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Fachübungen 3 – Steuerungen und Regelungen analysieren und realisieren - Informationselektroniker

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Einleitung

Im 1. Ausbildungsjahr des Berufs Informationselektronikerin und Informationselektroniker untersuchst du im Lernfeld 3 Steuerungen und Regelungen: Du liest Funktionsunterlagen, unterscheidest Signalflüsse, entwirfst logische Abläufe, wertest Messdaten aus und dokumentierst Ergebnisse. Der KMK-Rahmenlehrplan nennt für dieses Lernfeld einen Zeitrichtwert von 80 Unterrichtsstunden. Die Ausbildungsordnung für den handwerklichen Beruf trat am 1. August 2021 in Kraft; die Ausbildung dauert regulär dreieinhalb Jahre. Der Beruf kennt laut BIBB Einsatzgebiete wie Geräte-, Informations- und Bürosystemtechnik, Breitbandtechnik, Gefahrenmeldetechnik und Telekommunikationstechnik, aber keine hier behauptete eigenständige Fachrichtung.

Dein Lernweg: verstehen → analysieren → planen → im digitalen Modell umsetzen → prüfen → begründet verbessern. Bearbeite erst die Erklärungen und danach die Aufgaben in drei Niveaus. Die Musterwerte und Kundenszenarien sind frei erfunden; sie sind keine Prüfungsaufgaben und keine Freigabe für reale Anlagen. Elektrische Arbeiten, Verdrahtung, Schutzmaßnahmen und Inbetriebnahmen an realen Geräten dürfen ausschließlich im qualifiziert angeleiteten betrieblichen oder schulischen Rahmen stattfinden. Eigenständig arbeitest du hier nur mit Papier, Tabellen und spannungsfreien Simulationen.

Beruflicher Bezug: Berufsportal Ausbildung – Informationselektroniker, Elektrotechnik, Digitaltechnik, Automatisierungstechnik.

Steuerungen erkennen: EVA, Wirkungskette und Signalfluss

Was bedeutet Steuerung?

Eine Steuerung beeinflusst einen technischen Ablauf aufgrund vorgegebener Befehle, Zustände oder Zeitprogramme. Das charakteristische Merkmal der offenen Wirkungskette ist, dass die beeinflusste Ausgangsgröße nicht fortlaufend zur Korrektur mit einem Sollwert verglichen werden muss. Ein Zeitprogramm, das eine Leuchte nach einer eingestellten Dauer abschaltet, ist ein anschauliches Beispiel. Eine Steuerung kann jedoch Eingangssensoren und Rückmeldesignale verarbeiten: Das Vorhandensein irgendeines Sensors macht aus einer Steuerung noch keinen Regelkreis.

Schematische offene Steuerkette ohne Rückführung der Ausgangsgröße

Im EVA-Prinzip erfolgt erst die Eingabe (z. B. Taster, Temperatursignal oder Netzwerknachricht), dann die Verarbeitung (Relaislogik, Logikbaustein oder Software) und schließlich die Ausgabe an einen Aktor. Eine Wirkungskette kannst du textuell als „Bedienwunsch → Eingabeglied → Verarbeitung → Stellglied → Wirkung“ angeben. Unterscheide Energiefluss und Informationsfluss: Eine digitale Meldung über einen Schaltzustand ist nicht dasselbe wie die elektrische Versorgung eines Lüfters.

Sensoren, Aktoren und Schnittstellen

Sensoren erfassen eine Größe und liefern ein elektrisches oder digitales Signal. Ein Temperatursensor misst beispielsweise eine Temperatur, ein optischer Sensor erkennt Lichtänderungen, ein induktiver Näherungssensor reagiert auf geeignete metallische Objekte. Aktoren setzen Befehle in physikalische Wirkung um, etwa durch eine Signalleuchte, einen Lüfter oder ein Relais. Schnittstellen legen fest, wie Signale übertragen und interpretiert werden; dazu gehören binäre Ein- und Ausgänge, analoge Messwerte und digitale Kommunikationsprotokolle.

Element	Beispiele	Typischer Fehler bei der Analyse
Eingang	Taster, Messwert, Meldung	„0“ und „1“ werden ohne Angabe der aktiven Signalpolarität gedeutet
Verarbeitung	Relaisverknüpfung, Steuerprogramm	Vorrang von Sperr- und Rücksetzbedingungen bleibt unklar
Ausgabe	LED im Simulator, Lüftermodell	Befehl wird fälschlich als nachgewiesene physische Wirkung gewertet
Diagnose	Protokoll, Messwertverlauf	Zeitstempel oder Einheit fehlen

Prüffragen: Wo entsteht das Signal? Welche Bedingungen verändern es? Was wird tatsächlich ausgegeben? Gibt es eine nachgewiesene Istwertrückführung? Kennzeichne jede Größe in einer Skizze mit Name, Richtung und Einheit, sofern vorhanden.

Regelkreise untersuchen und berechnen

Steuerung und Regelung sauber unterscheiden

Bei einer Regelung wird eine Regelgröße erfasst und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Der Regler leitet aus der Abweichung eine Stellgröße ab; die Regelstrecke reagiert und liefert einen veränderten Istwert. Störgrößen können den Prozess beeinflussen. Diese Rückführung ist das entscheidende Strukturmerkmal eines geschlossenen Regelkreises.

Beispiel: Eine simulierte Raumtemperatur soll bei 20 °C liegen. Der Messwert beträgt 18 °C. Mit der üblichen Definition e = w − x (Sollwert minus Istwert) ergibt sich e = 20 °C − 18 °C = +2 K. Für Differenzen von Temperaturen in Grad Celsius wird die Einheit Kelvin verwendet. Eine Stellgröße kann z. B. ein Heizleistungsbefehl sein; seine tatsächliche Wirkung hängt von Prozess, Verzögerung und Störgrößen ab.

Rechenbeispiel eines vereinfachten P-Reglers: Bei einer angenommenen Verstärkung von 5 Prozentpunkten Stellbefehl pro Kelvin bedeutet eine positive Abweichung von 2 K eine Änderung um 10 Prozentpunkte. Dies ist eine reine Modellrechnung mit beispielhaften Parametern, keine Empfehlung zur Reglereinstellung eines realen Systems. Eine Sättigung von 0 bis 100 Prozent und eine angemessene Vorzeichenwahl müssen in einem echten Entwurf zusätzlich berücksichtigt werden.

Zweipunktregelung und Hysterese

Eine Zweipunktregelung kennt zwei Ausgangszustände, beispielsweise „Lüfter ein“ und „Lüfter aus“. Um schnelles Hin- und Herschalten bei Messrauschen zu vermeiden, wird häufig eine Hysterese eingeführt: Beim Erwärmen schaltet der Lüfter beispielsweise ab 28 °C ein; beim Abkühlen erst bei 25 °C wieder aus. Dazwischen behält die Regelung den vorherigen Zustand. Die Hysteresebreite beträgt 28 °C − 25 °C = 3 K. Eine Rücksetzung bei 25 °C und ein Einschalten bei 28 °C sind keine widersprüchlichen Befehle, sondern zustandsabhängiges Verhalten.

Typische Fehler: Istwert und Sollwert verwechseln; eine Sensorleitung schon als Regelkreis interpretieren; bei der Hysterese den alten Ausgangszustand nicht speichern; eine Verzögerung der Regelstrecke ignorieren; Celsiuswerte statt Temperaturdifferenzen mit der Einheit Kelvin notieren.

Logische Grundverknüpfungen, Speicher und Wahrheitstabellen

UND, ODER und NICHT verstehen

In binären Steuerungen besitzt eine Variable zwei festgelegte logische Zustände. UND liefert nur dann 1, wenn beide Eingänge 1 sind. ODER liefert 1, wenn mindestens ein Eingang 1 ist. NICHT kehrt einen Wahrheitswert um. Mit A und B als logischen Eingängen gilt:

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

Die Grundverknüpfungen können zu komplexeren Funktionen kombiniert werden. Das folgende Commons-Schema zeigt eine zusammengesetzte digitale Schaltung mit invertierten Eingängen, UND-Gattern und abschließendem ODER-Gatter. Die Farben erleichtern die Verfolgung verschiedener Signalpfade; die konkrete Grafik dient der Analyse, nicht als reale Anschlussanleitung.

Mehrstufige Digitalverknüpfung mit UND, Negation und ODER

Übungsformel: Die Simulationsleuchte L soll nur leuchten, wenn eine allgemeine Betriebsfreigabe F aktiv ist und entweder der Taster T oder ein Testsignal S anliegt: L = F UND (T ODER S). Bei F=1, T=0, S=1 folgt L=1. Bei F=0 ist L immer 0. Das ist keine nachgewiesene sicherheitsgerichtete Schaltung; eine reale Not-Halt- oder Schutzfunktion darf niemals allein aus diesem Unterrichtsbeispiel abgeleitet werden.

Speicherfunktion und Schaltfolge

Manche Systeme müssen sich den letzten Zustand merken. Ein Merker oder eine Speicherfunktion kann zwischen zwei Ereignissen den Zustand 1 erhalten. Ein einfaches Zustandsmodell besitzt die Zustände AUS und EIN und Übergangsbedingungen für das Einschalten, Ausschalten und Sperren. Entscheidend ist die Priorität: Eine definierte Rücksetz- oder Sperrbedingung soll bei konkurrierenden Eingaben eindeutig behandelt werden. Eine Wahrheitstabelle beschreibt eine rein kombinatorische Funktion; für Speicherverhalten wird zusätzlich der vorherige Zustand benötigt.

Muster einer Zustandsbeschreibung: „Bei gesperrtem Simulationsbetrieb AUS. Sonst bei oberer Schwelle EIN. Sonst bei unterer Schwelle AUS. Sonst bisherigen Zustand beibehalten.“ Schreibe zunächst diese Regeln auf, bevor du ein Flussdiagramm oder ein Programm entwirfst.

Umsetzung mit Relaislogik und SPS-Modell

Verbindungsprogrammierte und speicherprogrammierte Verarbeitung

In einer verbindungsprogrammierten Steuerung (VPS) ist die Logik überwiegend durch die elektrische Verbindung von Komponenten festgelegt, beispielsweise Relais und Kontakten. Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) verarbeitet digitale oder analoge Eingänge nach einem Programm und stellt Ausgänge bereit. Beide Varianten müssen hinsichtlich Änderbarkeit, Dokumentationsaufwand, Kosten, Wartbarkeit, Energiebedarf und Sicherheitskonzept bewertet werden. Eine SPS ist nicht automatisch „sicher“; die Sicherheitsfunktion muss gesondert fachlich ausgelegt und geprüft werden.

Kriterium	Beispiel VPS	Beispiel SPS
Anpassung der Logik	Schaltungsänderung oder Umverdrahtung	Programmänderung nach dokumentierter Freigabe
Diagnose	Kontaktzustände und Messungen an dokumentierten Prüfpunkten	Programmzustände, Simulation und Diagnoseprotokoll
Komplexität	Bei wenigen Bedingungen übersichtlich	Bei vielen Bedingungen und Zuständen oft flexibler
Risiko	Verdrahtungsfehler und Verschleiß möglich	Programm-, Schnittstellen- und Konfigurationsfehler möglich

In einer schulischen Simulation werden Eingänge, Programmlogik und Ausgänge virtuell dargestellt. In einem zyklischen SPS-Modell werden Eingänge eingelesen, die Logik verarbeitet und Ausgangsabbilder aktualisiert. Der genaue Ablauf hängt von der verwendeten Plattform ab. Bei der Planung dokumentierst du ein Signalverzeichnis mit Kennzeichnung, Typ, aktivem Zustand, Einheit und angenommener Herkunft.

Von der Funktionsbeschreibung zum Prüffall

Ein geordnetes Vorgehen lautet: Kundenanforderung lesen; Signal- und Energiefluss trennen; Betriebszustände und Grenzwerte definieren; Logik und Zustandsübergänge planen; eine Simulationsvariante wählen; Testfälle einschließlich Randwerten erstellen; Ergebnisse dokumentieren; Abweichungen begründet korrigieren. Eine reine Animation ersetzt keinen Nachweis, dass alle spezifizierten Bedingungen geprüft wurden.

Beispiel einer Anforderung: „Die Lüfteranzeige soll ab einer oberen Temperaturschwelle eingeschaltet bleiben und erst unter einer unteren Schwelle ausgehen. Bei gesperrtem Modellbetrieb muss sie AUS anzeigen.“ Daraus entstehen mindestens die Tests: untere Schwelle, Bereich zwischen den Schwellen aus beiden Startzuständen, obere Schwelle, Freigabewechsel, Sensorausfallannahme und Datenplausibilität.

Bei tatsächlichen Elektro-, Maschinen- oder Gefahrenmeldeanlagen gelten die einschlägigen Regeln zu Arbeitsschutz, elektrotechnischen Schutzmaßnahmen, normgerechter Prüfung und Freigabe. Diese Kursaufgaben sind keine Anleitung zur eigenständigen Verdrahtung oder Inbetriebnahme.

Berufstypischer Modellfall: Lüfterüberwachung eines Netzwerkschranks

Auftrag, technische Daten und Lösungsidee

Ein fiktiver Ausbildungsbetrieb soll für einen virtuellen Netzwerkschrank eine temperaturabhängige Lüftersteuerung als Lernmodell ausarbeiten. Kundenwunsch: Die Statusanzeige des Lüfters schaltet bei T ≥ 28 °C ein, bei T ≤ 25 °C aus und behält dazwischen ihren Zustand. Eine digitale Freigabe B muss aktiv sein; bei B=0 wird die Anzeige sofort AUS gesetzt. Das Modell verarbeitet ausschließlich erfundene Messdaten. Eine physische Lüfterinstallation oder Freigabe ist nicht Bestandteil dieses Auftrags.

Signalverzeichnis:

Kennung	Bedeutung	Typ und Einheit	Erwartung
T	Virtueller Temperaturmesswert	Zahl in °C	Plausibel und mit Zeitstempel
B	Simulationsfreigabe	Boolescher Wert	1 erlaubt die Logikauswertung, 0 erzwingt AUS
Q	Virtueller Lüfterbefehl	Boolescher Wert	1 EIN, 0 AUS
Qalt	Vorheriger Ausgangszustand	Boolescher Wert	Nur im Hysteresebereich beibehalten

Blockbild als Text: Temperaturmodell → Werteingang T → Hystereselogik mit Speicher und Freigabe B → Anzeige Q. Eine fachlich vollständige reale Regelung würde außerdem die physische Temperaturantwort der Regelstrecke messen und in die Eingabe zurückführen. Im Lernmodell wird diese Rückkopplung durch vorgegebene Zeitreihen simuliert und nicht durch einen echten Prozess nachgewiesen.

Pseudocode für die Simulation:

wenn B = 0: Q := AUS
sonst wenn T >= 28 °C: Q := EIN
sonst wenn T <= 25 °C: Q := AUS
sonst: Q := Qalt
nach jedem Schritt: Qalt := Q

Funktionsprüfung mit vollständig synthetischer Zeitreihe

Ausgangszustand vor Minute 1 ist AUS, B ist in allen Zeilen 1. Werte an den Schwellen sind einschließlich der Gleichheit zu beurteilen.

Minute	T in °C	Erwartetes Q	Begründung
1	24	AUS	Unter unterer Schwelle
2	29	EIN	Obere Schwelle überschritten
3	27	EIN	Speicher hält Zustand im Hysteresebereich
4	25	AUS	Untere Schwelle erreicht
5	28	EIN	Obere Schwelle erreicht
6	26	EIN	Speicher hält Zustand
7	24	AUS	Untere Schwelle unterschritten

Ergebnis: Die Folge lautet AUS → EIN → EIN → AUS → EIN → EIN → AUS. Wird bei Minute 3 fälschlich AUS angezeigt, wurde vermutlich die Speicherfunktion oder die Interpretation des Hysteresebereiches nicht umgesetzt. Bei B=0 muss das Modell unabhängig vom Temperaturwert AUS ergeben; nach erneutem Freigeben ist die Zustandsbildung eindeutig zu dokumentieren.

Fachrechnen, Diagnose und Dokumentation

Angenommen, ein separat dokumentierter fiktiver 24-V-Gleichstromlüfter habe im betrachteten Betriebszustand einen Strom von 0,18 A. Die elektrische Wirkleistung im vereinfachten DC-Modell ist P = U × I = 24 V × 0,18 A = 4,32 W. Bei angenommenen 6 Betriebsstunden pro Tag folgt E = P × t = 4,32 W × 6 h = 25,92 Wh = 0,02592 kWh pro Tag. Für 30 solche Tage ergeben sich 0,7776 kWh. Das sind Modellwerte ohne zusätzliche Verluste; keine reale Messung oder Dimensionierungsfreigabe. Häufige Rechenfehler: mA nicht in A umrechnen; Wh und kWh vertauschen; die reine Einschaltdauer nicht dokumentieren.

Fehlerdiagnosefall: Ein simulierter Temperaturkanal bleibt wegen eines angenommenen Datenfehlers konstant bei 24 °C, obwohl eine unabhängige simulierte Referenz 29 °C anzeigt. Q bleibt folgerichtig AUS. Das beweist keinen defekten Lüfter: Zuerst Datenquelle, Zeitstempel, Plausibilitätsgrenzen und Signalzuordnung untersuchen; dann die Logik mit bekannten Testwerten überprüfen und das Ergebnis protokollieren. Erst eine qualifiziert angeleitete reale Prüfung könnte Hardwareursachen bewerten.

Musterarbeitsprodukt für die Dokumentation: Anforderungsliste; Signalverzeichnis; Block- und Zustandsdiagramm; kurze Pseudocode-Fassung; Tabelle mit sieben Testfällen; Rechenblatt einschließlich Einheiten; Fehlerhypothesen und Gegenprüfungen; Schlussbewertung mit Grenzen des Modells.

Fachliches Bewertungsraster (100 Punkte):

Kriterium	Punkte	Nachweis für volle Punktzahl
Anforderungsanalyse	15	Schwellen, Freigabe, Modellgrenzen vollständig und widerspruchsfrei
Signal- und Blockdarstellung	15	Alle Ein-/Ausgänge, Richtung, Typ und Einheit eindeutig
Logik und Speicher	20	Priorität und Hysterese samt Randwerten korrekt
Funktionsprüfung	15	Sieben richtige Zustände mit überprüfbarer Begründung
Fachrechnung	10	Formeln, 4,32 W, 25,92 Wh und 0,7776 kWh mit Einheiten richtig
Diagnose	15	Sensorwert, Logik und virtueller Aktor systematisch getrennt geprüft
Dokumentation und Reflexion	10	Nachvollziehbar, fachsprachlich, Grenzen und Verbesserung benannt
Summe	100	Begründete Leistungsrückmeldung statt Gerätefreigabe

Interaktive Aufgaben

Multiple-Choice-Quiz: Fachwissen prüfen

1. Welches Merkmal kennzeichnet eine Regelung gegenüber einer einfachen offenen Steuerung? (Die Regelgröße wird erfasst und zum Sollwertvergleich zurückgeführt) (!Jede Ausgangsgröße hat grundsätzlich nur zwei Zustände) (!Ein Regler arbeitet ohne Sensor oder Messwert) (!Eine Steuerung kann niemals Sensoren verwenden)

Rückmeldung: Entscheidend ist die auf die Regelgröße bezogene Rückführung. Sensoren können auch in Steuerungen vorkommen.

2. Welche Reihenfolge entspricht dem EVA-Prinzip? (Eingabe dann Verarbeitung dann Ausgabe) (!Energie dann Verstärkung dann Abgabe) (!Ausgabe dann Verarbeitung dann Eingabe) (!Eingabe dann Versorgung dann Abrechnung)

Rückmeldung: EVA beschreibt einen Informationsablauf und ist nicht mit dem gesamten Energiefluss identisch.

3. Der Sollwert beträgt 20 Grad Celsius und der Istwert 18 Grad Celsius. Wie groß ist e gleich Sollwert minus Istwert? (Plus 2 Kelvin) (!Minus 2 Kelvin) (!Plus 38 Kelvin) (!Genau 20 Kelvin)

Rückmeldung: 20 minus 18 ergibt +2; eine Temperaturdifferenz wird in Kelvin angegeben.

4. Ein Lüfter schaltet bei 28 Grad Celsius ein und bei 25 Grad Celsius aus. Wie groß ist seine Hysterese? (3 Kelvin) (!25 Kelvin) (!28 Kelvin) (!53 Kelvin)

Rückmeldung: Die Differenz der beiden Schaltschwellen beträgt 3 K. Der Zustand dazwischen hängt von der Vorgeschichte ab.

5. Wann ist der Ausgang einer UND-Verknüpfung mit zwei Eingängen gleich 1? (Wenn beide Eingänge gleich 1 sind) (!Wenn mindestens ein Eingang gleich 1 ist) (!Wenn beide Eingänge gleich 0 sind) (!Wenn genau ein Eingang gleich 1 ist)

Rückmeldung: UND verlangt zwei wahre Bedingungen; mindestens eine wahre Bedingung entspricht ODER.

6. Wie ist die Aussage L gleich F UND T ODER S hier gemeint, wenn L gleich F UND Klammer T ODER S vereinbart ist? (Ohne Freigabe F bleibt L immer 0) (!Mit S gleich 1 ist L auch bei F gleich 0 immer 1) (!Die Variable T muss immer gleich 1 sein) (!Eine ODER-Verknüpfung gibt nur bei zwei Einsen 1 aus)

Rückmeldung: Die Klammerung ist wesentlich: Die Freigabe F verknüpft das gesamte Ergebnis von T ODER S.

7. Was benötigt ein Hysteresemodell im Bereich zwischen beiden Schaltschwellen? (Den vorherigen Ausgangszustand) (!Nur den aktuellen Zeitstempel) (!Immer den Ausgangszustand AUS) (!Immer den Ausgangszustand EIN)

Rückmeldung: Im Zwischenbereich entscheidet der gespeicherte Zustand. Ohne ihn wäre die Funktionsbeschreibung unvollständig.

8. Welcher Unterschied zwischen VPS und SPS trifft zu? (Bei einer SPS ist die Logik wesentlich durch ein Programm festgelegt) (!Eine VPS enthält grundsätzlich keine elektrischen Komponenten) (!Eine SPS macht eine Sicherheitsprüfung unnötig) (!Eine VPS kann keine binären Signale verarbeiten)

Rückmeldung: Eine SPS macht Logikänderungen meist programmierbar, ersetzt aber keine Schutz- oder Prüfpflicht.

9. Ein fiktiver Gleichstromverbraucher nimmt bei 24 Volt einen Strom von 0,18 Ampere auf. Welche Leistung ergibt sich? (4,32 Watt) (!0,0075 Watt) (!43,2 Watt) (!24,18 Watt)

Rückmeldung: Multipliziere Spannung mit Strom: 24 mal 0,18 ergibt 4,32 W.

10. Ein simulierter Messwert bleibt trotz veränderter Referenzwerte konstant. Was ist die beste erste Diagnose? (Signalquelle und Plausibilität prüfen und erst danach weitere Fehlerursachen eingrenzen) (!Sofort den realen Aktor ohne Freigabe ersetzen) (!Ohne Prüfung von einer fehlerfreien Sensorfunktion ausgehen) (!Alle dokumentierten Zeitstempel ignorieren)

Rückmeldung: Systematische Diagnose trennt Messkette, Programm und Aktor. Reale Arbeiten erfordern qualifizierte Anleitung.

Memory: Fachbegriffe zuordnen

Sollwert	Vorgegebene Zielgröße der Regelung
Istwert	Tatsächlich erfasster Wert der Regelgröße
Aktor	Wandelt ein Ansteuersignal in eine Wirkung um
Störgröße	Äußerer Einfluss auf das Verhalten der Regelstrecke
Merker	Gespeicherter logischer Zustand
Schnittstelle	Vereinbarte Verbindung zur Signalübertragung

Drag-and-drop: Funktion und Bedeutung

Ordne den Fachbegriff zu	Beschreibung
EVA-Prinzip	Eingabe wird verarbeitet und als Ausgabe bereitgestellt
Hysterese	Zwei unterschiedliche Schaltschwellen verhindern häufige Zustandswechsel
Wahrheitstabelle	Zeigt Ergebnisse einer Logik für Eingangskombinationen
Regelstrecke	Technischer Prozess, dessen Ausgangsgröße beeinflusst wird
Signalverzeichnis	Dokumentiert Kennung, Datentyp und Bedeutung der Ein- und Ausgänge

Kreuzworträtsel: Sechs Kernbegriffe

Sollwert	Wie heißt die vorgegebene Zielgröße eines Regelkreises?
Stellgröße	Wie heißt die Größe, mit der der Regler auf die Strecke einwirkt?
Sensor	Welches Bauteil erfasst eine physikalische Größe?
Aktor	Wie heißt das Glied, das ein Signal in Wirkung umsetzt?
Hysterese	Wie heißt der Unterschied zweier zustandsabhängiger Schaltschwellen?
Relais	Welches elektromagnetisch betätigte Schaltglied wird häufig bei einer VPS verwendet?

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Suche nach ergänzenden Übungen zu Steuerungstechnik und Regelungstechnik. Externe Treffer sind vor einer Nutzung fachlich zu prüfen.

Lückentext: Das Fachwissen anwenden

Die Abfolge aus Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe wird als

bezeichnet.

Ein Bauteil, das Temperatur erfasst, ist ein

.

Die vorgegebene Zielgröße im Regelkreis heißt

.

Die gemessene Größe heißt im Vergleich dazu

.

Die Differenz aus Sollwert und Istwert ist die

.

Ein Regler mit oberer und unterer Schaltschwelle nutzt eine

.

Zwischen den Schaltschwellen muss das Modell den vorherigen

behalten.

Die UND-Verknüpfung liefert nur bei zwei wahren Eingängen den Wert

.

Bei 24 Volt und 0,18 Ampere beträgt die Leistung

Watt.

Ein Dokument, das die Ein- und Ausgangssignale benennt, ist das

.

Offene Aufgaben

Arbeite alle zwölf Aufgaben mit begründeten Ergebnissen. Verwende ausschließlich Papier, Tabellenkalkulation oder digitale Simulationen; keine eigenständigen realen Eingriffe in Anlagen.

Leicht

Aufgabe L1 – EVA: Ordne für eine fiktive automatische Statusleuchte die Teile Taster, Logikmodul und Leuchtanzeige in einem beschrifteten Signalflussbild an und erkläre jeden Schritt in einem Satz.
Aufgabe L2 – Vergleich: Unterscheide anhand eines zeitgesteuerten Lüftermodells und einer temperaturgeführten Lüfterregelung offene Steuerung und Regelung; markiere die Rückführung.
Aufgabe L3 – Logik: Erstelle die vier Zeilen einer Wahrheitstabelle für A UND B und erkläre, warum ein einzelnes Eins-Signal nicht genügt.
Aufgabe L4 – Rechnen: Berechne mit U=24 V und I=0,18 A die Leistung des fiktiven Gleichstromlüfters und gib den vollständigen Rechenweg mit Einheiten an.

Standard

Aufgabe S1 – Blockbild: Zeichne den geschlossenen Kreis mit Sollwert, Vergleich, Regler, Stellgröße, Regelstrecke, Istwerterfassung und einer Störgröße; erläutere die Pfeilrichtungen.
Aufgabe S2 – Datenblatt: Erstelle ein Signalverzeichnis für Temperaturmesswert, Modellfreigabe und Lüfterstatus; ergänze Datentyp, Einheit und plausiblen Wertebereich als selbst gewählte Annahmen.
Aufgabe S3 – Hysterese: Bestimme bei 25 und 28 °C die Zustände für die Zeitfolge 24, 29, 27, 25, 28, 26, 24 °C und begründe die Einträge bei 27 und 26 °C.
Aufgabe S4 – Verbrauch: Berechne mit 4,32 W und 6 h pro Tag die Energie pro Tag und für 30 Tage; prüfe die Umrechnung von Wh in kWh.

Schwer

Aufgabe H1 – Algorithmus: Formuliere den Hystereseregelkreis mit Freigabe als priorisierte Pseudocode-Anweisungen und untersuche die Grenzwerte T=25 °C und T=28 °C.
Aufgabe H2 – Diagnoseplan: Der Simulationssensor meldet dauerhaft 24 °C, eine unabhängige Modellreferenz 29 °C; entwirf einen Diagnosebaum und trenne Sensorweg, Logik und Ausgabe.
Aufgabe H3 – Variantenbewertung: Vergleiche eine festverdrahtete Zweipunktlogik und eine SPS-Simulation in einer Matrix nach Änderbarkeit, Diagnose, Wartbarkeit, Aufwand und Sicherheit; begründe eine Wahl für das Lernmodell.
Aufgabe H4 – Kundennachweis: Erstelle ein vollständiges virtuelles Abnahmeprotokoll mit Anforderung, Signal- und Blockbild, Testfällen, Musterrechnung, Restunsicherheiten und einer fachlichen Selbsteinschätzung anhand des 100-Punkte-Rasters.

Musterlösungen und fachliche Erfolgskriterien

Leicht:

L1: Eingang=Taster, Verarbeitung=Logikmodul, Ausgabe=Leuchtanzeige. Kriterium: Informationsrichtung und Komponentenrolle nachvollziehbar.
L2: Zeitsteuerung ohne Rückführung der Temperatur ist offen; beim Temperaturregelkreis wird der Istwert erfasst und beeinflusst die Entscheidung. Kriterium: Die Rückkopplung ist ausdrücklich eingezeichnet.
L3: Für 00, 01, 10, 11 lauten die UND-Ergebnisse 0, 0, 0, 1. Kriterium: Alle Kombinationen und die UND-Bedingung richtig.
L4: P=U×I=24 V×0,18 A=4,32 W. Kriterium: Einheiten, Formel und Zwischenschritt enthalten.

Standard:

S1: Sollwert → Vergleich → Regler → Strecke → Istwerterfassung → zurück zum Vergleich; die Störgröße wirkt an der Strecke. Kriterium: Regelgröße und Stellgröße nicht verwechseln.
S2: T: Zahl in °C; B: Boolesch 0/1; Q: Boolesch 0/1. Beispielannahme für plausibles T: 0 bis 60 °C. Kriterium: Wertebereiche ausdrücklich als Modellannahmen kennzeichnen.
S3: AUS, EIN, EIN, AUS, EIN, EIN, AUS. Kriterium: In den Zwischenbereichen wird der jeweils vorherige Ausgang gehalten.
S4: 4,32 W×6 h=25,92 Wh=0,02592 kWh; mal 30 =0,7776 kWh. Kriterium: Zeiten und Umrechnungsfaktor 1000 stimmen.

Schwer:

H1: Erst B=0 prüfen, danach obere und untere Grenze, sonst Zustand behalten. Bei 25 °C AUS, bei 28 °C EIN. Kriterium: keine unbestimmten Übergänge.
H2: Meldung auf Zeitstempel und Plausibilität prüfen, Referenzvergleich, Testdaten einspeisen, Ausgangslogik beobachten; Hardwaredefekt nicht vorschnell behaupten. Kriterium: Hypothese und Prüfschritt zu jedem Zweig.
H3: VPS kann bei sehr kleinen Aufgaben transparent sein, SPS-Simulation unterstützt flexible Änderungen und Protokolle; Sicherheit ist jeweils gesondert zu bewerten. Kriterium: begründete auftragsbezogene Entscheidung statt pauschaler Überlegenheit.
H4: Erwartet werden die acht Modellfall-Artefakte und eine Punktebegründung anhand aller sieben Rubrikkriterien. Kriterium: reproduzierbare Prüfung mit klar benannten Modellgrenzen.

Lernkontrolle

Kontrolle 1 – Transfer: Entwirf eine andere Anwendung, in der die Rückführung einer Messgröße sinnvoll ist, und begründe, warum eine reine Zeitsteuerung nicht ausreicht.
Kontrolle 2 – Fehlersuche: Eine Leuchte ist bei F=0 und T=1 eingeschaltet, obwohl L=F UND (T ODER S) gelten soll. Formuliere zwei unterscheidbare Fehlerhypothesen und je einen Simulationstest.
Kontrolle 3 – Zustandslogik: Prüfe, ob bei 26 °C ohne bekannten Vorzustand ein eindeutiger Lüfterzustand angegeben werden kann, und begründe deine Antwort.
Kontrolle 4 – Einheiten: Eine fiktive Last hat U=12 V und I=250 mA. Berechne Leistung und Energie bei 2 h Betrieb und erläutere die Umrechnung.
Kontrolle 5 – Variantenentscheidung: Beurteile VPS und SPS-Modell für eine Steuerung mit zehn wechselnden logischen Bedingungen nach mindestens drei Kriterien.
Kontrolle 6 – Qualitätssicherung: Beschreibe, welche Belege für eine erfolgreiche Simulation vorliegen müssen und warum sie keine reale sicherheitstechnische Abnahme ersetzen.

Lösungshinweise zur Selbstkontrolle: 1: konkreter Störeinfluss und notwendiger Istwertvergleich; 2: fehlerhafte Klammerung oder fehlende Freigabeprüfung, jeweils anhand eines Eingabetests unterscheidbar; 3: ohne gespeicherten Zustand nicht eindeutig; 4: 250 mA=0,25 A, P=3 W, E=6 Wh; 5: dokumentierte Kriterien und abgewogene Entscheidung; 6: Anforderungen, Version, Testdaten, erwartete und tatsächliche Ergebnisse, Abweichungen, Grenzen. Fachliche Bewertung: korrekter Signalfluss, überprüfbare Rechenwege, explizite Annahmen, sichere Trennung zwischen Simulation und realer Arbeit.

Lernnachweis

Als Lernnachweis reichst du ein Portfolio mit fünf Teilen ein: (1) beschriftetes Blockbild einer Steuerung und eines Regelkreises; (2) Wahrheitstabelle und Zustandsbeschreibung mit Hysterese; (3) digitale oder schriftliche Simulation des Modellfalls mit sieben Testzeilen; (4) Rechenblatt zu Leistung und Energie; (5) Fehlerdiagnose und Reflexion. Erläutere in wenigen Sätzen, welche Anforderung erfüllt ist, woran du das erkennst und was du bei einer Weiterentwicklung verbessern würdest.

Kompetenzstufen: Leicht: Begriffe und Signale richtig benennen. Standard: Zustände, Messreihen und Rechnungen nachvollziehbar auswerten. Schwer: priorisierte Logik, Diagnosevarianten und technische Entscheidungen begründen. Die Qualität des Lernnachweises wird anhand des oben stehenden 100-Punkte-Bewertungsrasters eingeschätzt. Du kannst die Punkte je Kriterium selbst einschätzen und durch fachliches Feedback überprüfen lassen. Alle Ergebnisse bleiben synthetisch; eine schulische Bewertung ist keine Freigabe realer elektrischer Systeme.

OER und Wikipedia

Fachliche Primärquellen:

KMK-Rahmenlehrplan Informationselektroniker/in, Lernfeld 3, Seite 12 (Beschluss vom 18.12.2020; 80 Unterrichtsstunden im ersten Ausbildungsjahr).
BIBB-Berufsprofil Informationselektroniker/in (Ausbildungsdauer, Einsatzgebiete, Rechtsgrundlagen).
Ausbildungsordnung InfoElekAusbV (Ausfertigung 30.03.2021, Inkrafttreten 01.08.2021). Prüfungsregelungen können sich ändern; keine hier erfundenen Prüfungszeiten oder Gewichtungen.

Verifizierte Bilddateien und Rechte:

Control systems open loop.jpg – Controlsystemintro, CC BY-SA 4.0, offene Steuerkette.
Feedback Loop.svg – Inductiveload, gemeinfrei, Rückführung.
Koelkastregeling.PNG – Mjproducties, CC BY-SA 3.0, Kühlschrank-Thermostat als Regelbeispiel.
Mfrey Develop Digital Circuit 000 Colored.svg – MichaelFrey, CC BY-SA 3.0, digitale Verknüpfungen.

Verifizierte Fachvideos:

Steuerung vs. Regelung – Studytiger, veröffentlicht am 23.01.2024, Unterschied und Rückführung.
Regelkreis – Begriffserklärung – F.M.H. Studios, veröffentlicht am 12.09.2016. Die Videos sind externe, eingebettete Angebote; durch die Einbettung werden sie nicht automatisch zu frei lizenziertem OER-Material.

Wikipedia-Grundlagen:

Diese Kursdarstellung, selbst formulierte Übungsaufgaben, das fiktive Szenario und die fiktiven Tabellenwerte sind zur offenen Nutzung im Unterricht vorgesehen. Bei der Weiternutzung externer Medien beachte die jeweils verlinkte Lizenz und die erforderliche Namensnennung; amtliche Dokumente und Videos sind nicht pauschal als freie Kursinhalte gekennzeichnet.

Verknüpfte Lernbereiche

Berufsportal Informationselektroniker

Fachliche Verbindungen: Physik (Messgrößen und Energie), Mathematik (Logik und Einheiten), Informatik (Algorithmus, Zustände und Tabellen), Wirtschaftskunde (Technikauswahl), Arbeitssicherheit (verantwortliche fachliche Freigabe) sowie Ausbildung – Informationselektroniker als Berufsbezug. Benachbarte Lernfelder sind „Elektrotechnische Systeme analysieren, Funktionen prüfen und Fehler beheben“, „Elektrische Systeme planen und installieren“ und „Informationstechnische Systeme bereitstellen“. Diese Begriffe dienen der Lernnavigation und behaupten nicht, dass jeder einzelne Wiki-Link bereits als Kursseite existiert.