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Inbetriebnehmen steuerungstechnischer Systeme - Zerspanungsmechaniker - LF 7

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Einleitung

Du übernimmst einen fiktiven Auftrag aus der Zerspanung: Eine Bohrstation soll Werkstücke mit einem gesteuerten Zylinder halten, ihren Zustand melden und nach einer Freigabe wieder lösen. Dafür musst du Anforderungen klären, eine Steuerung planen und simulieren, Fehler eingrenzen sowie Prüf- und Übergabeunterlagen erstellen. Im KMK-Lernfeld 7 des zweiten Ausbildungsjahres sind dafür 60 Unterrichtsstunden vorgesehen. Du arbeitest im Lernmodell, nicht eigenständig an einer produktiven Maschine. Arbeiten mit Druckluft, Hydraulik, elektrischen Anlagen oder Maschinenbewegungen dürfen nur nach Gefährdungsbeurteilung, Unterweisung und unter befugter fachlicher Aufsicht erfolgen.

Dein Lernziel: Du analysierst einen berufstypischen Auftrag, entwirfst und parametrierst eine geeignete steuerungstechnische Lösung, prüfst ihre Funktion, dokumentierst Entscheidungen und bewertest Alternativen. Die Aufgaben decken Technologieschema, Zuordnungsliste, Weg-Schritt-Diagramm, Schalt- und Stromlaufplan, Logikplan, Funktionstabelle, Fluidtechnik, Steuern und Regeln, Steuer- und Arbeitsstromkreis, Signalspeicherung, Verknüpfungs- und Ablaufsteuerung sowie analoge, digitale und intelligente Sensorik ab. Maßgeblich bleiben der betriebliche Ausbildungsplan, die zuständige Kammer, der geltende Landeslehrplan und die Fachanweisungen vor Ort.

Arbeitsauftrag und technische Dokumentation

Den Auftrag systematisch analysieren

Eine Steuerung verarbeitet Informationen und löst passende Aktionen aus. Zuerst beschreibst du den Sollablauf in beobachtbaren Zuständen statt sofort Bauteile auszuwählen. Für die fiktive Bohrstation lauten die Anforderungen: Ein vorhandenes Werkstück wird erkannt; nach bewusstem Startbefehl soll der Spannzylinder ausfahren; eine gesonderte Rückmeldung bestätigt die Spannposition; erst danach darf die übergeordnete Bearbeitungsfreigabe angefordert werden; nach Prozessende und sicherer Freigabe fährt der Zylinder zurück. Das ist eine didaktische Funktionsbeschreibung, keine freigegebene Sicherheitssteuerung. Reale Bearbeitung verlangt zusätzlich eine getrennt ausgelegte und validierte Sicherheitsfunktion.

Beim Technologieschema zeigst du die Funktionsblöcke und den Stoff-, Informations- und Energiefluss: Werkstück zur Station (Stofffluss); Werkstücksensor, Startbefehl und Endlagensignale zur Steuerung (Informationsfluss); elektrische Energie zum Ventil und Druckluft zum Zylinder (Energiefluss). Ein Strich für Druckluft ist nicht dasselbe wie eine Signalleitung. Hilfreiche Fragen sind: Was muss bei einem Leitungsbruch geschehen? Welche Position muss vor dem Start bestätigt sein? Wer darf Fehler quittieren? Welche Betriebsarten sind vorgesehen?

Zuordnungsliste, Funktionstabelle und Pläne

Eine Zuordnungsliste verbindet eindeutige Kennzeichen mit physikalischen Signalen. Beispiel einer frei erfundenen Lernstation:

Kennzeichen	Signalart	Bedeutung	Erwartung
I0.0	Digitaler Eingang	Starttaster	1 nur während Betätigung
I0.1	Digitaler Eingang	Werkstück erkannt	1 bei belegtem Platz
I0.2	Digitaler Eingang	Zylinder zurück	1 in hinterer Endlage
I0.3	Digitaler Eingang	Zylinder vorn	1 in vorderer Endlage
I0.4	Digitaler Eingang	Prozessende simuliert	1 bei abgeschlossener Bearbeitung
Q0.0	Digitaler Ausgang	Ventil für Ausfahren	1 bei Ausfahrbefehl
Q0.1	Digitaler Ausgang	Ventil für Rückfahren	1 bei Rückfahrbefehl

Die Adressen sind Lernbeispiele; eine Herstellersteuerung kann anders adressieren. Die Rückmeldungen I0.2 und I0.3 sind Zustandsinformationen, keine allein ausreichenden Sicherheitssignale. In der Funktionstabelle prüfst du Eingabekombinationen und zugehörige Ausgaben. Beispiel im Grundzustand: Werkstück=1, Rücklage=1 und Start=1 erlauben das Einleiten des simulierten Spannvorgangs, sofern die modellierte Betriebsfreigabe anliegt. Ist Werkstück=0, muss der Start wirkungslos bleiben. Eine Schaltplanzeichnung zeigt Fluidanschlüsse und Ventile, ein Stromlaufplan elektrische Verbindungen und ein Logikplan die Signalverknüpfungen. Keine dieser Darstellungen ersetzt die anderen vollständig.

Typischer Fehler: Ein Endlagensensor wird im Programm mit falscher Polarität verarbeitet. Dadurch meldet die Anzeige „vorn“, obwohl der Zylinder tatsächlich zurücksteht. Vor jeder Änderung prüfst du Symbol, physische Zuordnung, Signalzustand und Dokumentation getrennt.

Pneumatik, Hydraulik und Kraftberechnung

Energie in Bewegung umsetzen

Bei der Pneumatik überträgt komprimierte Luft Energie; bei der Hydraulik geschieht dies typischerweise mit einer unter Druck stehenden Flüssigkeit. Ein Aktor wandelt Energie in Bewegung um, beispielsweise ein doppeltwirkender Zylinder mit zwei beaufschlagbaren Kammern. Ein 5/2-Wegeventil besitzt fünf Anschlüsse und zwei Schaltstellungen; es kann den Luftstrom für Aus- und Einfahren umlenken. Ein Ventil benötigt die passende Betätigungsart, Durchflusskapazität, zulässige Druckspanne und die vom Hersteller vorgegebenen Anschlüsse. Ein symbolisch gezeichnetes Ventil ist kein Freibrief für einen echten Aufbau.

Abbildung: Symbol eines doppeltwirkenden Zylinders. Die beiden Anschlüsse ermöglichen die Beaufschlagung beider Bewegungsrichtungen; überprüfe die tatsächlichen Bauteildaten im Datenblatt.

Abbildung: Beispiel für ein elektromagnetisch betätigtes 5/2-Ventil. Die beiden Schaltstellungen sind getrennt zu lesen, die Anschlüsse müssen nach Bauteilkennzeichnung zugeordnet werden.

Fachvideo (deutsch): EduVision zeigt einen doppeltwirkenden Zylinder in einer FluidSIM-Simulation. Übertrage nur die Funktionsprinzipien auf deine eigene Lernschaltung; nicht ungeprüft die Verdrahtung.

Druck, Flächen und Kräfte nachvollziehbar berechnen

Der Zusammenhang lautet näherungsweise F = p · A. Mit dem Überdruck gegenüber der Umgebung in Pascal und der wirksamen Fläche in Quadratmetern erhältst du die ideale Kraft in Newton. Für einen Kolbendurchmesser von d = 32 mm und den angenommenen Arbeitsüberdruck p = 6 bar = 600 000 Pa gilt:

Kolbenfläche A = π · (0,032 m)² / 4 = 0,000804 m².
Ideale Ausfahrkraft F = 600 000 Pa · 0,000804 m² ≈ 483 N.
Bei einer nur zur Veranschaulichung angenommenen mechanischen Nutzungsquote von 85 % bleiben etwa 410 N nutzbare Ausfahrkraft.
Für eine angenommene erforderliche Haltekraft von 250 N mit dem didaktischen Bemessungsfaktor 1,5 ergibt sich 375 N als Vergleichswert. Im Zahlenbeispiel übertrifft 410 N diesen Wert. Das ist keine reale Auslegungsfreigabe: Reibung, Druckabfall, Lastfall, Werkstückgeometrie, Ventilzustand, Druckluftausfall und erforderliche Sicherheitsfunktionen müssen fachlich nach Herstellerdaten geprüft werden.

Beim Einfahren ist wegen der Kolbenstange die wirksame Ringfläche kleiner. Bei einem angenommenen Stangendurchmesser von 12 mm gilt A_Ring = π · (0,032² − 0,012²) / 4 ≈ 0,000691 m² und die ideale Rückfahrkraft beträgt 415 N. Der häufige Fehler, auf beiden Seiten dieselbe Kraft anzunehmen, führt zu falschen Entscheidungen. 1 bar = 100 000 Pa; wer bar direkt in die Formel einsetzt, erhält einen unbrauchbaren Zahlenwert.

Gerätetechniken wirtschaftlich vergleichen

Pneumatik ist für viele kurze Bewegungen einfach und robust, verbraucht aber aufwendig erzeugte Druckluft; Leckagen und zu hoher Betriebsdruck erhöhen den Energiebedarf. Hydraulik ermöglicht bei kompakter Bauweise hohe Kräfte, verlangt jedoch Aufmerksamkeit für Leckagen, Ölzustand, Filterung und das Risiko unter Druck austretender Flüssigkeit. Eine elektromechanische Lösung mit Motor und Spindel kann präzise Positionen bieten, bringt dafür andere Schutz- und Wartungsanforderungen mit. Vergleiche in einer Entscheidungsmatrix Kraft, Dynamik, Positioniergenauigkeit, Anschaffung, Wartung, Energie, Emissionen und Sicherheit. Die günstigste Anschaffung ist nicht automatisch die wirtschaftlichste Lebenszykluslösung.

Abbildung: Hydraulischer Prinzipschaltplan mit Richtungssteuerung. Achte auf die andere Energieträgertechnik und auf die verschiedenen Ventilstellungen.

Elektrische Ansteuerung, Logik und Sensorik

Steuern, Regeln und Kreise unterscheiden

Bei einer Steuerung bewirkt die Eingangsinformation nach einer festgelegten Logik eine Ausgangsaktion. Eine Regelung vergleicht dagegen fortlaufend Istwert und Sollwert und korrigiert die Stellgröße: Eine Druckregelung kann beispielsweise schwankenden Druck ausgleichen, während ein reiner Ein/Aus-Befehl das nicht leistet. Der Steuerstromkreis transportiert und verarbeitet Schaltinformationen (beispielsweise eine mit zulässiger Kleinspannung betriebene Steuerung), der Arbeitsstromkreis versorgt den eigentlichen Verbraucher. Die Bezeichnungen begründen keine automatische elektrische Sicherheit; die Fachplanung legt Schutzmaßnahmen fest.

UND-Verknüpfung: Zwei erforderliche Bedingungen müssen gleichzeitig wahr sein. ODER-Verknüpfung: Mindestens eine von zwei Bedingungen ist wahr. NICHT-Verknüpfung: Ein Signal wird logisch invertiert. Für zwei Eingangssignale A und B lautet eine kleine Funktionstabelle:

A	B	A UND B	A ODER B
0	0	0	0
0	1	0	1
1	0	0	1
1	1	1	1

Bei Schaltungen mit Signalspeicherung hält ein Merker einen Ablaufzustand auch dann, wenn der Starttaster losgelassen wurde. Eine Verknüpfungssteuerung bildet logische Bedingungen unmittelbar auf Ausgänge ab; eine Ablaufsteuerung berücksichtigt zusätzlich Reihenfolge und Zustandsübergänge. Ein gespeicherter Merker ist kein Ersatz für eine sicherheitsgerichtete Verriegelung.

Abbildung: Ein einfaches Beispiel für eine UND-Verknüpfung in einer kontaktplanähnlichen SPS-Darstellung. Übe, welche Bedingungen gemeinsam erfüllt sein müssen.

Analoge, digitale und intelligente Sensoren

Ein digitaler Sensor liefert in einem einfachen Modell einen Schaltzustand, etwa „Endlage erreicht“. Ein analoger Sensor liefert einen messwertabhängigen Verlauf, etwa einen Druckwert. Ein intelligenter Sensor kann zusätzlich Diagnosen, Parametrierung oder Kommunikationsdaten übertragen. Ein induktiver Näherungssensor reagiert auf geeignete metallische Objekte; Schaltabstand, Einbauweise, Hysterese und Versorgung folgen dem tatsächlichen Datenblatt. Prüfbar sind Erkennungsbereich, Signalpegel, Verdrahtung und Plausibilität mit einem zweiten Prozessmerkmal.

Abbildung: Exemplarischer induktiver Näherungssensor. Das konkrete Modell auf dem Bild ist kein vorgeschriebenes Bauteil für den Praxisfall.

Bei analogen Eingängen trennst du Rohwert, Skalierung und Grenzwertentscheidung. Didaktisches Beispiel eines auf 0 bis 10 bar parametrierten Sensors mit 0 bis 10 V: 3 V repräsentieren rechnerisch 3 bar, wenn Kennlinie und Beschaltung tatsächlich linear und korrekt kalibriert sind. Eine Leitungsunterbrechung darf nicht stillschweigend als sicherer Normalwert interpretiert werden. Digitale und intelligente Systeme benötigen außerdem Versions- und Parameterdokumentation sowie geregelten Zugriff.

Abläufe modellieren, programmieren und simulieren

Vom Weg-Schritt-Diagramm zur Ablaufsteuerung

Ein Weg-Schritt-Diagramm zeichnet für aufeinanderfolgende Schritte die Stellung eines Aktors. In unserem fiktiven Spannfall ist A0 „hinten“, A1 „vorn“. Im Startzustand liegt A0 vor; nach bestätigtem Start folgt der Schritt Ausfahren; auf A1 folgt Geklemmt; ein simuliertes Prozessende ermöglicht Rückfahren; auf A0 folgt wieder Bereit. Zeichne für jeden Schritt den Zylinderweg und notiere daneben das auslösende Übergangssignal. Der Unterschied zwischen Befehl und bestätigtem Zustand ist entscheidend: Ein ausgegebener Ventilbefehl beweist keine Bewegung.

Zustandstabelle für ein Lernmodell:

Zustand	Übergangsbedingung	Modell-Ausgabe	Fehlerüberwachung
Bereit	Start und Werkstück vorhanden und A0 bestätigt	Noch kein Bewegungsbefehl	Widersprüchliche Endlagensignale sperren
Spannen	Wechsel aus Bereit	Ausfahren anfordern	Zeitlimit für A1 überwachen
Gespannt	A1 bestätigt	Bewegungsbefehl beenden bzw. Haltezustand modellieren	Positionsverlust melden
Entspannen	Prozessende im Modell bestätigt	Rückfahren anfordern	Zeitlimit für A0 überwachen
Störung	Zeitüberschreitung oder unplausible Sensorik	Bedienfreigabe sperren und Diagnose anzeigen	Keine automatische Wiederanfahrt

Die Ventilbauart bestimmt, ob ein Haltezustand mit gespeicherter Schaltstellung, geeigneten Halteventilen oder anderer Technik möglich ist; die Tabelle legt dies nicht eigenmächtig fest. Im Simulationsmodell dürfen Aus- und Rückfahrbefehl niemals zugleich aktiv sein. Sicherheit an der echten Anlage benötigt eine gesonderte Risikobeurteilung und geeignete Hardware; eine einfache SPS oder zwei Standardtaster bilden keine validierte Schutzfunktion.

Parametrieren, Simulation und digitale Qualität

Parametrieren heißt, einen vorgesehenen Funktionsbaustein mit plausiblen Werten zu versehen, etwa einen didaktischen Zeitüberwachungswert von 2 s oder eine Anzeigegrenze. Ein Zeitwert darf nicht ohne Hersteller- und Prozessprüfung auf eine reale Maschine übertragen werden. Ein vereinfachter Zustandsautomat kann in einer Simulationsumgebung als Pseudocode skizziert werden:

WENN Zustand = Bereit UND StartFlanke UND Werkstück UND A0 DANN Zustand := Spannen
WENN Zustand = Spannen UND A1 DANN Zustand := Gespannt
WENN Zustand = Gespannt UND Prozessende DANN Zustand := Entspannen
WENN Zustand = Entspannen UND A0 DANN Zustand := Bereit
WENN EndlagenWiderspruch ODER Zeitüberschreitung DANN Zustand := Störung
IM Zustand Störung: Bewegungsanforderung sperren; Fehler anzeigen; Freigabe nur nach Diagnose

Das Beispiel ist ein didaktisches Modell ohne direkt ausführbaren Sicherheitscode. Stelle die Eingänge in einer Simulation gezielt auf 0 und 1, protokolliere den Zustandswechsel und teste auch fehlerhafte Kombinationen. Ein Freigabetest mit normalen Signalen genügt nicht: Simuliere Sensorbruch, ausbleibende Endlage, vorzeitiges Prozessende, Neustart und widersprüchliche Sensoren. Ergänze zu jeder Abweichung erwartete Reaktion, beobachtete Reaktion und Schlussfolgerung.

Fachvideo (deutsch): EduVision erläutert elektrische Ansteuerung und Simulation eines doppeltwirkenden Zylinders. Vergleiche pneumatischen Schaltplan, elektrischen Steuerstromkreis und Stückliste.

Inbetriebnahme, Fehlersuche und nachhaltige Optimierung

Prüfen statt nur ausprobieren

Eine fachgerechte Inbetriebnahme umfasst Unterlagenprüfung, Risikobeurteilung, Freigaben, Sichtkontrollen, definierte Prüfbedingungen, kontrollierte Funktionstests und Dokumentation. An einer echten Anlage erfolgen Arbeiten nur durch geeignete, unterwiesene Personen mit betrieblicher Berechtigung; elektrische Errichtung, Änderung und Instandhaltung fallen in den Zuständigkeitsbereich entsprechend qualifizierter Elektrofachkräfte oder ihrer Leitung und Aufsicht. Drucksysteme können gespeicherte Energie enthalten. Vor Eingriffen müssen Energiequellen nach der örtlichen sicheren Arbeitsanweisung abgeschaltet, gegen Wiedereinschalten gesichert, gespeicherte Energien beherrscht und der sichere Zustand festgestellt werden. Ein betätigter Not-Halt ersetzt diese Maßnahmen nicht. Niemals in einen möglichen Bewegungsraum greifen und niemals Schutzvorrichtungen überbrücken.

Für die Lernsimulation genügen ein digitaler Schaltplan, virtuelle 24-V-Eingänge, grafisch dargestellte Zylinderbewegung und protokollierte Testfälle. Echte Maschinen dürfen nicht als Übungsobjekt für künstlich provozierte Störungen benutzt werden. Bei jeder Prüfung notierst du Datum, freigegebene Testumgebung, Sollzustand, Istzustand, Mess- oder Simulationswert, Abweichung und zuständige Prüfperson. Verwende ausschließlich erfundene Daten; keine Kunden-, Betriebs- oder Schülerdaten und keine Zugangsdaten in Screenshots, Logdateien oder Cloud-Tools.

Systematisch nach Fehlern suchen

Diagnose entlang der Flüsse: Ist ein Werkstück vorhanden (Stofffluss)? Liefert der Sensor ein plausibles Signal und gelangt es an den richtigen Eingang (Informationsfluss)? Steht die erforderliche elektrische oder pneumatische Energie zur Verfügung (Energiefluss)? Vergleiche zuerst den erwarteten Zustand mit der dokumentierten Beobachtung. Danach grenzt du die Ursache vom Sensor über die Verdrahtung und Programmlogik bis zum Aktor ein. Ändere im Modell nur eine Variable je Versuch und halte die Wirkung schriftlich fest.

Beispiel: Die Simulation bleibt in „Spannen“. Ursache A: Das virtuelle A1-Signal kommt nicht; die Zustandslogik wartet korrekt. Ursache B: A1 steht in der Visualisierung auf 1, aber die Zuordnungsliste weist fälschlich I0.2 statt I0.3 zu. Ursache C: Die Zeitüberwachung ist kürzer als die modellierte Fahrzeit. Nach Korrektur werden der betroffene Test und die übrigen Regressionstests wiederholt. Auf einer echten Anlage werden Ursachen nur im abgesicherten, freigegebenen Verfahren und durch Befugte untersucht.

Sicherheit, Energie und Rechtsrahmen

Die Betriebssicherheitsverordnung verpflichtet zum sicheren Einsatz von Arbeitsmitteln, einschließlich Gefährdungsbeurteilung und erforderlicher Prüfungen. DGUV Vorschrift 3 betrifft elektrische Anlagen und Betriebsmittel; DGUV Information 209-066 behandelt Zerspanungsmaschinen. DIN ISO 1219-1:2019-01 ist eine aktuelle Referenz für grafische Fluidtechnik-Symbole; DIN EN ISO 13849-1:2023-12 behandelt sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen; DIN EN 60204-1:2026-06 betrifft elektrische Ausrüstung von Maschinen. Verwende jeweils den aktuellen Anwendungsstand, die Herstellerdokumentation und betriebliche Vorgaben; diese Lernseite ersetzt keine Norm, Prüfung oder Unterweisung. Normtexte werden hier nicht wiedergegeben.

Nachhaltigkeit: Miss oder simuliere Leckageverluste, überprüfe bedarfsgerechte Druckeinstellung und Stillstandsabschaltung im fachlich freigegebenen Konzept, dokumentiere elektrische Leistungsaufnahme und Druckluftbedarf. Führe hydraulische Betriebsstoffe nicht in den Ausguss, sondern dem vorgesehenen betrieblichen Entsorgungsweg zu. Digitalisierung: Versioniere Schaltpläne, Parameter, Prüfprotokolle und Änderungen; dokumentiere Freigaben und beachte Zugriffsrechte, Datenminimierung und Datensicherheit. Eine Optimierung ist nur erfolgreich, wenn sie Funktion, Qualität und Sicherheit nachweislich bewahrt.

Praxisauftrag: Spannstation als prüfbares Lernmodell

Auftrag, Kriterien und Arbeitsplan

Fiktiver Kundenauftrag: Eine Bohrstation soll quaderförmige Übungswerkstücke erkennen und in einer rein virtuellen Demonstration durch einen doppeltwirkenden Zylinder spannen. Die Freigabe für eine simulierte Bearbeitung erfolgt erst nach bestätigter vorderer Endlage. Nach simuliertem Prozessende wird zurückgefahren. Bei fehlendem Werkstück, unplausiblen Endlagen, Zeitüberschreitung oder Neustart darf kein unbeabsichtigter automatischer Start erfolgen. Ein im Modell eingeblendetes Sicherheitssignal dient nur als Statusanzeige, nicht als nachgebildete sicherheitsgerichtete Funktion. Die Fertigungsmaschine bleibt außerhalb dieser Simulation.

Schritt	Arbeitsplan und Ergebnis	Nachweis
1 Auftragsklärung	Lasten und Signale identifizieren, offene Fragen festhalten	Anforderungsliste mit Normal- und Fehlerfällen
2 Planung	Technologieschema, Zuordnungsliste und Funktionstabelle erstellen	Drei beschriftete, widerspruchsfreie Dokumente
3 Dimensionierung	Pneumatische Beispielkraft berechnen und Annahmen prüfen	Einheiten, Formeln, Ergebnis und Grenzen
4 Modellierung	Schalt- und Stromlaufplan, Weg-Schritt-Diagramm und Logik entwerfen	Schaltplan, Zustandsdiagramm, Signalzuordnung
5 Simulation	Parameter dokumentieren, alle Übergänge prüfen, Fehler injizieren	Versionsstand, Testfälle, Soll-Ist-Protokoll
6 Auswertung	Fehlerursache eingrenzen, Energiealternativen vergleichen	Diagnosebericht und begründete Entscheidung
7 Übergabe	Ergebnisse im Team erklären und kritische Rückfragen beantworten	Prüfprotokoll und Präsentation

Durchgerechneter Modellnachweis und Testfälle

Rechenergebnis: Mit 32 mm Kolbendurchmesser und 6 bar Überdruck berechnet sich ideal etwa 483 N Ausfahrkraft. Mit der ausdrücklich angenommenen Nutzungsquote von 0,85 erhältst du rund 410 N. Die fiktive Vergleichsanforderung 250 N · 1,5 = 375 N wird im Modell rechnerisch überschritten. Dies begründet die Auswahl der didaktischen Pneumatikvariante, nicht die Zulässigkeit einer realen Werkstückspannung. Fertigungs- und Spannkräfte, Sicherheitsrisiken und reale Maschinenparameter müssen betrieblich durch Fachverantwortliche getrennt ermittelt werden.

Prüfbares Arbeitsergebnis – Testprotokoll einer simulierten Version 1.0:

Test-ID	Eingabebedingung	Erwartetes Ergebnis	Bewertungskriterium
T01	Kein Werkstück, Start gedrückt	Bereit bleibt ohne Ausfahrbefehl	Bestanden, wenn Q0.0 aus bleibt
T02	Werkstück vorhanden, A0 und Startflanke	Wechsel nach Spannen	Bestanden, wenn Übergang protokolliert
T03	Spannen, A1 wird bestätigt	Wechsel nach Gespannt	Bestanden, wenn Statusanzeige plausibel
T04	Gespannt, simuliertes Prozessende	Entspannen, danach bei A0 Bereit	Bestanden, wenn Reihenfolge stimmt
T05	A0 und A1 gleichzeitig wahr	Störung und keine Bewegungsanforderung	Bestanden, wenn Widerspruch erkannt
T06	A1 bleibt länger als Modell-Zeitlimit aus	Störung, Diagnose Zeitüberschreitung	Bestanden, wenn kein automatischer Wiederanlauf
T07	Neustart bei gespeichertem alten Zustand	Kein unbeabsichtigter automatischer Start	Bestanden, wenn Bedienbestätigung erforderlich

Diese Tabelle nennt Sollkriterien, keine erfundenen Messresultate. Ergänze im eigenen Nachweis je eine Spalte „Ist-Beobachtung“ und „bestanden/nicht bestanden“. Das konkrete, prüfbare Produkt besteht aus funktionsfähiger Simulation, Quell-/Planversion und sieben ausgefüllten Testprotokollen. Dokumentiere erkannte Fehler und deren nachvollziehbare Korrekturen.

Bewertungsraster für den Lernnachweis

Kriterium	0 Punkte	1 Punkt	2 Punkte	3 Punkte
Analyse und Sicherheit	Auftrag unklar	Normalfall erfasst	Fehlerfälle und Sicherheitsgrenzen erfasst	Anforderungen vollständig, Grenzen fachlich begründet
Pläne und Zuordnung	Fehlen	Teilweise vorhanden	Stimmig mit kleineren Lücken	Vollständig und signalgenau
Fachrechnen	Unbrauchbar	Ansatz ohne korrekte Einheiten	Rechenweg korrekt	Korrekt samt Annahmen und Realgrenzen
Simulation und Tests	Kein Nachweis	Nur Normalfall	Normal- und Fehlerfälle dokumentiert	Alle sieben Tests nachvollziehbar samt Regression
Diagnose und Optimierung	Keine Begründung	Vermutung ohne Beleg	Fehlerursache überprüft	Systematische Eingrenzung und Alternativenabwägung
Dokumentation und Team	Nicht nachvollziehbar	Unvollständig	Klar und versioniert	Reproduzierbar, datensparsam und adressatengerecht präsentiert

Maximal 18 Punkte. Ein mögliches transparentes Lernraster lautet 0–8: überarbeiten; 9–13: grundlegende Anforderungen; 14–16: sicher begründeter Lernnachweis; 17–18: besonders differenzierter Lernnachweis. Diese Einteilung dient ausschließlich der formativen Kursrückmeldung und hat keinen amtlichen Prüfungsstatus. Sicherheitsmängel und unzulässige reale Tätigkeiten erfordern unabhängig von der Punktzahl eine fachliche Klärung. Rückmeldungen benennen jeweils eine Stärke und den nächsten überprüfbaren Verbesserungsschritt.

Interaktive Aufgaben

Multiple-Choice-Quiz

Welcher Zusammenhang beschreibt den Stofffluss der fiktiven Bohrstation? (Werkstück gelangt zur Bearbeitungsstation) (!Startsignal wird als Bit an die Steuerung übertragen) (!Druckluft versorgt den Zylinder mit Energie) (!Prüfprotokoll wird digital gespeichert)

Welche Unterlage ordnet I0.3 der Endlage vorn zu? (Die Zuordnungsliste) (!Der Entsorgungsnachweis) (!Die Lieferantenrechnung) (!Der Wartungskalender)

Welche Aussage gilt bei einem idealen Pneumatikzylinder? (Kraft ergibt sich aus Druck mal wirksamer Fläche) (!Kraft ist immer unabhängig vom Kolbendurchmesser) (!Ein Druckwert in bar ist bereits eine Kraft in Newton) (!Die Rückfahrfläche ist immer größer als die Ausfahrfläche)

Was charakterisiert eine Regelung? (Der Istwert wird mit einem Sollwert verglichen und die Stellgröße angepasst) (!Sie besitzt grundsätzlich keine Rückführung) (!Sie schaltet ausschließlich nach einem festen Zeitplan) (!Sie benötigt keine Messwerte)

Wann ist eine UND-Verknüpfung zweier Startbedingungen wahr? (Wenn beide Bedingungen wahr sind) (!Wenn genau eine Bedingung wahr ist) (!Wenn mindestens eine Bedingung falsch ist) (!Wenn beide Bedingungen falsch sind)

Woran erkennst du einen bestätigten Zylinderzustand? (An einer plausiblen Rückmeldung aus dem entsprechenden Endlagensignal) (!Allein am ausgegebenen Ventilbefehl) (!Allein an der geplanten Fahrzeit) (!Allein an der eingegebenen Werkstücknummer)

Was ist bei gleichzeitigem Signal für vordere und hintere Endlage zu tun? (Die Unplausibilität melden und die Bewegungsanforderung sperren) (!Die Störung ignorieren und weiterfahren) (!Beide Ventilausgänge gleichzeitig aktivieren) (!Die Sensoren ohne Prüfung überbrücken)

Welche Handlung ist für die eigenständige Lernarbeit am besten geeignet? (Einen isolierten virtuellen Steuerungsaufbau mit Fehlerfällen simulieren) (!An einer laufenden Maschine eine Schutztür überbrücken) (!An einem Hydraulikschlauch unter Druck die Leckage ertasten) (!Eine elektrische Schaltschrankverdrahtung ohne Freigabe ändern)

Welche Maßnahme reduziert typischerweise unnötige Druckluftenergieverluste? (Leckagen fachgerecht beheben und Betriebsdruck bedarfsgerecht festlegen) (!Druck dauerhaft ohne Prüfung maximieren) (!Undichte Leitungen im Betrieb absichtlich offen lassen) (!Bei Stillstand alle Verbraucher künstlich beaufschlagen)

Was macht ein Prüfprotokoll nachvollziehbar? (Sollwert, Istbeobachtung, Prüfbedingungen und Versionsstand) (!Nur die Behauptung dass die Anlage funktioniert) (!Ausschließlich die Farbe des Steuergehäuses) (!Ein Foto ohne Datum und ohne Testbedingung)

Memory

Technologieschema	Überblick über Stoff-, Informations- und Energiefluss
Zuordnungsliste	Verbindung zwischen Signaladresse und Betriebsmittel
Weg-Schritt-Diagramm	Darstellung des Aktorwegs über eine Schrittfolge
Signalspeicherung	Merken eines Zustands über einen kurzen Tasterimpuls hinaus
Zeitüberwachung	Erkennen einer ausbleibenden Zustandsbestätigung
Drucksensor	Erfassung eines druckabhängigen Messwerts

Drag-and-drop

Ordne den Begriff zu.	Fachliche Beschreibung
Doppeltwirkender Zylinder	Arbeitsglied mit zwei beaufschlagbaren Kammern
Funktionstabelle	Zuordnung logischer Eingangskombinationen zu Ausgängen
Regelkreis	Rückführung des gemessenen Istwerts zum Sollwertvergleich
Störungsprotokoll	Dokumentation von Abweichung und Diagnoseverlauf
Induktiver Sensor	Berührungslose Erkennung geeigneter metallischer Objekte

Kreuzwort

Pneumatik	Welche Fluidtechnik nutzt komprimierte Luft als Energieträger?
Hydraulik	Welche Fluidtechnik verwendet typischerweise unter Druck stehende Flüssigkeit?
Sensor	Wie heißt ein Bauteil zur Erfassung von Prozessgrößen?
Ventil	Welches Bauteil lenkt den Strom eines Druckmediums?
Ablauf	Welches Wort bezeichnet die geordnete Folge von Zuständen?
Simulation	Wie heißt die modellhafte Erprobung ohne reale Maschinenbewegung?

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Lückentext

Ein

ordnet Stoff-, Informations- und Energieflüsse ein.

Eine

verbindet Signaladressen mit Betriebsmitteln.

Ein

zeigt die Aktorstellung während einer Schrittfolge.

Die ideale Zylinderkraft wird aus Druck und wirksamer

bestimmt.

Ein

liefert eine Zustandsmeldung oder einen Messwert.

Eine

führt einen ermittelten Istwert zum Sollwertvergleich zurück.

Eine

meldet ein ausbleibendes Ereignis nach einer festgelegten Frist.

Ein

dokumentiert Soll- und Istzustand eines Tests.

Bei der Fehleranalyse werden Änderungen kontrolliert und anschließend

durchgeführt.

Offene Aufgaben

Leicht

Technologieschema: Zeichne den Stoff-, Energie- und Informationsfluss der fiktiven Spannstation mit drei unterschiedlichen Pfeilarten und einer Legende.
Sensor: Erkläre an zwei Beispielsignalen den Unterschied zwischen einem digitalen Endlagensignal und einem analogen Druckwert; nenne je eine Prüfbedingung.
Pneumatik: Markiere in einer Kopie des hier gezeigten Zylindersymbols die beiden Wirkflächen und erkläre den Unterschied zwischen Ausfahren und Einfahren.
Arbeitsschutz: Erstelle eine illustrierte Kurzcheckliste für eine sichere Simulation, und begründe, warum reale Eingriffe nur unter Befugnis und fachlicher Aufsicht erfolgen.

Standard

Funktionstabelle: Erstelle für Werkstück, Start und Rücklage eine Wahrheitstabelle zur didaktischen Startanforderung und vergleiche diese mit deiner Zuordnungsliste.
Druck: Berechne Ausfahr- und Rückfahrkraft eines Modellzylinders bei 5 bar, 40 mm Kolbendurchmesser und 16 mm Stangendurchmesser mit korrekten Einheiten und plausibler Rundung.
Ablaufsteuerung: Entwickle ein Weg-Schritt-Diagramm mit den Zuständen Bereit, Spannen, Gespannt, Entspannen und Störung und erkläre jeden Übergang.
Fehlersuche: Simuliere einen nicht erreichbaren Endlagensensor, dokumentiere Soll-/Istwerte und prüfe nach der Korrektur sämtliche Normalfälle erneut.

Schwer

Speicherprogrammierbare Steuerung: Entwickle in einer Simulation eine zustandsbasierte Logik mit Startflankenerkennung, Zeitüberwachung und Wiederanlaufsperre; begründe die verbleibenden Sicherheitsgrenzen.
Hydraulik: Vergleiche zwei fiktive Spannvarianten pneumatisch und hydraulisch anhand einer gewichteten Entscheidungsmatrix mit Kraftbedarf, Energie, Instandhaltung, Umweltrisiko und Kosten.
Qualitätsmanagement: Erstelle einen versionierten Testbericht mit mindestens sieben Testfällen, einem absichtlich eingebauten Logikfehler, dokumentierter Diagnose und Regressionstest.
Nachhaltigkeit: Entwirf ein datensparsames digitales Wartungs- und Energieprotokoll für die Station und begründe Maßnahmen zur Leckagevermeidung und zu sicherem Änderungsmanagement.

Lernkontrolle

Auftragsanalyse: Beurteile, welche unklaren Kundenanforderungen vor der Wahl eines Ventils erfragt werden müssen, und begründe deine Reihenfolge.
Kraftberechnung: Prüfe den 32-mm-Zylinder rechnerisch für 6 bar, unterscheide Ideal- und Nutzkraft und erläutere, warum der Zahlenwert keine reale Spannfreigabe ist.
Steuerstromkreis: Stelle ein Technologieschema, eine Zuordnungsliste und eine Funktionstabelle gegenüber; zeige für jede Unterlage einen Fehler, den die anderen allein nicht zuverlässig aufdecken.
Diagnose: Entwickle für die Meldung „Endlage vorn fehlt“ eine systematische Prüfreihenfolge entlang Energie-, Informations- und Stofffluss und benenne sichere Grenzen der praktischen Fehlersuche.
Sensorik: Erkläre an einer Druckmessung den Unterschied zwischen analoger Erfassung, digitalem Grenzwert und intelligenter Sensor-Diagnose einschließlich eines plausiblen Ausfallfalls.
Prozessqualität: Prüfe die sieben Testfälle des Praxisauftrags auf Vollständigkeit, ergänze einen sinnvollen weiteren Fehlerfall und begründe die erwartete Reaktion.
Bewertung: Präsentiere im Team eine energiebezogene Optimierung und verteidige sie gegen Einwände aus Arbeitssicherheit, Betriebskosten und Prüfbarkeit.

Lernnachweis

Abzugeben: Ein Portfolio zur rein simulierten Spannstation mit (1) Anforderungsliste und Gefährdungsabgrenzung, (2) Technologieschema, Zuordnungsliste, Funktionstabelle, Schalt- und Stromlaufplan, (3) Weg-Schritt-Diagramm mit Zustandsübergängen, (4) vollständig kommentierter Druck- und Kraftrechnung, (5) Simulation samt Programm-/Parameterstand, (6) sieben ausgefüllten Soll-Ist-Testprotokollen, (7) Diagnose eines Fehlerfalls, (8) begründetem Technik- und Energievergleich und (9) kurzer Präsentation. Bewerte dich anhand des 18-Punkte-Rasters im Praxisauftrag, hole Peer-Feedback ein und überarbeite einen belegbar fehlerhaften Punkt. Nachweis gilt ausschließlich als Lernprodukt; eine betriebliche Freigabe, Kammerprüfung oder amtliche Anerkennung folgt daraus nicht. Nutze nur selbst erzeugte oder rechtmäßig verwendbare anonymisierte/synthetische Inhalte.

OER und Wikipedia

Primärquellen und Rechtsstand (abgerufen für diesen Lernentwurf im Oktober 2026):

KMK-Rahmenlehrplan Zerspanungsmechaniker, Seite 15, Lernfeld 7 – KMK-Beschluss vom 25.03.2004 in der Fassung vom 23.02.2018; 60 Stunden im zweiten Ausbildungsjahr.
BIBB-Berufsprofil und Ausbildungsordnung Zerspanungsmechaniker – Berufsanforderungen, Dokumentation, Sicherheit, Digitalisierung und Datenschutz sowie Links zum amtlichen Recht.
Betriebssicherheitsverordnung § 3 und Arbeitsschutzgesetz § 5 – Gefährdungsbeurteilung.
DGUV Information 209-066: Maschinen der Zerspanung – Ausgabedatum 2012, als DGUV-Informationsquelle geführt; aktuelle betriebliche Regeln zusätzlich prüfen.
DGUV/IFA: sicherer Umgang mit Hydraulik und Pneumatik und DGUV Vorschrift 3.
DIN ISO 1219-1:2019-01, DIN EN ISO 13849-1:2023-12 und DIN EN 60204-1:2026-06 – öffentliche Normmetadaten, keine Übernahme urheberrechtlich geschützter Normtexte.
Sächsischer Berufsschullehrplan, Beispiel-Lernsituationen LF 7 – landesspezifisches didaktisches Beispiel, nicht automatisch verbindlich in anderen Ländern.

Frei nutzbare Fachlexika zur Vertiefung: Speicherprogrammierbare Steuerung, Pneumatik und Hydraulik. Der folgende Ausschnitt erschließt den geprüften deutschsprachigen Wikipedia-Artikel zur SPS; Wikipedia ist eine offene Einführung und ersetzt keine Herstellerdokumentation.

Nachweise zu den verwendeten Wikimedia-Commons-Abbildungen (Dateiseite, Urheber, Lizenz; Abbildungen unverändert eingebunden):

Dateiname	Geprüfter Dateinachweis	Urheber	Lizenz
File:Double acting cylinder (symbol,ISO1219).svg	Commons	Marton Kiss-Albert	CC BY 3.0
File:5 2 solenoid valve example.svg	Commons	Qscgy256	CC BY-SA 4.0
File:Hydraulic circuit schematic directional control.png	Commons	Duk, spätere Bearbeitung MatthiasDD	CC BY-SA 3.0
File:Ladder Logic AND gate PLC.jpg	Commons	Mithilrkadam	CC BY-SA 4.0
File:Inductive proximity sensor.jpg	Commons	Ekbsensor	CC BY-SA 4.0

Geprüfte deutschsprachige Fachvideos (YouTube-Videodatensätze; keine offene Weiterverwendungslizenz behauptet):

Grundlagen Pneumatik – Doppeltwirkender Zylinder, FLUIDSIM – EduVision – Technical Education, veröffentlicht 29.04.2023, Einbettung als verlinktes Lernvideo.
Lehrgang Elektropneumatik – Doppeltwirkender Zylinder, FLUIDSIM – EduVision – Technical Education, veröffentlicht 14.07.2023, Einbettung als verlinktes Lernvideo.

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