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Programmieren automatisierter Systeme und Anlagen - Feinwerkmechaniker - LF 15b

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Einleitung

In diesem vollständigen aiMOOC lernst du, wie du als angehende Feinwerkmechanikerin oder angehender Feinwerkmechaniker im Schwerpunkt Feinmechanik einen Automatisierungsauftrag von der technischen Dokumentation über die SPS-Programmierung bis zur Prüfung, Übergabe und Instandhaltungsplanung bearbeitest. Ein fiktiver, ausschließlich im Simulator verwendeter Praxisauftrag begleitet dich durch alle Schritte: Eine kleine Station erkennt metallische Präzisionsbuchsen und bewegt sie mit einem modellierten pneumatischen Schieber in eine Prüfposition. Du untersuchst Schnittstellen, entwickelst eine Schrittkette, testest Fehlerfälle und belegst deine Arbeit mit messbaren Ergebnissen.

Der fachliche Bezug ist das Lernfeld 15b „Programmieren automatisierter Systeme und Anlagen“ des KMK-Rahmenlehrplans für Feinwerkmechanikerinnen und Feinwerkmechaniker (PDF-Seite 27, Zeitrichtwert 80 Stunden, 3. und 4. Ausbildungsjahr). Die Zuordnung dieses Kurses zum 3. Ausbildungsjahr ist eine didaktische Planung, keine Änderung des Lehrplans. Verbindlich abzugleichen sind der betriebliche Ausbildungsplan, der Landeslehrplan, die zuständige Handwerkskammer und die geltende Ausbildungsordnung. Die Inhalte der Schwerpunkte Maschinenbau und Werkzeugbau werden hier nicht als zusätzliche Pflicht-Lernfelder vermittelt.

Sicherheitsgrenze: Sämtliche Programmcodes, Taktzeiten und Anlagenzustände beziehen sich auf ein fiktives Simulationsmodell. Keine Anleitung berechtigt dich, an einer realen Maschine Schutzfunktionen zu programmieren, elektrische oder fluidtechnische Systeme anzuschließen oder eine Anlage eigenständig in Betrieb zu nehmen. Gefährdende Handlungen gehören ausschließlich in die Verantwortung befugter, fachkundiger Personen nach Gefährdungsbeurteilung, Freigabe und Herstelleranweisung.

Anlagenauftrag verstehen und systematisch analysieren

Berufstypischer Auftrag und Anforderungen

Eine Werkstatt erhält einen anonymisierten Lernauftrag: Aus einer Ablage sollen feinmechanische Metallbuchsen erkannt und durch einen geführten Schieber zu einem optischen Prüffeld transportiert werden. Das Werkstück hat im Modell einen Außendurchmesser von 12 mm. Ein Anwesenheitssensor erkennt ein Werkstück, ein induktiver Sensor prüft, ob Metall vorhanden ist. Zwei Endlagensignale melden die hintere und vordere Schieberposition. Ein Bedienfeld stellt Start, Betriebsstopp und Störungsquittierung bereit. Eine SPS soll den Schrittwechsel eindeutig steuern und die Anzahl abgeschlossener Modellzyklen zählen. Nichtmetallische Fremdteile werden gemeldet und nicht gefördert.

Erstelle zuerst ein Lasten-Pflichten-Gespräch im Team: Was soll die Station leisten, welche Grenzbedingungen gelten, was wird erst nach einem Test akzeptiert? Unterscheide Muss-Kriterien (kein Hub ohne erkanntes Metall, Abbruch bei Zeitüberschreitung) von Optimierungszielen (kurze Taktzeit, geringer Druckluftverbrauch). Änderungen müssen versioniert und mit der auftraggebenden Person abgestimmt werden.

Systemgrenzen, Dokumente und Schnittstellen

Eine Systemanalyse zerlegt die Station in Materialzufuhr, Sensorik, SPS, Ventilansteuerung, Schieber, Bedienung und Prüfdokumentation. Das Technologieschema zeigt den funktionalen Material- und Energiefluss; ein Blockschaltbild die Wirkbeziehungen; ein Stromlaufplan Verbindungen und Betriebsmittel; ein Funktionsdiagramm die zeitliche Abfolge. Du darfst diese Darstellungen nicht verwechseln: Eine logische Zustimmung im SPS-Programm ersetzt keine nachgewiesene elektrische Schutzmaßnahme.

Abbildung: Funktionsblöcke einer SPS als Orientierung für Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe. Die dargestellte allgemeine Struktur ist kein freigegebener Verdrahtungsplan.

Für unser Modell gilt der Informationsfluss: Anwesenheit / Metallart / Endlagen → Eingangssignale → Ablaufentscheidung → virtuelles Magnetventil / Meldeleuchten. Daneben verläuft getrennt der Energiefluss der fiktiven 24-V-Steuerebene und des modellierten Druckluftantriebs. Bei einer realen Anlage müssen Klemmenbelegung, Sensorart, Leistungsaufnahme, Druckdaten, Schutzfunktionen und elektrische Trennung aus aktuellen Herstellerunterlagen nachgewiesen werden.

Schnittstelle	Modellsignal	Bedeutung und Prüfkriterium
Eingang I0.0	Start	Eine steigende Flanke fordert einen Zyklus an
Eingang I0.1	StopOK	TRUE bedeutet nur: betrieblicher Stopp nicht betätigt
Eingang I0.2	TeilDa	Werkstück liegt in der Zuführposition
Eingang I0.3	MetallDa	Werkstück wird als metallisch erkannt
Eingang I0.4	Hinten	Schieber steht in Grundstellung
Eingang I0.5	Vorn	Schieber hat die Prüfposition erreicht
Eingang I0.6	Quittieren	Bewusste Fehlerquittierung nach Ursachenbeseitigung
Ausgang Q0.0	VentilAusfahren	Simulierte Ansteuerung des Zylinders
Ausgang Q0.1	Bereit	Betriebsanzeige im Grundzustand
Ausgang Q0.2	Stoerung	Fehleranzeige im Modell

Typische Fehler: fehlende eindeutige Signalnamen, doppelt belegte Adressen, eine Verwechslung von Arbeits- und Sicherheitsfunktion, vertauschte Endlagensensoren oder nur als Prosatext dokumentierte Anforderungen. Gegenmaßnahme: Signal- und Schnittstellenliste mit Zustand, Einheit, Quelle und Testfall.

Sensorik, Aktorik, Steuerung und Regelung

Messwerte und Signale fachgerecht deuten

Ein Sensor wandelt eine physikalische Größe in ein auswertbares Signal um: Ein induktiver Näherungsschalter erkennt bei geeigneten Werkstoffen metallische Objekte, eine Lichtschranke kann Anwesenheit feststellen. Ein Aktor setzt eine Steuerinformation in Wirkung um, etwa ein Ventil oder einen Motor. Ein digitaler Eingang hat im einfachsten Modell die Zustände FALSE und TRUE; ein analoger Eingang trägt einen Bereich von Messwerten. Berücksichtige bei realen Geräten Schaltabstand, Hysterese, Beschaltung, Signalpolarität und elektromagnetische Einflüsse.

Abbildung: Funktionsprinzip eines induktiven Sensors. Die tatsächliche Eignung für kleine Buchsen hängt von Material, Geometrie und Datenblatt ab.

Rechenbeispiel Analogsignal: Ein hypothetischer Wegaufnehmer bildet 0 bis 30 mm linear auf 0 bis 10 V ab. Bei 6,0 V beträgt der Weg s = 30 mm × (6,0 V / 10 V) = 18 mm. Bei 0,2 V wäre der Modellwert 0,6 mm. Das gilt nur unter der Annahme einer idealen linearen Kennlinie; Offset, Auflösung und Kalibrierunsicherheit gehören in eine echte Messunsicherheitsbetrachtung. Eine bloße Umrechnung macht aus einem ungenauen Sensor keinen genauen Messwert.

Pneumatische, elektrische und hydraulische Funktionseinheiten

Im Simulationsfall bewegt ein doppeltwirkender Zylinder den Schieber; ein virtuelles 5/2-Wegeventil wechselt die Zuordnung der Druck- und Entlüftungsseite. Doppeltwirkend heißt, dass beide Bewegungsrichtungen durch Druckbeaufschlagung unterstützt werden können. Ein elektropneumatisches System verbindet elektrische Steuerinformation mit pneumatischer Leistungsübertragung. Hydraulik arbeitet dagegen mit flüssigem Druckmedium und ist hier lediglich als Vergleich in einer Systemanalyse enthalten, nicht als zusätzlicher Werkstattauftrag.

Abbildung: vereinfachtes Symbol eines doppeltwirkenden Zylinders. Es ersetzt weder ein normgerechtes Gesamtschaltbild noch eine Schutzauslegung.

Abbildung: Beispiel einer Kombination elektrischer und pneumatischer Automatisierung, nicht der hier modellierten Prüfstation.

Beachte Restenergien! Auch nach dem Trennen einer Stromversorgung können gespeicherte elektrische, pneumatische oder hydraulische Energien gefährliche Bewegungen verursachen. Ein Rückstellventil und ein SPS-Ausgang im Zustand FALSE beweisen für sich allein keinen drucklosen oder sicheren Zustand. Reale Arbeiten nur nach festgelegtem Sicherungsverfahren durch Befugte.

Steuern gegenüber Regeln

Bei einer Steuerung beeinflusst die Ausgabe den Prozess nach vorgegebenen Bedingungen, ohne dass die geregelte Zielgröße laufend mit einem Sollwert verglichen werden muss. Bei einer Regelung werden Regelgröße und Führungsgröße verglichen; der Regler verändert die Stellgröße, um Abweichungen trotz Störgrößen zu verringern. Beispiel: Das binäre Starten eines Zylinders nach Sensorfreigabe ist eine Ablaufsteuerung. Das kontinuierliche Halten einer Antriebsposition anhand eines Positionsgebers wäre eine Positionsregelung mit Messglied, Regler, Stellglied und Regelstrecke. Für die konkrete Modellstation ist eine Schrittablaufsteuerung erforderlich; eine komplexe Regelung wird nur zum Einordnen erläutert.

SPS-Programmiertechniken und flexible Handhabungssysteme

Zyklus, Variablen und Programmiersprachen

Eine Speicherprogrammierbare Steuerung verarbeitet Eingaben, führt Programmlogik aus und aktualisiert Ausgaben. In einer typischen zyklischen Ausführung kann die Abtastung zeitversetzt zur physikalischen Änderung sein; Scanzeit, Kommunikationsverzögerung und Flankenerkennung sind deshalb für kurze Sensorsignale relevant. Ein Merker speichert einen logischen Zustand; ein Timer misst programmatisch Zeit; eine Flanke bezeichnet den Wechsel von FALSE nach TRUE oder umgekehrt.

Die internationale IEC 61131-3:2025 beschreibt insbesondere Structured Text (ST), Ladder Diagram / Kontaktplan (LD/KOP), Function Block Diagram / Funktionsplan (FBD/FUP) und Sequential Function Chart (SFC) für Ablaufstrukturen. Die Anweisungsliste (AWL/IL) ist im historischen KMK-Text aufgeführt, wird in der aktuellen vierten IEC-Ausgabe aber nicht mehr als gleichwertige aktuelle Programmiersprache geführt. Bestehende ältere Steuerungen können sie dennoch verwenden; im Unterricht werden Altanlagen und moderne Standards auseinandergehalten. Herstellerbefehle, Laufzeitbibliotheken und Sicherheitsfreigaben können sich unterscheiden.

Abbildung: Beispiel einer Kontaktplan-Darstellung. Lies Kontakte, Verknüpfungen und Ausgang getrennt; die konkrete Funktion hängt vom dargestellten Programm ab.

Mini-Beispiel einer booleschen Verknüpfung: Die logische Startfreigabe lautet

Freigabe := TeilDa AND MetallDa AND Hinten AND StopOK;

Wenn nur eines der vier Signale FALSE ist, bleibt Freigabe FALSE. Damit wird aber lediglich eine betriebliche Ablaufbedingung gezeigt, keine Sicherheitsfunktion. Einen Startimpuls wertest du zusätzlich auf eine neue Flanke aus, damit ein dauernd gedrückter Taster nicht ungewollt weitere Zyklen auslöst.

Eine Schrittkette statt unübersichtlicher Einzelbedingungen

Eine Schrittkette hat Schritte, Aktionen und Transitionen (Übergangsbedingungen). Für die Prüfstation bedeutet das: GRUNDSTELLUNG → AUSFAHREN → EINFAHREN → ZÄHLEN → GRUNDSTELLUNG; bei Zeitfehlern oder betrieblichem Stopp folgt der Fehlerzustand. Jede Bewegung muss eine überprüfbare Übergangsbedingung besitzen. Die Zeitüberwachung benötigt eine dokumentierte plausible Grenze. Vermeide parallele Ausgangszuweisungen, undefinierte Startschritte und unbedingte Neustarts nach einer Störung.

Abbildung: französisch beschriftetes, externes GRAFCET-/SFC-Beispiel für die Darstellung von Schritten und Übergängen. Nicht identisch mit der Prüfstation; übertrage nur das Strukturprinzip.

Deutschsprachiges Video: „Schrittkette – Ablaufsteuerung mit einer Siemens Logo! realisieren“, Kanal „rund um die Elektrotechnik“, veröffentlicht 29.04.2026. Es illustriert eine Einzellösung; prüfe die Übertragbarkeit auf die verwendete Hardware.

Programmierung flexibler Handhabungssysteme

Als flexibles Handhabungssystem gilt etwa eine modellierte Positionier- oder Zuführeinheit, deren Bewegungs- und Greifabläufe für verschiedene Teile programmiert und angepasst werden können. Für feinmechanische Bauteile sind Wiederholgenauigkeit, empfindliche Oberflächen, definierte Greifkraft, Kollisionsräume und Werkstückorientierung wichtiger als bloße Höchstgeschwindigkeit. Bei Umstellungen dokumentierst du Teilefamilie, neue Greifpunkte, Sensorparameter, Softwareversion und erneute Prüffälle.

Für das Modell skizziere alternativ einen XY-Tisch oder einen virtuellen Greifer: Position A anfahren, Werkstückidentifikation prüfen, Greifzustand bestätigen, Position B anfahren, ablegen, Rückmeldung prüfen. Bei jeder Aktion müssen Ausgänge, Zustandsrückmeldungen und Abbruchbedingungen übereinstimmen. Der Transfer auf Robotik, Werkzeugbau oder Maschinenbau erfolgt nur vergleichend und erweitert das eigentliche Lernfeld nicht.

Durchgearbeiteter Praxisauftrag: Prüfstation simulieren

Auftrag, Arbeitsplan und Entscheidung

Auftrag: Erstelle ein vollständig simuliertes SPS-Programm, das bei einem neuen Startimpuls nur eine erkannte Metallbuchse aus der Grundstellung nach vorn bewegt, anschließend zurückkehrt, genau einen erfolgreichen Zyklus zählt und bei fehlender Endlagenmeldung einen Fehler verriegelt. Fehlt Metall, darf sich der Schieber nicht bewegen. Kein automatischer Wiederanlauf nach Störung. Der Auftrag gilt als erfüllt, wenn Programm, Signalbelegung, Soll-Ist-Prüfprotokoll, Fehleranalyse und Versionsangabe vorhanden sind.

Phase	Arbeitsschritt	Abzugebendes Teilergebnis
Analysieren	Auftrag, Risiken und technische Unterlagen auswerten	Pflichtenliste, Schnittstellenplan, Systemgrenze
Planen	Ablaufdiagramm, I/O-Zuordnung, Zeitgrenzen festlegen	Signaltabelle, Schrittkette, Testplan
Implementieren	Modellbausteine und ST/FUP im Simulator erstellen	Versioniertes Programm mit Kommentaren
Simulieren	Normalablauf und absichtlich fehlende Rückmeldungen nachbilden	Screenshots/Zustandsprotokoll, Fehlerliste
Optimieren	Zeitüberwachung und Bedienrückmeldungen verbessern	begründete Programmänderung
Bewerten	Soll-Ist-Vergleich, Fachgespräch, Nachhaltigkeitscheck	unterschriebenes Modell-Abnahmeprotokoll

Zeitplanung im Modell: Ein Schieberweg von 60 mm bei hypothetischen 50 mm/s ergibt t = s / v = 60 mm / (50 mm/s) = 1,2 s. Eine Timeout-Grenze von 1,8 s enthält somit 0,6 s Reserve. Dieser Wert ist ein Rechenbeispiel und kein Sicherheitsabstand; die reale Auswahl hängt von Antrieb, Sensoren, Druck, Toleranz, Trägheit und Herstellerdaten ab. Für die Rückfahrt verwenden wir dieselbe Modellgrenze. Angenommen 0,4 s Erkennung, 1,2 s Ausfahrt, 1,2 s Rückfahrt, 0,2 s Programm-/Anzeigeanteil und 3,0 s simulierte Neubestückung, ergibt die Beispiel-Taktzeit 6,0 s. Die idealisierte Rate ist 3600 s/h ÷ 6,0 s = 600 Zyklen/h; bei rechnerisch angenommener 85-prozentiger Verfügbarkeit sind es 510 Zyklen/h. Das ist kein gemessener Leistungs- oder Sicherheitsnachweis.

Nachvollziehbares Modellprogramm in Structured Text

Der folgende didaktische ST-Entwurf verwendet die üblichen Bausteintypen R_TRIG und TON in IEC-orientierter Schreibweise. Je nach Steuerungshersteller können Deklaration, Bibliothek, Initialisierung und Timeraufrufe abweichen. Er ist nicht als real freigegebenes oder sicherheitsgerichtetes Steuerungsprogramm verwendbar. StopOK ist lediglich eine betriebliche Abbruchbedingung; eine erforderliche funktionale Sicherheitskette muss unabhängig geplant, realisiert und validiert werden.

PROGRAM Pruefstation
VAR
  Start : BOOL;
  StopOK : BOOL;
  TeilDa : BOOL;
  MetallDa : BOOL;
  Hinten : BOOL;
  Vorn : BOOL;
  Quittieren : BOOL;
  VentilAusfahren : BOOL;
  Bereit : BOOL;
  Stoerung : BOOL;
  Schritt : INT := 0;
  Zyklen : UDINT := 0;
  StartFlanke : R_TRIG;
  TimerVor : TON;
  TimerZurueck : TON;
END_VAR

StartFlanke(CLK := Start);
TimerVor(IN := Schritt = 10, PT := T#1800ms);
TimerZurueck(IN := Schritt = 20, PT := T#1800ms);
VentilAusfahren := FALSE;
Bereit := FALSE;
Stoerung := FALSE;

IF NOT StopOK THEN
  Schritt := 90;
END_IF;

CASE Schritt OF
  0:
    Bereit := TRUE;
    IF StartFlanke.Q THEN
      IF TeilDa AND MetallDa AND Hinten AND StopOK THEN
        Schritt := 10;
      ELSE
        Schritt := 90;
      END_IF;
    END_IF;
  10:
    VentilAusfahren := TRUE;
    IF Vorn THEN
      Schritt := 20;
    ELSIF TimerVor.Q THEN
      Schritt := 90;
    END_IF;
  20:
    IF Hinten THEN
      Schritt := 30;
    ELSIF TimerZurueck.Q THEN
      Schritt := 90;
    END_IF;
  30:
    Zyklen := Zyklen + 1;
    Schritt := 0;
  90:
    Stoerung := TRUE;
    IF Quittieren AND StopOK AND Hinten AND NOT TeilDa THEN
      Schritt := 0;
    END_IF;
ELSE
  Schritt := 90;
END_CASE;
END_PROGRAM

Leseprobe: Im Schritt 0 wartet das Modell auf eine neue Startflanke. Nur wenn TeilDa, MetallDa, Hinten und StopOK wahr sind, beginnt das Ausfahren. Bei Vorn = TRUE geht die Ablaufsteuerung zur Rückfahrt über; bei Überschreitung von 1,8 s in einem Bewegungszustand ist die Simulation gestört. Der Zähler steigt ausschließlich im Zustand 30 und daher einmal je vollständig quittiertem Normalzyklus. Nach einer Störung ist eine bewusste Quittierung unter festgelegten Rücksetzbedingungen erforderlich; neue Bewegung setzt anschließend einen neuen Startimpuls voraus.

Qualitätsprüfung des Codes: Teste, ob Hinten und Vorn unplausibel gleichzeitig TRUE sein können und welche Reaktion erforderlich wäre. Ergänze im weiterführenden Auftrag eine Plausibilitätsprüfung und eine Diagnose der Signalqualität; nimm keine Sicherheitsfunktion aus dem Beispielprogramm an. In einer realen Anwendung werden Instanzen, Rückstellzustände, Timerverhalten, Diagnosen und Prozessausgänge strikt anhand der verwendeten Plattform verifiziert.

Deutschsprachiges Anwendungsbeispiel: „SPS Programmierung mit Siemens Logo und Fischertechnik Taktstraße mit 2 Bearbeitungsstationen“, Kanal „ronnie“, veröffentlicht 11.01.2025. Ein Modellprojekt zum Vergleich der programmierten Abläufe; kein Sicherheitsnachweis.

Abnahme am Simulator und Bewertungsraster

Test-ID	Simulierte Eingangsbedingung	Erwartetes, prüfbares Arbeitsergebnis
T01	TeilDa FALSE, Startflanke TRUE	Kein Ausfahrbefehl; Fehlermeldung statt Bewegung
T02	MetallDa FALSE bei TeilDa TRUE	Kein Ausfahrbefehl; Fremdteil nicht fördern
T03	TeilDa und MetallDa und Hinten TRUE, Vorn und danach Hinten werden gemeldet	Genau ein abgeschlossener Hub, danach Grundstellung; Zähler um eins erhöht
T04	Vorn bleibt während Ausfahren FALSE	Nach modellierten 1,8 s Meldung; VentilAusfahren wird abgeschaltet
T05	Hinten bleibt während Rückfahrt FALSE	Nach modellierten 1,8 s Fehlerzustand, kein Zählerzuwachs
T06	StopOK wird während des Zyklus FALSE	Betrieblicher Abbruchzustand; keine automatische Fortsetzung
T07	Fehler bleibt bestehen, Quittiertaste betätigt	Kein unkontrollierter Neustart; Rücksetzen nur bei erfüllten Bedingungen

Erfasse pro Testfall Datum der Simulation, Programmversion, Eingangswerte, Sollzustand, Istzustand, bestanden/nicht bestanden, Abweichung und Korrektur. Beim Test T03 kann das konkrete prüfbare Arbeitsergebnis beispielsweise lauten: „Anfangszähler 12, nach einem vollständigen Simulationszyklus Zähler 13, Ausgang Q0.0 am Ende FALSE, Zustand 0; Test bestanden“. Das sind fiktive Musterdaten.

Bewertungsbereich	Nachweis	Maximalpunkte
Systemanalyse	Auftrags-, Schnittstellen- und Signalplan sind nachvollziehbar	15
Technische Planung	Schrittkette und begründete Zeitwahl passen zum Modell	15
Programmqualität	Eindeutige Zustände, Flanke, Timer, Fehlerrücksetzung	20
Verifikation	Alle sieben Testfälle dokumentiert und Abweichungen erklärt	25
Dokumentation und Präsentation	Version, Prüfergebnisse, Begründungen und Übergabe	15
Sicherheit, Datenschutz und Nachhaltigkeit	Grenzen, Datenminimierung und Alternativen reflektiert	10
Gesamt	Individuell begründete Fachbewertung	100

Orientierung: 90–100 Punkte sehr sicher, 75–89 weitgehend sicher, 60–74 mit Nachbesserung, unter 60 erneute Bearbeitung wesentlicher Anforderungen. Diese didaktische Skala ist kein amtliches Noten- oder Prüfungsraster.

Inbetriebnahme, Qualität, Daten und Instandhaltung

Sichere Arbeitsfreigabe und Fehlerbehebung

Eine reale Inbetriebnahme umfasst nicht nur die Frage „Läuft das Programm?“, sondern die freigegebene elektrische, mechanische und fluidtechnische Sicherheit, eindeutige Zustände, wirksame Schutzmaßnahmen und qualifizierte Prüfung. Die Betriebssicherheitsverordnung ist für die Verwendung von Arbeitsmitteln relevant; die aktuelle DGUV Information 209-015 „Instandhaltung an Maschinen und Anlagen“ (Ausgabe 06/2026) behandelt Planung, Durchführung, Nachbereitung und Restenergien. Erforderliche Sicherheitsfunktionen folgen einer gesonderten Risikobeurteilung und den einschlägigen, am Projekt zu prüfenden Normen sowie Hersteller- und Betriebsanweisungen. Ein Standard-SPS-Timer ist kein Ersatz für eine geeignete Sicherheitseinrichtung.

Vor realen Arbeiten haben befugte Personen unter anderem Energiequellen und Restenergien, mechanische Gefährdungen, unerwarteten Anlauf, elektrische Gefährdung, Druckluft und Schutzeinrichtungen zu beurteilen. Prüfen oder überbrücken von Schutzeinrichtungen, Arbeiten unter Spannung oder unter Druck sowie ein erster Maschinenlauf sind keine Übungen dieses Kurses. Die sichere Lernalternative ist ein digitaler Zwilling, eine offline simulierte SPS oder ein dafür zugelassener didaktischer Niederspannungsaufbau ausschließlich unter fachkundiger Aufsicht.

Qualitäts-, Betriebs- und Wartungsdaten erfassen

Qualität bedeutet überprüfbare Anforderungen: Signalzustände stimmen, Zählung stimmt, Fehler werden erklärt und die dokumentierte Version entspricht dem geprüften Programm. Eine Inspektionsvorschrift legt fest, was wann geprüft wird; eine Wartungsvorschrift definiert geplante Erhaltungsmaßnahmen; eine Instandsetzungsanleitung beschreibt freigegebene Maßnahmen zur Wiederherstellung. Beispiel einer Wartungsplanung für das Simulationsmodell: täglich Signal- und Fehlerlog prüfen, nach jeder Programmänderung Regressionstests T01–T07 ausführen, periodisch Zeitwerttrend und Sensorplausibilität beurteilen; reale Intervalle ausschließlich aus Hersteller- und Betreibervorgaben ableiten.

Dokumentiere idealerweise eine kleine Betriebsdatenerfassung mit Zyklusnummer, Gesamtlaufzeit, Fehlerart und Softwarestand, nicht mit Namen von Beschäftigten. Bei personenbeziehbaren Betriebsdaten gelten die anwendbaren Datenschutzregeln, insbesondere Zweckbindung, Datenminimierung, Zugriffsbegrenzung und Löschkonzept. Übertrage niemals echte Kunden-, Schüler- oder Betriebsdaten in öffentliche Aufgaben oder Kursmedien. Für Modellversuche genügen künstliche Kennungen, etwa SIM-001.

Digitalisierung und Nachhaltigkeit: Versionsverwaltung, reproduzierbare Tests und strukturierte Diagnose können Ausschuss und unnötige Stillstände senken. Vergleiche unterschiedliche Abläufe hinsichtlich Taktzeit, Druckluftleckage, Energiebedarf und Belastung der Beschäftigten. Beispiel: Ein fiktiver 24-V-Sensor mit 0,12 A benötigt rechnerisch P = U × I = 2,88 W; zwei Stunden Nutzung entsprechen 5,76 Wh. Das ist nur der Sensor, nicht die ganze Anlage. Kurze Taktzeit ist kein alleiniges Optimierungsziel; Haltbarkeit, Ergonomie, geregelte Wartung und ressourcenschonende Prozesse gehören ebenfalls dazu.

Berufliche Verantwortung

Automatisierung kann Arbeit erleichtern, verändert aber Aufgaben, Qualifikationsbedarf und Fehlerfolgen. Begründe deshalb Entscheidungen nicht nur technisch und wirtschaftlich, sondern auch hinsichtlich Beschäftigung, ergonomischer Belastung, fairer Verantwortung, Umweltwirkung und Informationssicherheit. Eine gute Übergabe erläutert Fachbegriffen auch für Nichtfachleute: Wie läuft das System, woran erkennt man eine Störung, wann ist die Anlage nicht zu verwenden und wer darf Änderungen vornehmen?

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste dein Wissen

Wofür wird eine Schnittstellenübersicht bei der Planung einer automatisierten Station benötigt? (Sie ordnet Signale eindeutig den beteiligten Funktionseinheiten zu) (!Sie ersetzt sämtliche Montagezeichnungen und Prüfprotokolle) (!Sie legt die Geschwindigkeit eines Zylinders ohne Messung fest) (!Sie beweist allein die elektrische Sicherheit einer Anlage)

Welches Element liefert der SPS im Modell die Meldung einer erreichten Schieberendposition? (Ein Endlagensensor) (!Ein Leuchtmelder am Ausgang) (!Ein pneumatischer Schalldämpfer) (!Eine Sicherung im Versorgungszweig)

Woran erkennt man eine geschlossene Regelung? (Eine gemessene Regelgröße wird mit einem Sollwert verglichen) (!Ein Starttaster wird einmalig gedrückt) (!Ein Ventil erhält immer dasselbe Ausgangssignal) (!Ein Ablauf wird ausschließlich nach festem Zeitplan durchlaufen)

Warum wird der Starttaster im Beispiel als steigende Flanke ausgewertet? (Ein dauerhaft gehaltenes Signal soll nicht mehrere Zyklen auslösen) (!Damit das Werkstück automatisch ausgetauscht wird) (!Damit der Stoppkreis keine getrennte Prüfung benötigt) (!Damit analoge Eingangswerte schneller gemessen werden)

Welche Beschreibung trifft eine Schrittkette zu? (Aktionen gehören zu definierten Schritten und wechseln bei erfüllten Bedingungen) (!Alle Ausgänge bleiben unabhängig von Sensoren ständig aktiv) (!Ein Programm benötigt weder Zustände noch Übergänge) (!Die Schrittkette ist lediglich eine Liste mechanischer Ersatzteile)

Welche der folgenden Sprachen gehört zur aktuellen IEC 61131-3 Ausgabe von 2025? (Structured Text) (!Die historische Anweisungsliste als weiterhin gleichgestellte Hauptsprache) (!Eine universelle Pflichtsprache namens Pneumatikcode) (!Die reine Werkstattzeichensprache ohne Steuerungslogik)

Welcher Weg entspricht beim ideal linearen 0 bis 10 Volt Sensor für 0 bis 30 Millimeter einem Messwert von 6 Volt? (18 Millimeter) (!6 Millimeter) (!20 Millimeter) (!30 Millimeter)

Wie sollte ein fehlendes vorderes Endlagensignal im geprüften Modellablauf behandelt werden? (Zeitüberschreitung erkennen und in einen diagnostizierbaren Fehlerzustand wechseln) (!Den Ausfahrbefehl unbegrenzt aktiv lassen) (!Den Zyklus trotzdem als erfolgreich zählen) (!Die Endlagenabfrage dauerhaft aus dem Programm entfernen)

Welche Aussage zur Maschinensicherheit ist richtig? (Eine betriebliche SPS Stoppbedingung ersetzt keine gesondert erforderliche Sicherheitsfunktion) (!Ein korrekt kompilierendes Programm macht jede Anlage gefahrlos) (!Ein abgeschalteter SPS Ausgang beseitigt sicher jede Restenergie) (!Ein erfolgreiches Simulationsprotokoll erlaubt Arbeiten unter Druck)

Welche Betriebsdatenerfassung passt am besten zu einem datensparsamen Lernprojekt? (Fiktive Zyklusnummern und Fehlercodes ohne Personenbezug) (!Klarnamen echter Mitarbeitender mit minutengenauem Verhalten im öffentlichen Kurs) (!Kundenanschriften zusammen mit sämtlichen Schichtzeiten) (!Private Zugangsdaten aus der realen Steuerungssoftware)

Memory

SPS	Rechnergestützte Steuerung zur programmgesteuerten Verarbeitung von Ein- und Ausgaben
Sensor	Erfasst einen physikalischen Zustand und liefert ein auswertbares Signal
Aktor	Setzt ein Steuersignal in eine technische Wirkung um
Transition	Übergangsbedingung zwischen Schritten eines Ablaufs
Flankenerkennung	Feststellung eines Signalwechsels zwischen zwei Zuständen
Betriebsdatenerfassung	Geordnete Aufzeichnung von Prozesswerten und Ereignissen

Drag-and-drop

Ordne die passende Phase zu	Beobachtbare Handlung im Projekt
Systemanalyse	Technische Unterlagen sichten und Schnittstellen beschreiben
Ablaufplanung	Schritte und Übergangsbedingungen festlegen
Programmentwurf	Steuerlogik und Zeitüberwachung formulieren
Simulationstest	Gezielte Eingangszustände setzen und Soll-Ist-Ergebnisse prüfen
Abnahmedokumentation	Programmversion und nachvollziehbare Ergebnisse übergeben

Kreuzworträtsel

Sensor	Welches Bauteil erfasst die Anwesenheit eines Werkstücks?
Ventil	Welche fluidtechnische Komponente lenkt die Strömungswege um?
Schrittkette	Wie heißt eine Abfolge definierter Zustände mit Übergangsbedingungen?
Schnittstelle	Wie heißt die definierte Verbindung zwischen zwei Systemteilen?
Simulation	Welche risikofreie digitale Methode bildet Abläufe nach?
Quittierung	Welcher bewusste Bedienvorgang bestätigt eine behandelte Störung?

LearningApps

Suche in der Lernumgebung nach passenden interaktiven Übungen zu SPS, Schrittkette und Sensorik. Dies ist eine Suchansicht, keine Behauptung, dass dort bereits eine bestimmte geprüfte Aufgabe existiert.

Lückentext

Die Auswertung von Eingangssignalen übernimmt im Automatisierungsmodell eine

. Ein Näherungsschalter ist ein

. Ein Magnetventil zählt zu den

. Ein definierter Schrittwechsel erfolgt bei erfüllter

. Die Wiedererkennung eines Signalwechsels heißt

. Eine bewusst begrenzte Bewegungszeit wird durch einen

überwacht. Ein Soll-Ist-Vergleich mit Rückführung kennzeichnet eine

. Vor dem Eingriff in eine Anlage müssen mögliche

berücksichtigt werden. Die nachvollziehbare Aufzeichnung von Prüfergebnissen heißt

.

Offene Aufgaben

Leicht

Systemanalyse: Zeichne für die fiktive Prüfstation ein Blockschaltbild mit mindestens sechs Funktionseinheiten und markiere Signal-, Material- und Energieflüsse.
Sensor: Stelle induktiven Näherungsschalter und Lichttaster in einer bebilderten, quellenbasierten Übersicht gegenüber; erkläre je zwei Grenzen.
Schaltplan: Übertrage die zehn Modell-Signale aus der Tabelle in eine kommentierte I/O-Liste und prüfe Bezeichnungen und Richtung.
Arbeitsschutz: Gestalte ein einseitiges Lernplakat zu sicherer Simulation, Restenergien und der Grenze zwischen Betriebsstopp und Sicherheitsfunktion.

Standard

Kontaktplan: Entwirf im Simulator eine Startfreigabe aus vier Eingangssignalen und teste alle vier Fälle mit jeweils einem fehlenden Signal.
Ablaufsteuerung: Zeichne für Grundstellung, Ausfahren, Rückfahren, Zählen und Störung eine Schrittkette mit überprüfbaren Übergängen.
Messwert: Erstelle eine Tabelle für analoge Spannungen von 0 bis 10 V bei einem fiktiven Sensor von 0 bis 30 mm und beschreibe den Einfluss eines Offsets.
Prüfprotokoll: Simuliere die sieben Prüfbedingungen T01 bis T07 und dokumentiere Soll-, Ist- und Korrekturspalten ohne reale Personendaten.

Schwer

Structured Text: Implementiere und kommentiere eine zusätzliche Plausibilitätsprüfung für widersprüchliche Endlagensignale und lege Regressionstests fest.
Handhabungssystem: Plane für einen fiktiven XY-Greifer einen alternativen Ablageprozess; bewerte Wiederholgenauigkeit, Werkstückschonung und Fehlerdiagnose.
Instandhaltung: Entwerfe eine aus aktuellen Herstellerhinweisen abzuleitende Inspektions-, Wartungs- und Testmatrix und erkläre die Grenzen deiner Annahmen.
Nachhaltigkeit: Vergleiche zwei simulierte Abläufe anhand Taktzeit, geschätztem Energiebedarf und Ausschuss und präsentiere einen begründeten Zielkonflikt.

Lernkontrolle

Anforderungsanalyse: Erkläre anhand der Prüfstation, warum eine vollständige Signalbelegung allein noch keinen vollständigen Systemnachweis ergibt.
Schrittkette: Begründe den Übergang vom Ausfahren zur Rückfahrt und erläutere die erwartete Reaktion auf zwei unterschiedliche Sensorfehler.
SPS: Vergleiche die Eignung von Kontaktplan, Funktionsplan und Structured Text für Freigabelogik, komplexe Verknüpfung und Zustandsablauf.
Regelungstechnik: Entscheide, ob eine binäre Schieberbewegung oder eine kontinuierliche Positionierachse eine Regelung erfordert, und begründe deine Auswahl.
Fehleranalyse: Formuliere für einen nicht zurückmeldenden Schieber einen Test, eine mögliche technische Ursache und eine sichere Maßnahme auf Simulations- und Organisationsebene.
Qualitätssicherung: Begründe, welche zusätzlichen Nachweise gegenüber einem bestandenen Funktionstest für eine reale Inbetriebnahme erforderlich wären.
Nachhaltigkeit: Bewerte einen Zielkonflikt zwischen maximaler Taktzahl, Bauteilschonung, Druckluftverbrauch und Gesundheitsschutz.

Lernnachweis

Ein vollständiger, individueller Lernnachweis besteht aus (1) einer Auftragsanalyse mit Pflichtenliste, (2) einem eigenen Block- und Schnittstellenplan, (3) einer I/O-Tabelle und Schrittkette, (4) einem kommentierten und versionierten Simulatorprogramm, (5) einem nachvollziehbaren Rechenblatt für Hubzeit und beispielhafte Kapazität, (6) sieben Soll-Ist-Testberichten samt mindestens einem untersuchten Fehlerfall, (7) einer Sicherheits-/Datenschutz-/Nachhaltigkeitsreflexion und (8) einer kurzen Präsentation mit fachlicher Begründung. Das im Praxisfall vorgelegte 100-Punkte-Raster ermöglicht Selbst-, Partner- und Lehrkraftbewertung; die Zuordnung zu einem betrieblichen Ausbildungsnachweis ist vorher abzuklären.

Lernzielkontrolle im Fachgespräch: Du kannst erklären, warum ein abgeschlossener Modelltest nicht automatisch eine reale Maschinenfreigabe ist, was eine Schrittkette gegenüber ungeordneten Logikabfragen leistet, wie Signale durch Sensoren und Schnittstellen zur SPS gelangen und wie Wartung und Änderungen dokumentiert werden.

OER und Wikipedia

Rahmen und Berufsrecht, überprüfte Einstiegsquellen:

KMK-Rahmenlehrplan Feinwerkmechaniker/in, LF 15b, PDF-Seite 27 – fachlicher Lernfeldbezug (KMK-Beschluss 2002, Fassung 2010).
BIBB: Feinwerkmechaniker/in – Berufsbild, Schwerpunkte, Ausbildungsordnung und Ausbildungsdauer.
FeinwAusbV – aktuell auf Rechtsstand zu prüfende Ausbildungsordnung; praktische Ausbildung und Schulcurriculum gemeinsam betrachten.
IEC 61131-3:2025 – aktuelle internationale Programmiersprachennorm; der kostenpflichtige Normvolltext wird nicht kopiert.
DGUV Information 209-015, Ausgabe Juni 2026 – Instandhaltung, Arbeitsplanung und Restenergien.
Betriebssicherheitsverordnung – Arbeitsschutz bei Arbeitsmitteln.
CODESYS Development System – Hersteller-Information zur Entwicklungsumgebung; Software und Lizenz sind nicht automatisch OER.
Speicherprogrammierbare Steuerung – weiterführender offener Einstieg, nicht Ersatz für aktuelle Normen.

Bildquellen und Lizenznachweise (unveränderte Einbindung; Commons-Dateiseiten geprüft):

Eingebundene Datei	Urheber / Beschreibung	Quelle	Lizenzstatus
File:PLC Block Diagram.jpg	ProVision; allgemeines SPS-Blockbild	Commons-Dateiseite	CC BY-SA 4.0
File:Inductive sensor scheme.svg	MatthiasDD; Schema eines induktiven Sensors	Commons-Dateiseite	Gemeinfrei laut Quellenvermerk
File:Double Acting cylinder.JPEG	PrabhakarPurushothaman; Pneumatiksymbol	Commons-Dateiseite	CC BY-SA 3.0
File:Festo Pneumatic-and-electric-automation-technology.jpg	Festo; pneumatische und elektrische Automatisierung	Commons-Dateiseite	CC BY-SA 4.0
File:Ladder diagram.png	Nuno Nogueira; KOP-Programmausschnitt	Commons-Dateiseite	CC BY-SA 2.5
File:Example Grafcet SFC-fr.svg	Original Julien.ch, Bearbeitung Aumars; französisches SFC-Beispiel	Commons-Dateiseite	CC BY-SA 3.0

Videos (deutsche Fachbeispiele, Linkdaten und veröffentlichte Beschreibungen überprüft; keine OER-Lizenz behauptet):

Videolink	Titel / Kanal	Inhalt	Rechtlicher Hinweis
Video Schrittkette	rund um die Elektrotechnik, 2026	Grundlagen einer Logo!-Schrittkette	Plattformvideo; Urheberrechte bleiben beim Anbieter
Video Taktstraße	ronnie, 2025	SPS-Modellanlage mit zwei Stationen	Plattformvideo; Urheberrechte bleiben beim Anbieter

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