwert und seine Bedeutung. Eingabe, Ausgabe und Speicherung sind getrennt nachgewiesen. Eine leere PDF oder eine Datei im falschen Ordner erfüllt den Auftrag nicht. Ein Ausdruck auf Papier ist nur nötig, wenn die Arbeitsanweisung ihn verlangt.

Für Qualität und Datenschutz legst Du eine eindeutige Version fest, sicherst das Arbeitsergebnis am vorgesehenen Ort und sperrst beim Verlassen den Bildschirm. Eine Kopie auf demselben defekten Datenträger ist keine wirksame Ausfallsicherung. Über die Datensicherung und Löschfristen entscheidet die freigegebene betriebliche beziehungsweise schulische Regelung.

Technische Aufgaben in Algorithmen und Pläne übersetzen

Vom unklaren Wunsch zum prüfbaren Auftrag

„Das Band soll automatisch laufen“ ist zu ungenau. Du musst festlegen, welche Eingaben vorliegen, welches Ergebnis erwartet wird und wann ein Befehl unterbleiben muss. Eine Anforderung beschreibt das gewünschte Verhalten. Ein Algorithmus ist eine eindeutige Folge von Schritten, mit der die Aufgabe gelöst werden soll. Eine Implementierung setzt diesen Ablauf in einer bestimmten Programmiersprache oder Gerätetechnik um.

Unser zunächst vereinfachter Förderauftrag lautet: Eine simulierte Förderfreigabe Y soll nur dann angezeigt werden, wenn Materialbedarf A vorhanden ist und die nachgeschaltete Anlage mit B ihre Betriebsbereitschaft meldet. Alle drei Größen sind binär: 1 bedeutet im vereinbarten Datenmodell „trifft zu“, 0 „trifft nicht zu“. Das ist eine kombinatorische Steuerungsaufgabe; ihr Ergebnis hängt nur von den gerade anliegenden Eingaben ab.

Teil der Spezifikation	Festlegung im Beispiel
Zweck	Eine nachvollziehbare Förderanforderung anzeigen.
Eingaben	A: Materialbedarf; B: nachgeschaltete Anlage betriebsbereit.
Ausgabe	Y: logische Förderfreigabe im Simulator.
Regel	Y ist genau dann 1, wenn A und B beide 1 sind.
Anfang und Störung	Beim Projektstart Eingänge auf 0 setzen; undefinierte Eingänge sind keine gültige Freigabe.
Nachweis	Alle vier Eingangskombinationen mit Soll und Ist prüfen.

Ein Füllstandsproblem benötigt zusätzlich Messbereich und Schaltschwellen. Eine reale Sicherheitseinrichtung benötigt darüber hinaus eine fachgerechte Risikobeurteilung, geeignete Architektur, Fehlererkennung und Validierung. Eine richtige UND-Tabelle beweist keine ausreichende Maschinensicherheit. Im Kurs wird ein Schutzsignal nur als synthetische Eingabe besprochen; niemand überbrückt oder baut eine reale Schutzeinrichtung um.

Sequenz, Auswahl und Wiederholung

Eine Sequenz führt Schritte nacheinander aus: Messwert übernehmen, Einheit zuordnen, Ergebnis ausgeben. Eine Auswahl entscheidet zwischen Wegen: Ist der Wert gültig, wird gerechnet; andernfalls erscheint eine Fehlermeldung. Eine Wiederholung bearbeitet mehrere Datensätze nach denselben Regeln. Dabei muss klar sein, wann die Schleife endet. Unser Programm verarbeitet eine endliche Liste synthetischer Werte.

Ausformulierter Algorithmus für die Förderfreigabe: Lies A und B. Prüfe, ob beide 1 sind. Gib dann Y = 1 aus, andernfalls Y = 0. Dokumentiere Eingaben und Ergebnis. Wiederhole dies für die nächste vorgegebene Kombination. Die Reihenfolge „zuerst Ausgang einschalten, danach Bedingungen prüfen“ wäre fachlich ungeeignet.

Eine kombinatorische Verknüpfung speichert keinen vorherigen Zustand. Eine Füllstandsregelung mit zwei Schaltschwellen benötigt dagegen einen Zustandsmerker: Zwischen den Schwellen entscheidet der bisherige Zustand mit. Diese Unterscheidung erklärt, warum eine Wahrheitstabelle allein für den späteren Gesamtfall nicht ausreicht.

Programmablaufplan und Struktogramm lesen

Ein Programmablaufplan stellt den Ablauf mit Symbolen und gerichteten Verbindungslinien dar. Start und Ende bilden Grenzen; ein Verarbeitungsschritt steht in einem Rechteck; eine Entscheidung verzweigt den Ablauf. Beschrifte ihre Wege eindeutig, etwa mit „ja“ und „nein“. Ein Eingabe-/Ausgabeschritt wird häufig als Parallelogramm dargestellt. Eine Linie ohne Pfeilrichtung oder eine Entscheidung ohne vollständig bezeichnete Ausgänge ist missverständlich.

Bild lesen: Verfolge die Pfeile vom Start bis zum Ende und beschreibe die Entscheidung in eigenen Worten. Dies ist ein allgemeines Darstellungsbeispiel, nicht der Plan unserer Bunkerregelung. Erik Streb, nach Vorlagen von Daniel Göhler und Hubi, CC BY-SA 3.0.

Die folgende Ablaufdarstellung überträgt das Prinzip auf unseren ersten Auftrag. Jede Zeile nennt den nächsten Schritt und sein Ziel; daraus lässt sich ein eigener grafischer Plan erstellen.

Knoten	Symbol/Funktion	Weiterführung
Start	Startsymbol	Zur Eingabe
Eingabe	A und B übernehmen	Zur Entscheidung
Entscheidung	A = 1 UND B = 1?	Ja: Y auf 1 setzen; Nein: Y auf 0 setzen
Ausgabe	Y zusammen mit A und B protokollieren	Zum Ende dieses Prüfschritts
Ende	Prüfschritt beendet	Nächsten Datensatz bewusst auswählen

Ein Struktogramm beschreibt dieselben Grundstrukturen durch ineinander angeordnete Flächen. Aufeinanderfolgende Blöcke bedeuten Sequenz; nebeneinanderliegende Entscheidungszweige bedeuten Auswahl; ein umschließender Wiederholungsblock enthält den Schleifenrumpf. Ein Struktogramm zeigt Programmstruktur, ein elektrischer Schaltplan dagegen Verbindungen von Bauteilen. Beide sind keine austauschbaren Bezeichnungen.

Bild lesen: Suche die aufeinanderfolgenden und die ineinander verschachtelten Blöcke. Zeichne anschließend für A UND B einen oberen Eingabeblock, einen Auswahlblock mit den Zweigen Y = 1 und Y = 0 sowie einen unteren Ausgabeblock. Renzsorf, Public-Domain-Freigabe laut Originaldatei.

Rechenwege und Grenzwerte präzise festlegen

Für den synthetischen Füllstandkanal gilt: 4 mA entsprechen 0 %, 20 mA entsprechen 100 %. Die Spanne beträgt 20 − 4 = 16 mA. Zuerst ziehst Du den unteren Messwert ab, dann teilst Du durch die Spanne und rechnest in Prozent um:

Füllstand in % = (Signalstrom in mA − 4 mA) / 16 mA × 100 %.

Bei 12 mA erhältst Du (12 − 4) / 16 × 100 = 50 %. Bei 8 mA sind es 25 %, bei 16 mA 75 %. Zur Rückrechnung gilt: Signalstrom in mA = 4 + Füllstand in % / 100 × 16. Für 20 % ergibt das 7,2 mA. Es handelt sich um eine lineare Skalierung mit ausdrücklich festgelegten Modellwerten; einen realen Sensor beurteilst Du anhand seiner tatsächlichen Parametrierung.

Typische Fehler: Die Rechnung 12 / 20 × 100 liefert 60 % und ignoriert den Nullpunktversatz. 0,012 A dürfen nicht ohne Umrechnung in eine Formel mit Zahlenwerten in mA eingesetzt werden. Ein Messwert außerhalb des vereinbarten Bereichs darf nicht kommentarlos zu einem scheinbar gültigen Wert abgeschnitten werden. Auch eine plausible Zahl kann von einer falschen Messstelle stammen.

Im späteren Fall wird bei höchstens 25 % eingeschaltet und bei mindestens 75 % ausgeschaltet. Diese Formulierungen schließen die Grenzwerte ein. „Unter 25 %“ wäre eine andere Anforderung. Die Differenz von 50 Prozentpunkten ist die hier bewusst große Hysterese: Sie verhindert, dass ein einzelner Schaltpunkt bei kleinen Schwankungen ständig Ein- und Ausschalten auslöst. Die Grenzen dienen dem Lernen, nicht der Auslegung eines realen Bunkers.

Programme entwickeln, prüfen und dokumentieren

Ein kleines Programm tatsächlich erstellen

Die Programmiersprache Python macht unsere Entscheidungsschritte gut lesbar. Du benötigst eine von der Schule oder dem Betrieb freigegebene Python-3-Lernumgebung. Es wird keine Verbindung zu einer Anlage hergestellt. Das Programm arbeitet nur mit den vorgegebenen Zahlen und gibt Text aus. Es benötigt weder ein Benutzerkonto bei einem Programmierdienst noch einen API-Schlüssel.

Geführter Arbeitsgang: Lege im Lernordner eine neue Textdatei „bunker_v01.py“ an. Übernimm das folgende Programm mit den Einrückungen. Speichere es und führe es in der freigegebenen Lernumgebung aus. Eine Tabellenkalkulation ist kein Python-Interpreter. Auf einem Tablet kann eine bereits genehmigte Lernumgebung verwendet werden; andernfalls führst Du zuerst eine vollständige Handdurchrechnung durch und lässt die Programmausführung am Schulungsrechner nachholen.

Die Funktion schritt bearbeitet jeweils einen simulierten Zeitpunkt. aktiv merkt sich, ob der Prozess bewusst gestartet wurde. motor_an merkt sich den bisherigen Förderzustand. start bedeutet einen neu ausgelösten Einzelimpuls in genau diesem Datensatz; ein dauerhaft gedrückter realer Starttaster wird damit nicht nachgebildet. betriebsfreigabe ist eine vereinfachte Prozesseingabe und kein geprüfter Sicherheitskanal.

"""Reine Lernsimulation: keine Verbindung zu einer realen Anlage."""


def schritt(strom_ma, betriebsfreigabe, start, aktiv, motor_an):
    # Nur im Lernmodell gilt genau 4 bis 20 mA als gültiger Bereich.
    if not (4.0 <= strom_ma <= 20.0):
        return False, False, None, "Ungültiger Messwert"
    fuellstand = (strom_ma - 4.0) / 16.0 * 100.0
    if not betriebsfreigabe:
        return False, False, fuellstand, "Betriebsfreigabe fehlt"
    if start and not aktiv:
        aktiv = True
        motor_an = False
    if not aktiv:
        return False, False, fuellstand, "Neustart erforderlich"
    if fuellstand >= 75.0:
        motor_an = False
    elif fuellstand <= 25.0:
        motor_an = True
    return aktiv, motor_an, fuellstand, "Betrieb aktiv"


if __name__ == "__main__":
    # Strom in mA, Betriebsfreigabe, bewusster Startimpuls
    messreihe = [
        (7.2, True, True),
        (12.0, True, False),
        (16.0, True, False),
        (12.0, True, False),
        (8.0, True, False),
        (8.0, False, False),
        (8.0, True, False),
        (8.0, True, True),
        (21.0, True, False),
        (8.0, True, False),
    ]
    aktiv, motor_an = False, False
    for nr, (strom, freigabe, start) in enumerate(messreihe, 1):
        aktiv, motor_an, pegel, meldung = schritt(
            strom, freigabe, start, aktiv, motor_an)
        anzeige = "--" if pegel is None else round(pegel, 1)
        print(nr, anzeige, aktiv, motor_an, meldung)

So liest Du den Code: Eine Variable speichert einen Wert. True und False sind Wahrheitswerte. Die Funktion wird mit Eingaben aufgerufen und liefert Ergebnisse zurück. if, elif und else wählen abhängig von Bedingungen einen Zweig. return beendet den Funktionsaufruf. Die for-Schleife arbeitet die Datensätze nacheinander ab. Die Einrückung ist in Python Teil der Struktur. In der Schreibweise des Programms steht bei Dezimalzahlen ein Punkt, im deutschen Ergebnistext häufig ein Komma. Die offizielle Python-Dokumentation erklärt diese Sprachmittel.

Testen heißt Soll und Ist vergleichen

Ein Programm ist nicht schon richtig, weil es ohne Fehlermeldung startet. Lege vor dem Test fest, welches Verhalten erwartet wird. Prüfe gewöhnliche Werte, Grenzen, unzulässige Eingaben und Zustandswechsel. Für die zehn Datensätze lautet die erwartete Motorfolge: 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0. Die vollständige Auswertung steht im Modellfall.

Testzweck	Eingabe oder Vorzustand	Erwartung mit Begründung
Untere Messbereichsgrenze	4 mA, Freigabe und neuer Startimpuls	0 %, aktiv und Motor an: Der Nennbereich schließt 4 mA ein.
Obere Messbereichsgrenze	20 mA, aktiver Betrieb	100 %, Motor aus: Der obere Schaltpunkt ist überschritten.
Einschaltgrenze	8 mA bei aktivem Betrieb	25 %, Motor an: „höchstens“ schließt den Grenzwert ein.
Ausschaltgrenze	16 mA bei aktivem Betrieb	75 %, Motor aus: „mindestens“ schließt den Grenzwert ein.
Gedächtnis im Zwischenbereich	12 mA, einmal vorher an, einmal vorher aus	Der jeweilige Zustand bleibt erhalten; derselbe Messwert kann zu verschiedenen Ausgaben führen.
Vorrang der Sperre	Freigabe fehlt, gleichzeitig start = True	Aktiv und Motor bleiben aus.
Fehler und Wiederkehr	Erst 21 mA, danach gültige 8 mA ohne Startimpuls	Fehler schaltet aus; der gültige Folgewert allein startet nicht neu.

Diagnosebeispiel: In einer absichtlich fehlerhaften Kopie steht bei der oberen Schwelle „fuellstand > 75“ statt „fuellstand >= 75“. Bei genau 75 % und vorher laufendem Motor bleibt dieser dann an. Dein Grenzwerttest zeigt die Abweichung. Korrigiere den Operator, erhöhe die Versionsnummer und wiederhole den betroffenen Test sowie die übrige Testfolge. Ändere nicht den erwarteten Sollwert, nur um das fehlerhafte Programm passend erscheinen zu lassen.

Ein Syntaxfehler verhindert das regelgerechte Lesen, etwa ein fehlender Doppelpunkt. Ein Laufzeitfehler tritt beim Ausführen auf, etwa beim Rechnen mit einem ungeeigneten Datentyp. Ein Logikfehler liefert trotz ausführbarem Code ein falsches Ergebnis. Unser Modell erwartet numerische Stromwerte und boolesche Freigaben. Es bewertet auch NaN und unendliche Zahlen als ungültig, ersetzt aber keine vollständige Eingabevalidierung einer Industrieanwendung.

Programmdokumentation und bedienergeführte Software

Dokumentiere Zweck, Version, Eingaben mit Einheit, Ausgabe, Schaltschwellen, Anfangszustand, Fehlerverhalten, Testergebnisse und Grenzen. Füge den Algorithmus und die Zuordnung zwischen Variablennamen und Messstellen bei. „Funktioniert“ ist kein Prüfprotokoll. „Test T4, 16,0 mA, vorher Motor an, Soll aus, Ist aus, Version 1.1“ ist nachvollziehbar.

Bedienergeführte Software unterstützt Dich durch Menüs, Schaltflächen, Eingabemasken und Hilfen. Du musst trotzdem die fachliche Bedeutung prüfen. Arbeite die vier Stationen durch; die Anleitung ersetzt keine betriebliche Softwarefreigabe.

Softwareart	Angeleitete Anwendung im Kurs	Arbeitsprodukt und Kontrolle
Lernprogramm	Bearbeite das Quiz im Kapitel „Interaktive Aufgaben“, lies eine Rückmeldung und prüfe den betreffenden Fachabschnitt erneut.	Kurze Fehlernotiz mit eigener Erklärung statt bloßer Punktzahl.
Grafikprogramm	Öffne eine freigegebene Zeichenanwendung, setze die Symbole für Eingabe, Entscheidung und Ausgabe, verbinde sie nach dem beschriebenen Ablauf und beschrifte beide Entscheidungswege.	Programmablaufplan als PDF oder Bild; ein Partner kann jeden Weg eindeutig verfolgen.
Simulationsprogramm	Baue im nächsten Kapitel eine UND-Schaltung im digitalen Logiksimulator auf und schalte alle vier Eingangskombinationen durch.	Schaltungsansicht und Soll-Ist-Tabelle; keine reale Maschine ist verbunden.
Steuerungsprogramm im Lernmodus	Öffne die freigegebene lokale Lernumgebung, starte „bunker_v01.py“, variiere in einer Kopie einen Messwert und führe erneut aus.	Textausgabe mit dokumentierter Änderung; vergleiche die gesamte Folge mit Deiner Vorhersage, da Zustandsmerker auch spätere Entscheidungen beeinflussen.

Als zusätzliche Auswertung kannst Du die zehn Datensätze in einer Tabellenkalkulation erfassen: eine Spalte für den Zeitpunkt, eine für den gültigen Füllstand und eine für den Motorzustand. Erzeuge ein Liniendiagramm des Füllstands und ein getrenntes Stufendiagramm beziehungsweise eine Zustandstabelle des Motors. Der ungültige Wert wird als Lücke gekennzeichnet. Stelle ihn nicht als 0 % dar. Prozentwert und binärer Zustand dürfen nicht ohne Erklärung auf derselben Skala erscheinen.

Grenze der Simulation: Das Programm berechnet Entscheidungen für vorgegebene Daten. Es modelliert weder Materialnachlauf noch Sensorverzögerung, Motordynamik oder Schüttkegel. Eine reale Überfüllsicherung benötigt eine dafür ausgelegte und geprüfte Lösung. Auch eine erfolgreich geprüfte Simulation ist keine Inbetriebnahmefreigabe.

Steuerketten, Regelkreise und Schaltungen verstehen

Signalformen und physikalische Träger

Ein Signal stellt Information durch eine physikalische Größe dar. Ein Füllstand kann beispielsweise als elektrischer Strom, als digitale Zahl oder als Schaltzustand übermittelt werden. Analog bedeutet hier, dass der Informationswert innerhalb eines Bereichs kontinuierliche Werte annehmen kann. Ein digitaler Wert besteht aus einer endlichen Menge unterscheidbarer Zustände; ein binäres Signal hat genau zwei logische Zustände. Ein in einer SPS gespeicherter Prozentwert kann viele verschiedene Zahlenwerte annehmen und ist dennoch digital codiert.

Signalform	Berufsnahes Beispiel	Häufiges Missverständnis
Analoges Messsignal	Ein Messumformer stellt 0–100 % durch 4–20 mA dar.	4 mA bedeuten im vereinbarten Messbereich nicht 4 %.
Binäres Zustandssignal	Ein Näherungssensor meldet „Metallteil erkannt“ oder „nicht erkannt“.	Die Bedeutung von 1 muss aus der Signalbeschreibung bekannt sein.
Digital codierter Zahlenwert	Eine Schnittstelle übermittelt den Zahlenwert 50 mit der Einheit Prozent.	Digital bedeutet nicht, dass nur „an“ oder „aus“ angezeigt werden kann.
Impulsfolge	Ein Geber liefert Impulse, aus deren Anzahl oder Häufigkeit eine Position oder Geschwindigkeit abgeleitet wird.	Ein Einzelimpuls ist noch kein verlässlicher Drehzahlnachweis.

Signalträger übertragen Information, Energieträger ermöglichen die Arbeitsleistung. Ein elektrischer Leiter kann ein schwaches Sensorsignal führen oder einen Motor mit Energie versorgen. Druckluft kann pneumatische Steuerinformation übertragen und zugleich einen Zylinder antreiben. Die Aufgabe der jeweiligen Leitung, ihre Kennzeichnung und die Unterlagen entscheiden über die Zuordnung. Aus gleicher Farbe oder gleichem Medium folgt keine gleiche Funktion.

Bild lesen: Ein induktiver Näherungssensor erfasst geeignete metallische Objekte berührungslos. Er kann beispielsweise eine metallische Zielmarke an einer Bewegung erkennen. Er ist nicht ohne weitere Eignungsprüfung ein Füllstandsensor für Sand oder jeden anderen Rohstoff. Foto: Ekbsensor, CC BY-SA 4.0; die Originalbeschreibung ist russisch.

Die Bauteile einer Steuerkette zuordnen

Eine Steuerkette beschreibt, wie ein Eingabesignal verarbeitet wird und über eine Stelleinrichtung einen Prozess beeinflusst. Die Steuerstrecke ist der betrachtete Prozessabschnitt, dessen Ausgangsgröße beeinflusst wird. Lege die Systemgrenze fest: Betrachtet man den Materialtransport, gehören beispielsweise Antrieb, Förderband und Materialfluss zur Prozesswirkung. Die funktionale Zuordnung eines Geräts kann je nach gewählter Grenze unterschiedlich detailliert sein.

Funktion	Elektrisches Förderbeispiel	Elektropneumatisches Beispiel
Signalglied: Zustand erfassen oder Befehl geben	Taster oder geeigneter Sensor	Endlagensensor am Zylinder
Steuerglied: Information verarbeiten	Logikbaustein oder SPS-Programm	Elektrische Verknüpfung der Sensorsignale
Stellglied: Energiefluss beeinflussen	Geeignete Leistungsschaltstufe oder Frequenzumrichter	Wegeventil, das Druckluftwege schaltet
Antriebsglied: Arbeitsbewegung erzeugen	Elektromotor	Pneumatikzylinder
Prozesswirkung in der Strecke	Band bewegt Rohstoff zum Bunker	Zylinder bewegt eine Klappe

Signalweg als Funktionsschema: Sensor → Steuerglied → Stellglied → Antrieb → Prozess. Der Energiefluss verläuft nicht einfach vollständig durch den Sensor: Versorgung und Leistungsteil liefern die Energie für den Antrieb. Eine kleine SPS-Ausgangsstufe darf nicht gedanklich mit einer Motorversorgung gleichgesetzt werden. Herstellerunterlagen legen die tatsächlich zulässigen Schnittstellen fest. Der berufliche Zusammenhang von Sensorverarbeitung, Steuerungsentscheidung, HMI und Aktorik wird auch in den Lernsystemen von Festo beschrieben.

Ein Signalverstärker stellt ein Signal mit größerer nutzbarer Ausgangsleistung beziehungsweise Amplitude bereit; die dafür benötigte Energie kommt aus einer Versorgung. Beispiel: Eine Ausgangsstufe nutzt ein kleines Steuersignal, um eine Ventilspule anzusteuern. Sie erzeugt keine Energie aus dem Nichts. Ein Signalwandler verändert die Darstellung: Ein Analog-Digital-Wandler macht aus einer gemessenen Spannung einen digitalen Zahlenwert; ein elektro-pneumatischer Wandler setzt ein elektrisches Signal in ein Drucksignal um. Ein Gerät kann wandeln und verstärken. Die Begriffe bezeichnen Funktionen, nicht zwingend getrennte Gehäuse.

Steuern, Regeln und Leiten unterscheiden

Bei einer Steuerung beeinflussen Eingangsgrößen den Prozess nach einer festgelegten Vorschrift. Für die betrachtete Ausgangsgröße findet kein fortlaufender Soll-Ist-Abgleich zur Korrektur ihrer Abweichung statt. Beispiel: Ein Förderband läuft nach Freigabe für eine feste Zeit; wie viel Material dadurch tatsächlich transportiert wurde, wird in diesem vereinfachten Fall nicht zurückgeführt.

Bei einer Regelung wird die zu beeinflussende Größe gemessen und zurückgeführt. Der Regler vergleicht den Istwert mit einer Vorgabe und beeinflusst über die Stelleinrichtung die Strecke. Beispiel: Ein Bunkerfüllstand wird erfasst; bei Erreichen der oberen Grenze stoppt der Zufluss, bei Erreichen der unteren Grenze beginnt er erneut. Das ist eine Zweipunktregelung mit Hysterese, obwohl der Stellbefehl nur an oder aus lautet. Die Messung eines Zustands allein macht dagegen noch keine Regelung: Eine bloße Warnanzeige korrigiert keinen Prozess.

Schema übertragen: Die Regelgröße ist unser Füllstand; die Messung liefert dessen Istwert; die Stellwirkung verändert den Zufluss. Die Entnahme aus dem Bunker wirkt als Störgröße. Die Schaltschwellen bilden ein Band. Unser Programm berechnet daraus Förderbefehle; einen tatsächlichen Füllstandsverlauf berechnet es nicht. Es hält den Füllstand auch nicht exakt auf 50 %. Diagramm: Pietz, spätere Bearbeitungen MatthiasDD, Public-Domain-Freigabe.

Eine Leiteinrichtung bündelt das Bedienen und Beobachten: Prozessbild, Messwerttrend, Meldungen, Zustände und zulässige Sollwerte werden übersichtlich dargestellt. Eine HMI ist eine Mensch-Maschine-Schnittstelle. Ein Prozessleitsystem kann mehrere Anlagenbereiche koordinieren. Seine Anzeige ersetzt weder die zugrunde liegende Steuerung noch unabhängige Schutzfunktionen. „Motorbefehl an“ und „Drehzahl tatsächlich vorhanden“ sind unterschiedliche Informationen. Für einen Fehlerbericht müssen beide getrennt bezeichnet werden.

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Video: „Robotik – Sensoren, Aktoren und Roboter“, Land Hessen/HMKB, 4:02 Minuten. Übertrage den Zusammenhang zwischen Erkennen und Handeln auf ein Förderband. Welche Elemente liefern Information, welche setzen Energie in Bewegung um? Eine Aufbereitungsanlage muss dafür kein Roboter sein. Offizielle Veröffentlichungsseite.

Mechanische, pneumatische, hydraulische und elektronische Steuerungen

Eine Steuerungsart wird nach ihrer technischen Realisierung beschrieben. In einer Anlage können mehrere Arten zusammenwirken. Die Wahl hängt unter anderem von Funktion, Umgebungsbedingungen, erforderlicher Kraft, Dynamik, Wartbarkeit und Energiebedarf ab.

Art	Prinzip und Beispiel	Fachliche Grenze oder typische Fehlerquelle
Mechanisch	Ein Nocken oder Hebel überträgt eine Bewegung und löst dadurch einen Ablauf aus.	Verschleiß, Spiel und falsch eingestellte Betätigungswege verändern die Wirkung.
Pneumatisch	Druckluftsignale betätigen Ventile; Druckluft treibt einen Zylinder an.	Luft ist kompressibel; Leckagen und Strömungswiderstände beeinflussen Verhalten und Verbrauch.
Hydraulisch	Eine unter Druck stehende Flüssigkeit überträgt Energie; Ventile beeinflussen den Volumenstrom zum Antrieb.	Gespeicherter Druck, angehobene Lasten und austretende Flüssigkeit erfordern besondere Schutzmaßnahmen.
Elektronisch	Sensoren und Logikschaltungen oder programmierte Steuerungen erzeugen Ausgangssignale.	Falsche Signalzuordnung, Programmfehler oder Versorgungsausfall können die Funktion verändern.

Bild lesen: Unterscheide den Zylinder als Antriebsglied von seinen Sensoren als Signalgliedern. Das Wegeventil als Stellglied ist eine eigene Funktion und nicht mit dem Zylinder gleichzusetzen. Foto: Mixabest, CC BY-SA 3.0.

Für eine überschlägige theoretische Zylinderkraft gilt F = p × A. Bei einem nur rechnerisch betrachteten Druckunterschied von 4 bar und einer wirksamen Kolbenfläche von 5 cm² erhältst Du 4 × 5 × 10 = 200 N, denn 1 bar × 1 cm² = 10 N. Reibung und weitere Gegenkräfte sind dabei noch nicht berücksichtigt. Kraft und Geschwindigkeit sind verschiedene Größen: Die Bewegungsgeschwindigkeit hängt auch vom verfügbaren Volumenstrom ab. Erhöhe an einer realen Anlage keinen Druck, um einen Rechen- oder Funktionsfehler zu „beheben“.

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Fachvideo zur Vertiefung: „Grundlagen der Pneumatik. Schulung für Techniker und für die Ausbildung“, Landefeld, Schulung mit Ralf Piepenbrink. Halte zu einem gezeigten Beispiel fest, wo Druckluftversorgung, Ventil, Antrieb und Steuerinformation vorkommen. Das Video ist ein externes Schulungsangebot eines Anbieters; betriebliche Schutzvorgaben und aktuelle Herstellerunterlagen bleiben maßgeblich. Veröffentlichungsseite des Anbieters.

Logikplan und Schaltplan: dieselbe Funktion anders darstellen

Bei UND ist der Ausgang nur dann 1, wenn alle betrachteten Eingänge 1 sind. Bei ODER genügt mindestens ein Eingang mit dem Wert 1; dies ist das einschließende Oder. Bei NICHT wird ein einzelner Wahrheitswert umgekehrt. Diese Regeln werden vor dem Aufbau mit einer Wahrheitstabelle geprüft.

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

Ein Logikplan zeigt die Verknüpfung von Signalen unabhängig von einer konkreten Verdrahtung. Das dargestellte UND-Gatter besitzt zwei Eingänge und einen Ausgang. Für unseren Auftrag erhalten die Eingänge die Bedeutung A = Materialbedarf und B = Betriebsbereitschaft; der Ausgang heißt Y = Förderfreigabe.

Logikplan lesen: Das Zeichen im Block steht für UND. Prüfe mit der Wahrheitstabelle, wann der Ausgang 1 sein muss. Dbc334 und Tobulax, Public-Domain-Freigabe.

Ein Schaltplan zeigt dagegen, welche Bauteile wie miteinander verbunden sind. Der folgende einfache Batteriestromkreis veranschaulicht die UND-Funktion durch zwei in Reihe angeordnete Kontakte. Er dient ausschließlich als Lesebeispiel. Eine reale Sicherheitsschaltung lässt sich daraus nicht ableiten.

Beschriftung übersetzen: Die Originalgrafik ist türkisch: „pil“ bedeutet Batterie, „lamba“ Lampe. Die Aussage unter dem Bild lautet sinngemäß: Die Lampe leuchtet nur, wenn beide Schalter geschlossen sind; geschlossen entspricht 1, offen entspricht 0. Im gezeichneten Zustand sind beide Kontakte offen. Die gelbe Farbfüllung des Lampensymbols ist Gestaltung und kein gemessener Einschaltzustand. Oğuz Ergin, CC BY-SA 4.0.

Verfolge den geschlossenen Stromweg von einem Batteriepol über A, B und Lampe zurück zum anderen Pol. Schon ein offener Kontakt unterbricht ihn. Werden zwei solche Kontakte parallel angeordnet, entsteht unter denselben Modellannahmen eine ODER-Funktion. Ein logisches NICHT ist eine Umkehr der vereinbarten Information; ob ein realer Öffnerkontakt diese Bedeutung liefert, hängt von Anschluss, Betätigung und Signaldefinition ab. „Öffner“ und „Fehler sicher erkannt“ sind keine gleichbedeutenden Aussagen.

Eine kombinatorische Steuerung virtuell aufbauen und prüfen

Gewählte Gerätetechnik: digitale Elektronik im Simulator. Nutze CircuitVerse am freigegebenen Schulungsrechner oder einen gleichwertigen lokalen Simulator. Die Oberfläche ist überwiegend englisch: Input = Eingang, Output = Ausgang, AND = UND. Verwende A, B und Y, speichere lokal; öffentliche Profile oder Schaltungen sind nicht nötig.

Aufbauanleitung: Erstelle ein leeres Projekt. Platziere zwei binäre Eingabeelemente, ein UND-Gatter mit zwei Eingängen und einen binären Anzeigeausgang. Stelle die Bitbreite auf ein Bit ein. Beschrifte die Eingänge A und B und den Ausgang Y. Verbinde ausschließlich die in der Anschlusstabelle angegebenen Punkte. Die Bezeichnungen „In1“ und „Out“ beschreiben hier virtuelle Anschlusspunkte; sie sind keine Klemmenangaben eines realen Geräts.

Verbindung	Von	Nach	Erwartete Funktion
W1	A, Ausgang	G1, erster Eingang	Bedarfssignal an das UND-Gatter
W2	B, Ausgang	G1, zweiter Eingang	Bereitschaftssignal an das UND-Gatter
W3	G1, Ausgang	Y, Anzeigeeingang	Ergebnis sichtbar machen

Funktionsprüfung: Setze zunächst A = 0 und B = 0. Lies Y ab. Schalte dann nacheinander 0/1, 1/0 und 1/1. Trage jedes Ergebnis als Istwert in eine Kopie der Wahrheitstabelle ein. Y darf nur bei 1/1 den Wert 1 annehmen. Eine nur gezeichnete, aber nicht angeschlossene Leitung ist keine Verbindung; prüfe die Anschlussknoten. Speichere die Schaltung unter „foerderfreigabe_v01“ und erzeuge eine Schaltungsansicht als Bild oder PDF.

Gezielter Fehlertest: Tausche in einer Kopie das UND-Gatter gegen ein ODER-Gatter. Die Prüfzeilen 0/1 und 1/0 liefern jetzt fälschlich eine Freigabe. Dokumentiere den gefundenen Unterschied, stelle UND wieder her und prüfe alle vier Kombinationen erneut. Ergänze separat ein NICHT-Gatter am Eingang A und kontrolliere seine beiden Zustände. So werden Aufbau, Funktionsprüfung, Fehleranalyse und Korrektur tatsächlich ausgeführt.

Sicherheitsbezug als Denkmodell: Ein zusätzliches synthetisches Signal G = Schutzbedingung erfüllt würde die logische Forderung Y = A UND B UND G ergeben. Bei G = 0 muss Y für alle vier A/B-Kombinationen 0 sein; bei G = 1 gilt die obige UND-Tabelle. Diese acht Prüfungen zeigen nur die logische Wahrheitstabelle. Sie prüfen keine Leitungsunterbrechung, keinen klebenden Kontakt, keine Diagnoseabdeckung und keinen erforderlichen Sicherheitsgrad. Reale Schutzfunktionen werden von dafür qualifizierten Personen ausgelegt und geprüft.

Bei Bedienproblemen am Tablet plane zunächst auf Papier. Den praktischen Aufbau weist Du anschließend durch tatsächliche Simulation oder einen fachkundig freigegebenen Lernaufbau nach; die Papierplanung genügt dafür nicht.

Sicher, datensparsam und nachhaltig arbeiten

Gefährdungen erkennen und Zuständigkeiten einhalten

In einer Aufbereitungsanlage können Elektrizität, bewegte Teile, gespeicherter Druck, angehobene Lasten, Staub, Lärm und betriebliche Stoffe gleichzeitig relevant sein. „Ausgeschaltet“ bedeutet nicht automatisch energiefrei. Ein Zylinder kann noch Druck enthalten, ein Bauteil kann absinken, ein Antrieb kann nachlaufen. Ein Bildschirmbild allein beweist keine sichere Lage.

Elektrotechnische Arbeiten gehören in den zulässigen Aufgabenbereich einer Elektrofachkraft beziehungsweise unter deren Leitung und Aufsicht. Instandhaltung erfordert fachkundige, beauftragte und unterwiesene Personen sowie festgelegte Schutzmaßnahmen. Für Auszubildende bedeutet das: Beobachtungen sachlich melden, die eigene Befugnis beachten und Arbeiten nur im freigegebenen Ausbildungsrahmen durchführen.

Im Lernfall arbeitest Du deshalb mit einer Meldungsliste und einer Simulation. Du greifst nicht in elektrische Anlagen ein, löst keine Druckverbindung, entfernst keine Abdeckung und hantierst nicht mit realen Gefahrstoffen. Bei einer tatsächlichen Gefahr gelten die betriebliche Unterweisung und Alarmorganisation. Ein Not-Halt ist eine ergänzende Schutzmaßnahme; sein Rücksetzen darf nicht unmittelbar den Maschinenanlauf auslösen. Die vollständige technische Wiederanlaufsicherung wird durch unser Python-Beispiel nicht nachgebildet.

Ergonomie und gesundheitliche Belastung

Digitale Anzeigen können körperlich belastende Wege und Eingriffe verringern. Gleichzeitig können langes Sitzen, ungünstige Blickrichtungen, Spiegelungen, kleine Schrift und unübersichtliche Meldungen belasten. Richte den Schulungsplatz passend zur Person und Tätigkeit ein: gut lesbare Anzeige, geeignete Beleuchtung, erreichbare Eingabegeräte und wechselnde Tätigkeiten. Meldungen sollen eine verständliche Ursache, einen Zeitpunkt und eine zuständige Rolle enthalten. Ein dauerhaft blinkendes, nicht erklärtes Symbol fördert keine sichere Entscheidung.

Auch Software muss bedienbar sein: Ein Prozessbild zeigt Befehl, Rückmeldung und Fehler eindeutig; wichtige Informationen dürfen nicht allein durch Rot oder Grün unterscheidbar sein. Text und Symbole ergänzen Farben. Unnötige Alarmfluten und dauernde Unterbrechungen können die Aufmerksamkeit erschweren. Die DGUV stellt hierzu Hinweise zur Gestaltung von Bildschirmarbeit und Arbeitsbedingungen bereit.

Technologiefolgen für Betrieb und Privatleben beurteilen

Neue Technologien verändern Tätigkeiten und Zusammenarbeit. Sie schaffen Möglichkeiten, verursachen aber auch Aufwand. Eine fachliche Beurteilung nennt jeweils Nutzen, mögliche Belastung und passende Gestaltung. Die folgenden Beispiele sind begründete Szenarien, keine Prognose über einen bestimmten Betrieb.

Perspektive	Mögliche Verbesserung	Mögliche Schwierigkeit	Gestaltungsansatz
Arbeitsorganisation	Störungen werden mit Zeitstempel nachvollziehbar übergeben.	Zuständigkeiten zwischen Leitwarte, Instandhaltung und IT bleiben unklar.	Zuständige Rollen, Meldeweg und Freigaben vorab vereinbaren.
Qualifikation	Messwerte und Simulationen unterstützen gute Entscheidungen.	Beschäftigte verstehen die automatisierte Entscheidung nicht mehr.	Grundlagen, Diagnosefähigkeit und regelmäßige Unterweisung vermitteln.
Arbeitsbedingungen	Weniger Aufenthalt in lauten oder staubigen Bereichen kann die Belastung verringern.	Überwachungstätigkeit kann monoton oder durch viele Alarme hektisch werden.	Aufgabenwechsel, verständliche Meldungen und geeignete Personalorganisation vorsehen.
Wirtschaftlichkeit	Weniger Fehlchargen und Leerläufe können Ressourcen sparen.	Anschaffung, Pflege, Schulung und Ausfälle verursachen Kosten.	Lebenszykluskosten statt nur Kaufpreis vergleichen.
Soziales und Privatleben	Digitale Lernangebote erleichtern zeitlich flexible Weiterbildung.	Ständige Erreichbarkeit und Unterschiede beim Gerätezugang können belasten.	Klare Erreichbarkeitsgrenzen und zugängliche Lernangebote schaffen.

Ein KI-Werkzeug kann beispielsweise einen Entwurf für einen Störungsbericht formulieren. Der Bericht wird dadurch nicht automatisch richtig. Prüfe Messstellen, Einheiten, Ereignisfolge und Zuständigkeit. Übertrage keine Zugangsdaten, vertraulichen Betriebsunterlagen oder personenbezogenen Lernergebnisse in nicht freigegebene Dienste. Ein ungeprüfter KI-Vorschlag wird nicht zur Änderung einer Maschinensteuerung verwendet.

Datenschutz, Datenqualität und Informationssicherheit

Datenschutz betrifft den Umgang mit personenbezogenen Daten. Informationssicherheit schützt unter anderem Vertraulichkeit, Unverfälschtheit und Verfügbarkeit von Informationen und Systemen. Ein Bunkerfüllstand ist zunächst ein Prozesswert. Wird er mit einer konkreten Bedienperson, einer Schichtkennung oder einer Leistungsbewertung verbunden, können Personenbezüge entstehen. Auch pseudonyme Kennungen sind nicht automatisch anonym.

Für das Lernprotokoll reichen „Anlage SIM-01“, Messstelle LT1, Zeitpunkt, Wert, Einheit, Programmversion und ein technischer Fehlercode. Namen, private Fotos, Noten und echte Zugangsdaten gehören nicht hinein. Dokumentiere nur Daten, die für den festgelegten Zweck benötigt werden; beschränke Zugriff und Aufbewahrung entsprechend der geltenden Regelung. Diese Grundsätze knüpfen an Zweckbindung, Datenminimierung und Speicherbegrenzung an.

Eine verständliche Datenprüfung umfasst Herkunft, Einheit, Messbereich, Zeitbezug und Version. Bei einer Änderung des Programms bleiben freigegebene Ausgangsdatei, Änderung und Testergebnis nachvollziehbar. Verwende genehmigte Konten und Schnittstellen, halte Zugriffsrechte ein und melde Auffälligkeiten. Die Fehlersuche im Lernsystem rechtfertigt keine unbefugten Zugriffe auf Produktionsnetze.

Qualität, Umwelt und Energie zusammendenken

Die Qualität einer Steuerung zeigt sich auch an nachvollziehbaren Meldungen und stabilen Abläufen. Ein falscher Füllstand kann unnötige Unterbrechungen, Vermischungen oder Materialverluste begünstigen. Saubere Daten und passende Schaltschwellen unterstützen daher sowohl Qualität als auch Ressourcenschonung. Eine reine Erhöhung des Durchsatzes ist kein ausreichendes Qualitätsziel.

Rechenbeispiel mit synthetischen Daten: Ein Förderantrieb nimmt im betrachteten Leerlauf 2,0 kW elektrische Leistung auf. Wird ein unnötiger Leerlauf von 15 Minuten je Schicht vermieden, entspricht das 2,0 kW × 0,25 h = 0,50 kWh je Schicht. Für 200 gleichartige Schichten ergeben sich 100 kWh. Das ist eine Modellrechnung; reale Einsparungen benötigen gemessene Leistungen, Laufzeiten und eine Prüfung der betrieblichen Auswirkungen.

Druckluftverluste, ungeeignete Betriebszustände und häufige unnötige Starts verursachen weiteren Aufwand. Melde erkennbare Auffälligkeiten; Einstellungen und Reparaturen erfolgen fachkundig. Beziehe auch die Lebensdauer und Entsorgung elektronischer Bauteile sowie den Aufwand der Datenspeicherung ein. Freigegebene Betriebs- und Schutzfunktionen dürfen für ein vermeintliches Sparziel nicht außer Kraft gesetzt werden.

Modellauftrag: Einen Vorratsbunker nachvollziehbar automatisieren

Arbeitsauftrag und Abnahmekriterien

Die fiktive Aufbereitungsanlage SIM-01 fördert aufbereitetes Schüttgut in einen Vorratsbunker. Dein Ausbildungsteam soll eine verständliche Lernsimulation entwickeln. Ein virtueller Kanal LT1 liefert den Füllstand, ein zweites Signal die betriebliche Bereitschaft. Du planst die Informationsverarbeitung, baust die kombinatorische Teilfunktion im Simulator auf und prüfst das Gesamtprogramm. Die Anlage existiert nur als Lernmodell.

Arbeitsprodukt: Erstelle eine Projektmappe „Bunker_SIM-01“ mit Auftragsbeschreibung, Signalzuordnung, Ablaufplan oder Struktogramm, Logik- und Verbindungsplan, Python-Programm, Testprotokoll, einer Ergebnisgrafik und einer kurzen Übergabenotiz. Die Lösung muss auch für eine andere Person verständlich sein. Nutze die folgenden verbindlichen Modellanforderungen.

Kennung	Anforderung	Woran die Erfüllung erkannt wird
R1	4–20 mA werden linear auf 0–100 % abgebildet.	8, 12 und 16 mA liefern 25, 50 und 75 %.
R2	Numerische Eingaben werden vorausgesetzt; gültig sind nur endliche Werte von 4 bis 20 mA.	21 mA und unendliche Werte lösen keine Förderung aus.
R3	Zu Beginn ist der Prozess inaktiv. Ein neuer Startimpuls ist bei vorhandener Freigabe erforderlich.	Ein gültiger Messwert allein startet nicht.
R4	Bei aktivem Betrieb wird bis zur oberen Schwelle gefüllt; bei höchstens 25 % eingeschaltet, bei mindestens 75 % ausgeschaltet.	Zwischen den Schwellen bleibt der bisherige Motorzustand erhalten.
R5	Fehlender Freigabestatus oder ungültiger Messwert setzt Aktivierung und Motorbefehl zurück.	Nach der Wiederkehr ist ein neuer bewusster Startimpuls erforderlich.
R6	Ergebnisse enthalten Schritt, Füllstand oder Fehler, Aktivierung, Motorbefehl und Meldung.	Fehlerwerte erscheinen nicht als scheinbar echter Nullfüllstand.

R2 vereinfacht reale Diagnose- und Übersteuerungsbereiche. Sicherheitsfunktionen, klebende Ausgänge und physikalischer Nachlauf werden nicht simuliert. Abgabe: Software-Arbeitsprobe, keine Bauanleitung.

Vollständige Musterlösung: Planung und Aufbau

Informationsweg: LT1 → Bereichsprüfung → Skalierung → Entscheidung anhand von Freigabe, Start und Zustand → Textausgabe. Projektdateien und Prüfprotokoll speichern den Nachweis. Reale Leistungsteile und Schutzarchitektur gehören nicht zur Simulation.

Name	Datentyp und Bedeutung	Quelle im Lernmodell
strom_ma	Zahl, Signalstrom in mA	Vorgegebene Messreihe
betriebsfreigabe	Wahrheitswert, Prozess darf grundsätzlich angefordert werden	Synthetischer Bereitschaftsstatus
start	Wahrheitswert, neuer bewusster Startimpuls dieses Schritts	Vorgegebene Testzeile
aktiv	Gespeicherter Wahrheitswert, Prozess gestartet	Ergebnis des vorherigen Schritts
motor_an	Gespeicherter Wahrheitswert, bisheriger Förderbefehl	Ergebnis des vorherigen Schritts
fuellstand und meldung	Prozentwert oder fehlender Wert sowie erklärender Text	Ergebnis der Verarbeitung

Ablauflösung: Zuerst den Messwert prüfen. Bei einem ungültigen Wert Aktivierung und Motor auf aus setzen und eine Fehlermeldung ausgeben. Andernfalls skalieren. Dann die Betriebsfreigabe prüfen; bei fehlender Freigabe ebenfalls zurücksetzen. Liegt ein neuer Startimpuls bei vorhandenem Freigabestatus vor, den Prozess aktivieren. Ohne Aktivierung bleibt der Motor aus. Im aktiven Prozess die obere Grenze prüfen, danach die untere; dazwischen den alten Motorzustand behalten. Abschließend das Ergebnis protokollieren. Diesen Ablauf wiederholt das Programm für jeden Datensatz.

Logische Teilfunktion: Materialbedarf A und Bereitschaft B werden durch ein UND-Gatter verknüpft. Die drei Verbindungen W1 bis W3 aus dem Schaltungskapitel bilden den virtuellen Aufbau; die vier Zeilen der Wahrheitstabelle bilden seine Funktionsprüfung. Die Freigabeverknüpfung ist kombinatorisch. Das vollständige Füllstandsprogramm benötigt zusätzlich gespeicherte Zustände und ist deshalb nicht vollständig durch diese eine UND-Tabelle beschrieben.

Softwarelösung: Das im Programmkapitel angegebene Python-Programm setzt R1 bis R6 um. Es verarbeitet einen Datensatz pro Schleifendurchlauf. Die neue Zustandsausgabe wird beim nächsten Aufruf wieder als Eingang verwendet. Bei einem Start im Zwischenbereich bleibt ein zuvor ausgeschalteter Motor aus; erst die untere Schwelle fordert die Förderung an. Dieser Sonderfall gehört zur dokumentierten Spezifikation.

Vollständige Musterlösung: Ergebnisse und Begründung

Die Spalten „Freigabe“ und „Start“ enthalten die synthetischen Eingabedaten. „Aktiv“ und „Motor“ sind berechnete Ausgaben. 1 bedeutet wahr beziehungsweise an, 0 falsch beziehungsweise aus. Die Schrittzahl beschreibt die Reihenfolge, keine garantierte reale Abtastzeit.

Schritt	mA	Freigabe	Start	Füllstand	Aktiv	Motor	Fachliche Begründung
1	7,2	1	1	20 %	1	1	Bewusster Start; untere Schwelle unterschritten.
2	12,0	1	0	50 %	1	1	Im Zwischenbereich bleibt der zuvor eingeschaltete Motor an.
3	16,0	1	0	75 %	1	0	Obere Schwelle erreicht; Förderung stoppt.
4	12,0	1	0	50 %	1	0	Derselbe Prozentwert wie in Schritt 2, aber anderer Vorzustand.
5	8,0	1	0	25 %	1	1	Untere Schwelle erreicht; aktiver Prozess fordert Förderung an.
6	8,0	0	0	25 %	0	0	Fehlende Freigabe setzt den Prozess zurück.
7	8,0	1	0	25 %	0	0	Freigabe ist wieder da; ein neuer Startimpuls fehlt.
8	8,0	1	1	25 %	1	1	Bewusster Neustart bei unterer Schwelle.
9	21,0	1	0	ungültig	0	0	Nennbereich im Modell verletzt; Fehler setzt zurück.
10	8,0	1	0	25 %	0	0	Gültige Messung nach dem Fehler reicht allein nicht zum Neustart.

Ergebnisdiagramm der Musterlösung: Horizontale Balken zeigen den Füllstand je Prüfschritt; 200 Pixel entsprechen 100 %. Werte und Motorzustand sind zusätzlich als Text lesbar. Die Schritte sind diskrete Testfälle, keine simulierte physikalische Zeitkurve.

Schritt	Füllstand: 0–100 %	Motor
1	20 %	1
2	50 %	1
3	75 %	0
4	50 %	0
5	25 %	1
6	25 %	0
7	25 %	0
8	25 %	1
9	Datenlücke: ungültig	0
10	25 %	0

Auswertung des Diagramms: Das Balkendiagramm zeigt zunächst 20, 50 und 75 %, danach 50 und 25 %. Der Motor bleibt im ersten Zwischenbereich an und im zweiten aus. Dies ist der sichtbare Nachweis der Hysterese. Schritt 9 erhält eine Datenlücke mit Fehlerhinweis. Die Motorzustände für Schritt 6, 7, 9 und 10 belegen den Vorrang von Freigabe- und Fehlerbehandlung.

Beispiel eines ausgefüllten Prüfprotokolleintrags: „SIM-01; Programmversion 1.1; Test R4-obere-Grenze; Eingang 16,0 mA; Freigabe wahr; vorher aktiv und Motor an; Soll: Füllstand 75 %, Motor aus; Ist: 75 %, Motor aus; Ergebnis: bestanden; Hinweis: reine Simulation.“ Ergänze entsprechende Einträge für alle Anforderungen. Der Name einer realen Bedienperson ist hierfür nicht erforderlich.

Beispiel einer Übergabenotiz: „Die Lernsimulation skaliert LT1 und zeigt die vereinbarten Schaltzustände. Der Grenzwertfehler aus Version 1.0 wurde in Version 1.1 korrigiert. Die vier Kombinationen der UND-Schaltung und die zehn Datensätze stimmen mit den Sollwerten überein. Nach einer Sperre ist ein neuer Startimpuls erforderlich. Messdynamik, mechanischer Nachlauf und funktionale Sicherheit sind nicht abgebildet. Die Projektmappe enthält keine realen Betriebs- oder Personendaten.“

Fachliches Bewertungsraster für das Arbeitsprodukt

Das folgende Raster bewertet die Unterrichtsleistung, nicht die Zulassung einer Maschine oder eine Kammerprüfung. Insgesamt sind 40 Punkte möglich. Für jede Zeile sind Zwischenwerte möglich; sie werden anhand fehlender oder teilweise erfüllter Nachweise begründet.

Kriterium	Volle Punktzahl bei folgendem Nachweis	Teilweise erfüllt	Maximal
Auftrag und Datenmodell	R1–R6, Einheiten, Datentypen und Systemgrenzen sind vollständig beschrieben.	Einzelne Angaben fehlen; Verhalten bleibt weitgehend nachvollziehbar.	5
Algorithmus und Darstellung	Ablaufplan oder Struktogramm stimmt mit der spezifizierten Reihenfolge überein; beide Darstellungsformen werden unterschieden.	Grundidee stimmt, aber Zweige oder Zustandsbezug sind unklar.	6
Virtuelle Gerätetechnik	Korrekte Verbindungen, beschriftete Schaltung und tatsächlicher Test aller vier Kombinationen sind dokumentiert.	Schaltung plausibel, aber Anschlüsse oder ausgeführte Prüfungen unvollständig.	6
Programm und Rechenweg	Skalierung, Hysterese, Initialzustand und Sperrverhalten entsprechen R1–R6.	Programm läuft, aber ein nachgewiesener fachlicher Fehler bleibt offen.	8
Prüfung und Fehlerkorrektur	Soll-Ist-Protokoll enthält Grenzen, Zwischenzustände und Fehlerfolge; Korrektur ist erneut geprüft.	Gewöhnliche Fälle stimmen, wesentliche Grenz- oder Fehlerfälle fehlen.	6
Sicherheit und Datenschutz	Simulation klar begrenzt, Zuständigkeiten erläutert, Wiederanlaufgedanke korrekt, nur synthetische Daten.	Hinweise vorhanden, aber einzelne Grenzen nicht eindeutig erklärt.	5
Dokumentation und Bewertung	Version, nachvollziehbare Grafik, Übergabe sowie ein begründeter Qualitäts-/Energieaspekt sind enthalten.	Ergebnis vorhanden, aber schwer reproduzierbar oder nicht begründet.	4

Bewertungsregel: Fehlende oder falsche Nachweise: 0 Punkte. Bei gefährlichen Handlungen, umgangenen Schutzfunktionen oder fremden Personendaten wird unterbrochen und korrigiert, unabhängig von anderen Punkten. Papierplanung zählt nicht als ausgeführter Aufbau und Funktionstest.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wähle jeweils genau eine Antwort. Nutze die Rückmeldungen, um Deinen Lösungsweg zu prüfen.

1. Welche Aufgabe gehört zum Betriebssystem eines Schulungsrechners? (Dateien und Geräte für die Anwendungen verwalten) (!Den Füllstand eines Bunkers ohne Sensor messen) (!Nur die grafische Form eines Ablaufplans festlegen) (!Den Prozessor als körperliches Bauteil ersetzen)

Rückmeldung: Das Betriebssystem verwaltet Ressourcen und stellt Anwendungen grundlegende Dienste bereit. Eine konkrete Füllstandsauswertung ist eine Anwendungsaufgabe; der Prozessor gehört zur Hardware.

2. Im Modell entsprechen 4 mA einem Füllstand von 0 Prozent und 20 mA einem Füllstand von 100 Prozent. Was bedeuten 12 mA? (50 Prozent) (!60 Prozent) (!75 Prozent) (!12 Prozent)

Rückmeldung: Zuerst wird der Anfangswert 4 abgezogen. Die verbleibenden 8 mA entsprechen der Hälfte der Spanne von 16 mA. Die Rechnung mit 12 geteilt durch 20 würde den Nullpunktversatz ignorieren.

3. Die kombinatorische Förderfreigabe lautet Y gleich A UND B. A ist eins und B ist null. Welcher Ausgang ist richtig? (Y hat den Wert null) (!Y hat den Wert eins) (!Y behält zwingend den Wert des vorherigen Prüfschritts) (!Y lässt sich erst aus dem Mittelwert beider Eingänge bestimmen)

Rückmeldung: UND verlangt beide Bedingungen zugleich. Eine reine kombinatorische Verknüpfung besitzt kein Gedächtnis. Ein Mittelwert hat in dieser booleschen Verknüpfung keine Bedeutung.

4. Welche Aussage unterscheidet ein digitales Signal fachlich richtig von einem analogen Signal? (Digitale Information verwendet unterscheidbare diskrete Zustände) (!Digitale Information kann grundsätzlich nur einen Motor ein und ausschalten) (!Ein angezeigter Prozentwert kann niemals digital gespeichert werden) (!Ein Signal wird allein durch eine größere elektrische Leistung digital)

Rückmeldung: Digital bezeichnet die diskrete Codierung. Auch ein Zahlenwert mit vielen möglichen Ausprägungen kann digital übertragen werden. Signalform und übertragene Leistung sind verschiedene Merkmale.

5. Warum ist die rückgeführte Füllstandentscheidung mit unterer und oberer Schaltschwelle eine Regelung? (Der gemessene Füllstand beeinflusst den Zufluss anhand einer Vorgabe) (!Jeder elektrische Motor bildet automatisch einen Regelkreis) (!Eine Regelung verwendet grundsätzlich keine Sensoren) (!Eine Regelung entsteht allein durch das Speichern eines Protokolls)

Rückmeldung: Die Rückführung der zu beeinflussenden Größe schließt den Wirkungskreis. Auch ein binärer Stellbefehl kann Teil einer Regelung sein. Ein Protokoll oder ein Motor allein stellt keinen Soll-Ist-Bezug her.

6. Der Prozess ist aktiv und freigegeben. Der Motor war aus. Der neue gültige Füllstand beträgt 50 Prozent. Was verlangt die vereinbarte Hysterese? (Der Motor bleibt aus) (!Der Motor schaltet bei jedem Zwischenwert ein) (!Der Motor wechselt bei jedem neuen Datensatz seinen Zustand) (!Der Prozess erklärt jeden Wert zwischen den Schwellen für ungültig)

Rückmeldung: Zwischen 25 und 75 Prozent bleibt der vorherige Zustand erhalten. Der Startimpuls aktiviert den Prozess, ersetzt aber nicht die Schaltbedingungen. Hysterese ist keine automatische Umschaltung bei jeder Messung.

7. Nach einem Messfehler liegt wieder ein gültiger Wert von 8 mA vor. Die Freigabe ist vorhanden, ein neuer Startimpuls fehlt. Wie reagiert das Programm? (Aktivierung und Motor bleiben aus) (!Der Motor startet wegen des niedrigen Füllstands sofort) (!Der Fehlerwert wird nachträglich als Nullfüllstand behandelt) (!Die Wiederkehr der Freigabe ersetzt automatisch den Startimpuls)

Rückmeldung: Der Fehler hat den Aktivierungsmerker zurückgesetzt. Ein gültiger Folgewert stellt die Betriebsbereitschaft her, aktiviert den Prozess aber nicht von allein. Der bewusste Neustart ist eine eigene Anforderung des Lernmodells.

8. Welches Bauteil übernimmt im beschriebenen elektropneumatischen Beispiel die Funktion des Stellglieds? (Das Wegeventil zur Beeinflussung des Druckluftstroms) (!Der Endlagensensor zur Erfassung der Position) (!Der Pneumatikzylinder zur Erzeugung der Arbeitsbewegung) (!Der gespeicherte Prüfbericht zur Dokumentation der Ergebnisse)

Rückmeldung: Das Wegeventil beeinflusst den Energiefluss. Der Sensor ist Signalglied, der Zylinder Antriebsglied und das Protokoll ein Informationsnachweis. Die Zuordnung richtet sich nach der jeweiligen Funktion.

9. Ein fehlerhafter Programmzweig schaltet erst oberhalb von 75 Prozent aus. Welcher Test deckt den Unterschied zur Forderung mindestens 75 Prozent am direktesten auf? (Genau 75 Prozent bei zuvor eingeschaltetem Motor prüfen) (!Nur 20 Prozent bei zuvor ausgeschaltetem Motor prüfen) (!Nur die Existenz der gespeicherten Programmdatei prüfen) (!Den Programmnamen ändern und dieselben ungeprüften Werte erneut verwenden)

Rückmeldung: Der Grenzwerttest trifft genau den Unterschied zwischen größer und größer gleich. Bei einem deutlich kleineren Wert kann dieser Fehler verborgen bleiben. Speichern und Umbenennen prüfen keine fachliche Bedingung.

10. Welche Dokumentation passt zum datensparsamen synthetischen Prüfauftrag? (Messstellenkennung mit Einheit Zeitpunkt Programmversion und Prüfergebnis) (!Private Kontaktdaten aller Mitglieder der Lerngruppe) (!Echte Zugangsdaten als Nachweis der erfolgreichen Anmeldung) (!Ungeprüfte Fotos aus einem Produktionsbereich mit erkennbaren Personen)

Rückmeldung: Der technische Nachweis benötigt die zum Zweck passenden Prozessangaben. Private Daten und Zugangsdaten verbessern ihn nicht. Reale Bilder und Betriebsinformationen dürfen nicht ohne passende Berechtigung veröffentlicht werden.

Memory: Begriffe sicher verbinden

Ordne jedem Begriff genau die zugehörige Erklärung zu.

Prozessor	Führt die Maschinenbefehle eines Programms aus
Arbeitsspeicher	Hält gerade benötigte Daten typischerweise nur bei vorhandener Versorgung bereit
Betriebssystem	Verwaltet Dateien Geräte und grundlegende Dienste für Anwendungen
Algorithmus	Beschreibt eindeutige Schritte zur Lösung einer Aufgabe
Hysterese	Nutzt unterschiedliche Ein- und Ausschaltschwellen mit Zustandsbeibehaltung dazwischen
Signalwandler	Verändert die physikalische oder digitale Darstellung einer Information
Prüfprotokoll	Vergleicht dokumentierte Sollwerte und tatsächlich ermittelte Istwerte

Drag-and-drop: Schritte der Bearbeitung

Verbinde die Handlung mit der passenden Beschreibung.

Passende Handlung	Beschreibung
Auftrag klären	Eingaben Ausgaben Grenzen und Abnahmekriterien festlegen
Algorithmus entwerfen	Eindeutige Entscheidungen und deren Reihenfolge beschreiben
Simulation aufbauen	Virtuelle Bauteile nach dem Verbindungsplan verknüpfen
Funktion prüfen	Soll und Ist für Normalfälle Grenzwerte und Fehler vergleichen
Ergebnis übergeben	Version Prüfnachweise und Modellgrenzen nachvollziehbar bereitstellen

Kreuzworträtsel

Gesucht sind sechs Fachwörter. Umlaute werden als normale Buchstaben geschrieben.

Sensor	Welches Bauteil erfasst eine physikalische Größe oder einen Zustand?
Aktor	Wie heißt ein Element das ein Steuersignal in eine physische Wirkung umsetzt?
Speicher	Wie heißt allgemein eine Einrichtung zum Aufbewahren von Daten?
Algorithmus	Wie heißt eine eindeutige Schrittfolge zur Problemlösung?
Hysterese	Welcher Begriff bezeichnet das unterschiedliche Ein- und Ausschaltverhalten an zwei Schwellen?
Regelkreis	Wie heißt das Wirkungsgefüge mit Rückführung der geregelten Größe?

LearningApps

Die Einbettung öffnet eine Themensuche. Deren Bestand kann sich ändern; eine Suchseite ist keine fachliche Freigabe jeder dort gefundenen Übung. Wähle gemeinsam mit der Lehrkraft eine passende Anwendung zu Computergrundlagen, Logik oder Steuerungen und vergleiche ihre Aussagen mit diesem Kurs. Die hier eingebauten Spiele bleiben unabhängig davon nutzbar.

Lückentext: Den Gesamtzusammenhang erklären

Ergänze die Fachbegriffe und überprüfe die Zusammenhänge.

Die körperlichen Bauteile eines Computers heißen . Ein Programm gehört zur . Die Verwaltung von Dateien und Geräten übernimmt das . Beim EVA-Prinzip folgt auf die Eingabe die . Eine eindeutige Schrittfolge zur Problemlösung wird als bezeichnet. Eine Auswahl im Programmablaufplan benötigt eine klar formulierte . Ein binäres Signal besitzt genau logische Zustände. Eine UND-Verknüpfung liefert nur bei gleichzeitig erfüllten Eingaben eine . Der Füllstandkanal liefert bei zwölf Milliampere im vereinbarten Modell Prozent. Zwischen den beiden Schaltschwellen erhält die den bisherigen Förderzustand. Nach einem Messfehler verlangt die Simulation einen bewussten . Ein Wegeventil beeinflusst den Energiefluss als . Die gemessene Prozessgröße gelangt in einem Regelkreis durch wieder zum Regler. Für einen Funktionsnachweis werden Sollwerte mit verglichen. Veränderungen am Programm bleiben durch eine eindeutige nachvollziehbar. Das Lernprotokoll enthält ausschließlich Daten.

Offene Aufgaben

Bearbeite die Aufgaben mit synthetischen Daten. Die Kürzel L1–L4, S1–S4 und H1–H4 verbinden Auftrag und Lösungshorizont. Reale Anlagen werden nicht verändert.

Leicht

1. Computer und Daten – L1: Erstelle eine beschriftete Lernkarte mit Prozessor, Arbeitsspeicher, SSD, Tastatur, Bildschirm, Betriebssystem, Zeichenprogramm und Drucker. Ordne Hardware oder Software sowie passende EVA-/Speicherfunktionen zu und erkläre eine Mehrfachfunktion.
2. Dateien und Peripherie – L2: Führe den beschriebenen Dateiauftrag mit dem synthetischen Messwert LT1 aus. Gib Textdatei und PDF-Ausgabe ab und beschreibe in vier Sätzen Eingabe, Speicherung, erneutes Öffnen und Ausgabeprüfung.
3. Steuerkette – L3: Zeichne auf Papier Sensor, Logik, Wegeventil und Zylinder als Funktionskette. Erstelle mit dieser eigenen Zeichnung einen höchstens einminütigen Erklärfilm oder einen gleichwertigen Bildertext; erläutere Signal- und Energiefluss ohne reale Anlage oder erkennbare Personen zu filmen.
4. Messwertskalierung – L4: Erstelle eine Tabelle für 4, 8, 12, 16 und 20 mA im vereinbarten Bereich. Zeige eine vollständige Rechnung, nenne alle zugehörigen Prozentwerte und erkläre, weshalb 12 geteilt durch 20 hier nicht die richtige Skalierung ist.

Standard

1. Logische Verknüpfungen – S1: Ergänze zum Förderbedarf A und zur Bereitschaft B das synthetische Schutzsignal G. Formuliere Y = A UND B UND G in Worten, zeichne den Logikplan und erstelle eine Wahrheitstabelle mit allen acht Kombinationen. Kennzeichne die Grenze zwischen logischer Prüfung und tatsächlicher Sicherheitsfunktion.
2. Virtueller Schaltungsaufbau – S2: Baue die zweistellige UND-Schaltung nach der Anschlusstabelle virtuell auf. Dokumentiere die vier Soll-Ist-Paare und den Fehlertest mit einem ODER-Gatter. Gib die korrigierte Schaltungsansicht mit einer Versionsangabe ab.
3. Programmtest und Dokumentation – S3: Gib das Bunkerprogramm in der freigegebenen Lernumgebung ein und führe es aus. Untersuche in einer Kopie den beschriebenen Fehler am oberen Grenzwert, korrigiere ihn und dokumentiere Testeingabe, Vorzustand, Soll, Ist und korrigierte Version.
4. Bedienoberfläche – S4: Entwirf eine übersichtliche Bildschirmansicht für SIM-01 mit Füllstand, Messwertgültigkeit, Motorbefehl, Aktivierung und Meldung. Begründe mindestens zwei ergonomische Entscheidungen und nenne die Daten, die für den technischen Zweck ausreichen.

Schwer

1. Vollständiger Projektauftrag – H1: Erstelle die vollständige Projektmappe zum Modellfall eigenständig. Vergleiche Deine Lösung anschließend mit R1–R6 und dem Bewertungsraster; kennzeichne jede Abweichung sowie den erforderlichen Korrekturschritt.
2. Technologievergleich – H2: Vergleiche eine mechanische, pneumatische, hydraulische und elektronische Realisierung einer fiktiven Klappenbetätigung. Erstelle eine Entscheidungsmatrix zu Funktion, Energie, Wartung, Arbeitsbedingungen und Diagnose; formuliere eine begründete Vorauswahl für ein Lernmodell und benenne die für eine reale Auswahl noch fehlenden Angaben.
3. Systematische Fehleranalyse – H3: Zwei Protokolle zeigen beide 12 mA und vorhandene Freigabe, aber unterschiedliche Motorbefehle. Entwickle mindestens drei prüfbare Erklärungen, untersuche die Vorgeschichte in der Simulation und schreibe eine sichere Diagnoseanweisung für die Auswertung vorhandener Daten.
4. Technikfolgen und Energie – H4: Beurteile die fiktive Umstellung eines manuell bedienten Förderabschnitts auf automatische Bedarfserkennung. Berechne die Modell-Einsparung bei 2,0 kW vermiedenem Leerlauf für 15 Minuten in 200 Schichten und erstelle eine einseitige Stellungnahme mit Qualitäts-, Qualifikations-, Datenschutz- und Erreichbarkeitsaspekten.

Lösungshorizonte zu den zwölf offenen Aufgaben

Die folgenden Lösungen zeigen die fachlichen Mindestbestandteile. Bei Gestaltungsaufgaben sind andere nachvollziehbar begründete Ausführungen möglich.

Aufgabe	Nachvollziehbare Lösung beziehungsweise Erwartung
L1	Prozessor, RAM, SSD, Tastatur, Bildschirm und Drucker sind Hardware; Betriebssystem und Zeichenprogramm sind Software. Tastatur: Eingabe; Prozessor: Verarbeitung; Bildschirm und Drucker: Ausgabe; RAM und SSD: Speicherung mit unterschiedlicher Beständigkeit. Als Mehrfachfunktion eignet sich ein ergänzter Touchscreen mit Ein- und Ausgabe. Die Einordnung erklärt die Funktion und zeigt nicht bloß zwei Spalten.
L2	Die Datei enthält Messstelle, Wert, Einheit und Zeitpunkt; erneutes Öffnen bestätigt den Speicherort und Inhalt. Die PDF zeigt dieselben Angaben lesbar mit Simulationskennzeichnung. Der Bericht unterscheidet Speichern von Ausgeben. Ein Screenshot eines Dateinamens ohne Inhaltskontrolle reicht nicht.
L3	Sensor = Signalglied; Logik = Steuerglied; Wegeventil = Stellglied; Zylinder = Antriebsglied. Die Druckluftversorgung liefert die Bewegungsenergie. Das kleine Sensorsignal überträgt Information. Film oder Bildertext nennt die Modellgrenze und zeigt keinen praktischen Eingriff.
L4	Zu 4/8/12/16/20 mA gehören 0/25/50/75/100 %. Beispiel: (12 − 4) / 16 × 100 = 50 %. Die falsche Rechnung setzt einen Messbereich ab 0 mA voraus. Füllstand in Prozent wird nicht ohne Geometriekenntnis in ein Volumen umgedeutet.
S1	Bei 000, 001, 010, 011, 100, 101 und 110 ist Y = 0; nur bei 111 ist Y = 1. Der Logikplan verbindet alle drei Eingänge mit UND. Der Nachweis umfasst keine realen Fehlerarten, Diagnose oder Sicherheitsvalidierung; diese Grenze wird ausdrücklich benannt.
S2	Die Verbindungen W1–W3 entsprechen der Vorgabe. Für 00/01/10/11 ergeben sich 0/0/0/1. Das ODER-Gatter liefert 0/1/1/1; die beiden mittleren Fälle decken den Fehler auf. Nach Rückbau sind alle vier Istwerte erneut geprüft und die Änderung ist versioniert.
S3	Die zehn Datensätze liefern die Motorfolge 1/1/0/0/1/0/0/1/0/0. Ein eigener Grenzwerttest mit 16 mA und vorher Motor an findet den Fehler „größer statt größer gleich“. Nach der Korrektur ist der Motor am Grenzwert aus; das Protokoll enthält Vorzustand und Version, damit der Test reproduzierbar ist.
S4	Die Ansicht trennt Prozentwert, gültig/ungültig, Aktivierung und Motorbefehl. Bei Schritt 9 erscheint eine Fehlerkennzeichnung statt 0 %. Gute Lesbarkeit, sinnvolle Gruppierung und zusätzliche Texte zu Farben sind begründet. SIM-01, LT1, Schritt/Zeit, Zustand, Version und Fehlercode genügen; reale Personendaten fehlen.
H1	Die Mappe enthält alle geforderten Teile. Skalierung und zehn Ergebniszeilen stimmen mit der Musterlösung überein; die virtuelle Teilfunktion ist tatsächlich aufgebaut und geprüft. R1–R6 sind jeweils einem Nachweis zugeordnet. Eine nicht ausgeführte Prüfung wird als offen markiert und nicht als bestanden ausgegeben.
H2	Die Matrix erläutert je Technik ein geeignetes Wirkprinzip und Grenzen. Pneumatik kann bei vorhandener Versorgung einfach sein, verursacht aber Druckluftaufwand; Hydraulik kann hohe Kräfte ermöglichen, verlangt aber zusätzliche Druck-/Fluidbetrachtung; mechanische Lösungen benötigen passende Bewegungsübertragung; Elektronik ermöglicht flexible Logik und Diagnose, benötigt jedoch Energie- und Aktorschnittstellen. Für die reale Wahl fehlen mindestens Last, Hub, Takt, Umgebung und Sicherheitsanforderungen. Eine universell beste Technik wird nicht behauptet.
H3	Erklärung 1: Unterschiedlicher Motor-Vorzustand im Hystereseband. Erklärung 2: Ein Protokoll folgt auf eine Sperre und besitzt noch keinen neuen Startimpuls. Erklärung 3: Unterschiedliche Programmversion oder falsch zugeordneter Messzeitpunkt. Vergleiche zuerst Einheiten, Messstellen, Version und Vorgeschichte; spiele die jeweilige Folge im Simulator nach. Keine reale Schutzfunktion wird überbrückt und keine gefährliche Messung eigenständig vorgenommen.
H4	15 Minuten = 0,25 Stunden; 2,0 kW × 0,25 h × 200 = 100 kWh. Das ist die elektrische Modell-Einsparung ohne weitere Effekte. Die Stellungnahme wägt mögliche Qualitätsverbesserung gegen Schulungs-, Pflege- und Ausfallaufwand ab, fordert zweckgebundene technische Daten und klare Grenzen der Erreichbarkeit. Reale Entscheidungen benötigen gemessene Betriebsdaten und eine fachliche Bewertung.

Lernkontrolle

Bearbeite die folgenden Transferfragen zunächst ohne Lösungstabelle. Begründe jeweils mit einer Beobachtung oder einer Regel aus dem Kurs.

1. Befehl und Rückmeldung: Im Prozessbild steht „Motorbefehl an“, der Drehzahlnachweis fehlt. Nenne zwei unterschiedliche Erklärungen und begründe, warum die Anzeige keinen sicheren Nachweis der tatsächlichen Bewegung liefert.
2. Steuerung und Regelung: Vergleiche „Band läuft nach Freigabe zehn Sekunden“ mit „Zufluss wird anhand des zurückgeführten Füllstands ein- und ausgeschaltet“. Welche Größe wird jeweils betrachtet, und wie wirken geänderte Materialeigenschaften oder Entnahmeraten?
3. Skalierung und Qualität: Eine Auswertung zeigt bei 12 mA einen Füllstand von 60 %. Rekonstruiere den wahrscheinlichen Rechenfehler, korrigiere ihn und erläutere eine mögliche Folge für den Prozess.
4. Zustandsabhängigkeit: Begründe mit zwei konkreten Vorgeschichten, warum 50 % Füllstand sowohl mit Motor an als auch mit Motor aus vereinbar sind. Welche zusätzliche Information muss ein Prüfprotokoll enthalten?
5. Grenzen von Funktionsprüfungen: Eine UND-Schaltung besteht alle vier Wahrheitstabellenprüfungen. Warum folgt daraus keine Freigabe als Maschinenschutz? Benenne mindestens zwei nicht geprüfte Eigenschaften und eine zuständige fachliche Klärung.
6. Digitale Arbeitsorganisation: Ein Team möchte für schnelle Zusammenarbeit echte Schichtberichte einschließlich Namen und Screenshots in einen beliebigen privaten Onlinespeicher legen. Entwickle eine fachlich brauchbare Alternative, die Zusammenarbeit, Datenminimierung, Zugriff und Versionsstand berücksichtigt.

Lösungen und Begründungen zur Lernkontrolle

Kontrolle	Erwartete Argumentation
1	Möglich sind ein Problem im Leistungspfad oder Antrieb und ein Problem des Drehzahlsensors beziehungsweise seiner Datenübertragung. Ein Befehl zeigt die Absicht der Verarbeitung, keine bestätigte Wirkung. Die sichere Vorgehensweise beginnt mit vorhandenen Meldungen und Zuständigkeiten; reale Prüfungen erfolgen fachkundig.
2	Bei der Zeitvorgabe wird die transportierte Menge nicht zurückgeführt; Materialeigenschaften können deshalb die tatsächlich geförderte Menge verändern. Die Füllstandsregelung berücksichtigt die beobachtete Größe und reagiert auf Entnahmeänderungen, soweit Anlage und Auslegung dies ermöglichen. Kein Konzept garantiert ohne weitere Prüfung jedes Betriebsziel.
3	Wahrscheinlich wurde 12 / 20 × 100 gerechnet. Richtig ist (12 − 4) / 16 × 100 = 50 %. Eine zu hohe Anzeige kann beispielsweise einen Förderstopp zu früh auslösen. Auch die tatsächliche Parametrierung des Messkanals muss zur verwendeten Formel passen.
4	Nach 20 % mit aktivem Motor bleibt er bei 50 % an; nach 75 % mit ausgeschaltetem Motor bleibt er bei 50 % aus. Zusätzlich werden Aktivierungszustand, vorheriger Motorzustand und Ereignisfolge benötigt. Ein isolierter Messwert reicht nicht zur vollständigen Beurteilung.
5	Geprüft ist die logische Funktion bei vorgegebenen gültigen Eingaben. Nicht geprüft sind beispielsweise Bauteilfehler, Leitungsfehler, Diagnose, Reaktionszeiten und erforderliches Sicherheitsniveau. Die Beurteilung der realen Schutzfunktion erfordert zuständige qualifizierte Planung und Validierung.
6	Nutze einen freigegebenen Arbeitsbereich mit rollenbezogenem Zugriff und nachvollziehbarem Versionsstand. Entferne für den Lernzweck Personenbezüge und vertrauliche Inhalte; verwende synthetische Beispiele. Lege Zweck, Freigabe, Verantwortlichkeit und Aufbewahrung fest. Ein beliebiger privater Speicher wird nicht durch Bequemlichkeit zulässig.

Lernnachweis

Reiche die Projektmappe SIM-01 mit den im Modellauftrag geforderten Produkten ein. Ergänze zwei dokumentierte Fehlerkorrekturen und eine begründete Verbesserung zu Ergonomie, Datenschutz oder Energieverbrauch. Bewerte die Belege mit dem 40-Punkte-Raster; Ergebniszahlen allein ersetzen weder Rechenwege noch Funktionsprüfungen.

Nachweismatrix: Die elf Detailziele des vollständigen Lerngebiets 1.5 auf PDF-Seiten 6–7 werden sinngemäß zugeordnet.

Ziel im Quellenabschnitt, sinngemäß	Nachweis in diesem Kurs
1. Computeraufbau und Informationsverarbeitung verstehen	EVA, Hardware/Software und Speicher erklären; L1 und Lernkontrolle 1.
2. Computer und Peripherie nach Anleitung bedienen	Datei anlegen, speichern, erneut öffnen und als PDF ausgeben; Bedienprotokoll aus Kapitel 1.
3. Technische Aufgaben strukturieren	Anforderungen, Algorithmus, Ablaufplan und Struktogramm zu Füllstand, Fördertechnik und Schutzbedingung.
4. Programm erstellen, testen und dokumentieren	SIM-01 eingeben und ausführen; Fehlerkorrektur und Soll-Ist-Vergleich.
5. Bedienergeführte Programme einsetzen	Lernprogramm, Grafik, Simulation und Steuerungsansicht nach den vier Arbeitsaufträgen nutzen.
6. Technologiefolgen beurteilen	Ergonomische, soziale und wirtschaftliche Folgen für Arbeit und Privatleben; H4.
7. Steuerkette, Regelkreis und Leiteinrichtungen unterscheiden	Signalweg, Rückführung und HMI; S4 und Lernkontrolle 2.
8. Steuerungsarten unterscheiden	Mechanische, pneumatische, hydraulische und elektronische Beispiele aus Kapitel 4 vergleichen.
9. Aufbau und Funktion einer Steuerkette erklären	Signalformen, Energie-/Signalträger, Signal-, Steuer-, Stell- und Antriebsglied sowie Verstärker und Umsetzer zuordnen.
10. Logik- und Schaltpläne erklären	UND/ODER/NICHT, Wahrheitstabellen, Gatterplan und Kontaktschaltung; S1/S2.
11. Kombinatorische Steuerung aufbauen und prüfen	Virtuelle UND-Schaltung verbinden, vier Zustände testen und Änderung zu ODER prüfen.

Reflexion: Unterscheide tatsächlich ausgeführte Tätigkeiten von Papierlösungen und vermerke offene Schritte. Der Lernnachweis ist keine amtliche Ausbildungs-, Prüfungs- oder Anlagenfreigabe.

OER und Wikipedia

Ausbildungsordnung und Geltungsbereich

Recherchestand: 31.10.2026; angenommener Ausbildungsbeginn: 2026. Die geprüfte Ausbildungsordnung von 2004 gilt seit 1. August 2004; Ausbildungsdauer: drei Jahre. Fachrichtungen im dritten Jahr: Naturstein, feuerfeste und keramische Rohstoffe, Sand und Kies, Steinkohle, Braunkohle. Prüfe Vertragsbeginn und Fachrichtung mit dem Betrieb; die Altvertragsregelung gilt nicht für neue Verträge.

Der KMK-Plan von 1992 liefert die schulischen Detailziele; historische Rechts- und Sicherheitsverweise werden nicht als aktuelle Handlungsanweisung übernommen. Schulischer Plan und betriebliche AO unterscheiden sich in Gliederung und zeitlicher Zuordnung. Dieser Erstjahreskurs deckt die betriebliche Steuerungs- und Regelungstechnik nicht vollständig ab. Die modernisierten Standardberufsbildpositionen von 2021 sind für ältere Berufe empfohlen, ohne deren Verordnung automatisch zu ändern. Die vollständige AO- und Prüfungsabnahme bleibt offen.

Bild-, Video- und Lizenznachweise

Neun geprüfte Commons-Dateien, inhaltlich unverändert, nur skaliert. Bei Weiterverwendung: Urheber, Lizenz und Änderungen nennen; bei CC BY-SA Bearbeitungen unter den vorgeschriebenen Bedingungen weitergeben. Lizenztexte: CC BY-SA 3.0, CC BY-SA 4.0. Gemeinfreiheit jeweils laut Dateiseite.

Abbildung und Quelldatei	Urheberschaft	Lizenz
EVA-Prinzip.svg	Deadlyhappen	CC BY-SA 3.0
Simatic S7-1200.JPG	UlrichAAB	CC BY-SA 3.0
Flowchart de.svg	Erik Streb; nach Daniel Göhler und Hubi	CC BY-SA 3.0
StruktErweitert.png	Renzsorf	Gemeinfrei laut Dateiseite
Inductive proximity sensor.jpg	Ekbsensor	CC BY-SA 4.0
Regelkreis.svg	Pietz; Bearbeitung MatthiasDD	Gemeinfrei laut Dateiseite
Pneumatic cylinder 2172.jpg	Mixabest	CC BY-SA 3.0
IEC AND label.svg	Dbc334 und Tobulax	Gemeinfrei laut Dateiseite
VE kapisi seri anahtarlar tr.svg	Oğuz Ergin	CC BY-SA 4.0

Die drei Videos sind externe Einbettungen/Links, keine frei nachnutzbaren OER. Anbieter und Metadaten wurden geprüft; vollständige Wiedergabeprüfung war technisch nicht möglich. Bei gesperrtem Player nutze die Textalternativen. Beachte wegen externer Datenverarbeitung die Vorgaben Deiner Bildungseinrichtung.

Fachvideo	Anbieter und Rechte	Herkunftsnachweis
Das EVA(S)-Prinzip – Wie verarbeitet ein Computer Informationen?	Land Hessen / HMKB, © Anbieter	Digitale Schule Hessen
Robotik – Sensoren, Aktoren und Roboter	Land Hessen / HMKB, © Anbieter	Digitale Schule Hessen
Grundlagen der Pneumatik. Schulung für Techniker und für die Ausbildung	Landefeld / Ralf Piepenbrink, © Anbieter	Landefeld-Schulungen

Offene Materialien und fachliche Quellen

Nutze für eigene Lernprodukte die offen lizenzierten Bilder sowie eigene synthetische Tabellen, Programme und Texte. Öffentlich zugänglich bedeutet nicht automatisch OER. Prüfe Rechte und Lizenzbedingungen vor der Weitergabe. Fachquellen:

Ergänzend der geprüfte deutsche Wikipedia-Artikel; Primärquellen und betriebliche Unterweisung bleiben maßgeblich.

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Verknüpfte Lernbereiche

Die folgenden bereits vorhandenen Lernbereiche ermöglichen Vertiefung und Wiederholung:

Ausbildungsberufe Steuerungstechnik Informationen speichern und abrufen Technik - Steuerungs- oder Regelungsaufgaben Pneumatik und Drucklufttechnik – Zylinderarten funktional unterscheiden Pneumatik und Drucklufttechnik – Druckluft energieeffizient nutzen Pneumatik und Drucklufttechnik – Leckagen mit Messdaten erkennen Elektrotechnik

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