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Projekt Vernetzte Lernfabrik – Eine Lernfabrik-Steuerung modellieren

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Projekt Vernetzte Lernfabrik – Eine Lernfabrik-Steuerung modellieren

Zielgruppe: Ausbildung in Mechatronik, Automatisierungstechnik und verwandten Berufen. Lernroute: sieben kurze Einheiten, jeweils etwa 10–20 Minuten. Ergebnis: ein selbst begründetes Projektdossier.

Einleitung

Dein Ausbildungsfall: In einer fiktiven, vernetzten Lernfabrik fährt ein Werkstückträger über ein virtuelles Förderband bis zur Übergabestelle. Eine simulierte Roboterzelle meldet „bereit“ und bestätigt die Übernahme über digitale Handshakesignale. Du modellierst Schritte, Verriegelungen und Fehlerzustände – keine Roboterbewegung.

Bildimpuls: Wo würdest Du Einlauf- und Auslaufsensor anordnen? Reales Förderband nur als Anschauungsbild.

Videoimpuls: Die vom Simulatoranbieter dokumentierte Szene „From A to B“ zeigt den Grundfall Band und Sensor.

Sicherheitsgrenze: Sämtliche Signale, Tests und eine mögliche Roboterübergabe bleiben offline im Simulator oder werden in einem ausdrücklich abgesicherten Schulungsbetrieb unter den dort vorgeschriebenen Verfahren behandelt. Dieser Kurs enthält keine Live-Fahrbefehle. Eine erfolgreiche Simulation ist niemals eine Sicherheitsfreigabe für Maschinen oder Roboter. Sicherheitsfunktionen, Schutzmaßnahmen und reale Inbetriebnahme liegen außerhalb der hier modellierten Standard-Ablaufsteuerung.

Dein fortlaufendes Projektdossier

Du ergänzt nach jeder Einheit denselben Ordner. Kennzeichne jede Datei mit Version, Datum und Deiner Begründung.

Einheit	Kurzer Lernauftrag	Dossierbeleg
Start	Ziel und Grenzen erklären	D0 Auftragsblatt
1	Förderstrecke skizzieren	D1 Stationsskizze
2	Virtuelle Ein- und Ausgänge ordnen	D2 Signalliste
3	Schrittfolge modellieren	D3 Ablaufplan
4	Sperrbedingungen prüfen	D4 Verriegelungsmatrix
5	Fehler und Quittierung modellieren	D5 Fehlermatrix
6	Simulation mit Soll-Ist-Prüfung	D6 Testprotokoll und Screenshots
7	Lösung bewerten und begründen	D7 Eigene Abgabe

Gestufte Hilfe: Nutze zuerst Hilfe A als Denkfrage, dann Hilfe B als Strukturhilfe, zuletzt Hilfe C als Prüfkriterium. Übernimm Lösungen nicht unreflektiert.

Lerneinheiten

Einheit 1: Station sehen und skizzieren

Bildimpuls: Ein realer Roboter dient nur als Anschauung. Im Projekt wird seine Übergabe ausschließlich durch virtuelle Meldungen repräsentiert.

Prozessbild für D1: Einlauf → Lichtschranke → Förderband → Auslaufsensor → virtuelle Übergabestelle.

Dein Mini-Auftrag: Zeichne die Station aus der Vogelperspektive. Markiere Materialfluss, beide Sensoren und die Schnittstelle zur virtuellen Roboterzelle.

Hilfe A: Wo beginnt und endet der Transport? Hilfe B: Nutze fünf beschriftete Kästchen und Pfeile. Hilfe C: Ein anderer Azubi muss den Weg ohne mündliche Erklärung verstehen.

Einheit 2: Ein- und Ausgänge unterscheiden

Eine SPS verarbeitet Signale und bestimmt Ausgänge; hier verwendest Du nur eine virtuelle Steuerung.

Lichtschranken können Objekte erfassen. Die konkrete Signalpolarität legst Du im Modell ausdrücklich fest.

Virtueller Eingang	Bedeutung bei Signalwert 1
I_Start	Starttaster betätigt
I_Einlauf	Werkstück am Einlauf erkannt
I_Auslauf	Werkstück am Auslauf erkannt
I_PufferFrei	Übergabeplatz ist frei
I_ZelleBereit	virtuelle Zelle meldet Bereitschaft
I_UebernahmeOK	virtuelle Übernahme bestätigt
I_Quittieren	Fehlerquittierung angefordert

Virtueller Ausgang	Bedeutung bei Signalwert 1
Q_Band	Bandbewegung im Simulator angefordert
Q_Anfrage	virtuelle Übergabe angefragt; kein Bewegungsbefehl
Q_Fehler	Störung angezeigt

D2: Ergänze zu jedem Signal Quelle, Empfänger und einen Beispielwert. Achtung: Die Namen sind didaktische Modellvariablen, keine Anschlussadressen einer Maschine.

Einheit 3: Schrittfolge zeichnen

Dieses französisch beschriftete GRAFCET-Beispiel veranschaulicht Schritte und Transitionen; es ist nicht die Lösung des Ausbildungsfalls.

Lernvideo: Einstieg in die Schrittkette für Elektroniker.

Merke: Ein Schritt beschreibt eine Phase. Eine Transition beschreibt die Bedingung für den Wechsel. GRAFCET ist eine Spezifikationssprache nach IEC 60848; SFC ist ein Strukturierungsmittel der SPS-Programmierung nach IEC 61131-3. Beide sind verwandt, aber nicht gleichzusetzen.

Modellzustand	Aktion	Übergang
Warten	alle Prozessausgänge aus	neue Startflanke, Einlauf belegt, Auslauf frei, Puffer frei, Zelle bereit
Transport	Q_Band ein	I_Auslauf wird 1
Übergabe	Q_Band aus, Q_Anfrage ein	I_UebernahmeOK wird 1 und I_Auslauf wird 0
Abschluss	Q_Anfrage aus, Zyklus dokumentiert	I_Start ist 0 und I_UebernahmeOK ist 0
Fehler	Q_Band und Q_Anfrage aus, Q_Fehler ein	quittiert, Ursache behoben, Start losgelassen

D3: Zeichne diese Zustände mit Pfeilen; ergänze eigene Transitionsbezeichnungen. Hilfe A: Was muss vor dem Bandstart geprüft sein? Hilfe B: Beginne mit „Warten → Transport“. Hilfe C: Im Zustand „Fehler“ darf kein automatischer Neustart erfolgen.

Einheit 4: Verriegelungen begründen

Vergleichsimpuls: Ein induktiver Näherungssensor reagiert auf geeignete metallische Objekte; für unterschiedliche Werkstückträger kann eine Lichtschranke passender sein. Begründe Deine Sensorauswahl.

Betriebliche Verriegelung bedeutet: Der normale Ablauf bleibt gesperrt, wenn eine notwendige Bedingung fehlt. Sie ist keine eigenständige, sicherheitsbewertete Schutzfunktion.

Startbedingung: Das Band darf im Modell nur aus „Warten“ starten, wenn Einlauf belegt, Auslauf frei, Puffer frei und virtuelle Zelle bereit sind.
Übergabeverriegelung: Eine Anfrage darf nur im Zustand „Übergabe“ aktiv sein; sie ist kein Roboterfahrbefehl.
Fehlerverriegelung: Im Zustand „Fehler“ bleiben beide Prozessanforderungen aus; Quittieren beseitigt die Ursache nicht.

D4: Lege für jede Regel einen unerlaubten Gegenfall fest. Feedback: Eine gute Verriegelung verhindert einen konkret benannten Fehlablauf; bloß „mehr Sicherheit“ zu schreiben ist keine ausreichende Begründung.

Einheit 5: Fehlerzustände und sichere Grenzen

Bildimpuls: Ein realer Not-Halt gehört zur getrennt zu betrachtenden Maschinensicherheit und wird hier nicht durch ein gewöhnliches Simulationsbit ersetzt.

Modellfehler	Auslöser in der Simulation	Erwartete Reaktion
Transport-Timeout	Auslauf wird innerhalb der im Modell festgelegten Zeit nicht erkannt	Fehlerzustand; Bandanforderung aus
Übergabe-Timeout	virtuelle Übernahmebestätigung bleibt aus	Fehlerzustand; Anfrage aus
Bereitschaft verloren	I_ZelleBereit fällt während des laufenden Ablaufs ab	Fehlerzustand; beide Anforderungen aus
Unerwarteter Auslauf	Auslauf ist bereits vor dem Start belegt	kein Start; Diagnose dokumentieren

D5: Zeichne einen Fehlerpfad samt quittiertem Rückweg. Regel: Nach Beseitigung der Fehlerursache, Quittierung und Loslassen des Starttasters geht das Modell nach „Warten“ zurück. Erst ein neuer Startimpuls beginnt einen weiteren Zyklus.

Fachgrenze: Not-Halt, Schutzeinrichtungen, Sicherheitssteuerungen und Risikoanalyse sind getrennt zu planen, zu prüfen und zu validieren. Die hier erprobten Verriegelungen ersetzen sie nicht.

Einheit 6: Simulation, Gegenprobe und Prüfdaten

Lehrvideo zur SPS-Simulation mit älterer TIA-Portal-Version V13 – als Prinzipbeispiel, nicht als aktuelle Installationsanleitung.

Lernvideo zur Wiederholung der Schrittkettenlogik.

Arbeitsumgebung: Nutze eine isolierte virtuelle SPS, ein Zustandsdiagramm-Tool oder – falls in der Schule lizenziert – eine rein virtuelle Szene aus FACTORY I/O. Bei Factory I/O eignet sich „From A to B“ als Einstieg; das hier erweiterte Übergabehandshake wird als eigene Modellergänzung erstellt. Keine Verbindung mit physischen Ein- oder Ausgängen und keiner Roboterhardware herstellen.

D6: Setze als bloßen Modellwert beispielsweise 5 Sekunden für den Transport-Timeout und 3 Sekunden für den Übergabe-Timeout an. Diese Übungszeiten sind keine realen Auslegungs- oder Sicherheitswerte.

Testfall	Reiz / Eingabe im Simulator	Sollreaktion	Istwert / Zeit / Screenshot
P1 Normalzyklus	alle Bedingungen erfüllt; Übernahme bestätigt	Warten → Transport → Übergabe → Abschluss	…
P2 Sperrfall	I_ZelleBereit = 0 vor Start	Q_Band bleibt 0	…
P3 Sensorfehler	I_Auslauf bleibt 0 trotz simuliertem Transport	Timeout; Zustand Fehler	…
P4 Quittierprüfung	I_Quittieren = 1, Ursache besteht fort	Zustand Fehler bleibt	…
P5 Wiederanlauf	Ursache behoben, quittiert, Start losgelassen	Warten; kein Selbststart	…
P6 Übergabeausfall	I_UebernahmeOK bleibt 0	Timeout; Q_Anfrage wird 0	…

Belege: Ergänze Zeitpunkt, Version, Soll, Ist, Bestanden/Nicht bestanden und ein Bild oder eine Zustandsaufzeichnung pro Test. Begründetes Feedback: P2 ist nur bestanden, wenn das Band aus bleibt, weil die Zelle nicht bereit ist. P4 ist nur bestanden, wenn die Quittierung einen weiterhin bestehenden Fehler nicht aufhebt. Hilfe A: Welches Signal löst den Test aus? Hilfe B: Ändere immer nur eine Bedingung. Hilfe C: Ein „bestanden“ ohne messbare Beobachtung ist nicht nachgewiesen.

Einheit 7: Eigene Lösung verteidigen

D7 – Deine Abgabe: Gib die Version des Ablaufplans, die virtuelle Simulation oder Zustandsfolge, D1–D6 sowie eine kurze Begründung ab: Welche Sperre verhindert welchen Fehler? Welche Annahme ist ungesichert? Was würdest Du nach einem fehlgeschlagenen Test ändern?

Feedback in drei Stufen: Basis: Begriffe und Signale stimmen, weil Eingaben von Anforderungen getrennt sind. Anwendung: Die Verriegelung ist belegt, wenn ein absichtlich ungültiger Start den Bandzustand tatsächlich nicht verändert. Transfer: Deine Änderung ist überzeugend, wenn Du einen Gegenfall testest, die Ursache erklärst und die Grenze zwischen Logiktest und Sicherheitsnachweis benennst.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt ein Schritt einer Ablaufsteuerung? (Eine definierte Phase des Ablaufs) (!Einen Hersteller der Steuerung) (!Eine Netzwerkkabelart) (!Eine elektrische Sicherheitsprüfung)

Wann darf eine Transition wirksam werden? (Wenn ihre Übergangsbedingung erfüllt ist) (!Immer nach dem Einschalten) (!Nur bei einem Netzwerkausfall) (!Sobald das Gehäuse geöffnet wird)

Welche Meldung gehört zur Startverriegelung des Ausbildungsfalls? (Die virtuelle Roboterzelle ist bereit) (!Das Video wurde vollständig angesehen) (!Die Datei hat einen neuen Namen) (!Der Bildschirm ist beleuchtet)

Was bedeutet Verriegelung in diesem Modell? (Eine logische Sperre unerlaubter Abläufe) (!Eine mechanische Sicherheitsabnahme) (!Eine Freigabe für echte Roboterbewegungen) (!Eine automatische Fehlerlöschung)

Was folgt auf einen überschrittenen Transport-Timeout? (Fehlerzustand und Bandanforderung aus) (!Unbegrenzte Fortsetzung des Transports) (!Sofortiger Neustart ohne Prüfung) (!Direkte Ansteuerung der Roboterachse)

Was gilt für die Fehlerquittierung? (Sie erfolgt erst nach Beseitigung der Ursache) (!Sie beweist einen sicheren Maschinenbetrieb) (!Sie schaltet sofort alle Antriebe ein) (!Sie ersetzt sämtliche Prüfdaten)

Wozu dient ein Soll-Ist-Test? (Zum Vergleich erwarteter und beobachteter Zustände) (!Zur Vergabe einer Sicherheitsfreigabe) (!Zum Ersetzen aller Sensoren) (!Zur Bestimmung der Netzspannung)

Welche Aussage über eine erfolgreiche Simulation stimmt? (Sie ist keine Sicherheitsfreigabe für reale Anlagen) (!Sie erlaubt den sofortigen Robotereinsatz) (!Sie ersetzt die Gefährdungsbeurteilung) (!Sie bescheinigt sämtliche Schutzfunktionen)

Was steht für die Roboterübergabe im Ausbildungsmodell? (Ein virtuelles Anfrage- und Quittiersignal) (!Ein echter Achsfahrbefehl) (!Eine direkte Motorversorgung) (!Ein mechanischer Endanschlag)

Was macht Deine Projektabgabe überprüfbar? (Ein begründeter Entwurf mit Testbelegen) (!Eine unbelegte Behauptung) (!Ein Foto ohne Bezug zum Modell) (!Ein unkommentierter Videolink)

Memory

GRAFCET	Grafische Spezifikationssprache für Abläufe
Transition	Bedingung für einen Schrittwechsel
Verriegelung	Sperre eines unzulässigen Ablaufs
Timeout	Überschreitung einer erwarteten Wartezeit
Quittierung	Bewusste Bestätigung nach Fehlerbehebung
Testprotokoll	Nachweis von Soll und Ist

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Passende Funktion
Warten	Startbereitschaft
Transport	Bandanforderung
Übergabe	Handshakesignal
Abschluss	Zyklusende
Fehler	Sperrzustand

Kreuzworträtsel

GRAFCET	Wie heißt die grafische Spezifikationssprache für Ablaufsteuerungen?
Sensor	Was erfasst einen Zustand der Umgebung?
Transition	Wie heißt die Bedingung für einen Schrittwechsel?
Verriegelung	Wie heißt die logische Sperre gegen unzulässige Abläufe?
Timeout	Wie heißt das Überschreiten einer erwarteten Wartezeit?
Simulation	Wie heißt die virtuelle Erprobung eines Modells?

LearningApps

Dies ist eine Themensuche, keine Behauptung über eine bestimmte bereits vorhandene Übung.

Lückentext

Die virtuelle Förderstrecke wird durch ein Ablaufmodell mit mehreren

beschrieben.

Der Wechsel zwischen zwei Schritten hängt von einer

ab.

Eine Lichtschranke kann die Anwesenheit eines

melden.

Eine betriebliche

verhindert den Start bei fehlender Freigabebedingung.

Die Roboterzelle meldet ihre Bereitschaft über ein virtuelles

.

Wird die erwartete Sensorantwort zu spät erkannt, greift ein

.

Im Fehlerzustand wird die virtuelle Bandanforderung

.

Nach der Fehlerbehebung fordert das Modell eine bewusste

.

Im Testprotokoll vergleichst Du Soll- und

.

Eine Simulation ersetzt niemals eine reale

.

Offene Aufgaben

Leicht

Basisaufgaben:

Prozessskizze: Zeichne D1 mit Materialfluss und zwei Sensorpositionen.
Signalzuordnung: Erkläre an D2 drei Eingänge und zwei Ausgänge mit je einem Beispielwert.
Schrittfolge: Lege vier Karten mit Warten, Transport, Übergabe und Abschluss in die richtige Reihenfolge.
Medienanalyse: Vergleiche Förderbandfoto und Simulationsvideo; markiere, was Modell und was Realität ist.

Standard

Anwendungsaufgaben:

GRAFCET: Erstelle D3 als Ablaufskizze mit beschrifteten Transitionen.
Verriegelung: Entwickle in D4 zwei Gegenfälle und erkläre, warum das Band nicht starten darf.
Simulation: Setze den Normalzyklus rein virtuell um und sichere zwei Screenshots.
Prüfprotokoll: Führe P1 bis P6 durch und dokumentiere Abweichungen zwischen Soll und Ist.

Schwer

Transferaufgaben:

Fehlerdiagnose: Füge einen neuen virtuellen Sensorfehler hinzu und begründe den gewählten Fehlerübergang.
Schnittstellendesign: Entwirf für eine zweite virtuelle Station eine eindeutige Anfrage-Quittung-Kommunikation ohne Bewegungsbefehle.
Modellkritik: Prüfe, welche Annahmen Deines Simulators für reale Maschinen ungeeignet sind, und belege mindestens zwei Grenzen.
Projektpräsentation: Präsentiere D0 bis D7 als begründete eigene Abgabe und verteidige eine überarbeitete Verriegelung anhand von Prüfdaten.

Begründetes Feedback: Bei Basis ist die Lösung stark, wenn Symbole und Signale nachvollziehbar sind. Bei Anwendung zählt der reproduzierbare Gegenbeweis gegen einen unerlaubten Start. Bei Transfer ist entscheidend, ob die Änderung einen nachgewiesenen Fehler behebt, ohne neue ungeprüfte Annahmen als Sicherheit auszugeben.

Lernkontrolle

Ablaufanalyse: Begründe, warum „Start gedrückt“ für die Transportfreigabe allein nicht genügt.
Fehlerketten: Erkläre, wie eine ausbleibende Auslaufmeldung den Zustand und die Ausgänge beeinflusst.
Schnittstellen: Vergleiche die Übergabe mit und ohne virtuelle Quittierung; welche Fehlannahme kann entstehen?
Teststrategie: Entwirf einen neuen Test, der einen unbemerkten Selbststart aufdecken kann.
Modellgrenzen: Erläutere, warum sechs erfolgreiche Simulationstests keine Aussage über die Wirksamkeit eines realen Not-Halts liefern.
Entwurfsentscheidung: Verteidige eine Änderung Deiner Schrittkette mit einem Vorher-Nachher-Test und einer alternativen Erklärung.

Lernnachweis

Für den Lernnachweis reichst Du ein vollständiges und versioniertes Projektdossier D0–D7 ein:

D0–D2: Auftrag, Skizze, eindeutige virtuelle Signaldefinitionen.
D3–D5: Ablaufplan, Verriegelungsregeln, Fehler- und Quittierlogik.
D6: reproduzierbare Soll-Ist-Tabelle mit Testeingaben, Mess- oder Beobachtungsdaten und Bildbelegen.
D7: eigenständige Begründung, überarbeitete Stelle, verbleibende Unsicherheiten.
Sicherheitsreflexion: ausdrückliche Trennung von Simulation, funktionaler Verriegelung und realem Sicherheitsnachweis.

Bewertungsvorschlag: Modellklarheit 25 %, begründete Verriegelungen 25 %, Testqualität 30 %, Reflexion und Medien-/Quellennachweise 20 %. Die Bewertung bescheinigt Lernleistung, keine Freigabe einer realen Anlage.

OERs zum Thema

Weiterlesen: Lernfabrik, Speicherprogrammierbare Steuerung und GRAFCET. Die Wikipedia-Texte sind Lernressourcen; Einzelnachweise und Aktualität bleiben zu prüfen.

Fachquellen und Medienrechte

Fachlich geprüft (11. Oktober 2026): IEC 60848:2013 – GRAFCET, IEC 61131-3:2025 – SPS-Programmiersprachen und SFC, Siemens SCE – Lehrmaterial, FACTORY I/O – dokumentierte Szenen, DGUV Information 209-074 – Industrieroboter und ISO 10218-1:2025 – Industrieroboter. Normtexte und Herstellermaterial können urheberrechtlich geschützt sein; hier werden nur nachprüfbare Verweise genutzt.

Bildquellen (Wikimedia Commons, jeweils mit Urheber- und Lizenzangaben auf der Dateiseite): Förderband, Industrieroboter, SPS, Lichtschranke, GRAFCET-Beispiel, induktiver Sensor und Not-Halt-Betätiger. Prüfe vor eigener Weiterverbreitung die jeweilige Lizenz einschließlich Namensnennung und Bearbeitungshinweisen.

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