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Mechatronische Systeme verstehen – Anforderungen an ein System erfassen

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Mechatronische Systeme verstehen – Anforderungen an ein System erfassen

Einleitung

In diesem aiMOOC lernst Du, Anforderungen an ein mechatronisches System so zu erfassen, dass Funktion, Sicherheit und prüfbare Leistungsmerkmale eindeutig beschrieben werden. Du arbeitest mit kurzen Lerneinheiten, einer virtuellen Sortierstation, Signalverläufen und Diagnosefällen aus der Ausbildung.

Ausbildungsfall: Eine kompakte Sortierstation transportiert Werkstücke auf einem Förderband. Eine Lichtschranke erkennt das Werkstück, ein induktiver Sensor unterscheidet metallische Teile und ein pneumatischer Zylinder schiebt Metallteile in eine Seitenbahn. Eine SPS verarbeitet die Signale. Not-Halt und Schutztür gehören zum Sicherheitskonzept.

Sicherheitsrahmen dieses Kurses: Maschinenabläufe werden zuerst simuliert. Es erfolgt keine automatische Live-Ansteuerung realer Maschinen. Schutzeinrichtungen werden nicht umgangen oder manipuliert. Reale Arbeiten dürfen nur mit geeigneter Fachaufsicht, betrieblicher Freigabe und nach den vor Ort geltenden Sicherheitsregeln erfolgen.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du Anforderungen in einem Ausbildungsauftrag erfassen, nach Funktion, Sicherheit und Leistung ordnen, unklare Aussagen messbar formulieren, Ein- und Ausgangssignale einer virtuellen Anlage lesen und typische Abweichungen anhand eines Signalverlaufs diagnostizieren.

Lernpfad in kurzen Einheiten

Einheit	Fokus	Richtwert
1	Systemgrenze und Zweck	6 Minuten
2	Anforderungen ordnen	7 Minuten
3	Prüfbarkeit herstellen	8 Minuten
4	Sicherheitsanforderungen	8 Minuten
5	Virtuelle Anlage und Signalverlauf	10 Minuten
6	Diagnose und Abnahme	10 Minuten

Lerneinheit 1: System verstehen

Ein mechatronisches System verbindet Mechanik, Elektrotechnik, Elektronik, Sensorik, Aktorik, Steuerungstechnik und Software. Bevor Anforderungen formuliert werden, muss die Systemgrenze klar sein: Was gehört zur Station, welche Energie- und Signalübergänge gibt es und welche Umgebung wird vorausgesetzt?

Frage	Ausbildungsfall Sortierstation
Zweck	Werkstücke transportieren und nach Materialart sortieren
Eingänge	Start, Lichtschranke, induktiver Sensor, Endlagensensoren, Schutztür, Not-Halt
Verarbeitung	Ablaufsteuerung und Diagnose in der SPS
Ausgänge	Fördermotor, Magnetventil, Meldeleuchte, HMI-Meldung
Systemgrenze	Sortierstation einschließlich Sensorik, Steuerung und Aktorik

Basisaufgabe mit Feedback

Aufgabe: Ordne „Werkstück erkennen“, „Schutztür überwachen“ und „maximale Taktzeit“ den Bereichen Funktion, Sicherheit und Leistung zu.

Begründetes Feedback: Werkstückerkennung beschreibt eine Funktion. Die Überwachung der Schutztür dient der Risikominderung und gehört zur Sicherheit. Eine maximale Taktzeit ist ein messbares Leistungsmerkmal. Die Einteilung hilft, Prüf- und Abnahmekriterien später getrennt zu formulieren.

Lerneinheit 2: Anforderungen eindeutig erfassen

Eine gute Anforderung beschreibt was das System leisten muss, ohne unnötig früh festzulegen, wie eine technische Lösung aussehen soll. Besonders wichtig sind Eindeutigkeit, Prüfbarkeit, Randbedingungen und ein nachvollziehbarer Bezug zum Auftrag.

Unklare Aussage	Besser prüfbar
Das Band soll schnell laufen.	Die virtuelle Station verarbeitet unter festgelegten Testbedingungen einen Zyklus in höchstens 6 Sekunden.
Metallteile sollen erkannt werden.	Bei einem definierten Testsatz werden alle vorgegebenen Metallwerkstücke als Metall klassifiziert.
Die Anlage soll sicher sein.	Für jede identifizierte Gefährdung werden Sicherheitsfunktionen und ein nach Risikobeurteilung begründetes Sicherheitsniveau festgelegt und validiert.
Fehler sollen angezeigt werden.	Ein definierter Sensorfehler erzeugt innerhalb der festgelegten Diagnosezeit eine eindeutige Fehlermeldung.

Anforderungssteckbrief

Feld	Leitfrage
ID	Wie wird die Anforderung eindeutig referenziert?
Auslöser	Welches Ereignis startet die Funktion?
Bedingung	Unter welchen Voraussetzungen gilt sie?
Reaktion	Was muss das System tun?
Messgröße	Was wird gemessen oder beobachtet?
Grenzwert	Wann gilt die Anforderung als erfüllt?
Nachweis	Wie wird sie geprüft?

Anwendungsaufgabe mit Feedback

Aufgabe: Formuliere aus „Der Zylinder soll schnell ausfahren“ eine prüfbare Anforderung für die Simulation.

Muster: „Nach gültigem Sortierbefehl erreicht der virtuelle Zylinder seine ausgefahrene Endlage innerhalb von höchstens 1,2 Sekunden.“

Begründetes Feedback: Die Formulierung nennt Auslöser, beobachtbares Ergebnis und Grenzwert. Dadurch ist sie reproduzierbar prüfbar. Der Zahlenwert ist Teil des Ausbildungsfalls und keine allgemeingültige Vorgabe für reale Anlagen.

Lerneinheit 3: Sensorik, Aktorik und Signalweg

Ein Sensor erfasst einen Zustand. Die Steuerung verarbeitet das Signal. Ein Aktor setzt die Reaktion um. Für die Sortierstation reicht zum Verständnis zunächst der Signalweg Sensor → Logik → Aktor → Rückmeldung.

Kennzeichen	Bedeutung im virtuellen Modell	Typ
B1	Werkstück an Sortierposition	Eingang
B2	Metall erkannt	Eingang
B3	Zylinder ausgefahren	Eingang
B4	Zylinder eingefahren	Eingang
M1	Fördermotor	Ausgang
Y1	Ventil zum Ausfahren	Ausgang

Sensorprinzip vertiefen

Der induktive Sensor wird im Ausbildungsfall verwendet, um metallische Werkstücke zu erkennen. Für die Anforderungsanalyse genügt zunächst die Frage: Welcher Zustand muss sicher erkannt werden, unter welchen Randbedingungen und wie wird die Erkennung nachgewiesen?

Lerneinheit 4: Sicherheitsanforderungen

Sicherheitsanforderungen werden nicht aus Bequemlichkeit oder aus einem einzelnen Schaltplan abgeleitet. Ausgangspunkt ist die Risikobeurteilung. DIN EN ISO 12100 beschreibt den grundsätzlichen Prozess der Risikominderung. Für sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen ist DIN EN ISO 13849-1 eine zentrale Norm. Die konkrete erforderliche Risikominderung und ein gegebenenfalls erforderlicher Performance Level müssen aus der Risikobeurteilung und gegebenenfalls einschlägigen Produktnormen abgeleitet werden.

Wichtig: Ein Not-Halt ersetzt keine geeigneten Schutzeinrichtungen. Das Rückstellen eines Not-Halt- oder Schutztürsignals darf im Ausbildungsmodell nicht automatisch einen Wiederanlauf auslösen.

Sicherheitsfrage	Anforderungsperspektive
Was kann gefährlich werden?	Gefährdung und gefährliche Bewegung bestimmen
Wann muss reagiert werden?	Auslöser der Sicherheitsfunktion festlegen
Welcher Zustand ist sicher?	Sicheren Zustand abhängig von der Risikobeurteilung definieren
Wie wird ein Wiederanlauf verhindert?	Rücksetzen und erneuten Start getrennt betrachten
Wie wird nachgewiesen?	Verifikation und Validierung festlegen

Rechts- und Normenhinweis

Stand dieses Kurses: 7. Oktober 2026. Maschinen, die vor dem 20. Januar 2027 in der EU in Verkehr gebracht werden, unterliegen weiterhin der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG. Die Verordnung (EU) 2023/1230 über Maschinen gilt grundsätzlich ab dem 20. Januar 2027. Für Ausbildung und betriebliche Praxis sind zusätzlich die jeweils aktuellen betrieblichen Vorgaben, Gefährdungsbeurteilungen und einschlägigen Normen zu beachten.

Lerneinheit 5: Virtuelle Sortierstation

Die folgende virtuelle Anlage ist ein didaktisches Modell. Sie bildet keine vollständige sicherheitsgerichtete Steuerung ab.

Schritt	Beobachtung	Steuerungsreaktion im Modell
Bereit	Zylinder eingefahren, Schutzbedingungen erfüllt	Anlage wartet auf Start
Transport	Start wurde gegeben	M1 fördert das Werkstück
Position	B1 erkennt das Werkstück	M1 stoppt
Klassifikation	B2 erkennt Metall	Y1 fährt den Zylinder aus
Endlage	B3 meldet ausgefahren	Y1 wird zurückgenommen
Rückkehr	B4 meldet eingefahren	M1 darf nächsten Zyklus starten

Das Video von Siemens Knowledge Hub zeigt das Prinzip einer virtuellen Inbetriebnahme mit SIMIT. Im Kurs dient es nur zur Einordnung: Steuerungslogik soll vor einer realen Inbetriebnahme möglichst weitgehend in einer Simulation geprüft werden.

Signalverlauf lesen

Legende: 1 = Signal aktiv, 0 = Signal inaktiv. Der Verlauf ist vereinfacht und gilt nur für das virtuelle Ausbildungsmodell.

Signal	t0	t1	t2	t3	t4	t5
Start	0	1	0	0	0	0
B1 Werkstück	0	0	1	1	1	0
B2 Metall	0	0	0	1	1	0
B3 ausgefahren	0	0	0	0	1	0
B4 eingefahren	1	1	1	0	0	1
M1 Fördermotor	0	1	0	0	0	1
Y1 Ventil	0	0	0	1	0	0

Diagnose-Challenge

Fall: B1 bleibt nach dem Entfernen des Werkstücks dauerhaft auf 1. Gleichzeitig ist B4 = 1.

Frage: Welche Anforderung sollte verhindern, dass dieser Fehler unbemerkt bleibt?

Begründetes Feedback: Sinnvoll ist eine Diagnoseanforderung, die einen unplausibel langen aktiven Zustand von B1 erkennt, eine eindeutige Meldung ausgibt und einen definierten sicheren bzw. betrieblich beherrschten Zustand fordert. Ein bloßes „Weiterlaufen“ wäre nicht prüfbar begründet.

Lerneinheit 6: Prüfbarkeit und Abnahme

Leistungsmerkmale brauchen immer Messgröße, Testbedingung und Akzeptanzgrenze. So wird aus einer Erwartung ein prüfbarer Abnahmepunkt.

ID	Beispielanforderung im Ausbildungsfall	Virtueller Nachweis
F-01	Ein erkanntes Metallteil wird in die Seitenbahn sortiert.	20 definierte Simulationszyklen beobachten.
L-01	Ein Zyklus dauert unter festgelegten Simulationsbedingungen höchstens 6 Sekunden.	Zeit zwischen Zyklusstart und Rückkehr in Bereit messen.
D-01	Ein fest vorgegebener B1-Dauerfehler wird als Diagnosefehler erkannt.	Fehler in der Simulation setzen und Meldung prüfen.
S-01	Nach Auslösung einer simulierten Sicherheitsfunktion erfolgt kein automatischer Wiederanlauf.	Auslösen, rücksetzen und prüfen, ob ein neuer Startbefehl erforderlich ist.

Das zweite Siemens-Video zeigt virtuelle Inbetriebnahme ohne verfügbare reale Hardware. Für diesen Kurs gilt: Simulation vor realer Arbeit; keine automatische Live-Kopplung aus dem Lernkurs heraus.

Gestufte Hilfen

Stufe	Hilfe
Hilfe 1	Markiere zuerst Auslöser, Bedingung und gewünschte Reaktion.
Hilfe 2	Suche danach eine beobachtbare Messgröße oder ein eindeutiges Signal.
Hilfe 3	Formuliere einen Grenzwert oder ein Ja-Nein-Abnahmekriterium.
Hilfe 4	Prüfe, ob eine Sicherheitsanforderung nur aus einer Risikobeurteilung abgeleitet werden darf.
Hilfe 5	Vergleiche beim Diagnosefall Soll-Signal und Ist-Signal Schritt für Schritt.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben

Basis

Aufgabe: Nenne zu B1, M1 und Y1 jeweils, ob es sich im Modell um Eingang oder Ausgang handelt.

Feedback: B1 ist ein Eingang, weil die Steuerung einen Zustand erfasst. M1 und Y1 sind Ausgänge, weil die Steuerung Motor und Ventil ansteuert.

Anwendung

Aufgabe: Formuliere eine prüfbare Diagnoseanforderung für den Fall, dass B3 nach dem Ausfahrbefehl nicht innerhalb einer festgelegten Zeit aktiv wird.

Feedback: Eine gute Lösung nennt Ausfahrbefehl, zulässige Zeit, erwartetes B3-Signal und eine definierte Diagnoseaktion. Dadurch lässt sich der Fehler reproduzierbar simulieren und abnehmen.

Transfer

Aufgabe: Übertrage das Schema auf eine andere Anlage, zum Beispiel eine Hubstation oder Montagestation. Bestimme mindestens eine Funktions-, eine Sicherheits- und eine Leistungsanforderung.

Feedback: Eine tragfähige Lösung trennt die drei Anforderungsarten und nennt jeweils einen geeigneten Nachweis. Sicherheitsanforderungen dürfen dabei nicht frei erfunden, sondern müssen aus Gefährdungen und Risikobeurteilung hergeleitet werden.

Quellencheck und Medienrechte

Die fachlichen Kernaussagen wurden gegen aktuelle Quellen von DGUV, BGHM, BAuA und EU abgeglichen.

DGUV IFA Report 1/2025: Funktionale Sicherheit von Maschinensteuerungen und DIN EN ISO 13849.
DGUV IFA: Prüfung der elektrischen Ausrüstung von Maschinen nach DIN EN 60204-1.
BGHM: Sichere Maschinensteuerungen und Verarbeitungskette Sensorik–Logik–Aktorik.
BAuA: Übergang von Maschinenrichtlinie zur Verordnung EU 2023/1230.
Europäische Kommission: Anwendung der Maschinenverordnung ab 20. Januar 2027.

Verwendete Wikimedia-Commons-Medien:

Conveyor system in a factory.jpg: CC0.
BMA Automation Allen Bradley PLC 3.JPG: CC BY-SA 3.0 / GFDL.
Photoelectric sensor.jpg: CC BY-SA 3.0.
Pneumatic cylinder.jpg: CC BY-SA 4.0.
Emergency stop button.jpg: freie Lizenz gemäß Commons-Dateiseite, unter anderem CC BY-SA / GFDL.
Inductive sensor scheme.svg: Public Domain.

YouTube-Medien: Die beiden eingebetteten Videos stammen von Siemens Knowledge Hub. Sie werden über den YouTube-Player eingebettet; Rechte am Videoinhalt verbleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern. Die Einbettung bedeutet keine Freigabe zum Herunterladen oder Wiederveröffentlichen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Aussage beschreibt eine prüfbare Anforderung am besten? (Der virtuelle Zyklus dauert unter festgelegten Bedingungen höchstens 6 Sekunden) (!Die Anlage soll möglichst schnell sein) (!Das Band soll gut laufen) (!Der Zylinder soll zügig arbeiten)

Welche Größe gehört im Ausbildungsfall zu den Eingängen der SPS? (B1 Werkstücksensor) (!M1 Fördermotor) (!Y1 Magnetventil) (!HMI Meldeleuchte)

Welche Aussage trifft auf Sicherheitsanforderungen zu? (Sie werden aus Gefährdungen und der Risikobeurteilung abgeleitet) (!Sie werden nur aus der gewünschten Taktzeit abgeleitet) (!Sie werden ausschließlich vom SPS-Programm vorgegeben) (!Sie können ohne Prüfung frei gewählt werden)

Was gehört zu einer guten Leistungsanforderung? (Messgröße Testbedingung und Akzeptanzgrenze) (!Nur eine technische Lösung) (!Nur ein Produktname) (!Nur eine subjektive Bewertung)

Welche Reihenfolge beschreibt den vereinfachten Signalweg? (Sensor Logik Aktor Rückmeldung) (!Aktor Sensor Rückmeldung Logik) (!Logik Aktor Sensor Energie) (!Rückmeldung Aktor Sensor Logik)

Was muss nach dem Rückstellen einer simulierten Sicherheitsfunktion verhindert werden? (Ein automatischer Wiederanlauf) (!Eine eindeutige Diagnosemeldung) (!Eine erneute Startfreigabe) (!Eine dokumentierte Prüfung)

Wozu dient die Systemgrenze? (Sie legt fest was zum betrachteten System und seinen Schnittstellen gehört) (!Sie ersetzt die Risikobeurteilung) (!Sie bestimmt automatisch den Performance Level) (!Sie legt nur die Farbe des Gehäuses fest)

Was ist bei einem auffälligen Signalverlauf zuerst sinnvoll? (Soll und Ist der Signale schrittweise vergleichen) (!Schutzeinrichtungen überbrücken) (!Sofort reale Ausgänge erzwingen) (!Alle Sensoren gleichzeitig austauschen)

Welche Vorgehensweise gilt in diesem Lernkurs vor realer Arbeit? (Maschinenabläufe zuerst simulieren) (!Schutzkreise testweise umgehen) (!Ausgänge direkt an reale Aktoren koppeln) (!Betriebliche Freigaben überspringen)

Welche Aussage beschreibt einen Akzeptanztest? (Eine definierte Prüfung zeigt ob eine Anforderung erfüllt ist) (!Eine Idee wird ohne Messung übernommen) (!Eine Sicherheitsfunktion wird deaktiviert) (!Ein Fehler wird nur vermutet)

Memory

Sensor	Zustand erfassen
Aktor	Wirkung erzeugen
Systemgrenze	Betrachtungsumfang festlegen
Leistungsmerkmal	Messbaren Grenzwert definieren
Risikobeurteilung	Gefährdungen systematisch bewerten
Simulation	Ablauf virtuell prüfen
Diagnose	Abweichung erkennen
Abnahmekriterium	Erfüllung nachweisen

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Funktionsanforderung	Werkstück wird erkannt und sortiert
Sicherheitsanforderung	Kein automatischer Wiederanlauf nach Rückstellung
Leistungsanforderung	Zykluszeit besitzt einen Grenzwert
Diagnoseanforderung	Sensorfehler erzeugt eine eindeutige Meldung
Abnahmekriterium	Definierter Test bestätigt die Erfüllung

Kreuzworträtsel

Sensorik	Welcher Bereich erfasst Zustände und Messgrößen?
Aktorik	Welcher Bereich setzt Steuerbefehle in Wirkung um?
Steuerung	Welche Einheit verarbeitet Eingänge und erzeugt Ausgänge?
Sicherheit	Welcher Bereich behandelt die Risikominderung?
Simulation	Wie heißt die virtuelle Nachbildung eines Maschinenablaufs?
Taktzeit	Welche Größe beschreibt die Dauer eines wiederkehrenden Zyklus?

LearningApps

Lückentext

Vor der Formulierung von Anforderungen wird die

festgelegt.

Ein Sensor liefert der Steuerung ein

.

Ein Motor oder Ventil ist im Steuerungsmodell ein

.

Eine Leistungsanforderung benötigt eine messbare

.

Sicherheitsanforderungen werden aus einer

abgeleitet.

Vor einer realen Inbetriebnahme sollen Abläufe möglichst in einer

geprüft werden.

Beim Diagnosefall werden Soll- und Istwerte im

verglichen.

Das Rückstellen einer Sicherheitsfunktion darf keinen automatischen

auslösen.

Offene Aufgaben

Leicht

Systemgrenze: Zeichne für die virtuelle Sortierstation eine einfache Grenze und markiere Ein- und Ausgänge.
Sensorik: Erstelle drei Karten mit Sensorname, erkanntem Zustand und SPS-Signal.
Aktorik: Erstelle eine Skizze, die M1 und Y1 ihren Aufgaben im Ablauf zuordnet.
Anforderung: Überarbeite drei unklare Aussagen so, dass sie beobachtbar oder messbar werden.

Standard

Signalverlauf: Erstelle für ein nichtmetallisches Werkstück einen eigenen Soll-Signalverlauf.
Diagnose: Simuliere einen B3-Fehler und beschreibe eine sinnvolle Diagnoseanforderung.
Abnahmetest: Entwirf einen Testfall mit Vorbedingung, Aktion, Soll-Ergebnis und Bewertung.
Virtuelle Inbetriebnahme: Dokumentiere einen vollständigen Simulationszyklus als Bildschirmfolge oder kurzes Lernvideo.

Schwer

Risikobeurteilung: Wähle eine Gefährdung der Sortierstation und zeige, welche Informationen vor der Festlegung einer Sicherheitsfunktion benötigt werden.
Lastenheft: Formuliere für die virtuelle Station sechs priorisierte Anforderungen mit eindeutigen IDs und Nachweisen.
Fehlerdiagnose: Entwickle einen Diagnosebaum für drei mögliche Sensor- oder Aktorfehler, ohne Schutzeinrichtungen zu umgehen.
Transfer: Übertrage das Vorgehen auf eine Hub-, Bohr- oder Montagestation und begründe, welche Anforderungen gleich bleiben und welche neu erfasst werden müssen.

Lernkontrolle

Anforderungsanalyse: Ein Kunde sagt „Die Anlage muss schneller werden“. Formuliere Rückfragen, mit denen daraus eine prüfbare Leistungsanforderung entsteht.
Systemdenken: Begründe, warum ein korrektes SPS-Programm allein noch nicht nachweist, dass die gesamte mechatronische Funktion erfüllt ist.
Sicherheitsfunktion: Erkläre anhand eines Beispiels, warum ein Not-Halt eine konstruktive Schutzeinrichtung nicht ersetzt.
Diagnosestrategie: In der Simulation bleibt B1 dauerhaft aktiv. Entwickle eine systematische Prüfreihenfolge, ohne reale Ausgänge zu erzwingen.
Transferleistung: Vergleiche Sortierstation und Hubstation und leite ab, welche Teile des Anforderungssteckbriefs unverändert verwendet werden können.
Abnahme: Entwirf einen kleinen virtuellen Abnahmeplan, der Funktion, Sicherheit und Leistung getrennt prüft.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen, dass Du:

eine Systemgrenze und relevante Schnittstellen bestimmen kannst,
Funktions-, Sicherheits-, Leistungs- und Diagnoseanforderungen unterscheiden kannst,
unklare Aussagen in prüfbare Anforderungen überführen kannst,
einen einfachen Signalverlauf lesen und Abweichungen begründet diagnostizieren kannst,
für Anforderungen passende virtuelle Prüf- und Abnahmekriterien formulieren kannst,
Sicherheitsanforderungen nicht eigenmächtig festlegst, sondern ihre Herleitung aus Risikobeurteilung und gültigen Vorgaben erklärst,
die Grenze zwischen Simulation und freigegebener realer Arbeit fachlich begründen kannst.

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