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Mechatronische Systeme verstehen – Funktionsdiagramme einer Anlage erstellen

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Einleitung

Mechatronische Systeme verstehen – Funktionsdiagramme einer Anlage erstellen richtet sich an Auszubildende in der Mechatronik und Automatisierungstechnik. Du lernst an einem konkreten Ausbildungsfall, Zustände, Abläufe, Signale und Störungen einer Anlage zu erkennen und in übersichtlichen Funktionsdarstellungen abzubilden.

Kurzbeschreibung: Zustände, Abläufe und Störungen verstehen – mit virtuellen Anlagen, Signalverläufen sowie interaktiven Steuerungs- und Diagnoseaufgaben.

Sicherheitsregel für den gesamten Kurs: Maschinenabläufe werden zuerst simuliert. Dieser Kurs steuert keine reale Anlage automatisch an. Schutzeinrichtungen werden niemals überbrückt, manipuliert oder für Lernzwecke unwirksam gemacht. Reale Prüf-, Inbetriebnahme- oder Instandhaltungsarbeiten erfolgen nur unter geeigneter Fachaufsicht, nach betrieblicher Freigabe und nach den vor Ort geltenden Sicherheitsregeln.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du:

Systeme in Sensorik, Steuerung, Aktorik und Prozess gliedern.
Signalflüsse zwischen Ein- und Ausgängen verfolgen.
Zustände und Bewegungsabläufe als Funktionsdiagramm darstellen.
einfache GRAFCET-Strukturen mit Schritten, Transitionen und Aktionen lesen.
Soll- und Ist-Signalverläufe vergleichen.
Störungen systematisch eingrenzen, ohne Schutzeinrichtungen zu umgehen.
einen simulierten Ablauf dokumentieren und begründet verbessern.

Ausbildungsfall: Sortierstation S-01

Eine virtuelle Sortierstation transportiert Werkstücke über ein Förderband. Ein Sensor erkennt ein Werkstück. Das Band stoppt. Ein pneumatisch gedachter Ausschieber fährt aus und schiebt das Werkstück in eine Seitenbahn. Eine Endlagenmeldung bestätigt die ausgefahrene Position. Danach fährt der Ausschieber zurück. Eine zweite Endlagenmeldung bestätigt die Grundstellung. Das Förderband startet wieder.

Vereinfachte Signale des Ausbildungsfalls:

Signal	Bedeutung	Art
B1	Werkstück erkannt	Eingang
B2	Ausschieber ausgefahren	Eingang
B3	Ausschieber eingefahren	Eingang
M1	Förderband EIN	Ausgang
Y1	Ausschieber ausfahren	Ausgang
F1	Störung / Zeitüberschreitung	interner Zustand

Lerneinheit 1: Vom Bauteil zum Signalfluss

Ein mechatronischer Ablauf lässt sich als Kette lesen:

Prozess → Sensor → Eingang → Steuerungslogik → Ausgang → Aktor → Prozess

Ein Sensor liefert eine Information. Die Steuerung verarbeitet diese Information. Ein Ausgang fordert eine Wirkung an. Der Aktor verändert den Prozess. Danach liefern Sensoren eine Rückmeldung.

Mini-Auftrag: Ordne im Ausbildungsfall B1, B2 und B3 der Informationsseite sowie M1 und Y1 der Wirkungsseite zu.

Begründetes Feedback: B1 bis B3 melden Zustände an die Steuerung und sind deshalb Eingangssignale. M1 und Y1 lösen Wirkungen im Prozess aus und gehören zur Ausgangs- bzw. Aktorseite.

Lerneinheit 2: Zustände und Abläufe lesen

Ein Ablauf besteht aus Zuständen und Übergängen. Ein Übergang erfolgt erst, wenn seine Bedingung erfüllt ist.

Schritt S0: Grundstellung.
Schritt S1: Werkstück fördern.
Schritt S2: Band stoppen und ausschieben.
Schritt S3: Ausschieber zurückfahren.
Schritt S4: Förderung fortsetzen.

Merksatz: Nicht die Zeit allein bestimmt den nächsten Schritt. Entscheidend ist die definierte Weiterschaltbedingung, zum Beispiel eine Sensorinformation oder eine zulässige Zeitbedingung.

Lerneinheit 3: Funktionsdiagramm, GRAFCET und SFC unterscheiden

Das klassische Funktionsdiagramm wird in Ausbildung und Technik weiterhin genutzt, um kleine Funktionsfolgen übersichtlich darzustellen. Für eine normorientierte Beschreibung von Ablaufsteuerungen wird GRAFCET nach EN 60848 verwendet.

Wichtig: GRAFCET ist eine systemneutrale Spezifikations- und Dokumentationssprache. SFC beziehungsweise Ablaufsprache ist dagegen eine SPS-Programmiersprache nach IEC 61131-3. Beide Darstellungen ähneln sich, erfüllen aber unterschiedliche Aufgaben.

Reduziertes GRAFCET-Modell für S-01:

Schritt	Aktion	Transition zum nächsten Schritt
S0	Grundstellung prüfen	Start und B3
S1	M1 EIN	B1
S2	M1 AUS, Y1 EIN	B2
S3	Y1 AUS	B3
S4	M1 EIN	neuer Zyklus

Lerneinheit 4: Signalverläufe lesen

Ein Signalverlauf zeigt, wann ein Signal 0 oder 1 ist. Für die Diagnose ist besonders wichtig, ob Befehl und Rückmeldung logisch zusammenpassen.

Sollverlauf eines Zyklus:

Phase	B1	B2	B3	M1	Y1
Fördern	0	0	1	1	0
Werkstück erkannt	1	0	1	0	1
ausgefahren	1	1	0	0	1
Rücklauf	0	0	0	0	0
Grundstellung	0	0	1	1	0

Diagnosefrage: Y1 wird angefordert, B2 bleibt jedoch dauerhaft 0. Was weißt Du sicher?

Begründetes Feedback: Sicher ist nur, dass die erwartete Rückmeldung „ausgefahren“ fehlt. Die Ursache ist damit noch nicht bewiesen. In der Simulation prüfst Du nacheinander Ausgangssignal, virtuelle Aktorbewegung, Sensorzustand und Signalzuordnung. Erst danach grenzt Du die Ursache ein.

Lerneinheit 5: Störungen systematisch eingrenzen

Nutze immer dieselbe Diagnosekette:

aktuellen Schritt bestimmen.
Sollaktion bestimmen.
tatsächliches Ausgangssignal prüfen.
simulierte Aktorwirkung beobachten.
erwartete Rückmeldung prüfen.
Abweichung lokalisieren und dokumentieren.

Störung A: M1 soll laufen, der Ausgang M1 bleibt in der Simulation 0. Suche zuerst in Freigaben, Schrittzustand und Logik.

Störung B: M1-Ausgang ist 1, das virtuelle Band bewegt sich nicht. Prüfe in der Simulation die Zuordnung und den virtuellen Aktor.

Störung C: Y1 ist 1 und der virtuelle Ausschieber bewegt sich, aber B2 bleibt 0. Prüfe Sensorposition, Signalzuordnung und Sensorsimulation.

Begründetes Feedback: Die drei Fälle liegen an unterschiedlichen Stellen der Wirkungskette. Gute Diagnose ersetzt Raten durch einen Soll-Ist-Vergleich entlang des Signalflusses.

Lerneinheit 6: Virtuelle Anlage sicher testen

Eine virtuelle Anlage eignet sich besonders gut, um Abläufe, Adressierung, Sensorzustände und Störungen gefahrlos zu untersuchen. Für diesen Lernkurs bleibt die Steuerhoheit in der Simulation.

Simulationsauftrag:

Starte die Anlage in einer geeigneten Lernsimulation.
beobachte B1, B2, B3, M1 und Y1.
notiere den Sollverlauf.
simuliere genau eine Störung.
vergleiche Soll und Ist.
begründe die wahrscheinlichste Fehlerzone.
setze die Simulation zurück.

Nicht Teil dieses Kurses: automatische Live-Ansteuerung einer realen Maschine, Überbrücken von Schutztüren, Lichtschranken oder anderen Schutzeinrichtungen sowie Eingriffe ohne betriebliche Freigabe.

Gestufte Hilfen

Stufe	Hilfe
Hilfe 1	Frage zuerst: Welcher Schritt müsste gerade aktiv sein?
Hilfe 2	Folge der Kette Sensor → Eingang → Bedingung → Ausgang → Aktor → Rückmeldung.
Hilfe 3	Vergleiche jeden Signalwert mit dem Sollverlauf und markiere die erste Abweichung.

Basis-, Anwendungs- und Transfertraining

Basis

Aufgabe 1: Nenne für S-01 je einen Sensor, einen Eingang, einen Ausgang und einen Aktor.

Begründetes Feedback: B1 ist ein Sensor beziehungsweise dessen Eingangssignal. M1 oder Y1 sind Ausgänge; Fördermotor beziehungsweise Ausschieber sind die zugehörigen Aktoren. Entscheidend ist die Trennung zwischen Information und Wirkung.

Aufgabe 2: Erkläre den Unterschied zwischen Schritt und Transition in einem Satz.

Begründetes Feedback: Ein Schritt beschreibt einen aktiven Zustand mit Aktionen. Eine Transition beschreibt die Bedingung, unter der zum nächsten Schritt gewechselt wird.

Anwendung

Aufgabe 3: B1 wird 1. Formuliere den erwarteten nächsten Zustand von M1 und Y1.

Begründetes Feedback: Im vereinfachten Ausbildungsfall stoppt M1 und Y1 wird angefordert. Die Begründung ergibt sich aus dem Übergang vom Fördern zum Ausschieben.

Aufgabe 4: Im Signalverlauf bleibt B3 nach dem Rücklauf 0. Markiere die Stelle im Funktionsablauf, an der der Zyklus stehen bleiben muss.

Begründetes Feedback: Ohne bestätigte Grundstellung darf der Übergang zur erneuten Förderung nicht freigegeben werden. Die Rückmeldung B3 ist hier die Weiterschaltbedingung.

Transfer

Aufgabe 5: Entwirf für eine virtuelle Hebestation drei Zustände, zwei Sensoren und zwei Aktoren. Formuliere die Übergangsbedingungen.

Begründetes Feedback: Eine gute Lösung trennt Zustände, Aktionen und Rückmeldungen eindeutig. Übergänge sollten durch beobachtbare Bedingungen statt durch Vermutungen beschrieben sein.

Aufgabe 6: Ein Ausgang ist 1, die erwartete Rückmeldung bleibt aus. Entwickle eine Diagnosefolge, die ohne Manipulation von Schutzeinrichtungen auskommt.

Begründetes Feedback: Sinnvoll ist die Prüfung entlang der Signalkette: Ausgang → virtuelle Wirkung → Sensor → Eingang → Auswertung. An einer realen Anlage wären zusätzliche Prüfungen nur nach Freigabe und unter Fachaufsicht zulässig.

Interaktive Steuerungs- und Diagnoseaufgabe

Virtuelle Steuerentscheidung:

Beobachtung	Deine Entscheidung
B3 = 1, Start = 1	Förderung darf im Modell beginnen.
B1 = 1	Förderung stoppt, Ausschieben wird angefordert.
Y1 = 1, B2 = 0	Noch nicht weiterschalten; Rückmeldung fehlt.
B2 = 1	Rücklauf darf eingeleitet werden.
B3 = 1	Grundstellung ist bestätigt.

Diagnoseprinzip: „Ausgang ist gesetzt“ bedeutet nicht automatisch „Aktor hat die gewünschte Wirkung ausgeführt“. Deshalb muss die Rückmeldung des Prozesses separat betrachtet werden.

Medien- und Quellencheck

Die verwendeten Wikimedia-Commons-Dateien wurden auf ihren Dateiseiten auf Lizenzangaben geprüft:

PLC Block Diagram.jpg – CC BY-SA 4.0.
Inductive proximity sensor.jpg – CC BY-SA 4.0.
Sequential function chart.png – CC BY-SA 3.0 / GFDL.
Example Grafcet SFC-fr.svg – unter anderem CC BY-SA 3.0 / GFDL.
Conveyor belt moves material in a factory.jpg – CC BY 2.0.

Die eingebetteten YouTube-Videos sind öffentlich erreichbare externe Lernmedien. Sie werden hier nicht als frei lizenzierte OER gekennzeichnet; Rechte und Nutzungsbedingungen verbleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern und Plattformbedingungen.

Fachliche Quellen:

Mechatroniker-Ausbildungsverordnung – Funktionsanalyse, Signale, Diagnosesysteme, Fehlereingrenzung und Schutzmaßnahmen.
BIBB: Industrielle Metall- und Elektroberufe und Mechatroniker/-in – Umsetzungshilfen für die Ausbildungspraxis.
DGUV/IFA: Manipulation von Schutzeinrichtungen verhindern – Sicherheit bei Maschinen und Anlagen.
Wikipedia: GRAFCET – Einordnung der Spezifikationssprache.
Wikipedia: Funktionsdiagramm – historische und didaktische Einordnung.
Wikipedia: Speicherprogrammierbare Steuerung – SPS-Grundlagen und Programmiersprachen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wozu dient ein Funktionsdiagramm in diesem Kurs hauptsächlich? (Zur übersichtlichen Darstellung von Zuständen und Funktionsfolgen) (!Zum mechanischen Vermessen eines Werkstücks) (!Zum Ersetzen einer Gefährdungsbeurteilung) (!Zum Überbrücken von Schutzeinrichtungen)

Was beschreibt eine Transition in einer Ablaufdarstellung? (Eine Bedingung für den Wechsel zum nächsten Schritt) (!Eine feste Motorleistung) (!Eine Kabelfarbe) (!Eine mechanische Schraubverbindung)

Welche Rolle hat ein Sensor im Signalfluss? (Er liefert Informationen über den Prozesszustand) (!Er ersetzt die Steuerung) (!Er erzeugt immer eine mechanische Bewegung) (!Er ist grundsätzlich ein Ausgang)

Was ist bei der Diagnose zuerst besonders wichtig? (Den aktuellen Sollzustand und den Istzustand zu vergleichen) (!Alle Signale gleichzeitig zu ändern) (!Die Schutzfunktion auszuschalten) (!Den Ablauf ohne Dokumentation neu zu programmieren)

Was bedeutet es, wenn Y1 gesetzt ist, B2 aber nicht kommt? (Die erwartete Rückmeldung fehlt und die Ursache muss weiter eingegrenzt werden) (!Der Sensor B2 ist sicher defekt) (!Der Ausschieber ist sicher mechanisch blockiert) (!Die SPS ist sicher defekt)

Welche Lernumgebung wird für erste Ablaufversuche bevorzugt? (Eine geeignete Simulation oder virtuelle Anlage) (!Eine laufende Produktionsanlage ohne Freigabe) (!Eine Maschine mit überbrückter Schutztür) (!Eine Anlage ohne Dokumentation)

Was ist GRAFCET in erster Linie? (Eine systemneutrale Sprache zur Spezifikation und Dokumentation von Ablaufsteuerungen) (!Ein pneumatisches Ventil) (!Ein elektrischer Sensor) (!Eine Schutzabschaltung)

Was ist SFC beziehungsweise Ablaufsprache? (Eine SPS-Programmiersprache für Ablaufsteuerungen) (!Eine mechanische Zeichnungsnorm) (!Eine Art Lichtschranke) (!Ein Messgerät für Spannung)

Warum wird eine Prozessrückmeldung zusätzlich zum Ausgangssignal betrachtet? (Weil ein gesetzter Ausgang die tatsächliche Wirkung im Prozess noch nicht beweist) (!Weil Ausgänge nie ausgewertet werden dürfen) (!Weil Sensoren nur Dekoration sind) (!Weil Rückmeldungen immer zeitgleich mit Befehlen auftreten)

Wie wird mit Schutzeinrichtungen in diesem Lernkurs umgegangen? (Sie werden weder umgangen noch für Lernzwecke unwirksam gemacht) (!Sie werden zum schnelleren Testen überbrückt) (!Sie werden bei Störungen grundsätzlich abgeschaltet) (!Sie werden nur bei virtuellen Aufgaben ignoriert)

Memory

Sensor	Prozessinformation
Aktor	Prozesswirkung
Transition	Weiterschaltbedingung
Schritt	aktiver Anlagenzustand
Diagnose	Soll-Ist-Vergleich
GRAFCET	Ablaufbeschreibung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Funktion
Sensor	erfasst einen Prozesszustand
SPS-Eingang	übernimmt ein Informationssignal
Transition	prüft eine Weiterschaltbedingung
SPS-Ausgang	fordert eine Wirkung an
Aktor	verändert den Prozess

Kreuzworträtsel

Sensor	Welches Bauteil erfasst einen Prozesszustand?
Aktor	Welches Bauteil setzt eine Steuerungsanforderung in eine Wirkung um?
Transition	Wie heißt die Weiterschaltbedingung zwischen zwei Schritten?
Diagnose	Wie heißt das systematische Eingrenzen einer Störung?
Grafcet	Welche Sprache beschreibt Ablaufsteuerungen systemneutral?
Simulation	In welcher Umgebung sollen Maschinenabläufe zuerst getestet werden?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Signalfluss: Zeichne für S-01 die Kette Sensor → Eingang → Steuerung → Ausgang → Aktor.
Zustand: Erstelle fünf Karten mit den Zuständen S0 bis S4 und ordne sie in die richtige Reihenfolge.
Sensor: Fotografiere oder skizziere drei Sensorprinzipien aus freigegebenem Unterrichtsmaterial und beschreibe jeweils die erfasste Größe.
Signalverlauf: Übertrage den Sollverlauf von B1 und M1 in ein einfaches Zeitdiagramm.

Standard

GRAFCET: Erstelle aus der Ablaufbeschreibung von S-01 einen eigenen GRAFCET mit Schritten, Transitionen und Aktionen.
Diagnose: Baue in einer virtuellen Anlage eine einzelne Sensorstörung ein und dokumentiere die erste erkennbare Abweichung.
Funktionsdiagramm: Vergleiche ein Weg-Schritt-Diagramm mit einer GRAFCET-Darstellung desselben Ablaufs.
Fehleranalyse: Entwickle für die fehlende Rückmeldung B2 einen Diagnosebaum mit mindestens drei möglichen Fehlerzonen.

Schwer

Transfer: Entwirf eine virtuelle Verpackungsstation mit mindestens sechs Zuständen und zwei alternativen Ablaufwegen.
Störungsanalyse: Erstelle drei unterschiedliche Signalverläufe, die alle zur Meldung „Zielposition nicht erreicht“ führen können, und begründe die Unterschiede.
Technische Dokumentation: Erstelle für eine simulierte Anlage Funktionsbeschreibung, Signalliste, Ablaufdiagramm und kurzes Diagnoseprotokoll als zusammenhängende Dokumentation.
Arbeitssicherheit: Entwickle für den Übergang von Simulation zu realem Trainingsstand einen Freigabe- und Aufsichtscheck, ohne Schutzeinrichtungen zu umgehen oder außer Kraft zu setzen.

Lernkontrolle

Funktionsanalyse: Du erhältst einen unbekannten Signalverlauf einer Sortierstation. Rekonstruiere daraus die wahrscheinlichsten Anlagenzustände und begründe Deine Reihenfolge.
Diagnosestrategie: Zwei Fehler führen zur gleichen Störmeldung. Entwickle eine Prüfstrategie, mit der Du beide Ursachen in der Simulation voneinander unterscheiden kannst.
Systemgrenze: Begründe, welche Signale Du für eine Funktionsdarstellung aufnehmen musst und welche Detailinformationen Du bewusst weglassen kannst.
GRAFCET: Übertrage eine textliche Ablaufbeschreibung in eine grafische Schrittfolge und erkläre, warum jede Transition genau an dieser Stelle liegt.
Signalfluss: Ein SPS-Ausgang ist aktiv, aber die Prozesswirkung fehlt. Leite mindestens drei mögliche Fehlerzonen entlang der Wirkungskette ab, ohne eine konkrete Ursache vorschnell festzulegen.
Arbeitssicherheit: Beschreibe, wie sich eine erfolgreiche Simulation fachgerecht auf einen realen Trainingsstand übertragen lässt und welche Freigaben, Prüfungen und Aufsichtsmaßnahmen dabei erforderlich sind.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig:

ein vollständiges Funktionsdiagramm oder ein GRAFCET für eine überschaubare Anlage.
eine nachvollziehbare Signalliste mit Ein- und Ausgängen.
ein Soll-Signalverlauf für mindestens einen vollständigen Zyklus.
die Analyse eines simulierten Störfalls.
eine begründete, schrittweise Diagnose statt bloßer Fehlervermutung.
die Dokumentation der verwendeten Hilfen und Quellen.
die klare Beachtung von Simulation, Fachaufsicht, betrieblicher Freigabe und wirksamen Schutzeinrichtungen.