aiMOOC

Prüfungswerkstatt Metall und Mechatronik – Einen mechatronischen Störfall strukturiert lösen

QR-Code

Einleitung

Prüfungswerkstatt Metall und Mechatronik – Einen mechatronischen Störfall strukturiert lösen

Zielgruppe: Ausbildung in Mechatronik, Industriemechanik und verwandten Metallberufen.

Lernzeit: etwa 70 Minuten plus eigene Projektarbeit.

Kurzbeschreibung: Befund, Hypothese und Gegenprüfung: Du untersuchst einen ausgefallenen Werkstückstopper, wertest Messdaten aus und begründest Deine Fehlerdiagnose. Deine Ergebnisse sammelst Du in einem fortlaufenden Projektdossier D0–D6.

Wichtig: Station, Schaltzeichen-Zuordnung, Messwerte, Reparatur und Prüfzeiten sind fiktive Übungsdaten. Bilder zeigen ähnliche Bauteile, nicht die erfundene Anlage. Du arbeitest mit Papier, lokalen Dateien oder einer Offline-Simulation. Kein Upload und kein externer KI-Dienst sind erforderlich.

Bildimpuls: Pneumatikzylinder mit Sensoren. Wo könnte eine Störung entstehen?

Lernpfad und Projektdossier

Lerneinheit	Zeit	Deine Dossierseite
Sicherheit und Auftrag	8 min	D0 Freigabe und Gefahren
Anlage lesen und skizzieren	10 min	D1 Wirk- und Signalweg
Befund festhalten	8 min	D2 Soll/Ist
Hypothesen planen	8 min	D3 Prüftabelle
Prüfdaten und Gegenprüfung	12 min	D4–D5 Daten und Urteil
Lokal simulieren	10 min	D5 Simulationsvergleich
Eigenständig abgeben	10 min	D6 Begründung und Reflexion

Dossier-Vorlage: Notiere auf jeder Seite Beobachtung – Beleg – Schluss – offene Frage. Trenne gemessene Werte von Vermutungen. Skizziere selbst und speichere Simulationen ausschließlich lokal. Bei fehlender Software genügt eine Zustands- und Wahrheitstabelle auf Papier.

Lerneinheit 1: Auftrag und Sicherheit

Auftrag: Eine Montagestation soll ein Metallwerkstück mit dem pneumatischen Stopper Z1 positionieren. Nach einem Startsignal bleibt Z1 eingefahren. Die SPS zeigt dennoch einen aktiven Ausgang Q0.2.

Stopp vor jedem Eingriff: Gefährliche Bewegungen verhindern; elektrische Energiequellen freischalten, gegen Wiedereinschalten sichern und die Spannungsfreiheit fachgerecht feststellen lassen. Druckluft trennen, gespeicherte Druckenergie vollständig abbauen und die Druckfreiheit prüfen. Nur autorisierte Fachkräfte arbeiten nach Betriebsanweisung an echten Anlagen. Keine Schutzfunktion überbrücken und keine Leitungen probeweise unter Spannung lösen! An dieser Station sind Spannungswerte ausschließlich bereitgestellte Übungsdaten; reale Messungen wären nur an freigegebenen didaktischen Messpunkten unter fachlicher Aufsicht zulässig.

D0-Auftrag: Kennzeichne Quetschstelle, unerwarteten Anlauf, elektrische Energie und Druckluft-Restenergie in Deiner Sicherheitsskizze.

Geprüfte Fachquellen: DGUV/IFA: Sicherer Umgang mit pneumatischen Anlagen und BG ETEM: Fünf Sicherheitsregeln.

Lerneinheit 2: System verstehen und skizzieren

Ausbildungsanlage im Modell: Ein induktiver Sensor B1 erkennt das Metallwerkstück am SPS-Eingang I0.1. Wenn die weiteren, hier als erfüllt angenommenen Freigabebedingungen vorliegen, setzt die SPS ihren Ausgang Q0.2. Über Leitung W7 und Stecker X2 wird die 24-V-Gleichstrom-Spule Y1 eines monostabilen 5/2-Wegeventils angesteuert. Im festgelegten Modell fährt dadurch der doppeltwirkende Zylinder Z1 aus. Ohne Ansteuerung bringt die Ventilfeder das Ventil zurück; Z1 fährt ein. Die Druckluftversorgung ist auf 6,0 bar eingestellt.

Elektrische Signalkette	Pneumatische Wirkung
B1 → I0.1 → SPS Q0.2 → W7 → X2 → Y1 → 0 V	Druckregler → 5/2-Ventil → Z1
Q0.2 = ein, Y1 erhält 24 V	Z1 fährt aus
Q0.2 = aus, Ventil fällt zurück	Z1 fährt ein

Bild: Beispiel eines induktiven Sensors.

Bild: Beispiel einer Kleinsteuerung; die Modell-SPS ist herstellerneutral.

Schaltzeichen: doppeltwirkender Zylinder.

Bild: Beispiel eines 5/2-Magnetventil-Schaltbildes; Anschlusslage im eigenen Plan prüfen.

Bauteilfoto: 5/2-Wege-Magnetventil.

Videoimpuls: Monostabile und bistabile 5/2-Wegeventile unterscheiden.

D1-Auftrag: Zeichne den Strompfad zu Y1 und den Luftweg zu Z1 mit allen Kennzeichnungen. Markiere die Grenze zwischen Signal und mechanischer Bewegung.

Lerneinheit 3: Den Befund vom Verdacht trennen

Animation: Prinzip eines doppeltwirkenden Zylinders.

Zustand	Soll	Ist im fiktiven Störfall
Werkstück an B1	I0.1 = 1	I0.1 = 1
Freigabe aktiv	Q0.2 = 1	Q0.2 = 1
Zylindermeldung	Z1 fährt aus	Z1 bleibt eingefahren
Druckanzeige	6,0 bar	6,0 bar

Befund: „Q0.2 ist aktiv, Z1 bewegt sich nicht.“ Keine Beobachtung, sondern eine Hypothese: „Das Ventil ist kaputt.“

D2-Auftrag: Verfasse zwei beobachtbare Sätze und einen getrennten Verdacht. Erkläre, weshalb die Anzeige Q0.2 = 1 noch keine Spannung an der Spule beweist.

Lerneinheit 4: Hypothesen und trennende Prüfungen

Messgerät-Symbolbild; Messhandlungen werden hier nicht praktisch ausgeführt.

Hypothese	Trennender Befund	Wie könnte man sie widerlegen?
H-A: SPS-Ausgang liefert keine Spannung	Spannung am Ausgang Q0.2	Bei korrekt anstehender Ausgangsspannung wird H-A unwahrscheinlich.
H-B: Leitung W7 ist unterbrochen	Ausgangsspannung vorhanden, an Y1 fehlt sie; W7 getrennt und spannungsfrei ohne Durchgang	Durchgängige, intakte Leitung würde H-B widerlegen.
H-C: Spule Y1 ist unterbrochen	Widerstand der isolierten Spule außerhalb des Beispiel-Sollbereichs	Spulenwert im Beispielbereich schwächt H-C deutlich.
H-D: Pneumatische Versorgung fehlt	Druck am vorgesehenen Manometer	6,0 bar am Versorgungsmesspunkt widersprechen einem vollständigen Versorgungsverlust, schließen aber lokale Fehler nicht vollständig aus.

D3-Auftrag: Sortiere die vier Hypothesen nach Prüfbarkeit. Begründe, welcher Befund nur eine Vermutung schwächt und welcher eine Unterbrechung unmittelbar nachweist.

Lerneinheit 5: Prüfdaten, Diagnose, Gegenprüfung

Datenkarte A – nur fiktive Messprotokolle. Die Lehrkraft hat die Diagnosedaten sicher bereitgestellt. Für Widerstands- und Durchgangswerte waren Leitung und Spule vollständig spannungsfrei und jeweils an den Messenden getrennt.

Messpunkt / Prüfkriterium	Fiktiver Wert	Einordnung
SPS-Ausgang Q0.2 gegen 0 V bei Freigabe	24,0 V	Ausgabe vorhanden
Spannung direkt an Y1 bei Freigabe	0,2 V	Für Betätigung im Modell nicht ausreichend
Leitungsprüfung W7, beidseitig abgeklemmt	kein Durchgang	Unterbrechung nachgewiesen
Isolierte Magnetspule Y1	120 Ω	Innerhalb des fiktiven Spulen-Sollbereichs 110–130 Ω
Manometer vor dem Ventil	6,0 bar	Versorgung dort vorhanden

Vergleichsfoto: 24-V-Magnetspule eines Pneumatikventils.

Diagnose: Die Werte stützen H-B (Leitungsunterbrechung W7). Ein zusätzlicher fiktiver Sichtbefund zeigt eine beschädigte Ader am Metall-Haltewinkel. Die Messung beweist den Leitungsbruch, nicht allein die genaue Entstehungsursache.

Datenkarte B – fiktive fachgerechte Instandsetzung: Autorisierte Fachkräfte ersetzen W7 nach Vorgaben, prüfen Verlegung/Kantenschutz und stellen die Betriebssicherheit wieder her. Nach kontrollierter Wiederinbetriebnahme zeigt der Messpunkt an Y1 24,0 V. Z1 fährt in fünf beobachteten Testzyklen aus und ein; der Versorgungsdruck bleibt bei 6,0 bar. Das ist ein Übungsnachweis, keine generelle Maschinenfreigabe.

D4-Auftrag: Übertrage die fünf Werte mit Einheit, Messzustand und Herkunft „Simulation/Falldaten“. D5-Auftrag: Verknüpfe H-B → Prüfbefund → Maßnahme → unabhängige Funktionskontrolle in vier Sätzen. Nenne eine verbleibende Unsicherheit.

Lerneinheit 6: Offline-Simulation und Transfer

Baue lokal oder auf Papier zwei Zustände: „W7 intakt“ und „W7 unterbrochen“. Ändere nur diese eine Variable; Eingänge, Freigabe und Druck bleiben gleich. Simuliere die 5/2-Ventilfunktion mit einem doppeltwirkenden Zylinder. Programme wie FluidSIM können an einer vorhandenen Schullizenz offline genutzt werden; alternativ reicht folgende Tabelle.

Zustand	Q0.2	Spannung Y1	Beobachtung Z1
W7 intakt	1	24 V	fährt aus
W7 offen	1	nahezu 0 V	bleibt eingefahren
W7 fachgerecht ersetzt	1	24 V	fährt wieder aus

Videobeispiel: Elektropneumatische Schaltung eines doppeltwirkenden Zylinders in FluidSIM. Die konkrete W7-Störung ist Deine eigene Modellergänzung.

Mini-Transfer: Bei einem zweiten fiktiven Fehler zeigt Q0.2 = 0 trotz vorhandenem Werkstück. Untersuche zuerst Freigabebedingungen und Eingangssignale, statt W7 ungeprüft erneut auszutauschen.

D5-Ergänzung: Füge zwei selbst erstellte Schaltskizzen oder lokal gespeicherte Simulationsergebnisse und einen Vergleichssatz ein. Keine Dateien auf externe Plattformen laden.

Lerneinheit 7: Eigene Abgabe und gestufte Hilfen

D6: Deine eigenständige Prüfungsabgabe ist eine lokale Dossiermappe mit Systemskizze, Soll/Ist-Befund, Hypothesentabelle, fiktiven Prüfdaten, Simulation, begründeter Diagnose, Sicherheitsbetrachtung und Gegenprüfung. Kennzeichne Unsicherheiten. Eigene Schlussfolgerungen zählen mehr als eine bloße Teileliste.

Hilfestufe	Denkanstoß
Hilfe 1 – Impuls	Was wurde beobachtet und was ist nur vermutet?
Hilfe 2 – Messstrategie	Vergleiche Q0.2, den Anschluss an Y1 und die isolierte Leitung W7.
Hilfe 3 – Deutung	24 V am Ausgang, fast 0 V an Y1 und kein Durchgang von W7 passen zur Leitungsunterbrechung.

Selbstfeedback: Deine Lösung ist belastbar, wenn Du Alternativen anhand von Daten ausschließt und die Funktion nach der Maßnahme unabhängig prüfst. Nur „Ventil getauscht, geht wieder“ ist nicht ausreichend, weil Ursache und Wirksamkeit unbelegt bleiben.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Aussage ist ein Befund und keine Ursachenhypothese? (Der Zylinder bleibt eingefahren) (!Die Leitung W7 ist sicher defekt) (!Die Magnetspule ist kaputt) (!Der Ventilschieber klemmt)

Was erkennt B1 in der beschriebenen Station? (Das Metallwerkstück) (!Den Leitungswiderstand) (!Den Netzdruck) (!Die Ventiltemperatur)

Welche Funktion hat Q0.2 im Modell? (Es steuert die Ventilspule an) (!Es stellt den Druck ein) (!Es ist der Zylinderkolben) (!Es misst die Druckluftfeuchte)

Wann soll Z1 im beschriebenen Normalablauf ausfahren? (Wenn Y1 mit 24 Volt versorgt wird) (!Wenn W7 absichtlich geöffnet wird) (!Wenn die Druckluft getrennt ist) (!Wenn Q0.2 ohne Freigabe abgeschaltet ist)

Welcher fiktive Messwert liegt am aktiven SPS-Ausgang Q0.2 an? (24,0 Volt) (!0,2 Volt) (!120 Ohm) (!6,0 bar)

Welche Spannung wurde im Fehlerzustand direkt an Y1 festgestellt? (0,2 Volt) (!24,0 Volt) (!120 Volt) (!6,0 Volt)

Was ergibt die Prüfung der freigeschalteten und abgetrennten Leitung W7? (Keinen Durchgang) (!Den korrekten Druck) (!Eine laufende Zylinderbewegung) (!Eine sichere SPS-Freigabe)

Welche Hypothese wird durch die vollständige Datenkarte am stärksten gestützt? (Unterbrechung der Leitung W7) (!Fehlende Druckluftversorgung) (!Ausfall des SPS-Ausgangs) (!Ein durchgebrannter Sensor B1)

Was gilt vor einer Widerstandsmessung an Leitungen oder Spulen? (Spannungsfreiheit fachgerecht herstellen und prüfen) (!Nur die Starttaste loslassen) (!Die Anlage schneller laufen lassen) (!Eine Schutzeinrichtung überbrücken)

Welche Gegenprüfung ist nach der fachgerechten Reparatur besonders aussagekräftig? (Spannung an Y1 und wiederholte sichere Zylinderbewegung prüfen) (!Nur den Defekt im Bericht behaupten) (!Die SPS ohne Test neu starten) (!Die Leitung ohne Freigabe überbrücken)

Memory

Befund	dokumentierter Istzustand
Hypothese	überprüfbare Ursache
Gegenprüfung	unabhängige Funktionskontrolle
Eingang I0.1	Sensorsignal der Steuerung
Ausgang Q0.2	Steuerbefehl an den Aktor
Magnetspule Y1	elektrische Ventilbetätigung
Leitung W7	Übertragungsweg zur Spule

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Diagnosehandlung
Sicherungsphase	Energien beherrschen
Beobachtungsphase	Sollzustand und Istzustand vergleichen
Vermutungsphase	Prüfbare Ursachen formulieren
Messphase	Hypothesen mit Daten abgleichen
Abnahmephase	Funktion unabhängig bestätigen

Kreuzworträtsel

Pneumatik	Welche Technik bewegt den Zylinder mit Druckluft?
Sensor	Welches Bauteil erkennt das Metallwerkstück?
Magnetspule	Welches Bauteil betätigt das Wegeventil elektrisch?
Leitungsbruch	Welcher Fehler ist bei W7 im Fall nachgewiesen?
Befund	Wie heißt eine nachweisbare Beobachtung?
Gegenprobe	Wie nennt man eine unabhängige Bestätigungsprüfung?

LearningApps

Freiwillige Themensuche auf einer externen Lernplattform; keine bestimmte App wird zugesichert. Keine persönlichen Daten oder Projektdossiers übermitteln.

Lückentext

Der mechatronische Störfall betrifft einen

in einer Montagestation.

Die elektrische Steuerung ist eine

.

Der Sensor B1 erkennt das

.

Das pneumatische Wegeventil wird durch die Spule

betätigt.

Der dokumentierte Istzustand heißt

.

Eine überprüfbare Ursache nennt man

.

Am eingeschalteten SPS-Ausgang liegen fiktiv

Volt an.

An der Magnetspule wurden nur

Volt festgestellt.

Die isolierte Leitung

weist keinen Durchgang auf.

Widerstandsmessungen erfolgen im

Zustand.

Nach der Instandsetzung wird eine unabhängige

durchgeführt.

Eine gute Prüfungsabgabe enthält zu jedem Urteil eine

.

Offene Aufgaben

Leicht

Sicherheitsbild: Markiere vier mögliche Gefahren am Arbeitsplatz und beschreibe je eine Schutzmaßnahme für D0.
Signalweg-Skizze: Zeichne B1, I0.1, Q0.2, W7, X2, Y1 und Z1 mit Pfeilen in D1.
Befundkarte: Formuliere für D2 drei Ist-Aussagen ohne vorschnelle Ursachenzuschreibung.
Messwertkarte: Übertrage die vorgegebenen Übungswerte mit Einheiten und Kennzeichnung „fiktiv“ in D4.

Standard

Hypothesenvergleich: Stelle zu drei möglichen Ursachen je eine passende trennende Gegenmessung in D3 dar.
Zustandsvergleich: Simuliere „W7 intakt“ und „W7 offen“ lokal oder auf Papier und begründe die Änderung bei Z1.
Spulenmodell: Berechne für das fiktive Modell mit 24 Volt und 120 Ohm den idealisierten stationären Strom und erkläre die Modellgrenze.
Prüfbericht: Begründe anhand der Datenkarten, weshalb der reine Austausch des Ventils keine ausreichende Diagnose wäre.

Schwer

Alternativfall: Entwickle einen zweiten fiktiven Störfall mit Q0.2 = 0 und erläutere eine neue Prüfreihenfolge.
Ursachenanalyse: Unterscheide sicher nachgewiesenen Leitungsbruch und nur vermutete mechanische Schadensentstehung.
Prüfvideo oder Bildserie: Entwirf eine lokale, selbst erstellte Erklärung der Simulation ohne reale Gefahrensituation und ohne Upload.
Fachgespräch: Verteidige D0–D6, diskutiere Gegenargumente und nenne die Grenzen von fünf Testzyklen.

Begründetes Feedback zu Basis, Anwendung und Transfer

Niveau	Woran Du eine starke Lösung erkennst	Begründete Rückmeldung
Basis	Kennzeichen, Soll/Ist und Messwerte stimmen überein.	Gut: „Q0.2 zeigt 1, Z1 bleibt eingefahren.“ Das sind überprüfbare Angaben. Überarbeiten: „Die Spule ist defekt“ gehört zunächst zu den Hypothesen, nicht in den Befund.
Anwendung	Der Messplan trennt H-A bis H-D; W7 ohne Durchgang wird als zentraler Beleg verwendet.	Gut: Ausgang 24 Volt, Spule nahezu 0 Volt, intakte Spule und offene W7 stützen die Leitungsunterbrechung. Überarbeiten: Ein leuchtender SPS-Ausgang allein belegt keine funktionsfähige Leitung.
Transfer	Der neue Fall führt zu einer neuen Hypothese; Diagnose und Freigabe werden getrennt.	Gut: Bei Q0.2 = 0 prüfst Du erst Eingänge und Bedingungen. Fünf erfolgreiche Fahrten belegen eine begrenzte Übungs-Gegenprobe, nicht die vollständige Sicherheit einer Produktionsanlage.

Lernkontrolle

Ursache und Wirkung: Erkläre, warum eine aktivierte SPS-Anzeige mit einer ausgebliebenen Zylinderbewegung vereinbar ist.
Priorisierung: Entscheide bei begrenzter Zeit, welche drei Prüfungen die Hypothesen am besten trennen, und begründe ihre Reihenfolge.
Sicherheitsentscheidung: Begründe, weshalb ein erfolgreicher Funktionstest das vorherige Sichern und Drucklosmachen nicht ersetzt.
Gegenargument: Entwerfe ein Messergebnis, das Deine bevorzugte Leitungsbruch-Hypothese widerlegen würde.
Modellkritik: Nenne zwei Unterschiede zwischen der Offline-Simulation und einer echten elektropneumatischen Anlage.
Transfer: Entwickle für einen sporadischen Fehler einen dokumentierbaren Beobachtungs- und Prüfplan ohne unzulässige Eingriffe.

Lernnachweis

Deine eigenständige Dossier-Abgabe D0–D6 enthält:

D0: Sicherheitsbetrachtung und Grenzen der eigenen Handlungskompetenz.
D1: lesbare Signal- und Pneumatikskizze mit Bauteilkennungen.
D2: Soll/Ist-Befund ohne unbelegte Ursachenaussage.
D3: mehrere prüfbare Hypothesen samt möglicher Widerlegung.
D4: vollständig gekennzeichnete fiktive Prüfdaten mit Einheiten.
D5: lokale Skizze oder Simulation sowie unabhängig begründete Gegenprüfung.
D6: eigenes Urteil, Alternativen, Unsicherheiten und Reflexion.

Orientierungsraster (fiktive Kursbewertung): Sicherheit 20 %, Systemverständnis 15 %, Befund und Daten 20 %, Hypothesenprüfung 20 %, Gegenprüfung 15 %, Begründung und Reflexion 10 %. Keine Abgabe an externe Dienste erforderlich. Die echte Freigabe einer Anlage bleibt den zuständigen Fachkräften und betrieblichen Vorgaben vorbehalten.

OERs zum Thema

Nachgeprüfte Fachinformationen:

Festo: Pneumatische Zylinder und doppeltwirkende Bauweise – technische Grundlagen.
Wikipedia: Elektropneumatische Steuerung – Verbindung von elektrischer Steuerung und Pneumatik.
DGUV/IFA: Sicherer Umgang mit pneumatischen Anlagen – Instandhaltung und Restenergie.
BG ETEM: Fünf Sicherheitsregeln – elektrische Sicherheit.

Mediennachweis und Rechte (Dateiseiten von Wikimedia Commons, jeweils unverändert eingebunden):

Pneumatic cylinder 2172.jpg – Mixabest, CC BY-SA 3.0.
Inductive proximity sensor.jpg – Ekbsensor, CC BY-SA 4.0.
Siemens sps logo 8 12-24 RCE-03.jpg – MakeMagazinDE, CC BY-SA 4.0.
Double acting cylinder symbol.svg – Marton Kiss-Albert, CC BY 3.0.
5 2 solenoid valve example.svg – Qscgy256, CC BY-SA 4.0.
Herion Magnetventi 5-2 Wege-(26360 00)a.jpg – ADwarf, CC BY-SA 3.0.
Doppelwirkender Zylinder Funktionsprinziep hochkant.gif – RainerB., CC0 1.0.
Handheld DMM.svg – Inductiveload, Public Domain.
Solenoid coil of a pneumatic valve.jpg – Sarah Adrita, CC BY-SA 4.0.

Videos: 5/2-Wegeventile in SPS-Steuerungen (ronnie) und Doppeltwirkender Zylinder in FluidSIM (EduVision – Technical Education). Hinweis: YouTube-Videos sind keine automatisch frei lizenzierten OER. Hier werden nur verifizierte Originalseiten eingebettet; keine Vervielfältigung oder Neuveröffentlichung. Externe Medien sind freiwillige Ergänzungen, kein Bestandteil der lokalen Abgabe. Lizenzbedingungen bei Weiterverwendung auf den verlinkten Commons-Dateiseiten beachten.

Da für diesen konkreten fiktiven Prüfungsfall kein Wikipedia-Artikel existiert, zeigt das iFrame den thematisch passenden Grundlagenartikel.