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Systematische Fehlersuche an Maschinen – Eine Funktionskette zur Diagnose aufbauen

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Systematische Fehlersuche an Maschinen – Eine Funktionskette zur Diagnose aufbauen

Einleitung

Zielgruppe: Ausbildung in Mechatronik, Industrieelektrik, Elektronik für Automatisierungstechnik, Industriemechanik und verwandten Berufen.

Kurzidee: Du zerlegst eine Maschinenfunktion in eine prüfbare Kette aus Energie → Signal → Verarbeitung → Aktorik → mechanischer Wirkung. Fehler werden nicht durch Raten gesucht, sondern durch einen Soll-Ist-Vergleich an klaren Schnittstellen eingegrenzt.

Sicherheitsgrenze dieses Lernkurses	Alle Diagnoseübungen beginnen in einer Simulation. Es gibt keine automatische Live-Ansteuerung einer realen Maschine. Schutzeinrichtungen werden niemals überbrückt, außer Kraft gesetzt oder umgangen. Reale Prüfungen, Messungen oder Arbeiten erfolgen nur durch dafür geeignete Personen, unter Fachaufsicht, nach betrieblicher Freigabe und nach den für die konkrete Maschine festgelegten Schutzmaßnahmen. Unerwarteten Anlauf und gespeicherte bzw. verbleibende Energien musst Du mitdenken.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du …	Nachweis
eine Maschinenfunktion als Funktionskette darstellen	Energie-, Signal- und Wirkpfad sind vollständig
Soll- und Ist-Zustände an Schnittstellen vergleichen	Abweichungen werden einem Funktionsabschnitt zugeordnet
Fehler systematisch eingrenzen	Hypothesen werden durch gezielte simulierte Prüfungen bestätigt oder verworfen
Sensor, SPS, Magnetventil und Zylinder funktional einordnen	Signalfluss und Energiefluss werden nicht verwechselt
eine sichere Diagnoseplanung formulieren	keine Umgehung von Schutzeinrichtungen, keine unzulässige Live-Ansteuerung
Diagnoseergebnisse dokumentieren	Symptom, Prüfschritt, Ergebnis, Schlussfolgerung und Wiederholungsprüfung sind nachvollziehbar

Ausbildungsfall: Die Vereinzelungsstation

Eine didaktische Station transportiert metallische Werkstücke. Ein Sensor erkennt das Werkstück. Eine SPS wertet das Signal aus. Ein Magnetventil schaltet Druckluft. Ein Pneumatikzylinder schiebt das Werkstück auf eine zweite Förderstrecke.

Störung: Das Werkstück steht an der Erkennungsposition, der Ausschieber bleibt jedoch eingefahren.

Wichtig: Die folgende Station ist ein Simulationsfall. Bezeichnungen wie S1, Q1, Y1 und A1 sind Lernbezeichnungen und keine Handlungsanweisung für eine reale Anlage.

Sollablauf der Station

Funktionsglied	Sollzustand	Art
24-V-Steuerenergie	Sensorik und Steuerung sind versorgt	Energie
Druckluftversorgung	pneumatische Energie steht für den Aktor bereit	Energie
Sensor S1	erkennt das metallische Werkstück	Signalaufnahme
SPS-Eingang	übernimmt den Sensorzustand	Signal
SPS-Logik	prüft Freigaben und erzeugt den Stellbefehl	Verarbeitung
SPS-Ausgang Q1	gibt den Stellbefehl an die Ventilansteuerung	Signal
Magnetspule Y1	betätigt das Wegeventil	elektromechanische Wandlung
Wegeventil V1	lenkt die Druckluft zum Zylinder	pneumatische Steuerung
Zylinder A1	fährt aus	mechanische Wirkung
Endlagensignal S2	bestätigt die erreichte Bewegung	Rückmeldung

Lerneinheit 1: Funktionsketten lesen

Eine Funktionskette beschreibt nicht nur Bauteile. Sie zeigt, was von Glied zu Glied weitergegeben wird: Energie, Information oder Kraft beziehungsweise Bewegung.

Merksatz: Ein Fehler liegt oft nicht „in der Maschine“, sondern zwischen zwei erwarteten Zuständen.

Drei Ebenen gleichzeitig denken

Ebene	Leitfrage	Beispiel im Ausbildungsfall
Energie	Ist die benötigte Energie in der vorgesehenen Form verfügbar?	elektrische Steuerenergie und Druckluft
Signal	Wird der Prozesszustand richtig erfasst, verarbeitet und weitergegeben?	S1 → SPS-Eingang → Logik → Q1
Wirkung	Wird aus dem Stellbefehl die erwartete physische Bewegung?	Ventil → Zylinder → Ausschieben

Lerneinheit 2: Sensor und Signalpfad

Ein Sensor bildet einen Prozesszustand auf ein Signal ab. Bei der Fehlersuche ist deshalb die Frage entscheidend: Sieht die Steuerung dasselbe, was Du im Prozess erwartest?

Bei einer SPS werden Eingangssignale verarbeitet und daraus Ausgangssignale gebildet. Für die Diagnose trennst Du deshalb mindestens Sensorzustand, SPS-Eingang, Logikergebnis und SPS-Ausgang.

Signaldiagnose ohne Ratespiel

Beobachtung in der Simulation	Aussage
Sensorzustand korrekt, SPS-Eingang falsch	Fehlerbereich liegt an der Schnittstelle Sensor → Eingang
SPS-Eingang korrekt, Logikfreigabe fehlt	Ursache liegt eher in Bedingungen, Verriegelungen oder Ablaufzuständen
Logikergebnis korrekt, Ausgang bleibt aus	Fehlerbereich liegt in der Ausgangsbildung oder Ausgangsstufe
Ausgang ist aktiv, nachfolgende Komponente reagiert nicht	Diagnose wandert vom Signalpfad zur Schnittstelle beziehungsweise Aktorik

Lerneinheit 3: Vom Signal zur pneumatischen Wirkung

Das Magnetventil verbindet den elektrischen Stellbefehl mit dem pneumatischen Energiefluss.

Das Ventil kann elektrisch angesteuert sein, ohne dass am Zylinder bereits die erwartete Wirkung entsteht. Deshalb müssen Stellbefehl, Ventilzustand, pneumatische Energie und mechanische Bewegung getrennt betrachtet werden.

Funktionsanimation: mechanische Wirkung

Beobachte die Animation und formuliere drei Zustände: eingefahren – Bewegung – ausgefahren. Für jeden Zustand überlegst Du anschließend, welche Energie- und Signalinformationen dazu passen müssten.

Lerneinheit 4: Systematische Diagnose

Die Diagnose beginnt mit einem präzisen Symptom und endet mit einer überprüften Ursache. Eine verbreitete Grundidee der technischen Fehlerdiagnose ist Hypothese und Test: Du bildest eine begründete Vermutung und prüfst sie gezielt.

Diagnosekette

Schritt	Frage	Ergebnis
Sicherer Rahmen	Darf und kann der Diagnosezustand sicher hergestellt werden?	Simulation oder freigegebene reale Diagnose
Symptom	Was geschieht tatsächlich, und was sollte geschehen?	klare Soll-Ist-Abweichung
Funktionskette	Welche Glieder müssen zusammenwirken?	prüfbare Reihenfolge
Schnittstellen	Bis zu welchem Glied stimmt der Sollzustand?	Fehlerbereich wird kleiner
Hypothese	Welche Ursache erklärt alle Beobachtungen?	gezielte Vermutung
Test	Welche sichere simulierte Prüfung unterscheidet die Hypothesen?	Ursache wird bestätigt oder verworfen
Abschluss	Funktioniert anschließend der komplette Ablauf?	Wiederholungsprüfung und Dokumentation

Praxisregel für die Ausbildung: Nicht wahllos Bauteile tauschen. Erst die Funktionskette verstehen, dann den Fehlerbereich eingrenzen.

Lerneinheit 5: Sicher diagnostizieren

Fehlersuche und Störungsbeseitigung gehören zu den unfallträchtigen Tätigkeiten an Maschinen. Die DGUV fordert deshalb eine geplante Vorgehensweise, die Gefährdungen, Restenergien, Freigaben und geeignete Schutzmaßnahmen berücksichtigt.

Ein Not-Halt ist kein Ersatz für eine sichere Instandhaltungs- oder Freigabeprozedur. Für reale Arbeiten gelten die Herstellerangaben, die betriebliche Gefährdungsbeurteilung und die festgelegten Arbeitsverfahren.

Nie als Diagnosemethode: Schutztürschalter überbrücken, Verriegelungen manipulieren, unkontrolliert Aktoren erzwingen oder eine reale Maschine aus dem Lernkurs heraus automatisch ansteuern.

Sicherheits-Stoppregel

Situation	Entscheidung
Der Ablauf lässt sich vollständig in einer Simulation untersuchen	Simulation verwenden
Eine reale Prüfung ist nicht betrieblich freigegeben	nicht durchführen
Eine Schutzeinrichtung müsste umgangen werden	nicht durchführen; sichere Diagnosemethode beziehungsweise geeignete Betriebsart klären
Restenergie oder unerwarteter Anlauf sind nicht beherrscht	Diagnose stoppen und Schutzmaßnahmen klären
Qualifikation oder Fachaufsicht ist unklar	reale Arbeit nicht beginnen

Diagnose-Simulation: Fehler an der Vereinzelungsstation

Simuliertes Symptom: Werkstück erkannt, Zylinder A1 bleibt eingefahren.

Diagnosepunkt	Simulierter Ist-Zustand	Soll-Zustand
Steuerenergie	vorhanden	vorhanden
Pneumatikversorgung	vorhanden	vorhanden
Sensor S1	EIN	EIN
SPS-Eingang S1	EIN	EIN
Logikfreigabe	erfüllt	erfüllt
SPS-Ausgang Q1	EIN	EIN
Magnetspule Y1	AUS	EIN
Ventil V1	Grundstellung	geschaltet
Zylinder A1	eingefahren	ausfahrend

Diagnose: Der letzte korrekte Zustand liegt am SPS-Ausgang Q1. Der erste falsche Zustand liegt an der Magnetspule Y1. In der Simulation ist deshalb der Fehlerbereich Schnittstelle Q1 → Y1 beziehungsweise Ventilansteuerung einzugrenzen.

Gestufte Hilfen

Hilfe	Hinweis
Hilfe 1	Suche nicht zuerst nach einem Bauteilnamen. Markiere den letzten richtigen und den ersten falschen Zustand.
Hilfe 2	Zwischen diesen beiden Zuständen liegt der kleinste sinnvolle Fehlerbereich.
Hilfe 3	Prüfe in der Simulation genau diese Schnittstelle mit einer einzigen veränderten Bedingung.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben mit Feedback

Basisaufgabe

Auftrag: Markiere im Ausbildungsfall alle Glieder, die Energie bereitstellen oder Energie umformen. Trenne sie von reinen Signalgliedern.

Begründetes Feedback: Eine gute Lösung nennt mindestens Steuerenergie, Druckluftversorgung, Magnetventil und Zylinder in ihrer jeweiligen Funktion. Wenn Sensor oder SPS einfach als „Energiebauteil“ eingeordnet werden, wurde Signalverarbeitung mit Energiefluss verwechselt.

Anwendungsaufgabe

Auftrag: Nutze die Tabelle der Diagnose-Simulation. Bestimme den kleinsten Fehlerbereich und begründe, warum Du nicht beim Zylinder beginnst.

Begründetes Feedback: Q1 ist korrekt, Y1 ist falsch. Damit liegt die Abweichung vor der pneumatischen Wirkung. Ein Start beim Zylinder würde einen bereits eingegrenzten Signalfehler ignorieren und zu unnötigen Prüfungen führen.

Transferaufgabe

Neues Symptom: Der Zylinder fährt in der Simulation aus, aber deutlich langsamer als im Sollablauf.

Auftrag: Erstelle eine neue Funktionskette und nenne drei Diagnosepunkte, die Energie, Stellglied und Mechanik voneinander trennen.

Begründetes Feedback: Gute Antworten unterscheiden mindestens pneumatische Energie, Ventilzustand und mechanische Bewegung beziehungsweise Last. Nicht sinnvoll wäre es, ohne Diagnose einfach den Druck zu erhöhen. Ziel ist eine sichere Ursache-Wirkungs-Prüfung, nicht das Erzwingen der Bewegung.

Dokumentation einer Diagnose

Feld	Beispiel
Symptom	A1 bleibt eingefahren
Sollfunktion	S1 erkennt Werkstück → Q1 schaltet → Y1 betätigt V1 → A1 fährt aus
letzter korrekter Zustand	Q1 EIN
erster falscher Zustand	Y1 AUS
Hypothese	Fehler an der Schnittstelle Q1 → Y1
simulierte Prüfung	Verbindung im Modell auf Unterbrechung setzen beziehungsweise wiederherstellen
Ergebnis	Y1 reagiert nach Fehlerkorrektur
Abschluss	kompletter Zyklus wird in der Simulation erneut geprüft

Quellen- und Medienprüfung

Quelle	Verwendung im Kurs
DGUV Information 209-015: Instandhaltung an Maschinen und Anlagen	Sicherheitsrahmen, Planung, Restenergien, Freigaben und sichere Durchführung
FBHM-127: Sichere Störungsbeseitigung an Maschinen und Anlagen	sichere Planung von Störungssuche und Störungsbeseitigung
IFA/DGUV: Manipulation von Schutzeinrichtungen verhindern	Verbot beziehungsweise Vermeidung von Manipulationen und sichere Diagnosebedingungen
Festo Didactic: Mechatronik-Curriculum	didaktische Einordnung von Simulation, Fehlersuche und mechatronischen Lernpfaden
Wikipedia: Fehlerdiagnose	Begriff Fehlerdiagnose und Prinzip Hypothese/Test
Wikipedia: Speicherprogrammierbare Steuerung	Einordnung von Sensoren, Eingängen, Programmlogik, Ausgängen und Aktoren

Medienrechte

Medium	geprüfter Rechtehinweis
	Wikimedia Commons, CC0 1.0
	Wikimedia Commons, Public Domain
	Wikimedia Commons, CC BY 3.0 beziehungsweise GFDL nach Dateibeschreibung
	Wikimedia Commons, Public Domain
	Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0 beziehungsweise GFDL nach Dateibeschreibung
	Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
	Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
	Wikimedia Commons, freie Lizenz nach Dateibeschreibung, darunter CC BY-SA
YouTube-Videos	nur über den YouTube-Player eingebettet, nicht als OER-Datei kopiert; Rechte verbleiben bei den jeweiligen Anbietern

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist der erste Schritt vor einer realen Diagnose an einer Maschine? (Sicheren Diagnosezustand und betriebliche Freigabe klären) (!Bauteile auf Verdacht austauschen) (!Schutzeinrichtungen vorübergehend überbrücken) (!Die Maschine automatisch neu starten)

Wozu dient eine Funktionskette bei der Fehlersuche? (Sie gliedert die Sollfunktion in prüfbare Abschnitte) (!Sie ersetzt die Gefährdungsbeurteilung) (!Sie macht Messungen grundsätzlich überflüssig) (!Sie zeigt nur die mechanischen Bauteile)

Welche Aufgabe hat ein Sensor in der Funktionskette? (Einen Prozesszustand erfassen und als Signal bereitstellen) (!Druckluft verdichten) (!Die mechanische Last tragen) (!Schutzeinrichtungen außer Kraft setzen)

Was geschieht in der SPS im vereinfachten Modell? (Eingänge werden nach einer Logik verarbeitet und Ausgänge gebildet) (!Druckluft wird gespeichert) (!Der Zylinder wird mechanisch geführt) (!Die Schutzeinrichtung wird ersetzt)

Q1 ist in der Simulation EIN, Y1 bleibt AUS. Wo liegt der kleinste Fehlerbereich? (Zwischen SPS-Ausgang und Magnetspule) (!Zwischen Zylinder und Werkstück) (!Nur im Sensor) (!Nur in der Druckluftversorgung)

Das Ventil schaltet korrekt, der Zylinder bewegt sich aber nicht. Welcher Bereich wird nun besonders relevant? (Pneumatische Energie und mechanische Wirkung) (!Nur die SPS-Programmlogik) (!Nur der Werkstücksensor) (!Nur die Bildschirmdarstellung)

Welche Handlung ist bei der Fehlersuche unzulässig? (Schutzeinrichtungen zur Diagnose überbrücken) (!Eine Simulation verwenden) (!Soll- und Ist-Zustände vergleichen) (!Diagnoseergebnisse dokumentieren)

Warum müssen Restenergien berücksichtigt werden? (Sie können trotz Stillstand eine gefährliche Wirkung verursachen) (!Sie verbessern automatisch die Diagnosegeschwindigkeit) (!Sie ersetzen die Betriebsfreigabe) (!Sie betreffen ausschließlich Software)

Warum ist die Suche vom beobachteten Fehler über Schnittstellen sinnvoll? (Sie grenzt den Fehlerbereich schrittweise ein) (!Sie macht die Sollfunktion unwichtig) (!Sie verlangt den Austausch mehrerer Komponenten) (!Sie beginnt immer mit einer Manipulation der Steuerung)

Was folgt nach einer simulierten Fehlerkorrektur? (Den vollständigen Ablauf erneut prüfen und dokumentieren) (!Die Dokumentation löschen) (!Die Schutzfunktion deaktivieren) (!Ohne Prüfung zur realen Live-Ansteuerung wechseln)

Memory

Sensor	erfasst einen Prozesszustand
SPS	verarbeitet Eingangssignale nach Logik
Magnetventil	schaltet einen pneumatischen Weg
Zylinder	erzeugt eine lineare Bewegung
Soll-Ist-Vergleich	grenzt einen Fehlerabschnitt ein
Freigabe	ist Voraussetzung für reale Arbeiten im festgelegten Rahmen

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Energiequelle	stellt die benötigte Energie bereit
Sensor	erfasst einen Maschinenzustand
Steuerungslogik	verarbeitet Bedingungen und Signale
Stellglied	setzt einen Steuerbefehl in einen Energiefluss um
Aktor	erzeugt die mechanische Wirkung

...

Kreuzworträtsel

Sensor	Welches Bauteil erfasst einen Prozesszustand?
Steuerung	Welche Einheit verarbeitet Eingangssignale nach einer Logik?
Ventil	Welches Bauteil lenkt in der Pneumatik den Luftstrom?
Zylinder	Welcher Aktor erzeugt im Ausbildungsfall die lineare Bewegung?
Restenergie	Welche Energie kann auch nach dem Abschalten noch gefährlich sein?
Freigabe	Was muss vor realen Arbeiten betrieblich geklärt sein?

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Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Funktionskette: Zeichne für einen ungefährlichen Alltagsautomaten eine Kette aus Energie, Signal und Wirkung.
Sensor: Fotografiere oder skizziere drei Sensorarten aus Lernwerkstatt oder Schulmodell und beschreibe jeweils nur die erfasste Prozessgröße.
Pneumatik: Erkläre anhand des Schaltbilds, welche Aufgabe Ventil und Zylinder übernehmen.
Fehlerdiagnose: Formuliere aus „Maschine geht nicht“ ein präzises, beobachtbares Fehlersymptom.

Standard

Speicherprogrammierbare Steuerung: Erstelle für den Ausbildungsfall eine Tabelle mit Sensorzustand, SPS-Eingang, Logikergebnis, Ausgang und Aktorzustand.
Soll-Ist-Vergleich: Entwickle drei simulierte Fehlerfälle und markiere jeweils den letzten richtigen und den ersten falschen Zustand.
Arbeitssicherheit: Erstelle ein kurzes Poster mit Diagnosehandlungen, die ohne betriebliche Freigabe nicht durchgeführt werden dürfen.
Dokumentation: Entwirf ein Diagnoseprotokoll mit Symptom, Hypothese, simuliertem Test, Ergebnis und Schlussfolgerung.

Schwer

Mechatronik: Übertrage die Methode auf eine Anlage mit Elektromotor, Frequenzumrichter, Sensor und mechanischem Antrieb.
Fehlerbaum: Entwickle aus dem Symptom „Aktor bewegt sich nicht“ einen Fehlerbaum, der Energie-, Signal- und Mechanikursachen trennt.
Simulation: Baue in einer freigegebenen Lernsoftware eine virtuelle Funktionskette auf und injiziere mindestens drei ungefährliche Modellfehler.
Instandhaltung: Plane ein Rollenspiel zwischen Auszubildendem und Fachaufsicht, in dem eine reale Diagnosefreigabe fachlich begründet erteilt oder verweigert wird.

Lernkontrolle

Diagnosestrategie: Ein Sensor zeigt im Prozess „Werkstück vorhanden“, der SPS-Eingang bleibt aber aus. Begründe, welche Fehlerbereiche dadurch wahrscheinlicher und welche unwahrscheinlicher werden.
Funktionskette: Vergleiche zwei Strategien: Bauteile auf Verdacht tauschen oder Schnittstellen systematisch prüfen. Bewerte Zeitbedarf, Nachvollziehbarkeit und Sicherheitsrisiko.
Transfer: Ein Zylinder fährt korrekt aus, erreicht aber die Endlage nicht. Entwickle eine Funktionskette, die Signal, Pneumatik und Mechanik trennt, ohne eine Live-Ansteuerung vorzusehen.
Arbeitssicherheit: Eine Diagnose wäre nur bei geöffneter Schutztür möglich. Begründe, warum „kurz überbrücken“ keine zulässige Lernstrategie ist, und nenne sichere Alternativen auf Planungs- beziehungsweise Simulationsebene.
Hypothese und Test: Formuliere zu einem selbst gewählten simulierten Fehler zwei konkurrierende Hypothesen und einen Test, der beide voneinander unterscheidet.
Fehlerdokumentation: Bewerte ein Diagnoseprotokoll daraufhin, ob eine zweite Fachkraft die Schlussfolgerung ohne zusätzliche Vermutungen nachvollziehen könnte.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig:

Funktionskette: Du kannst Energie-, Signal- und Wirkpfad vollständig darstellen.
Soll-Ist-Vergleich: Du kannst prüfbare Sollzustände formulieren und Abweichungen lokalisieren.
Fehlerdiagnose: Du kannst eine Hypothese aus Beobachtungen ableiten und in einer Simulation gezielt testen.
Arbeitssicherheit: Du erkennst Grenzen der Diagnose und verzichtest auf Manipulationen von Schutzeinrichtungen oder unzulässige Live-Ansteuerungen.
Transfer: Du kannst die Methode auf eine andere Maschine oder einen anderen Aktor übertragen.
Dokumentation: Du hältst Symptom, Prüfschritte, Ergebnisse, Begründung und Abschlussprüfung nachvollziehbar fest.

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