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Projekt Vernetzte Lernfabrik – Die Lernfabrik virtuell in Betrieb nehmen

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Projekt Vernetzte Lernfabrik – Die Lernfabrik virtuell in Betrieb nehmen

Einleitung

Zielgruppe: Ausbildung in Mechatronik, Automatisierungstechnik und Industriemechanik. Format: sechs Lernstationen à 10–15 Minuten plus Projektarbeit.

Dein Auftrag: Du nimmst eine vernetzte Förder- und Übergabezelle ausschließlich im Simulator virtuell in Betrieb. Du untersuchst Normal-, Grenz- und Fehlerfälle und verteidigst Deine Entscheidung mit Prüfdaten.

Sicherheitsgrenze: Keine Verbindung zu einer realen Anlage, keine Live-Fahrbefehle, keine Sicherheitsfreigabe durch Simulation. Robotik bearbeitest Du hier nur im Simulator; an realen Robotern wäre ausschließlich ein ausdrücklich abgesicherter Schulungsbetrieb unter fachkundiger Aufsicht zulässig. Modellierte Störungen sind keine Prüfung realer Schutzfunktionen. Gefährdungsbeurteilung und technische Sicherheitsvalidierung bleiben gesonderte Aufgaben befugter Fachleute.

Medienimpuls: Wo könnten Sensor, Steuerung und Übergabestelle liegen? Das Foto ist ein Anschauungsbeispiel, nicht unsere Modellanlage.

Siemens Knowledge Hub: Virtual Commissioning for machines. Beobachte, was am Modell statt an der echten Maschine geprüft wird.

Ausbildungsfall: Die Zelle LF-01

Eine frei erfundene Ausbildungszelle transportiert kleine Werkstücke von Station A zu Station B. Ein Sensorsignal meldet das Werkstück, eine virtuelle Steuerung beurteilt den Zustand, und ein simulierter Übergabeschritt folgt nur bei freiem Ziel. Ein Roboterarm ist nur Visualisierung im Simulator; es gibt keine reale Kopplung.

Baustein	Aufgabe im Modell	Dossiernachweis
Förderstrecke	Werkstück virtuell zur Prüfposition bringen	D1: Anlagenskizze
Sensor S1	Anwesenheit als simulierten Wert melden	D2: Signalliste
Zielstatus Z1	Belegung der Übergabestelle abbilden	D3: Zustandsmodell
Virtuelle Steuerung	Logische Übergabebedingung auswerten	D4: Testmatrix
Ereignisprotokoll	Zustandswechsel und Zeiten festhalten	D5: Prüfdaten
Fachliche Bewertung	Abweichungen und Modellgrenzen begründen	D6: Abgabe

Didaktische Beispielvorgabe: Eine Übergabe gilt im Modell als rechtzeitig, wenn die Zyklusdauer höchstens 8,0 Sekunden beträgt. Dieser Wert ist erfunden und keine technische Hersteller- oder Sicherheitsgrenze.

Dein fortlaufendes Projektdossier

Speichere D1 bis D6 in einem Dokument oder Ordner mit Versionsstand, Datum, Fall-ID, Skizzen/Screenshots, Simulationsannahmen, Rohdaten und Schlussfolgerung. Beschrifte alle Messwerte als synthetische Übungsdaten oder eigene Simulationsdaten. Verändere Rohdaten nie nachträglich; dokumentiere Korrekturen als neue Version.

Lernstationen: Vom Modell zum Prüfbericht

Lernstation 1 – Auftrag und Materialfluss (10 Minuten)

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes:

Input: Materialfluss beschreibt, wie Werkstücke durch Stationen laufen. Unsere Aufgabe endet mit einem virtuellen Übergabestatus, nicht mit einer Roboterbewegung.

Basis: Zeichne A → S1 → Übergabe → B. Feedback: Die Reihenfolge ist nachvollziehbar, wenn Quelle, Prüfung und Ziel unterscheidbar sind; sonst ist der Testablauf mehrdeutig.

Anwendung: Markiere den Punkt, an dem Z1 abgefragt wird. Feedback: Z1 muss vor der modellierten Übergabe geprüft werden, weil eine belegte Zielstelle den Ablauf sperren soll.

Transfer: Welche Zusatzdaten braucht ein anderes Werkstückformat? Feedback: Maße und Übergabebedingungen sind plausibel; ohne modellierte Eigenschaften bleibt die Aussage unsicher.

Gestufte Hilfen: H1: Folge dem Werkstück. H2: Suche Quelle, Prüfort und Ziel. H3: Zeichne Pfeile und beschrifte S1 und Z1.

Dossier D1: Handskizze oder digitale Anlagenskizze mit zwei Annahmen.

Lernstation 2 – Signale und Vernetzung (15 Minuten)

Input: Eine SPS verarbeitet Signale. OPC UA kann Informationen zwischen unterschiedlichen Systemen strukturiert austauschen. Für den Kurs verwendest Du nur lokale, synthetische Datensätze; es wird weder eine SPS noch ein Produktionsnetz verbunden.

RealTimeAutomation: Einführung in OPC UA. Beachte: Kommunikation ist nicht gleich Sicherheitsfunktion.

Virtuelles Signal	Bedeutung	Beispielwert
S1_Teil	Werkstück am Sensor	wahr
Z1_Frei	Zielstation unbelegt	wahr
M_Uebergabe	Vom Modell angezeigter Übergabezustand	falsch
M_Stoerung	Modell meldet einen Fehler	falsch

Basis: Trenne Eingangswerte von Zustandsmeldungen. Feedback: S1 und Z1 sind Eingänge; M_Uebergabe und M_Stoerung beschreiben Ergebnisse. Das verhindert unklare Signalrichtungen.

Anwendung: Skizziere Sensor-Modell → Steuerungslogik → Ereignisprotokoll. Feedback: Der Datenweg ist prüfbar, wenn Quelle und Empfänger benannt sind.

Transfer: Erkläre, weshalb eine erfolgreiche Datenübertragung keine sichere reale Maschine beweist. Feedback: Richtig ist die Trennung von Kommunikationsfunktion und unabhängiger Sicherheitsbewertung.

Gestufte Hilfen: H1: Wer liefert Daten? H2: Wer wertet aus? H3: Kennzeichne Eingänge, Zustände und Protokoll.

Dossier D2: Signalliste mit Datentyp, Quelle, Bedeutung und Versionsnummer.

Lernstation 3 – Modell und Gültigkeitsgrenzen (15 Minuten)

Input: Nicht jedes 3D-Modell ist ein digitaler Zwilling. Entscheidend sind Zweck und Datenkopplung. Unser isolierter Lernaufbau ist ein Simulationsmodell, kein laufend mit einer echten Anlage synchronisierter Zwilling.

Vergleiche die Datenpfeile: Welche Verbindungen fehlen in LF-01 absichtlich?

Basis: Notiere die drei modellierten Zustände „wartet“, „übergibt“, „meldet Störung“. Feedback: Ein Zustandsmodell ordnet Beobachtungen eindeutig zu.

Anwendung: Ergänze die Bedingung „S1_Teil wahr und Z1_Frei wahr“. Feedback: Nur zusammen ist die simulierte Übergabe logisch vorgesehen; ein einzelnes Signal genügt nicht.

Transfer: Nenne zwei unmodellierte physische Einflüsse. Feedback: Etwa Reibung oder Sensortoleranzen: Der Simulator kann darüber keine belastbaren Aussagen liefern.

Gestufte Hilfen: H1: Was kann das Modell beobachten? H2: Welche Annahmen vereinfachen? H3: Trenne Datenmodell, Bewegungsvisualisierung und reale Schutzmaßnahmen.

Dossier D3: Zustandsdiagramm, Versionsstand und mindestens drei Modellgrenzen.

Lernstation 4 – Normal-, Grenz- und Fehlerfälle (15 Minuten)

Input: Ein Normalfall zeigt erwartetes Verhalten; ein Grenzfall liegt direkt am festgelegten Kriterium; ein Fehlerfall fordert die Reaktion auf ungültige oder widersprüchliche Bedingungen. Das Bild erläutert nur den Robotertyp, keine reale Bedienung.

ABB Robotics: RobotStudio Virtual Commissioning. Beobachte ausschließlich die Simulationsdarstellung; übernimm keine Fahrbefehle in reale Systeme.

Fall	Eingaben im Simulator	Erwarteter Modellzustand
N-01: normal	S1 wahr, Z1 frei, 7,2 s	Übergabe, Zeitkriterium erfüllt
G-01: Grenze	S1 wahr, Z1 frei, 8,0 s	Übergabe, genau auf der Grenze
F-01: Ziel belegt	S1 wahr, Z1 nicht frei	Keine Übergabe; Fehlermeldung
F-02: Sensor fehlt	S1 falsch, Z1 frei	Keine Übergabe; Warten oder Störung

Basis: Ordne die Fälle den drei Fallarten zu. Feedback: G-01 ist Grenzfall, weil der Wert gleich der Vorgabe ist, nicht darüber.

Anwendung: Formuliere für jeden Fall ein prüfbares Soll-Ergebnis. Feedback: Prüffähig ist eine Aussage nur mit Eingabe, beobachtbarem Zustand und Entscheidungskriterium.

Transfer: Ergänze einen Fall mit widersprüchlicher Meldung. Feedback: Ein guter Fehlertest zeigt, welche Unsicherheit das Modell erkennt und wie sie dokumentiert wird.

Gestufte Hilfen: H1: Was soll geschehen? H2: Was ist die Grenze? H3: Füge zu jeder Test-ID „Eingabe – Soll – Ist – Urteil“ hinzu.

Dossier D4: Testmatrix mit mindestens einem Normalfall, einem Grenzfall und zwei Fehlerfällen.

Lernstation 5 – Simulieren, prüfen, korrigieren (15 Minuten)

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes:

Input: Ein Prüfprotokoll vergleicht Soll und Ist. „Test bestanden“ kann im Fehlerfall bedeuten, dass die erwartete Fehlersperre korrekt eintritt. Es bedeutet niemals „real sicher“.

Beispiel-Prüfdaten: vollständig synthetisch, nicht gemessen an einer Maschine.

Test-ID	Soll	Beobachtetes Ist im Beispielmodell	Urteil mit Grund
N-01	Übergabe bis 8,0 s	Übergabe nach 7,2 s	Bestanden: innerhalb der Vorgabe
G-01	Übergabe bis 8,0 s	Übergabe nach 8,0 s	Bestanden: Grenzwert erreicht, keine Reserve
F-01	Keine Übergabe bei belegtem Ziel	Übergabe wird angezeigt	Nicht bestanden: Sperrbedingung fehlt im Modell
F-02	Keine Übergabe ohne S1	Störung ohne Übergabe	Bestanden: Fehlerreaktion entspricht Soll

Basis: Markiere die Abweichung. Feedback: F-01 fällt auf, weil Ist und Soll einander widersprechen.

Anwendung: Beschreibe eine Modellkorrektur: Übergabezustand nur bei freiem Z1. Simuliere danach F-01 erneut. Feedback: Aussagekräftig ist die Wiederholungsprüfung erst, wenn neue Modellversion und neuer Datensatz dokumentiert sind.

Transfer: Formuliere, welche weiteren Prüfungen vor realem Betrieb notwendig wären. Feedback: Eine physische Sicherheitsprüfung lässt sich nicht aus der Modellanzeige ableiten; Zuständigkeit und Normen sind separat zu klären.

Gestufte Hilfen: H1: Vergleiche Soll/Ist. H2: Suche die fehlende Bedingung. H3: Schreibe „Abweichung – vermutete Ursache – Änderung – Retest – verbleibende Unsicherheit“.

Dossier D5: Screenshot des isolierten Simulators, Rohdaten, Fehlerbeschreibung, Modellversion vor/nach der Korrektur und Retest-Ergebnis.

Lernstation 6 – Entscheidung, Medien und Abgabe (10 Minuten)

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes:

Input: Dokumentiere, was das Modell zeigt, was nicht und auf welche Quelle Du Dich stützt. Eine virtuelle Prüfung ist ein Lern- und Entwicklungsnachweis, keine reale Inbetriebnahmefreigabe.

Basis: Prüfe D1 bis D5 auf vollständige Quellen, Dateinamen und Versionen. Feedback: Nachvollziehbarkeit ermöglicht, Ergebnisse unabhängig zu kontrollieren.

Anwendung: Verfasse eine begründete Freigabe nur für den nächsten Simulationsdurchlauf oder eine Rückgabe zur Modellkorrektur. Feedback: Bei offenem F-01 ist eine uneingeschränkte Modellannahme nicht begründbar.

Transfer: Erkläre einer Ausbildungsleitung, weshalb Deine Abgabe trotz bestandener Tests keine reale Sicherheitsbewertung ersetzt. Feedback: Überzeugend ist die Antwort, wenn Modellgrenzen, reale Risiken und zuständige Fachprüfungen getrennt werden.

Gestufte Hilfen: H1: Belege jede Aussage. H2: Nenne verbleibende Unsicherheit. H3: Nutze „Befund – Beleg – Einschränkung – Empfehlung“.

Dossier D6: Eigene Schlussentscheidung auf maximal einer Seite mit mindestens zwei konkreten Belegen und einer offen benannten Modellgrenze.

Hilfekarten zur selbstständigen Bearbeitung

Stufe	Wenn Du feststeckst …
Hilfe 1 – Denkfrage	Welche Aussage muss meine Skizze oder mein Test beweisen?
Hilfe 2 – Struktur	Nutze die Folge Annahme → Eingang → Soll → Ist → Bewertung.
Hilfe 3 – Beispiel	„F-01: Z1 belegt; Soll keine Übergabe; Ist Übergabe; Modellfehler; Änderung und Retest erforderlich.“

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welchen Geltungsbereich hat dieser Kurs? (Nur isolierte Simulation) (!Freigabe einer Produktionsanlage) (!Direkte Fernsteuerung eines Roboters) (!Abnahme der realen Schutzfunktionen)

Was kennzeichnet einen Normalfall? (Das erwartete Verhalten unter üblichen Bedingungen) (!Ein ausgefallener Sensor) (!Ein überschrittener Grenzwert) (!Eine nicht dokumentierte Änderung)

Wann ist im Übungsfall die Zeitgrenze gerade erreicht? (Bei genau 8,0 Sekunden) (!Bei genau 6,0 Sekunden) (!Bei genau 9,0 Sekunden) (!Bei genau 12,0 Sekunden)

Welche Bedingung muss für die Übergabe zusätzlich zu S1 erfüllt sein? (Die Zielstation ist frei) (!Das Prüfprotokoll ist gelöscht) (!Der Sensor wird ignoriert) (!Die Störmeldung bleibt verdeckt)

Was gehört zu einem prüfbaren Testfall? (Eingaben und Sollverhalten) (!Nur ein schönes Simulationsbild) (!Nur ein Dateiname) (!Nur die persönliche Vermutung)

Was bedeutet ein bestandener Fehlerfalltest? (Die erwartete Fehlerreaktion wurde beobachtet) (!Die reale Anlage ist sicher) (!Alle Risiken sind ausgeschlossen) (!Ein Schutzzaun ist unnötig)

Welcher Befund liegt bei F-01 im Beispieldatensatz vor? (Eine unerwartete Übergabe trotz belegtem Ziel) (!Eine korrekte Sperre des Übergabezustands) (!Eine rechtzeitige Normalübergabe) (!Ein nicht vorhandenes Werkstück mit Störung)

Was unterstützt OPC UA in der Automatisierung? (Strukturierten Informationsaustausch) (!Eine automatische Gefährdungsbeurteilung) (!Den Ersatz aller Schutzmaßnahmen) (!Die Freigabe realer Roboterbewegungen)

Warum braucht ein Projektdossier Versionsstände? (Damit Änderungen und Prüfergebnisse zugeordnet werden können) (!Damit die Simulation schneller läuft) (!Damit Quellen entfallen) (!Damit Fehler unbemerkt bleiben)

Welche Aussage zur realen Robotersicherheit ist richtig? (Simulation ersetzt keine separate Sicherheitsvalidierung) (!Ein fehlerfreies 3D Bild ist ein Sicherheitsnachweis) (!Ein einzelner Normaltest reicht zur Freigabe) (!Erfolgreicher Datenaustausch beweist Personenschutz)

Memory

Normalfall	Erwartetes Verhalten
Grenzfall	Prüfung am festgelegten Limit
Fehlerfall	Abweichung oder ungültige Bedingung
Signalliste	Dokumentierte Ein- und Ausgänge
Retest	Wiederholungsprüfung nach Änderung
Modellgrenze	Nicht abgebildete Eigenschaft

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Passender Begriff
Virtueller Sensor	Anwesenheitsmeldung
Steuerungsmodell	Zustandslogik
Ereignisprotokoll	Zeitaufzeichnung
Testmatrix	Prüffallübersicht
Modellversion	Änderungsstand

Kreuzworträtsel

Sensor	Welcher Begriff bezeichnet ein Bauteil zur Erfassung einer Zustandsgröße?
Modell	Wie heißt eine vereinfachte Darstellung eines Systems?
Grenzfall	Wie nennt man eine Prüfung direkt am festgelegten Limit?
Protokoll	Wie heißt die geordnete Aufzeichnung eines Prüflaufs?
Retest	Wie nennt man eine erneute Prüfung nach einer Änderung?
Simulation	Wie heißt die rechnergestützte Nachbildung eines Ablaufs?

LearningApps

Die Suchergebnisse bei LearningApps stammen von Dritten und sind vor Einsatz fachlich und rechtlich zu prüfen.

Lückentext

Die virtuelle Inbetriebnahme erprobt Abläufe zunächst in einer

.

Unsere Förderzelle LF-01 ist ein erfundener

.

Ein Anwesenheitssignal wird durch den virtuellen

dargestellt.

Die modellierte Steuerung verarbeitet Eingänge nach einer definierten

.

OPC UA dient dem strukturierten Austausch von

.

Der normale Test überprüft das erwartete

.

Bei genau erreichter Zeitvorgabe liegt ein

vor.

Eine Abweichung zwischen Soll und Ist gehört in das

.

Nach einer dokumentierten Korrektur erfolgt ein

.

Der Versionsstand macht Änderungen am Modell

.

Eine Simulation ersetzt keine reale

.

Die abschließende Bewertung gehört in das

.

Offene Aufgaben

Leicht

Materialfluss: Zeichne den Weg eines Werkstücks von A nach B und kennzeichne S1 und Z1.
Sensor: Gestalte zwei Signalkarten für „Werkstück vorhanden“ und „Ziel frei“.
Zustandsdiagramm: Zeichne die Modellzustände „wartet“, „übergibt“ und „Störung“.
Quellenkritik: Vergleiche die Beschreibung eines Commons-Bildes mit dem tatsächlich Sichtbaren.

Standard

Virtuelle Inbetriebnahme: Erstelle einen 30-sekündigen Bildschirmrundgang durch Deinen isolierten Simulator.
Softwaretest: Entwickle zwei neue Grenzprüfungen mit eindeutigen Sollbedingungen.
Fehleranalyse: Schreibe zu F-01 einen Änderungsbericht samt erneutem simuliertem Prüflauf.
Medienkompetenz: Erstelle einen Quellen- und Lizenzzettel zu drei genutzten Medien.

Schwer

Validierung: Entwirf eine Prüfreihenfolge, die Annahmen, Normalfälle, Grenzfälle und Fehlerfälle verbindet.
Digitaler Zwilling: Vergleiche Dein isoliertes Modell mit einem datengekoppelten digitalen Zwilling und kennzeichne Unsicherheiten.
Informationssicherheit: Entwickle ein rein konzeptionelles Konzept zur Trennung von Lernsimulation und betrieblichem OT-Netz.
Projektmanagement: Produziere eine begründete Video- oder Präsentationsabgabe zu D1–D6 mit Gegenargument und Modellgrenze.

Lernkontrolle

Fehlerdiagnose: Begründe, warum ein bestandener F-02-Test und ein nicht bestandener F-01-Test gleichzeitig möglich sind.
Entscheidungsfindung: Leite aus den vier Beispieldatensätzen ab, ob das Modell in die nächste Simulationstestphase gehen sollte.
Modellbildung: Zeige, wie eine geänderte Werkstückgeometrie die Aussagekraft von D3 und D4 beeinflusst.
Qualitätssicherung: Entwickle eine unabhängige Gegenprüfung für das 8,0-Sekunden-Kriterium und erläutere die Randbedingungen.
Datensicherheit: Begründe, warum die Lernumgebung nicht mit einem realen OT-Netz gekoppelt werden darf.
Technikfolgenabschätzung: Erkläre, weshalb ein virtuell erfolgreicher Roboterablauf keinen Nachweis für Personenschutz liefert.

Lernnachweis

Abzugeben: Ein eigenständiges, versioniertes Projektdossier D1–D6 mit Anlagenskizze, Signalliste, Zustandsmodell, Testmatrix, eigenen oder klar gekennzeichneten synthetischen Prüfdaten, Retest und begründeter eigener Schlussentscheidung.

Bewertungskriterium	Erwarteter Nachweis
Nachvollziehbarkeit	Fall-IDs, Versionen und unterscheidbare Rohdaten
Fachlogik	Normal-, Grenz- und Fehlerfälle mit Soll-Ist-Begründung
Reflexion	Mindestens zwei Modellgrenzen und ein begründeter Verbesserungsvorschlag
Quellen und Rechte	Fachquellen, Urheber, Lizenz und Medienverwendung benannt
Sicherheitsbewusstsein	Klare Trennung zwischen Modellprüfung und realer Sicherheitsfreigabe

Abschlussgespräch: Verteidige in drei Minuten Deine Entscheidung zu F-01. Beantworte eine Rückfrage zu Unsicherheit und eine zu Medienrechten.

OERs zum Thema

Wikipedia-Vertiefung: Virtuelle Inbetriebnahme, Digitale Fabrik, Digitaler Zwilling und Speicherprogrammierbare Steuerung. Die folgenden Beiträge dienen der Begriffsarbeit; prüfe ihre Einzelnachweise.

Fachquellen (nicht pauschal als offen lizenziert zu verstehen):

OPC Foundation: OPC UA – Overview and Concepts – Informationsmodelle und Kommunikation.
NIST: Digital Twins for Advanced Manufacturing – Modellvertrauen und Validierung.
NIST SP 800-82 Rev. 3 – Schutz von OT-Umgebungen.
ISO 10218-1:2025 und ISO 10218-2:2025 – getrennte Anforderungen an Industrieroboter und Roboteranwendungen; Normtexte sind nicht frei nachnutzbare Kursmedien.

Geprüfte Medien und Nutzungsrechte

Wikimedia Commons: Die eingebundenen Dateien besitzen eigene Lizenzseiten; Namensnennung und gegebenenfalls Weitergabe unter gleichen Bedingungen beachten.

Förderband – Shixart1985 / Nenad Stojković, CC BY 2.0.
Roboter und Werkstücke – Shixart1985 / Nenad Stojković, CC BY 2.0.
SPS – Bisgaard, CC BY-SA 3.0 / GFDL.
Modellvergleich – Martina Signorini, CC BY-SA 4.0.
Datenfluss – Martina Signorini, CC BY-SA 4.0.
SCARA-Roboter – Jo Teichmann / KUKA, gemeinfrei laut Commons.
Bedienfeld – Shixart1985 / Nenad Stojković, CC BY 2.0.
Roboterzelle – Shixart1985 / Nenad Stojković, CC BY 2.0.

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