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Projekt Maschinenretrofit – Eine neue Steuerung funktional spezifizieren

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Projekt Maschinenretrofit – Eine neue Steuerung funktional spezifizieren

Einleitung

Auftrag: Eine ältere Sortierstation erhält gedanklich eine neue SPS. Du beschreibst Signale, Abläufe und Fehlerreaktionen so eindeutig, dass eine andere Person die Funktion in einer reinen Simulation prüfen kann.

Zielgruppe: Ausbildung in Mechatronik, Automatisierungstechnik und verwandten Berufen. Dauer: 6 Lerneinheiten à 15–25 Minuten. Ergebnis: ein fortlaufendes Projektdossier mit Skizze, Signalliste, Ablaufmodell, virtuellen Prüfdaten und begründeter Abgabe.

Sicherheitsgrenze: Keine Verbindung zur realen Maschine, keine automatische Live-Ansteuerung und keine Umgehung von Schutzeinrichtungen. Die virtuelle Freigabe in diesem Kurs ist keine Sicherheitsfunktion. Arbeiten an realen Maschinen erfolgen ausschließlich unter geeigneter Fachaufsicht und nach betrieblicher Freigabe. Eine Simulation ersetzt weder Risikobeurteilung noch Sicherheitsvalidierung oder Abnahme.

Eine SPS verarbeitet Eingangssignale und steuert Ausgänge. Das Foto zeigt Beispiele, nicht die gewählte Projekt-Hardware.

Ausbildungsfall: die virtuelle Sortierstation

Ein Band bringt ein Werkstück zur Ausschleusposition. Ein pneumatischer Schieber drückt es seitlich weg und fährt in die Grundstellung zurück. Der Ablauf startet nur auf bewussten Startbefehl und wiederholt sich nicht automatisch.

Allgemeines Förderbandsymbol, kein vollständiger Schaltplan der Station.

  Werkstück --> [ BAND ] --> B_Teil
                           |
                      [ SCHIEBER ] ---> Ausschleusung
                       B_Heim / B_Vorn

  S_Start, S_Stop, S_Quitt ---> [virtuelle SPS]
  B_Teil, B_Heim, B_Vorn -----> [virtuelle SPS]
  F_Sim ----------------------> [virtuelle SPS]
                                |--> A_Band
                                |--> A_Aus / A_Ein
                                |--> M_Stoer

Dein Dossier wächst mit: D1 Auftragsskizze → D2 Signalplan → D3 Zustandsmodell → D4 Fehlertabelle → D5 Simulationsdatei und Prüflog → D6 Anforderungs-Test-Matrix → D7 begründete Abgabe. Speichere Versionsstand, Datum und Änderungen.

Kurze Lerneinheiten

Lerneinheit 1: Auftrag und Grenzen klären (15 Minuten)

Eine funktionale Spezifikation beschreibt was die Steuerung leisten und wie sich das prüfen lassen muss, nicht bloß einen Programmcode.

D1 – Auftragsskizze: Zeichne Band, Schieber, Sensoren und den ausgeschleusten Gegenstand. Notiere als offene Punkte die unbekannte alte Verdrahtung, Antriebsdetails und das getrennt zu klärende Sicherheitskonzept. Nicht an der Maschine nachsehen oder eingreifen.

Basis: Markiere den Materialweg. Anwendung: Formuliere den Startzustand. Transfer: Begründe, warum die Sicherheitsfunktion nicht aus einer gewöhnlichen SPS-Simulationsfreigabe abgeleitet werden darf.

Feedback: Ein guter Auftrag grenzt reale Annahmen ab; unbelegte Bestandsdaten wären keine prüfbare Anforderung.

Pilz: Risikobeurteilung als fachlicher Hintergrund; das Video ist kein Freigabe- oder Umbauleitfaden.

Lerneinheit 2: Signale eindeutig festlegen (20 Minuten)

D2 – Signalliste: Alle Werte sind virtuell und binär. Bei Tastern bedeutet 1 „betätigt“, bei Sensoren 1 „Position/Ereignis erkannt“. Die Zahlen und Bezeichnungen sind Projektannahmen, keine Angaben einer Bestandsmaschine.

Beispiel für einen optischen Sensor zur Werkstückerkennung.

Beispiele für Positionsschalter: Die reale Ausführung ist im Projekt noch offen.

Signal	Richtung	Bedeutung bei 1
S_Start	Eingang	bewusster Startimpuls
S_Stop	Eingang	normaler Stopp angefordert
S_Quitt	Eingang	Störung quittieren
B_Teil	Eingang	Werkstück an Ausschleusposition
B_Heim	Eingang	Schieber in Grundstellung
B_Vorn	Eingang	Schieber ausgefahren
F_Sim	Eingang	rein virtuelle Testfreigabe
A_Band	Ausgang	Band läuft virtuell
A_Aus	Ausgang	virtueller Schieber fährt aus
A_Ein	Ausgang	virtueller Schieber fährt ein
M_Stoer	Ausgang	Störung wird angezeigt

D2-Prüfung: Welche Signale sind Eingänge? Können B_Heim und B_Vorn gleichzeitig 1 sein? Wenn ja, ist das im Modell ein Widerspruch.

Gestufte Hilfe: H1: Ein Sensor meldet, ein Aktor wirkt. H2: Frage bei jedem Signal nach Quelle und Empfänger. H3: Kontrolliere B_Teil als Eingang und A_Band als Ausgang.

Feedback: Die Zuordnung ist richtig, wenn jede Bezeichnung eine messbare, eindeutige Aussage liefert. „Sensor OK“ wäre zu ungenau.

Lerneinheit 3: Den Ablauf als Zustände beschreiben (20 Minuten)

D3 – Zustandsmodell: Beginne mit Bereit: B_Heim=1, B_Vorn=0, F_Sim=1 und keine Störung. Ein Startimpuls löst genau einen Zyklus aus.

Prinzip eines pneumatischen Zylinders; das Verhalten bei Energieausfall wird daraus nicht abgeleitet.

Beispiel eines allgemeinen Zustandsdiagramms – zeichne die Station mit eigenen Zuständen.

Zustand	Virtueller Ausgang	Übergang
Bereit	alle Bewegungen aus	Startimpuls und Startbedingungen erfüllt → Fördern
Fördern	A_Band=1	B_Teil=1 → Ausschieben
Ausschieben	A_Aus=1; A_Band=0	B_Vorn=1 → Rückhub
Rückhub	A_Ein=1; A_Band=0	B_Heim=1 und B_Teil=0 → Fertig
Fertig	alle Bewegungen aus; Zähler +1	zurück zu Bereit; nächster Zyklus nur nach neuem Startimpuls
Gestoppt / Störung	alle virtuellen Bewegungen aus	gesonderte Rücksetzbedingungen

Anforderungen: F01 Start nur aus Bereit. F02 Band stoppt vor Ausschieben. F03 A_Aus und A_Ein sind nie gleichzeitig 1. F04 Der Stückzähler steigt erst nach vollständigem Rückhub und freiem B_Teil. D3: Zeichne die Übergänge mit Bedingungen und Zustandsausgängen.

Gestufte Hilfe: H1: Jeder Schritt benötigt einen Auslöser. H2: Prüfe für jeden Übergang die Sensorbedingung. H3: Vergleiche das Modell mit der Zustands-Tabelle.

Feedback: Ein Zustand ohne überprüfbare Übergangsbedingung ist unvollständig; ein Zähler bei B_Vorn allein würde einen abgebrochenen Zyklus fälschlich als fertig zählen.

BElektrox: GRAFCET-Grundlagen zur Darstellung von Abläufen.

Lerneinheit 4: Fehlerreaktionen spezifizieren (20 Minuten)

D4 – Fehlerliste: Die Zeiten sind didaktische Sollwerte für die Simulation, keine zulässigen Maschinenwerte.

Symbol für Not-Halt. Ein realer Not-Halt ist eine gesondert auszulegende und zu validierende Sicherheitsfunktion, nicht S_Stop oder F_Sim.

Prüfsituation	Erwartete virtuelle Reaktion	Anforderung
Kein B_Teil nach 5 s Fördern	Störung speichern; A_Band, A_Aus, A_Ein = 0; M_Stoer=1	F05
Kein B_Vorn nach 2 s Ausschieben	Störung speichern; Bewegungen aus	F06
Kein B_Heim nach 2 s Rückhub	Störung speichern; Bewegungen aus	F07
B_Heim=1 und B_Vorn=1	widersprüchliche Signale; Störung	F08
B_Teil bleibt nach Rückhub 2 s belegt	Störung statt Fertigmeldung	F09
S_Stop=1	Zustand Gestoppt; Bewegungen aus; kein Selbstanlauf	F10
F_Sim fällt auf 0	Störung im virtuellen Modell; Bewegungen aus	F11
S_Quitt nach behobener Ursache	nur bei F_Sim=1, B_Heim=1, B_Vorn=0 zurück zu Bereit; niemals automatischer Start	F12

Wichtig: Bei Stopp mitten im Hub kann B_Heim=0 sein. Dann bleibt der virtuelle Zyklus gesperrt. Eine neue Grundstellung darf nur im isolierten Simulator gezielt hergestellt werden. Was ein echter Zylinder bei abgeschalteten Ausgängen tut, hängt von der Hardware ab und ist hier nicht festgelegt.

Gestufte Hilfe: H1: Überlege, was ohne Rückmeldung passiert. H2: Ordne jedem Fehler eine Störmeldung und eine Startsperre zu. H3: Prüfe, ob Quittieren allein einen Ausgang aktivieren würde – das darf nicht passieren.

Feedback: „Fehler ignorieren und weiterfahren“ ist unzulässig. Auch „alle Ausgänge aus“ beweist keinen sicheren Maschinenzustand.

Lerneinheit 5: Erst simulieren, dann prüfen (25 Minuten)

D5 – Nur Offline-Simulation: Nutze einen vollständig getrennten digitalen Simulator, eine Zustands-Tabelle mit manuellen Zeitschritten oder ein Schulungstool ohne Hardware-, Netzwerk- oder Feldbuskopplung zur Maschine. Keine echten Ausgänge beschalten.

Beispiel für ein Flussdiagramm; übertrage diese Darstellungsform auf die eigenen Zustände.

Festo Didactic: Einführung in FluidSIM Pneumatik. Verwende ausschließlich den Simulationsmodus.

sps4you: Beispiel zur PLCSIM-Simulation. Im Kurs werden keine realen SPS-Verbindungen hergestellt.

Beispielereignisse – erfundener Testdatensatz, keine Messung an einer Maschine:

Zeitpunkt	Eingriff / Rückmeldung	Erwartung
0,0 s	Start bei B_Heim=1	Fördern; A_Band=1
1,2 s	B_Teil wird 1	Ausschieben; A_Band=0
1,8 s	B_Vorn wird 1	Rückhub; A_Ein=1
2,0 s	B_Teil wird 0	Rückhub bleibt aktiv
2,5 s	B_Heim wird 1	Fertig; Zähler +1; alle Bewegungen aus

D5 – Prüfprotokoll (Ist selbst eintragen):

Test	Stimulus	Sollreaktion	Dein Ist / Screenshot
T01	Normalzyklus	genau ein Teil; kein Selbstanlauf	...
T02	B_Teil bleibt 0	Fehler nach 5 s Fördern	...
T03	B_Vorn bleibt 0	Fehler nach 2 s Ausschieben	...
T04	B_Heim und B_Vorn beide 1	Widerspruch / Sperre	...
T05	S_Stop im Ausschieben	Bewegungen virtuell aus; kein Neustart	...
T06	F_Sim auf 0	gespeicherte Störung	...
T07	Quittieren bei bestehendem Fehler	bleibt gesperrt	...
T08	Quittieren nach Fehlerbehebung	Bereit, aber kein automatischer Zyklus	...

D6 – Rückverfolgbarkeit: Verknüpfe F01–F12 jeweils mit mindestens einem Test. Ergänze für fehlende Prüfungen T09 und weitere Fälle. Zu jedem Test gehören Ausgangszustand, Eingaben, Zeit, Soll, Ist und Beleg.

Gestufte Hilfe: H1: Starte mit T01. H2: Verändere je Test nur einen Stimulus. H3: Führe T02/T03 gezielt mit einer ausbleibenden Sensorflanke aus.

Feedback: Ein „bestanden“ ohne Istwert oder Screenshot ist nicht nachprüfbar. Ein bestandener Simulationstest belegt nur das getestete Modell, nicht die reale Maschinensicherheit.

Lerneinheit 6: Entscheidungen begründet abgeben (20 Minuten)

D7 – Abgabe: Erstelle eine kurze Übergabe (maximal drei Seiten zuzüglich Belege) mit D1–D6, offener Punkteliste und Deiner Empfehlung „für weitere Fachprüfung geeignet“ oder „überarbeiten“. Eine Freigabe für die reale Maschine ist nicht Teil der Ausbildungssimulation.

Entscheidungsfrage: Ist F12 durch T07 und T08 hinreichend nachgewiesen? Begründe mit beobachteten Zuständen und nenne Grenzen.

Feedback: Eine überzeugende Abgabe verknüpft Anforderung → Versuch → Prüfdaten → Entscheidung. Fehlt ein Beleg, formuliere keine unbedingte Freigabe.

Lernpfade und Feedback

Niveau	Dein Auftrag	Begründetes Feedback zur Selbstkontrolle
Basis	Signale benennen, Skizze beschriften, Normalfall erklären	Richtig, wenn jede Bezeichnung einem prüfbaren Ereignis zugeordnet ist; sonst präzisieren
Anwendung	Zustandsmodell und Fehlerfälle simulieren	Richtig, wenn für jeden Übergang und Timeout der Ausgangszustand eindeutig ist; sonst Fehlerpfad ergänzen
Transfer	Änderung bewerten und Freigabegrenzen begründen	Richtig, wenn Folgen für Signale, Übergänge, Tests und Risiken nachvollziehbar sind; sonst Änderungsfolgen systematisch prüfen

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt eine funktionale Spezifikation vor allem? (Das prüfbare Verhalten der Steuerung) (!Nur den Hersteller der Steuerung) (!Ausschließlich den Preis) (!Nur die Farbe der Bedienelemente)

Welches Signal meldet das Werkstück an der Ausschleusposition? (B_Teil) (!A_Aus) (!A_Band) (!M_Stoer)

Was ist A_Band im virtuellen Modell? (Ein Ausgang) (!Ein Positionssensor) (!Eine Gefährdungsbeurteilung) (!Ein Prüfergebnis)

Welche Startbedingung ist erforderlich? (Schieber in Grundstellung) (!Schieber gleichzeitig vorn und hinten) (!Gespeicherte Störung aktiv) (!Band schon in Bewegung)

Was muss vor dem Ausschieben geschehen? (Das Band muss stoppen) (!Der Stückzähler muss steigen) (!Die Störung muss quittiert werden) (!Der nächste Zyklus muss starten)

Was gilt für A_Aus und A_Ein? (Sie dürfen nie gleichzeitig aktiv sein) (!Sie müssen immer gleichzeitig aktiv sein) (!Sie sind beide Sensoreingänge) (!Sie ersetzen den Not-Halt)

Was passiert ohne B_Vorn nach Ablauf der Testzeit? (Die virtuelle Steuerung meldet eine Störung) (!Die Steuerung zählt das Teil als fertig) (!Das Band startet automatisch neu) (!Die Zeitüberwachung wird ignoriert)

Was bewirkt die Quittierung nach behobener Ursache? (Bereit ohne automatischen Wiederanlauf) (!Sofortiger automatischer Zyklusstart) (!Abschalten aller Fehlerprüfungen) (!Umgehen der Schutzeinrichtungen)

Was gehört zu einem nachvollziehbaren Prüfprotokoll? (Sollwert Istwert und Beleg) (!Nur die Aussage funktioniert) (!Nur das Gerätetypenschild) (!Nur eine Teileliste)

Was beweist ein erfolgreicher Offline-Simulationstest? (Das getestete Modell verhielt sich im Test wie erwartet) (!Die reale Maschine ist sicher abgenommen) (!Jede Schutzeinrichtung ist validiert) (!Die reale Inbetriebnahme ist freigegeben)

Memory

Sensor	Meldet einen Zustand
Aktor	Führt eine Wirkung aus
Zustandsmodell	Beschreibt Ablaufphasen
Zeitüberwachung	Erkennt ausbleibende Rückmeldung
Quittierung	Bestätigt die behobene Störung
Prüfprotokoll	Hält Soll und Ist fest
Freigabegrenze	Trennt Simulation und Realbetrieb

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Bedeutung
B_Teil	Werkstück erkannt
B_Heim	Schieber in Grundstellung
B_Vorn	Schieber ausgefahren
A_Band	Virtuelle Förderung
A_Aus	Virtueller Vorhub
A_Ein	Virtueller Rückhub

Kreuzworträtsel

Sensor	Welches Element erkennt im Modell einen Zustand?
Aktor	Welches Element führt eine Wirkung aus?
Simulation	Wie heißt das Prüfen eines Modells ohne reale Anlage?
Schrittkette	Wie nennt man eine Folge von Ablaufschritten und Übergängen?
Quittierung	Wie heißt die Bestätigung nach Beseitigung einer Störung?
Prüfprotokoll	Welches Dokument hält Testerwartung und Ergebnis fest?

LearningApps

Lückentext

Die funktionale Spezifikation beschreibt das prüfbare

einer Steuerung.

Ein Sensor liefert im Modell ein

.

Zum Start muss der Schieber in der

sein.

Vor dem Ausschieben wird der Bandantrieb

.

Jede Bewegung mit erwarteter Rückmeldung benötigt eine

.

Zwei gleichzeitig aktive gegensätzliche Endlagensignale bedeuten einen

.

Beim Ausbleiben einer Rückmeldung folgt im Modell eine

.

Nach einer Quittierung erfordert der nächste Zyklus einen neuen

.

Im Prüfprotokoll wird der Sollwert mit dem

verglichen.

Eine Simulation ersetzt keine reale

.

Die Projektübergabe enthält eine begründete

.

Offene Aufgaben

Leicht – Basis

Auftragsbild: Zeichne eine einfache D1-Skizze mit Förderband, Schieber und Materialweg.
Signaljagd: Erkläre in D2 vier Eingänge in eigenen Worten und gib jeweils den Wert bei 1 an.
Ausgangscheck: Beschrifte drei virtuelle Bewegungs-Ausgänge und die Störanzeige.
Bilderfolge: Gestalte fünf kleine Bilder eines fehlerfreien Zyklus und schreibe die Startbedingung dazu.

Feedback Basis: Zu jeder Skizze muss eine eindeutige Signal- oder Zustandsaussage passen. Vermeide unbenannte Pfeile.

Standard – Anwendung

Ablaufplan: Zeichne D3 als Zustandsdiagramm mit mindestens fünf Übergangsbedingungen.
Normalfall: Simuliere T01 offline und sichere Zeitverlauf sowie Screenshot in D5.
Fehlerinjektion: Lasse für T02 und T03 Sensorbestätigungen ausfallen; dokumentiere, wann der Fehler gemeldet wird.
Testmatrix: Ordne in D6 jeder Anforderung F01–F12 eine Prüfung oder eine offen gekennzeichnete Testlücke zu.

Feedback Anwendung: Deine Lösung überzeugt, wenn sich jedes Sollverhalten aus einem konkreten virtuellen Test belegen lässt; offene Tests bleiben sichtbar.

Schwer – Transfer

Zusatzsensor: Plane einen zweiten virtuellen Werkstücksensor und beschreibe Änderungen an D2, D3 und D6.
Sicherheitsgrenze: Erläutere in einem Schaubild, warum F_Sim und S_Stop keine geprüften Sicherheitsfunktionen sind.
Fehlerkombination: Simuliere widersprüchliche Sensorwerte plus Quittierimpuls und begründe das erwartete Verhalten.
Fachübergabe: Präsentiere D7 als begründete Entscheidung mit Prüfdaten, Risiken, offenen Punkten und Peer-Feedback.

Feedback Transfer: Eine neue Funktion ist nur ausreichend spezifiziert, wenn sich ihre Folgen im Signalplan, Ablauf, Testplan und in der Risikofrage wiederfinden.

Lernkontrolle

Ursache und Wirkung: Das Band stoppt, aber B_Teil bleibt 1. Entwickle zwei mögliche Erklärungen und passende isolierte Tests.
Prioritäten: S_Stop und B_Vorn treten gleichzeitig auf. Begründe eine eindeutige virtuelle Reaktion und deren Prüfung.
Äquivalenz: Vergleiche T03 und einen klemmenden Sensor B_Vorn. Welche zusätzliche Prüfung brauchst Du?
Grenzen: Erkläre anhand eines Druckluftzylinders, warum „Ausgänge aus“ keine nachgewiesene sichere Stellung bedeutet.
Rückverfolgbarkeit: Ein Test bestanden, Anforderung aber unklar. Entscheide, ob die Funktion akzeptiert werden kann.
Transfer: Der Kunde möchte automatische Wiederholung im Simulator. Beschreibe die Auswirkungen auf Startbedingungen, Zustände, Fehlerfälle und Freigabegrenzen.

Lernnachweis

Einzureichen: D1 Skizze; D2 Signalliste; D3 Zustandsmodell; D4 Fehlertabelle; D5 Offline-Simulationsbelege mit selbst erhobenen Istwerten; D6 Anforderungs-Test-Matrix; D7 begründete Übergabe samt offener Punkte.

Kriterium	Gewichtung	Nachweis
Eindeutige Signale und Ausgangslage	20 %	D1–D2
Prüffähige Zustände und Fehlerreaktionen	25 %	D3–D4
Nachvollziehbare virtuelle Tests	25 %	D5–D6
Begründete Abgabe und Änderungsfolgen	15 %	D7
Dokumentierte Sicherheits- und Freigabegrenzen	15 %	D1, D4 und D7

Mindeststandard: Keine unbelegte Realfreigabe; keine Hardwareansteuerung; die Fehler- und Wiederanlaufsperre muss in der Simulation nachgewiesen sein. Bei unvollständigen Nachweisen lautet das Ergebnis „überarbeiten“.

OERs zum Thema

Geprüfte Fachquellen

IEC 61131-3:2025: SPS-Programmiersprachen und Sequential Function Chart; hier wird nur die öffentlich zugängliche Normbeschreibung genutzt.
ISO 12100:2010: Grundsätze der Risikobeurteilung und Risikominderung.
ISO 13849-1:2023: sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen; keine eigene PL-Berechnung im Kurs.
IEC 62061:2021: funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener Steuerungen; Änderungen der Norm gesondert prüfen.
BAuA: offizielle Einordnung wesentlicher Maschinenveränderungen.
EU-Maschinenverordnung 2023/1230: nach konsolidierter Fassung vom 27.07.2026 grundsätzlich ab 20.01.2027 anwendbar; vor einer realen Maßnahme den aktuellen Rechtsstand prüfen.
Festo Didactic: Funktionsbeschreibung des Lernwerkzeugs FluidSIM.

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