Industrierobotik und virtuelle Roboterzellen – Fehlerszenarien einer Roboterzelle testen
Industrierobotik und virtuelle Roboterzellen – Fehlerszenarien einer Roboterzelle testen
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Einleitung
Industrierobotik und virtuelle Roboterzellen – Fehlerszenarien einer Roboterzelle testen
Zielgruppe: Ausbildung in Mechatronik, Elektronik für Automatisierungstechnik und Industriemechanik.
Lernzeit: 5 kurze Lerneinheiten à 8–10 Minuten, anschließend Übungen und Lernkontrolle.
Dein Auftrag: Du untersuchst drei Störungen einer virtuellen Roboterzelle: fehlendes Teil, Signalverlust und Zeitüberschreitung. Du analysierst Signalverläufe, testest Steuerungsreaktionen und begründest Deine Diagnose.

Bild: Industrieroboter in der Qualitätsprüfung. Im Kurs arbeitest Du ausschließlich mit einem virtuellen Modell.
Sicherheitsregel: Alle praktischen Kursaufgaben finden ausschließlich in einem isolierten Simulator statt. Verbinde keine reale Robotersteuerung, keine reale SPS und keine produktive Anlage. Es werden keine Live-Fahrbefehle ausgeführt. Simulationsergebnisse sind niemals eine Sicherheitsfreigabe für eine reale Roboterzelle. Ein Betrieb an Schulungshardware wäre nur in einem gesondert abgesicherten, fachlich betreuten Schulungsbetrieb zulässig und ist nicht Bestandteil dieser Aufgaben.
Dein Ausbildungsfall: Roboterzelle Z1
Du bist Auszubildender in einer fiktiven Fertigungsabteilung. Die virtuelle Roboterzelle Z1 soll Kunststoffgehäuse von einem Förderband aufnehmen und in eine Ablage sortieren.
Grafik: Schematische Pick-and-Place-Aufgabe. Sie dient als Modellvorstellung und stellt nicht die konkrete Zelle Z1 dar.
Die Zelle besteht im Simulationsmodell aus Förderband, Industrieroboter, virtuellem Greifer, Sensor, SPS und Diagnoseanzeige.
| Virtuelles Signal | Bedeutung |
|---|---|
| S_Teil | Werkstück am Greifplatz erkannt |
| S_Greifer | Werkstück im simulierten Greifer erkannt |
| HB_IO | Wechselndes Lebenszeichen der simulierten I/O-Verbindung |
| Auftrag_Aktiv | Virtueller Bearbeitungsvorgang läuft |
| R_Bereit | Virtuelles Robotermodell meldet Bereitschaft |
| R_Fertig | Virtueller Bearbeitungsvorgang abgeschlossen |
| Stoerung | Prozessdiagnose meldet einen Fehler |
Didaktische Testwerte: Die vereinbarte maximale Bearbeitungszeit beträgt 4 Sekunden. Ein ausbleibender Wechsel von HB_IO über mehr als 1,5 Sekunden gilt im Lernmodell als Kommunikationsstörung. Dies sind frei gewählte Modellparameter, keine allgemeinen industriellen Grenzwerte.
Lerneinheit 1: Virtuelle Anlagen verstehen
Lernziel: Du erkennst, wie ein digitaler Anlagenaufbau zum Testen von Prozessabläufen eingesetzt wird.
Grafik: Unterschiede beim Datenaustausch zwischen digitalem Modell, digitalem Schatten und digitalem Zwilling.
Ein Digitaler Zwilling kann eine reale Anlage digital darstellen und mit ihr Daten austauschen. Für diesen Kurs verwendest Du dagegen eine isolierte virtuelle Lernzelle mit nachgebildeten Sensoren, Steuerungszuständen und Roboteranimationen.
Video: Siemens Software – Virtual Commissioning with Process Simulate for Robotic Systems.
Video: ABB Robotics – RobotStudio Tutorial, Getting Started 1/5.
Basisaufgabe: Zeichne das Förderband, den Sensor, den Roboter und die Ablage. Verbinde die Elemente mit Pfeilen für Materialfluss und Informationsfluss.
Hilfe anzeigen
Das Werkstück bewegt sich entlang des Materialflusses. Sensorsignale und Statusmeldungen gehören dagegen zum Informationsfluss.
Feedback anzeigen
Eine richtige Skizze unterscheidet Materialtransport und Signalübertragung. Diese Unterscheidung ist wichtig, weil ein fehlendes Werkstück und ein fehlendes Sensorsignal verschiedene Ursachen haben können.
Lerneinheit 2: Fehlendes Teil erkennen
Lernziel: Du unterscheidest ein tatsächlich fehlendes Werkstück von einer möglichen Sensorstörung.

Bild: Förderband als Beispiel für industrielle Materialförderung.

Bild: Optischer Sensor zur Erfassung von Objekten.
Fehlerfall A:
| Beobachtung | Simulationswert |
|---|---|
| Werkstück in der 3D-Ansicht | Nicht vorhanden |
| S_Teil | 0 |
| HB_IO | Wechselt regelmäßig |
| R_Bereit | 1 |
| Auftrag_Aktiv | 0 |
Diagnoseaufgabe: Warum darf der virtuelle Bearbeitungsvorgang nicht beginnen?
Steuerungsaufgabe: Setze ausschließlich im isolierten Simulationsmodell die Werkstückanwesenheit auf „nicht vorhanden“. Beobachte die Prozesssperre und die Diagnosemeldung.
Hilfe 1 – Beobachten
Vergleiche die virtuelle 3D-Ansicht mit S_Teil.
Hilfe 2 – Schlussfolgern
Das Lebenszeichen ist gültig. Deshalb gibt es in diesem Test keinen Hinweis auf einen Ausfall der I/O-Kommunikation.
Musterlösung mit Feedback
Diagnose: Werkstück fehlt.
Erwartete Steuerungsreaktion: Bearbeitungsvorgang bleibt gesperrt; Prozessmeldung „Teil fehlt“.
Begründung: Ohne erkanntes Werkstück darf der vorgesehene Handhabungsvorgang nicht gestartet werden. Wäre das Werkstück sichtbar vorhanden, müsste stattdessen eine mögliche Sensorstörung untersucht werden.
Lerneinheit 3: Signalverlust untersuchen
Lernziel: Du erkennst einen Kommunikationsfehler anhand des Signalverlaufs.

Bild: Beispiele speicherprogrammierbarer Steuerungen.
Ein einzelner Signalwert von 0 ist noch kein Nachweis für Signalverlust. Im Lernmodell muss sich das virtuelle Lebenszeichen HB_IO regelmäßig ändern.
Video: ABB Robotics – Signal Analyzer. Beobachte die Darstellung und Auswertung von Signalen.
Fehlerfall B:
| Zeitpunkt | HB_IO | Bedeutung |
|---|---|---|
| 0,0 s | 0 | Ausgangszustand |
| 0,5 s | 1 | Wechsel erkannt |
| 1,0 s | 0 | Letzter Wechsel |
| 1,5 s | 0 | Kein neuer Wechsel |
| 2,0 s | 0 | Weiterhin kein Wechsel |
| 2,6 s | 0 | Mehr als 1,5 s seit letztem Wechsel |
Diagnoseaufgabe: Erkläre, weshalb die Prozesssteuerung dem zuletzt gespeicherten Wert von S_Teil nicht mehr vertrauen sollte.
Steuerungsaufgabe: Unterbrich im Simulator ausschließlich den virtuellen Wechsel von HB_IO. Beobachte, wann die Kommunikationsdiagnose anspricht. Starte keinen neuen virtuellen Bearbeitungsvorgang.
Hilfe 1 – Signal betrachten
Entscheidend ist nicht, ob HB_IO gerade 0 oder 1 ist, sondern wann der letzte Wechsel stattgefunden hat.
Hilfe 2 – Zeit prüfen
Berechne die Zeit zwischen dem letzten Wechsel bei 1,0 s und der Beobachtung bei 2,6 s.
Musterlösung mit Feedback
Diagnose: Signalverlust beziehungsweise Kommunikationsstörung im virtuellen I/O-Modell.
Erwartete Reaktion: Keine neuen Prozessaufträge; Störungsmeldung und Diagnoseprotokoll.
Begründung: Der letzte Wechsel liegt 1,6 Sekunden zurück. Damit ist die modellierte Grenze überschritten. Frühere Sensorwerte können veraltet sein und dürfen nicht als aktuelle Werkstückbestätigung verwendet werden.
Wichtig: HB_IO ist hier ein normales Diagnosesignal und ausdrücklich keine sicherheitsgerichtete Überwachungsfunktion.
Lerneinheit 4: Zeitüberschreitung erkennen
Lernziel: Du überprüfst die Bearbeitungsdauer und interpretierst eine fehlende Abschlussmeldung.
Grafik: Vereinfachte Signalverdrahtung einer SPS.
Für eine Prozesszeitüberwachung kann im Lernmodell ein TON-Zeitbaustein nach IEC 61131-3 verwendet werden.
PT bezeichnet die vorgegebene Zeit. ET bezeichnet die verstrichene Zeit. Q wird beim TON-Baustein gesetzt, wenn der Eingang lange genug aktiv bleibt.
Fehlerfall C:
| Zeit seit Beginn | Auftrag_Aktiv | R_Fertig | Prozessdiagnose |
|---|---|---|---|
| 0,0 s | 1 | 0 | Bearbeitung läuft |
| 2,0 s | 1 | 0 | Wartezeit |
| 3,5 s | 1 | 0 | Noch innerhalb der Grenze |
| 4,2 s | 1 | 0 | Zeitüberschreitung |
Diagnoseaufgabe: Begründe, warum bei 3,5 Sekunden noch keine Zeitüberschreitung und bei 4,2 Sekunden eine Störung vorliegt.
Steuerungsaufgabe: Simuliere eine verzögerte virtuelle Fertigmeldung. Untersuche das Diagnosebit für die Zeitüberschreitung. Ein automatischer Neustart nach der Störung ist nicht zulässig.
Video: ABB Robotics – RobotStudio Tutorial, Getting Started 5/5. Beobachte ausschließlich den simulierten Programmablauf.
Hilfe 1 – Soll und Ist vergleichen
Vergleiche die vergangene Bearbeitungszeit mit PT = 4 s.
Hilfe 2 – Abschluss prüfen
Solange R_Fertig = 0 bleibt, fehlt die erwartete Abschlussmeldung.
Musterlösung mit Feedback
Diagnose: Zeitüberschreitung des virtuellen Bearbeitungsprozesses.
Erwartete Reaktion: Prozessstörung melden, neuen Auftrag sperren und Fehlerursache protokollieren.
Begründung: Die vorgesehene Bearbeitungszeit von 4 Sekunden wurde überschritten, ohne dass die Abschlussmeldung vorlag. Das Verhalten kann verschiedene Ursachen haben, etwa eine verzögerte virtuelle Bearbeitung oder einen Fehler in der simulierten Rückmeldung. Der Timeout allein beweist keine bestimmte mechanische Ursache.
Lerneinheit 5: Diagnose und Fehlerprotokoll
Lernziel: Du bewertest verschiedene Fehlerbilder anhand mehrerer Signale und dokumentierst Deine Ergebnisse.
| Fehlerbild | Kennzeichen | Prozessreaktion im Modell |
|---|---|---|
| Fehlendes Teil | Werkstück fehlt sichtbar und S_Teil = 0 bei gültigem HB_IO | Bearbeitung sperren |
| Signalverlust | HB_IO wechselt zu lange nicht | Neue Aufträge sperren, Kommunikationsfehler melden |
| Zeitüberschreitung | Auftrag aktiv, R_Fertig fehlt nach der vereinbarten Zeit, HB_IO gültig | Timeout melden, neuen Auftrag sperren |
Ausbildungsauftrag: Erstelle für jedes Szenario ein kurzes Prüfprotokoll mit Fehlerauslösung, Sollreaktion, beobachteter Istreaktion und begründeter Diagnose.
Feedback und Qualitätsmaßstab
Ein guter Prüfbericht enthält den Ausgangszustand, den gezielt ausgelösten Simulationsfehler, die Messwerte, die erwartete Reaktion und einen nachvollziehbaren Soll-Ist-Vergleich.
Nicht ausreichend ist die Aussage „Störung erkannt“ ohne Signalnachweis. Eine erfolgreiche Simulation beweist außerdem weder die Sicherheit noch die Funktionsfähigkeit einer realen Anlage.
Interaktive Steuerungs- und Diagnosewerkstatt
Arbeite mit den folgenden virtuellen Beobachtungen. Entscheide zuerst selbst und öffne anschließend das Feedback.
| Datensatz | Signalbild | Deine Diagnose |
|---|---|---|
| Alpha | S_Teil = 0, virtuell kein Werkstück sichtbar, HB_IO gültig | ? |
| Beta | S_Teil zuletzt 1, HB_IO seit 1,8 s ohne Wechsel | ? |
| Gamma | Auftrag seit 4,3 s aktiv, R_Fertig = 0, HB_IO gültig | ? |
| Delta | Auftrag seit 2,8 s aktiv, R_Fertig = 0, HB_IO gültig | ? |
Auswertung mit Begründungen
Alpha: Fehlendes Teil. Die visuelle Prüfung bestätigt die fehlende Anwesenheit.
Beta: Kommunikationsstörung. Der gespeicherte Sensorwert kann veraltet sein.
Gamma: Zeitüberschreitung. Der Vorgang dauert länger als die vereinbarten 4 Sekunden.
Delta: Noch kein Timeout. Die vier Sekunden sind nicht erreicht. Beobachtung fortsetzen, solange keine andere Störung vorliegt.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Wofür wird eine virtuelle Roboterzelle in diesem Kurs eingesetzt? (Zum isolierten Testen von Prozessabläufen) (!Zur automatischen Sicherheitsfreigabe) (!Zur Ansteuerung einer produktiven Anlage) (!Zum Ersatz jeder realen Sicherheitsprüfung)
Was bedeutet S_Teil = 0 im vereinbarten Simulationsmodell? (Am Greifplatz wird kein Werkstück erkannt) (!Der Roboter hat seine Bearbeitung abgeschlossen) (!Die Kommunikationsverbindung ist sicher ausgefallen) (!Die virtuelle Bearbeitungszeit ist überschritten)
Welche zusätzliche Beobachtung unterstützt die Diagnose fehlendes Werkstück? (Die virtuelle 3D Ansicht zeigt einen leeren Greifplatz) (!Das Lebenszeichen bleibt unverändert) (!Die Fertigmeldung trifft verspätet ein) (!Die Zeitanzeige ist ausgeschaltet)
Woran erkennt das Lernmodell einen Ausfall des Lebenszeichens? (An einem zu lange ausbleibenden Signalwechsel) (!Immer am Signalwert null) (!Immer am Signalwert eins) (!An einem einmaligen normalen Wechsel)
Was ist bei unterbrochener virtueller I O Kommunikation zu beachten? (Alte Sensorwerte können ungültig sein) (!Alle gespeicherten Sensorwerte sind sicher aktuell) (!Ein fehlendes Werkstück ist damit bewiesen) (!Der Prozess darf ohne Diagnose fortgesetzt werden)
Was bezeichnet PT beim TON Baustein? (Die vorgegebene Verzögerungszeit) (!Die Anzahl der Roboterachsen) (!Die Werkstückgröße) (!Die Kommunikationsadresse)
Was bezeichnet ET beim TON Baustein? (Die bereits verstrichene Zeit) (!Die Greiferkraft) (!Die Gesamtzahl der Sensoren) (!Die Sicherheitskategorie)
Wann liegt im Beispiel eine Zeitüberschreitung vor? (Wenn der aktive Auftrag länger als vier Sekunden ohne Abschlussmeldung läuft) (!Sobald der Auftrag beginnt) (!Sobald ein Werkstück erkannt wird) (!Immer wenn die Fertigmeldung rechtzeitig eintrifft)
Was gehört zu einem nachvollziehbaren Simulationsprüfbericht? (Sollwerte Istwerte und begründete Diagnose) (!Nur ein Bild ohne Erklärung) (!Ausschließlich die Anzahl der Tests) (!Nur die Aussage dass alles funktioniert)
Welche Aussage über die Sicherheit ist richtig? (Eine erfolgreiche Simulation ersetzt keine reale Sicherheitsprüfung) (!Eine virtuelle Prüfung erlaubt automatisch den Produktionsstart) (!Simulierte Prozessbits ersetzen alle Schutzeinrichtungen) (!Eine Fehlerdiagnose ist bereits eine Sicherheitsfreigabe)
Memory
Ordne die virtuellen Signale und Fachbegriffe ihren Bedeutungen zu.
| S_Teil | Werkstückerkennung |
| HB_IO | Lebenszeichen |
| PT | Sollzeit |
| ET | Verstrichene Zeit |
| R_Fertig | Abschlussmeldung |
| Fehlerprotokoll | Diagnosedokumentation |
Drag and Drop
Ordne jedem Prozesszustand die passende Beobachtung zu.
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Beobachtung |
|---|---|
| Fehlendes Teil | Leerer Greifplatz bei gültiger Sensorverbindung |
| Signalverlust | Ausbleibender Wechsel des Lebenszeichens |
| Zeitüberschreitung | Fehlende Fertigmeldung nach Ablauf der Sollzeit |
| Normalablauf | Rechtzeitige Abschlussmeldung bei gültigen Signalen |
| Diagnosesperre | Neue Aufträge bleiben bis zur Klärung blockiert |
Kreuzworträtsel
| Sensor | Welches Bauteil kann die Anwesenheit eines Werkstücks erfassen? |
| Greifer | Welches Werkzeug hält beim Handhaben das Werkstück? |
| Timeout | Wie heißt das Überschreiten einer festgelegten Wartezeit? |
| Signalverlust | Wie heißt eine Störung durch fehlende Signalübertragung? |
| Simulation | Wie heißt die virtuelle Nachbildung und Prüfung eines Ablaufs? |
| Diagnose | Wie nennt man das systematische Erkennen und Einordnen einer Störung? |
LearningApps
Suche nach ergänzenden Übungen zur Robotersimulation und Fehlerdiagnose.
Lückentext
Offene Aufgaben
Bearbeite die Aufgaben ausschließlich anhand von Simulationsdaten, Zeichnungen, Bildschirmaufnahmen und virtuellen Anlagen.
Leicht – Basisaufgaben
- Roboterzelle: Zeichne die fiktive Zelle Z1 und beschrifte Roboter, Förderband, Greifer, Werkstücksensor und Ablage.
- Sensorik: Erstelle eine Signallegende zu S_Teil, HB_IO, R_Bereit und R_Fertig.
- Fehlerdiagnose: Beschreibe in fünf kurzen Sätzen die Unterschiede zwischen fehlendem Werkstück und unterbrochener Signalübertragung.
- Zeitdiagramm: Zeichne einen normalen virtuellen Bearbeitungsvorgang mit Auftrag, Fertigmeldung und Zeitachse.
Standard – Anwendungsaufgaben
- Virtuelle Inbetriebnahme: Erzeuge im isolierten Simulator das Szenario „Teil fehlt“ und dokumentiere den gesperrten Ablauf.
- Signalverarbeitung: Simuliere einen ausbleibenden Wechsel von HB_IO und erstelle den dazugehörigen Signalverlauf.
- Zeitüberwachung: Vergleiche zwei virtuelle Bearbeitungen mit 3,5 und 4,2 Sekunden und begründe den jeweiligen Diagnosezustand.
- Prüfprotokoll: Erstelle eine Tabelle mit Fehlerauslösung, Sollreaktion, Istreaktion, Diagnose und Ergebnisbewertung.
Schwer – Transferaufgaben
- Fehlerbaumanalyse: Entwickle einen Fehlerbaum, der zwischen fehlendem Werkstück, defekter Sensornachbildung und Kommunikationsverlust unterscheidet.
- Steuerungstechnik: Entwirf einen Zustandsautomaten für Bereitschaft, Bearbeitung, Prozessstörung und Diagnosesperre, ohne reale Bewegungsbefehle.
- Testautomatisierung: Erstelle einen reproduzierbaren virtuellen Testplan mit Normalfall, Grenzfall und den drei Fehlerfällen einschließlich erwarteter Ergebnisse.
- Maschinensicherheit: Gestalte eine Präsentation, die erklärt, welche Aussagen eine Simulation ermöglicht und welche Sicherheitsnachweise für eine reale Anlage getrennt erforderlich wären.


Lernkontrolle
Bearbeite die Aufgaben mit Begründung und Bezug auf die virtuellen Signale.
- Fehleranalyse: Eine virtuelle 3D-Ansicht zeigt ein Werkstück, S_Teil bleibt jedoch 0 und HB_IO ist gültig. Entwickle mindestens zwei mögliche Erklärungen und unterscheide sie durch zusätzliche Modellbeobachtungen.
- Priorisierung: Gleichzeitig fehlen die Fertigmeldung und der Wechsel von HB_IO. Erkläre, warum zuerst die Gültigkeit der Signalübertragung geklärt werden muss.
- Zeitüberwachung: Ein Prozess dauert regelmäßig 3,9 Sekunden. Bewerte die Aussage, ein Zeitlimit von 4 Sekunden sei deshalb immer ausreichend.
- Teststrategie: Entwickle für den Fall „fehlendes Teil“ einen positiven und einen negativen Test und begründe den Erkenntnisgewinn beider Tests.
- Diagnosequalität: Vergleiche zwei Prüfberichte. Bericht A nennt nur „Fehler erkannt“, Bericht B enthält Zeitverlauf, Signalwerte und Erwartungswert. Begründe, welcher Bericht für die technische Fehlersuche geeigneter ist.
- Sicherheitstechnik: Erkläre, warum eine fehlerfrei durchlaufene virtuelle Anlage keine Aussage über die vollständige Wirksamkeit realer Schutzeinrichtungen erlaubt.
Lernnachweis
Für Deinen erfolgreichen Lernnachweis legst Du eine virtuelle Diagnosemappe vor.
Sie enthält:
- Anlagendokumentation: Übersicht der virtuellen Zelle Z1 und ihrer Prozesssignale.
- Signaldiagramm: Nachvollziehbare Signalverläufe für Normalbetrieb, fehlendes Teil, Signalverlust und Zeitüberschreitung.
- Testprotokoll: Dokumentierte Soll-Ist-Vergleiche aller vier Szenarien.
- Fehlerursachenanalyse: Fachlich begründete Diagnosen mit mindestens einer geprüften Alternativursache.
- Transferleistung: Verbesserungsvorschlag für die virtuelle Prozessdiagnose und Begründung seiner Wirksamkeit.
- Sicherheitsbewusstsein: Schriftliche Erklärung, weshalb die Simulation keine reale Sicherheitsfreigabe darstellt.
Bewertung: Entscheidend sind nachvollziehbare Signalbelege, fachlich richtige Ursachenunterscheidung, reproduzierbare Testfälle und die klare Trennung von Prozessdiagnose und Maschinensicherheit.
OERs zum Thema
Wikipedia – Industrieroboter
Wikipedia – Speicherprogrammierbare Steuerung
Wikipedia – Digitaler Zwilling
Fachlich geprüfte Quellen
Die technischen Grundlagen und die Einordnung der Simulation stützen sich auf folgende Hersteller- und Fachquellen:
- Siemens: Virtual Commissioning der Robotik – Grundlagen virtueller Inbetriebnahme und Steuerungssimulation.
- Festo Didactic: Digitalisierung und Industrie 4.0 – CIROS für virtuelle SPS- und Roboterprogrammierung sowie gezielte Fehlererzeugung.
- ABB Robotics: RobotStudio-Tutorials – Virtuelle Robotersteuerung, Signale und Simulation.
- Beckhoff: TON-Funktionsbaustein – Beschreibung der Signale IN, PT, ET und Q.
- DGUV Information 209-074: Industrieroboter – Grundlagen zum sicheren Umgang mit Industrieroboteranlagen; Ausgabe 2015, ergänzend zu aktuellen Regelwerken zu betrachten.
- ISO 10218-2:2025 – Aktuelle internationale Norm für die Sicherheit von Industrieroboter-Anwendungen und Roboterzellen. Der Normtext selbst ist urheberrechtlich geschützt.
Die Zahlenwerte und Bezeichnungen der Zelle Z1 sind eigens erstellte didaktische Modellannahmen. Sie sind keine Herstellervorgaben, normativen Sicherheitsgrenzen oder realen Freigabekriterien.
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| PLC wire.png | Bisgaard | CC BY-SA 3.0 |
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