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Realisieren mechatronischer Teilsysteme - Mechatroniker - LF 7

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Einleitung

Ein mechatronisches Teilsystem verbindet Mechanik, Elektrotechnik, Elektronik, Informationstechnik und häufig Pneumatik oder Hydraulik zu einer klar abgegrenzten Funktion. In diesem aiMOOC lernst du, einen berufstypischen Auftrag systematisch zu analysieren, eine geeignete Lösung zu planen, Komponenten auszuwählen und zu dimensionieren, eine einfache Steuerung zu entwickeln, Signale zu prüfen, Fehler einzugrenzen und das Arbeitsergebnis nachvollziehbar zu dokumentieren.

Der Kurs erschließt die Kompetenzen des KMK-Lernfeldes 7 „Realisieren mechatronischer Teilsysteme“ im zweiten Ausbildungsjahr. Dazu gehören insbesondere Steuerkette und Regelkreis, Sensoren und Wandler, lineare und rotatorische Bewegungen, einfache Programmierverfahren, Schaltungsentwurf, grafische Ablaufdarstellungen, Signalmessung, Prozessdaten sowie die Funktionsprüfung von Antrieben. Maßgeblich bleiben der betriebliche Ausbildungsplan, der Landeslehrplan, die aktuelle Ausbildungsordnung, Herstellerunterlagen und die Vorgaben der zuständigen Stelle, in der Regel der zuständigen Industrie- und Handelskammer. Dieser Kurs ersetzt weder eine betriebliche Unterweisung noch eine amtliche Anerkennung oder Prüfungszulassung.

Sicherheitshinweis: Arbeiten an elektrischen, pneumatischen, hydraulischen oder bewegten Systemen dürfen nur im Rahmen deiner Qualifikation, nach Gefährdungsbeurteilung, mit geeigneten Schutzmaßnahmen und unter befugter Aufsicht ausgeführt werden. Vor Eingriffen müssen gefährliche Energien sicher beherrscht werden. Für das selbstständige Lernen nutzt du ausschließlich spannungsarme Schulungsaufbauten, drucklose Modelle oder Simulationen. Sicherheitsfunktionen wie Not-Halt, Schutztürüberwachung oder zweikanalige Abschaltungen werden nicht durch improvisierte Übungsschaltungen ersetzt.

Schaltschrank mit SPS, Ein- und Ausgangsmodulen sowie Erdungsschiene

Vom Arbeitsauftrag zum mechatronischen Teilsystem

Systemgrenze, Funktion und Schnittstellen

Bevor du Bauteile auswählst, klärst du die Systemgrenze. Sie legt fest, was zu deinem Teilsystem gehört und welche Schnittstellen zu benachbarten Systemen bestehen. Eine Sortiereinheit kann zum Beispiel aus Sensor, Steuerung, Ventil, Zylinder, mechanischem Ausschieber, Druckluftversorgung und Schutzvorrichtung bestehen. Das Förderband kann Teil des übergeordneten Systems sein.

Ein hilfreiches Funktionsmodell unterscheidet vier Flüsse:

Energiefluss: elektrische Energie oder Druckluft versorgt Sensoren, Steuerung und Aktoren.
Signalfluss: Mess- und Steuersignale verbinden Sensor, Steuerung, Ausgangsstufe und Aktor.
Stofffluss: Werkstücke bewegen sich durch die Anlage.
Informationsfluss: Auftrag, Parameter, Messdaten, Prüfwerte und Dokumentation werden verarbeitet.

Die Anforderung „Metallteile automatisch ausschleusen“ ist noch nicht prüfbar. Prüffähig wird sie durch Kriterien wie Werkstückbereich, Taktzeit, zulässige Fehlerrate, sichere Grundstellung, verfügbare Versorgung, Einbauraum und dokumentierte Abnahmebedingungen. Ein gutes Anforderungsprofil trennt Muss-Kriterien von Wunsch-Kriterien.

Steuerkette und Regelkreis

Eine Steuerung arbeitet ohne fortlaufende Rückführung der Ausgangsgröße. Ein Startsignal löst zum Beispiel eine zeitgesteuerte Bewegung aus. Störungen werden nur erkannt, wenn zusätzliche Rückmeldungen vorgesehen sind. Eine Regelung vergleicht dagegen fortlaufend Sollwert und Istwert. Aus der Regelabweichung wird eine Stellgröße gebildet, die den Prozess beeinflusst.

Wichtige Begriffe sind:

Führungsgröße oder Sollwert: gewünschter Zustand.
Regelgröße oder Istwert: gemessener Zustand.
Regler: bildet aus Sollwert und Istwert die Stellgröße.
Stellglied: setzt die Stellgröße physikalisch um.
Regelstrecke: der zu beeinflussende Prozess.
Störgröße: unerwünschter Einfluss auf den Prozess.

Ein pneumatischer Ausschieber mit zwei Endlagensensoren ist meistens eine Ablaufsteuerung mit Rückmeldungen. Eine geregelte Achse erfasst dagegen fortlaufend Position oder Drehzahl und korrigiert Abweichungen. In englischen Unterlagen begegnen dir unter anderem open-loop control', closed-loop control, setpoint, actual value, sensor und actuator.

Auftrag analysieren und Lösung begründen

Eine belastbare Auftragsanalyse beantwortet mindestens folgende Fragen: Welche Funktion wird erwartet? Welche Schnittstellen und Betriebsarten gibt es? Welche Gefährdungen sind erkennbar? Welche technischen Unterlagen und Herstellerangaben gelten? Welche Prüfmittel stehen zur Verfügung? Welche Daten dürfen gespeichert werden? Welche Energie- und Materialverbräuche entstehen? Welche Abnahmekriterien sind vereinbart?

Typische Planungsfehler sind eine unklare Systemgrenze, nicht messbare Anforderungen, fehlende Rückmeldungen, eine ausschließlich nach Nennwerten ausgelegte Komponente, übersehene Restenergien und nicht versionierte Unterlagen. Eine nachvollziehbare Begründung verknüpft jede wesentliche Entscheidung mit einer Anforderung, einer Berechnung, einem Datenblatt oder einer Sicherheitsmaßnahme.

Sensoren, Wandler und Signale

Wirkprinzipien und Auswahl

Ein Sensor erfasst eine physikalische Größe oder einen Zustand. Ein Wandler überführt eine Eingangsgröße in eine andere, häufig in ein elektrisches Signal. Die Auswahl richtet sich nicht nur nach dem Messprinzip, sondern auch nach Messbereich, Auflösung, Wiederholgenauigkeit, Schaltabstand, Hysterese, Ansprechzeit, Schutzart, Umgebung, Anschlussart, Diagnosemöglichkeit und sicherem Ausfallverhalten.

Induktive Sensoren erkennen elektrisch leitfähige, besonders metallische Objekte durch die Beeinflussung eines elektromagnetischen Feldes.
Kapazitive Sensoren reagieren auf Änderungen der elektrischen Kapazität und können je nach Ausführung auch nichtmetallische Stoffe erkennen.
Optische Sensoren nutzen Lichtsender und Empfänger; Verschmutzung, Fremdlicht und Oberflächeneigenschaften sind zu beachten.
Magnetische Sensoren wie Reed- oder Hall-Sensoren erkennen Magnetfelder und werden häufig an Pneumatikzylindern eingesetzt.
Drehgeber liefern Impulse oder absolute Positionswerte für rotatorische Bewegungen.
Druck-, Kraft- und Temperatursensoren wandeln Prozessgrößen in Schalt- oder Analogsignale um.

Pneumatikzylinder mit zwei Hall-Sensoren zur Endlagenabfrage

Das Video zeigt eine berufstypische Endlagenabfrage. Übernimm Anschlussbilder oder Schaltabstände niemals ungeprüft aus einem Video. Verbindlich sind das aktuelle Datenblatt, die Anschlusskennzeichnung des konkreten Geräts und die betriebliche Freigabe.

Binäre und analoge Signale

Ein binäres Signal besitzt zwei logische Zustände, zum Beispiel Werkstück erkannt oder nicht erkannt. Bei einem 24-V-Gleichspannungssystem muss geprüft werden, ob ein PNP- oder NPN-Ausgang, ein Öffner oder Schließer und die passende Eingangsbeschaltung verwendet werden. PNP- und NPN-Sensoren dürfen nicht allein nach Kabelfarben angeschlossen werden; das aktuelle Herstellerdiagramm ist maßgeblich.

Ein Analogsignal bildet einen Wertebereich kontinuierlich ab, beispielsweise 0 bis 10 V oder 4 bis 20 mA. Für die Skalierung eines 4-bis-20-mA-Signals auf einen Messweg von 0 bis 100 mm gilt:

Messweg = (Messstrom − 4 mA) / 16 mA · 100 mm

Bei 12 mA ergibt sich:

Messweg = (12 mA − 4 mA) / 16 mA · 100 mm = 50 mm

Der Vorteil eines 4-bis-20-mA-Signals ist der sogenannte lebende Nullpunkt: Ein Wert deutlich unter 4 mA kann auf Leitungsbruch oder eine Störung hinweisen. Die tatsächlichen Diagnosegrenzen hängen vom Gerät und vom Eingangskanal ab.

Justieren, messen und bewerten

Beim Justieren legst du die räumliche Position und gegebenenfalls Schaltschwellen so fest, dass der Sensor unter ungünstigen, aber zulässigen Bedingungen zuverlässig arbeitet. Du prüfst mehrere reale Werkstücke, Abstände, Geschwindigkeiten und Umgebungszustände. Ein einzelner erfolgreicher Schaltvorgang reicht nicht als Nachweis.

Eine sichere Prüfreihenfolge lautet:

Arbeitsauftrag, Schaltplan, Datenblatt und Gefährdungsbeurteilung prüfen.
Anlage in einen sicheren Prüfzustand versetzen und unerwarteten Anlauf verhindern.
Sichtprüfung von Befestigung, Leitungen, Steckern, Kennzeichnung und mechanischem Freigang durchführen.
Versorgung und Bezugspotentiale mit geeignetem Messmittel prüfen.
Eingangssignal an Sensor und Steuerung vergleichen.
Ausgangssignal, Aktorreaktion und Rückmeldung schrittweise prüfen.
Messwerte, Randbedingungen, Softwarestand und Ergebnis dokumentieren.

Typische Fehler sind falscher Bezugspunkt, vertauschte Ein- und Ausgänge, ungeeigneter Schaltabstand, lose Steckverbindungen, falsch parametrierte Eingangskanäle, Prellen, EMV-Einflüsse oder ein mechanisch blockierter Aktor. Ein Messwert ist nur aussagekräftig, wenn Messstelle, Messbereich, Einheit, Toleranz und Betriebszustand bekannt sind.

Aktoren und Bewegungen dimensionieren

Lineare und rotatorische Bewegungen

Aktoren wandeln Steuersignale und Energie in eine physikalische Wirkung um. Elektromotoren erzeugen überwiegend Rotationsbewegungen. Pneumatik- und Hydraulikzylinder erzeugen lineare Bewegungen; Schwenkantriebe erzeugen begrenzte Drehbewegungen. Magnetventile, Schütze oder Leistungselektronik bilden häufig die Schnittstelle zwischen Steuerung und Leistungsteil.

Pneumatik ist schnell, robust und für viele Handhabungsaufgaben geeignet. Ihre Kompressibilität erschwert jedoch eine hochgenaue Positionierung. Hydraulik ermöglicht hohe Kräfte, verlangt aber einen besonders sorgfältigen Umgang mit Druck, Leckagen und Flüssigkeiten. Elektrische Antriebe sind gut regelbar und effizient, benötigen aber eine zur Anwendung passende Auslegung, Schutztechnik und Parametrierung.

Schematisches Funktionsprinzip eines doppeltwirkenden Zylinders

Pneumatische Kraft berechnen

Für einen Zylinder gilt im vereinfachten Modell:

Kraft = Druck · wirksame Fläche · Wirkungsgrad

Dabei muss der Druck in einer zur Fläche passenden Einheit eingesetzt werden. 6 bar entsprechen näherungsweise 0,6 N/mm². Reibung, Druckverluste, Federkräfte, Querkräfte und dynamische Effekte reduzieren die nutzbare Kraft. Verbindlich sind die Herstellerkennwerte.

Beispiel: Ein doppeltwirkender Zylinder hat einen Kolbendurchmesser von 25 mm, einen Stangendurchmesser von 10 mm, einen Betriebsdruck von 6 bar und einen angesetzten Wirkungsgrad von 0,85.

Kolbenfläche beim Ausfahren:

A₁ = π · 25² / 4 = 490,9 mm²

Nutzbare Ausfahrkraft:

F₁ = 0,6 N/mm² · 490,9 mm² · 0,85 = 250,3 N

Ringfläche beim Einfahren:

A₂ = π · (25² − 10²) / 4 = 412,3 mm²

Nutzbare Einfahrkraft:

F₂ = 0,6 N/mm² · 412,3 mm² · 0,85 = 210,3 N

Benötigt der Prozess beim Ausfahren 140 N und wird ein Planungsfaktor von 1,5 angesetzt, beträgt die Auslegungsanforderung 210 N. Die berechneten 250,3 N liegen darüber. Trotzdem müssen Beschleunigung, Einbaulage, Druckschwankungen, Dämpfung und Herstellerdaten geprüft werden. Eine knappe Rechnung ersetzt keine sichere Auslegung.

Geschwindigkeit, Dämpfung und Energieeffizienz

Die Zylindergeschwindigkeit wird wesentlich durch Volumenstrom, Querschnitte, Druckniveau, Last und Drosselung beeinflusst. Drosselrückschlagventile werden nach Schaltplan und Herstellerangaben eingestellt. Eine zu hohe Geschwindigkeit kann zu harten Anschlägen, Verschleiß und gefährlichen Bewegungen führen. Eine zu starke Drosselung kann den Takt instabil machen.

Nachhaltige Auslegung bedeutet nicht nur „weniger Energie“, sondern eine funktionierende Lösung mit angemessenen Reserven. Dazu gehören passende Zylindergröße, möglichst niedriges erforderliches Druckniveau, kurze Leitungen, Leckageprüfung, Abschaltung unnötiger Verbraucher, effiziente elektrische Antriebe, langlebige Komponenten, reparaturfreundlicher Aufbau und fachgerechte Entsorgung. Druckluftverluste werden nicht durch dauerhaft erhöhten Versorgungsdruck kompensiert, sondern systematisch gesucht und beseitigt.

Gefährdungen beherrschen

Gefährdungen entstehen unter anderem durch elektrischen Schlag, unerwarteten Anlauf, gespeicherte pneumatische oder hydraulische Energie, Quetsch- und Scherstellen, heiße Oberflächen, austretende Medien, Lärm und wegfliegende Teile. Die Schutzstrategie folgt dem Grundgedanken: Gefährdung vermeiden, technisch mindern, organisatorisch beherrschen und erst ergänzend persönliche Schutzausrüstung einsetzen.

Für reale Maschinen sind die aktuelle Risikobeurteilung, die Betriebssicherheitsverordnung, die einschlägigen DGUV-Vorschriften, aktuelle Normen, Herstellerunterlagen und betriebliche Anweisungen zu beachten. Sicherheitsbezogene Steuerungsfunktionen werden von dafür qualifizierten Personen spezifiziert und validiert. Ein normaler SPS-Ausgang ist nicht automatisch ein Sicherheitsausgang.

Schaltungen und einfache Programme entwickeln

Vom Funktionsplan zur Ein- und Ausgangsliste

Eine Schaltung wird aus der gewünschten Funktion abgeleitet. Zuerst beschreibst du den Ablauf in klaren Zuständen, dann ordnest du Sensoren und Aktoren zu. Eine Ein- und Ausgangsliste verhindert, dass Signale nur „irgendwie“ verdrahtet oder programmiert werden.

Beispiel für eine kleine Ausschleuseeinheit:

Kennzeichen	Signal	Art	Bedeutung	Sicherer Erwartungszustand
S1	Startfreigabe	Eingang binär	Automatik darf beginnen	aus
B1	Werkstücksensor	Eingang binär	Metallteil erkannt	aus
B2	Zylinder eingefahren	Eingang binär	Grundstellung bestätigt	ein
B3	Zylinder ausgefahren	Eingang binär	Ausschleusstellung bestätigt	aus
Y1	Ventilmagnet Ausfahren	Ausgang binär	Zylinder fährt aus	aus
Y2	Ventilmagnet Einfahren	Ausgang binär	Zylinder fährt ein	aus

Die Tabelle ist nur ein didaktisches Beispiel. Ob ein Ventil einen oder zwei Magneten besitzt, welche Grundstellung sicher ist und wie die Endlagen erkannt werden, ergibt sich aus dem konkreten Auftrag und den Herstellerunterlagen.

Ablaufbeschreibung und Verriegelungen

Ein einfacher Ablauf kann als Zustandsfolge formuliert werden:

Grundstellung: B2 ist aktiv, Y1 und Y2 sind aus.
Erkennen: B1 meldet ein geeignetes Werkstück und die Startfreigabe liegt an.
Ausfahren: Y1 wird angesteuert, bis B3 innerhalb der zulässigen Zeit aktiv wird.
Verweilzeit: Der Ausschieber hält nur so lange wie für den Prozess erforderlich.
Einfahren: Y1 wird abgeschaltet und Y2 wird entsprechend der Ventilart angesteuert, bis B2 aktiv ist.
Abschluss: Zyklusdaten werden gespeichert, die Anlage wartet auf das nächste Werkstück.

Wichtige Verriegelungen sind: nie gleichzeitig widersprüchliche Ventilausgänge ansteuern, Bewegung nur bei plausibler Grundstellung starten, Zeitüberschreitungen als Fehler behandeln und nach einer Störung keinen unerwarteten automatischen Wiederanlauf zulassen. Die sichere Reaktion auf Energieausfall muss bereits bei der Komponentenauswahl festgelegt werden.

Einfaches SPS-Programm und Teststrategie

Ein herstellerneutrales Pseudoprogramm kann so aussehen:

Wenn Startfreigabe und Werkstück erkannt und Grundstellung bestätigt, dann Schritt Ausfahren setzen.

Wenn Schritt Ausfahren, dann Ausfahrventil ansteuern und Überwachungszeit starten.

Wenn Endlage ausgefahren erreicht, dann Ausfahrventil zurücknehmen und Schritt Einfahren setzen.

Wenn Schritt Einfahren, dann Rückbewegung auslösen.

Wenn Endlage eingefahren erreicht, dann Zyklus beenden.

Wenn eine Endlage nicht rechtzeitig erreicht wird oder beide Endlagen gleichzeitig unplausibel aktiv sind, dann Fehler setzen, Ausgänge in den festgelegten sicheren Zustand bringen und eine quittierte Wiederfreigabe verlangen.

Ein Programm gilt erst nach strukturiertem Test als belastbar. Gute Tests umfassen Normalfall, Grenzfall und Fehlerfall. Dazu gehören Werkstück fehlt, Sensor bleibt aktiv, Endlage wird nicht erreicht, Versorgung fällt aus, falsche Reihenfolge wird angefordert und Bedienfreigabe wird entzogen. Für gefährliche Bewegungen wird die Logik zuerst in einer Simulation oder an einem drucklosen Modell getestet.

Prozessdaten, Datenschutz und Informationssicherheit

Prozessdaten helfen bei Funktionsprüfung, Wartung und Optimierung. Sinnvolle Daten sind zum Beispiel Zykluszeit, Schaltzeitpunkt, Anzahl der Zyklen, Druckwert, Fehlercode und Softwareversion. Daten werden nur erhoben, wenn ein klarer Zweck besteht. Reale Namen, Personalnummern, Kundenaufträge oder andere personenbezogene Daten gehören nicht in Lernprojekte. Verwende synthetische Bezeichnungen wie Auftrag A-001.

Schütze Verfügbarkeit, Integrität, Vertraulichkeit und Authentizität durch Rollen und Zugriffsrechte, sichere Passwörter, getrennte Benutzerkonten, nachvollziehbare Änderungen, geprüfte Sicherungen und freigegebene Datenträger. Programme, Parameter und Schaltpläne erhalten eine Versionskennung. Ein Screenshot ohne Datum, Anlagenbezug und Softwarestand ist keine ausreichende technische Dokumentation.

Praxisfall: Sortierstation realisieren, prüfen und dokumentieren

Auftrag und prüfbare Anforderungen

Eine Schulungsanlage soll Stahlwerkstücke von nichtmetallischen Werkstücken unterscheiden und ein erkanntes Stahlwerkstück mit einem pneumatischen Ausschieber in eine Nebenbahn bewegen. Der Praxisfall arbeitet ausschließlich mit einem geschützten 24-V-Schulungsaufbau und begrenztem, freigegebenem Schulungsdruck. Alternativ wird der gesamte Ablauf simuliert.

Prüfbare Anforderungen:

Der induktive Sensor erkennt jedes freigegebene Stahlprüfstück im definierten Erfassungsfenster.
Der Ausschieber startet nur bei Freigabe und bestätigter Grundstellung.
Die Ausfahrendstellung wird innerhalb von 1,0 s erreicht; die Rückkehr in die Grundstellung erfolgt innerhalb von 1,2 s.
Werden Endlagen nicht rechtzeitig erreicht, stoppt der Ablauf und meldet einen Fehler.
Nach Spannungs- oder Druckwiederkehr erfolgt kein unerwarteter Wiederanlauf.
Zehn aufeinanderfolgende Prüfzyklen laufen ohne Fehlfunktion.
Schaltplan, Ein- und Ausgangsliste, Programmversion, Messprotokoll und Abnahmeergebnis sind vollständig dokumentiert.

Arbeitsplan

Schritt	Tätigkeit	Ergebnis oder Dokument	Prüfkriterium
1	Auftrag und Systemgrenze klären	Anforderungsliste und Blockbild	Muss-Kriterien sind messbar formuliert
2	Gefährdungen und Schutzmaßnahmen abstimmen	Freigegebene Gefährdungsbeurteilung für den Schulungsaufbau	Nur sichere, beaufsichtigte Arbeitsweise ist vorgesehen
3	Sensor, Ventil und Zylinder anhand freigegebener Daten auswählen	Komponentenliste mit Begründung	Versorgung, Signalart, Kraft, Hub und Umgebung passen
4	Zylinderkraft berechnen	Rechenblatt mit Einheiten und Reserven	Nutzbare Kraft liegt über der Auslegungsanforderung
5	Schalt- und Funktionsplan erstellen	Plan mit Kennzeichen und Anschlüssen	Signale und sichere Grundstellung sind eindeutig
6	Ein- und Ausgangsliste sowie Ablauf festlegen	I/O-Liste und Zustandsdiagramm	Jeder Zustand hat Eintritts- und Austrittsbedingungen
7	Aufbau im sicheren Zustand durchführen	Kontrollierter Schulungsaufbau	Sichtprüfung ohne Mängel
8	Programm erstellen und simulieren	Versioniertes Programm	Normal-, Grenz- und Fehlerfälle sind getestet
9	Sensor justieren und Signale messen	Messprotokoll	Wiederholbare Schaltpunkte und plausible Signale
10	Funktions- und Abnahmeprüfung durchführen	Prüfprotokoll mit zehn Zyklen	Alle Abnahmekriterien erfüllt oder Abweichungen dokumentiert
11	Ergebnis übergeben und reflektieren	Kurzpräsentation und Verbesserungsplan	Funktion, Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit begründet

Vollständig erläuterte Bearbeitung

1. Systementwurf: Der induktive Sensor B1 wird so montiert, dass er nur das freigegebene Erfassungsfenster überwacht. Zwei magnetische Zylindersensoren B2 und B3 melden Grund- und Ausschleusstellung. Eine SPS verarbeitet die Signale. Ein geeignetes Wegeventil steuert den doppeltwirkenden Zylinder. Mechanische Anschläge und Schutzabdeckungen werden nicht durch Software ersetzt.

2. Dimensionierung: Für den Ausschieber werden 140 N Prozesskraft angesetzt. Mit dem Planungsfaktor 1,5 ergibt sich 210 N. Der zuvor berechnete 25-mm-Zylinder liefert im didaktischen Rechenmodell 250,3 N beim Ausfahren. Das Ergebnis ist rechnerisch ausreichend. Vor dem realen Einsatz werden Druckbereich, Lastfall, Dynamik, Dämpfung und Herstellerkennlinie geprüft.

3. Programmlogik: Der Zyklus beginnt nur mit Freigabe, erkanntem Werkstück und B2. Nach dem Ausfahrbefehl muss B3 innerhalb von 1,0 s aktiv werden. Anschließend wird zurückgefahren. B2 muss innerhalb von 1,2 s wieder aktiv sein. Eine Zeitüberschreitung setzt einen Fehler und verhindert den nächsten Zyklus. Die Fehlerquittierung allein startet keine Bewegung.

4. Messung: Im Protokoll werden Versorgungsspannung, Zustände B1 bis B3, Ausgangszustände, Zeiten und Beobachtungen eingetragen. Für zehn Zyklen wird geprüft, ob das Sensorereignis eindeutig, die Bewegung reproduzierbar und die Grundstellung sicher erreicht wird. Messmittel, Messbereich und Softwarestand werden genannt.

5. Fehlerprobe in Simulation: B3 wird virtuell deaktiviert. Erwartet wird eine Zeitüberschreitung, das Rücksetzen der Bewegungsanforderung und eine eindeutige Fehlermeldung. Danach wird ein unplausibler Zustand mit B2 und B3 gleichzeitig simuliert. Der Ablauf darf nicht starten. Diese Tests werden nicht durch gefährliches Manipulieren an einer real bewegten Anlage erzeugt.

Prüfbares Arbeitsergebnis: Der Auftrag ist bestanden, wenn alle Muss-Kriterien erfüllt, zehn Zyklen protokolliert, die beiden simulierten Fehler sicher behandelt und alle Unterlagen eindeutig versioniert wurden. Abweichungen werden nicht verdeckt, sondern mit Ursache, Risiko und Korrekturmaßnahme dokumentiert.

Bewertungsraster

Bereich	0 Punkte	1 Punkt	2 Punkte	3 Punkte
Auftragsanalyse	Anforderungen fehlen	teilweise beschrieben	überwiegend prüfbar	vollständig, priorisiert und prüfbar
Technische Planung	Lösung nicht funktionsfähig	wesentliche Lücken	funktionsfähige Lösung mit kleinen Lücken	begründete, vollständige und schnittstellenklare Lösung
Berechnung und Auswahl	keine verwertbare Rechnung	Ansatz vorhanden, Einheiten oder Reserven fehlerhaft	richtige Rechnung mit kleiner Begründungslücke	richtige Rechnung, Herstellerabgleich und Reserven begründet
Sicherheit	Gefährdungen ignoriert	Schutzmaßnahmen unvollständig	wesentliche Schutzmaßnahmen vorhanden	Gefährdungen, sichere Zustände und Aufsicht vollständig berücksichtigt
Programm und Fehlermanagement	Ablauf nicht funktionsfähig	Normalfall teilweise funktionsfähig	Normalfall und ein Fehlerfall funktionieren	Normal-, Grenz- und Fehlerfälle systematisch beherrscht
Prüfung und Messung	kein Nachweis	einzelne Beobachtungen	strukturierte Prüfung mit kleinen Lücken	reproduzierbares Mess- und Abnahmeprotokoll
Dokumentation	nicht nachvollziehbar	unvollständig	im Wesentlichen vollständig	eindeutig, versioniert, datenschutzgerecht und übergabefähig
Nachhaltigkeit und Qualität	nicht betrachtet	allgemein erwähnt	konkrete Maßnahme benannt	Energie, Leckage, Lebensdauer, Qualität und Verbesserung begründet

Maximal sind 24 Punkte erreichbar. Eine mögliche schulische Festlegung lautet: 20 bis 24 Punkte sehr sicher erreicht, 15 bis 19 Punkte erreicht, 10 bis 14 Punkte teilweise erreicht, unter 10 Punkten noch nicht erreicht. Die konkrete Bewertung legt die Lehrkraft oder der Ausbildungsbetrieb fest.

Typische Fehler und Verbesserungen

Sensor zu nah am Werkstück: mechanische Kollision möglich. Verbesserung: gesicherten Schaltabstand aus Datenblatt und Versuch bestimmen.
Nur der Ausgang wird beobachtet: eine blockierte Mechanik bleibt unentdeckt. Verbesserung: Endlagen und Zeitfenster auswerten.
Zylinder nur mit theoretischer Kraft ausgewählt: Reibung und Dynamik fehlen. Verbesserung: Wirkungsgrad, Reserven und Herstellerkennlinie einbeziehen.
Zeitglieder ersetzen Rückmeldungen: Prozessschwankungen führen zu Fehlern. Verbesserung: relevante Zustände messen.
Programmänderung ohne Versionsstand: Prüfung ist nicht reproduzierbar. Verbesserung: Änderungsgrund, Version, Datum und Prüferrolle dokumentieren.
Reale Fehler werden gefährlich provoziert: unnötiges Risiko. Verbesserung: Fehler zuerst simulieren oder an einem drucklosen Modell darstellen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste dein Wissen

Welches Merkmal kennzeichnet einen Regelkreis? (Die Ausgangsgröße wird gemessen und zurückgeführt) (!Der Ablauf arbeitet immer nur zeitabhängig) (!Jeder Sensor steuert den Aktor direkt) (!Die Stellgröße wird nie verändert)

Welche Größe beschreibt bei einem induktiven Näherungssensor die sichere Erfassungsentfernung? (Der im Datenblatt angegebene gesicherte Schaltabstand) (!Die Länge des Anschlusskabels) (!Die Farbe des Sensorgehäuses) (!Die maximale Zykluszahl der SPS)

Warum liefert ein doppeltwirkender Zylinder beim Einfahren meist weniger Kraft als beim Ausfahren? (Die Kolbenstange verkleinert die wirksame Fläche) (!Der Druck steigt beim Einfahren immer auf null) (!Das Ventil erzeugt beim Einfahren keine Druckluft) (!Der Kolbendurchmesser wird beim Einfahren kleiner)

Was ist bei einem Analogsignal von vier bis zwanzig Milliampere ein wichtiger Vorteil? (Ein Leitungsfehler kann durch Werte unterhalb des Nutzbereichs erkennbar werden) (!Das Signal benötigt grundsätzlich keine Versorgung) (!Jeder Messwert ist automatisch sicherheitsgerichtet) (!Das Signal kann nur zwei Zustände übertragen)

Welche Unterlage ist für den Anschluss eines konkreten Sensors verbindlich? (Das aktuelle Herstellerdatenblatt des konkreten Geräts) (!Eine beliebige Zeichnung aus einem älteren Schulbuch) (!Die Kabelfarbe eines anderen Sensortyps) (!Eine nicht dokumentierte Erinnerung aus der Werkstatt)

Welche Bedingung sollte vor dem Start einer Ausschleusbewegung erfüllt sein? (Die sichere Grundstellung ist durch eine plausible Rückmeldung bestätigt) (!Beide Endlagensensoren sind gleichzeitig aktiv) (!Die Fehlerüberwachung ist abgeschaltet) (!Der Ausgang wird ohne Freigabe gesetzt)

Was gehört zu einer aussagekräftigen Messdokumentation? (Messstelle Einheit Betriebszustand Messmittel und Ergebnis) (!Nur ein Foto ohne Beschriftung) (!Nur der Name des Programms) (!Eine Schätzung ohne Messbereich)

Wie wird ein gefährlicher Fehlerfall in der Ausbildung bevorzugt geprüft? (In einer Simulation oder an einem sicheren drucklosen Modell) (!Durch Entfernen einer Schutzeinrichtung im laufenden Betrieb) (!Durch absichtliches Kurzschließen eines Ausgangs) (!Durch Erhöhen des Drucks über die Freigabe hinaus)

Welche Maßnahme unterstützt die Informationssicherheit eines SPS-Projekts? (Versionierte Programme und nachvollziehbare Zugriffsrechte) (!Gemeinsame Nutzung eines ungeschützten Administratorkontos) (!Ungeprüfte Datenträger aus unbekannter Quelle) (!Löschen aller Änderungsnachweise)

Welche Aussage beschreibt nachhaltige Pneumatikauslegung am besten? (Druckniveau Zylindergröße Leitungswege und Leckagen werden bedarfsgerecht optimiert) (!Jede Anlage wird grundsätzlich mit maximalem Druck betrieben) (!Leckagen werden durch größere Kompressoren ausgeglichen) (!Der Energieverbrauch ist für die Bauteilauswahl bedeutungslos)

Memory

Sensor	Erfasst eine physikalische Größe oder einen Zustand
Aktor	Wandelt Energie und Steuersignal in eine Wirkung um
Sollwert	Gewünschter Wert einer Regelgröße
Istwert	Gemessener aktueller Wert
Hysterese	Unterschied zwischen Ein- und Ausschaltpunkt
Steuerkette	Wirkungsablauf ohne fortlaufende Rückführung der Ausgangsgröße
Regelkreis	Geschlossener Wirkungsablauf mit Rückführung
Verriegelung	Verhindert unzulässige gleichzeitige Zustände

Drag-and-Drop

Ordne die passende Tätigkeit zu.	Phase
Anforderungen in messbare Kriterien übersetzen	Auftragsanalyse
Kolbenfläche und nutzbare Kraft bestimmen	Dimensionierung
Ein- und Ausgangssignale eindeutig kennzeichnen	Schaltungsplanung
Normalfall Grenzfall und Fehlerfall untersuchen	Funktionsprüfung
Messwerte Versionen und Abweichungen festhalten	Dokumentation

Kreuzworträtsel

Sensor	Welches Bauteil erfasst einen Zustand oder Messwert?
Aktor	Welches Bauteil erzeugt aus Energie eine Bewegung oder Wirkung?
Regelkreis	Wie heißt der geschlossene Wirkungsablauf mit Rückführung?
Hysterese	Wie heißt der Abstand zwischen Ein- und Ausschaltpunkt?
Zylinder	Welcher pneumatische Antrieb erzeugt häufig eine lineare Bewegung?
Fehlersuche	Wie heißt das systematische Eingrenzen einer Störungsursache?

LearningApps

Lückentext

Ein mechatronisches Teilsystem verbindet Mechanik mit elektrischen und informationstechnischen Funktionen und besitzt eine klar definierte

. Ein Sensor erfasst eine physikalische Größe und erzeugt daraus ein auswertbares

. Bei einer Steuerung fehlt die fortlaufende Rückführung der

. Ein Regelkreis vergleicht den Istwert mit dem

. Der Aktor setzt das Steuersignal in eine physikalische

um. Für die Zylinderkraft werden Druck und wirksame

miteinander verknüpft. Ein Endlagensensor bestätigt eine erreichte

. Eine Zeitüberschreitung muss zu einer definierten

führen. Messwerte sind nur zusammen mit Einheit und

aussagekräftig. Programme und Unterlagen benötigen eine eindeutige

. Gefährliche Fehlerfälle werden bevorzugt in einer

geprüft. Leckagevermeidung verbessert die Energieeffizienz und die

.

Offene Aufgaben

Leicht

Systemgrenze: Zeichne für eine einfache automatische Tür ein Blockbild mit Sensor, Steuerung, Aktor, Energiefluss und zwei Schnittstellen.
Sensortechnik: Vergleiche induktiven, kapazitiven und optischen Sensor in einer Tabelle mit Messprinzip, geeignetem Objekt, Stärke und typischer Störung.
Technische Dokumentation: Erstelle eine Ein- und Ausgangsliste für einen Zylinder mit zwei Endlagensensoren und formuliere zu jedem Signal den erwarteten Grundzustand.
Arbeitssicherheit: Formuliere für einen sicheren 24-V-Schulungsaufbau fünf Schutzmaßnahmen und nenne eine geeignete Simulationsalternative.

Standard

Pneumatik: Berechne für einen vorgegebenen Zylinder die Ausfahr- und Einfahrkraft, dokumentiere alle Einheiten und bewerte die Reserve gegenüber einer Lastanforderung.
SPS: Entwickle ein herstellerneutrales Zustandsdiagramm für Ausfahren, Halten, Einfahren und Fehler und beschreibe die Übergangsbedingungen.
Messtechnik: Plane ein Messprotokoll zur Prüfung eines Sensors mit mindestens fünf Messpunkten, Randbedingungen, Toleranzen und einer Entscheidung bestanden oder nicht bestanden.
Nachhaltigkeit: Untersuche eine pneumatische Übungsanlage auf vermeidbare Energieverluste und begründe drei Verbesserungsmaßnahmen ohne die sichere Funktion zu verschlechtern.

Schwer

Fehlerdiagnose: Erstelle einen Diagnosebaum für den Fehler Zylinder fährt nicht aus und ordne jedem Prüfschritt eine sichere Messung oder Beobachtung zu.
Regelungstechnik: Entwirf ein Blockbild für eine geregelte Drehzahlachse und erläutere Sollwert, Istwert, Regler, Stellglied, Strecke und zwei mögliche Störgrößen.
Projektmanagement: Plane im Team ein vollständiges Teilsystemprojekt mit Arbeitspaketen, Zuständigkeiten, Versionsregeln, Abnahmekriterien und Rückmeldungsschleife.
Qualitätssicherung: Führe den Praxisfall als Simulation durch, protokolliere zehn Zyklen sowie zwei Fehlerfälle und bewerte das Ergebnis mit dem vorgegebenen Raster.

Lernkontrolle

Anforderungsanalyse: Begründe, warum die Formulierung Der Zylinder soll schnell fahren nicht prüfbar ist, und ersetze sie durch mindestens drei messbare Kriterien.
Sensorwahl: Wähle für drei unterschiedliche Werkstücke jeweils ein geeignetes Sensorprinzip und begründe die Auswahl anhand von Werkstoff, Umgebung und Signalbedarf.
Kraftberechnung: Prüfe eine Zylinderauslegung mit vorgegebenem Druck, Durchmesser, Last und Wirkungsgrad und entscheide, ob die Reserve genügt.
Ablaufsteuerung: Analysiere einen Ablauf, in dem beide Ventilmagnete gleichzeitig angesteuert werden, und entwickle eine technische und programmatische Verriegelung.
Fehlerdiagnose: Leite aus den Signalen Sensor aktiv, SPS-Eingang inaktiv und korrekte Versorgung drei mögliche Ursachen sowie sichere Prüfschritte ab.
Transfer: Übertrage die Vorgehensweise Analyse Planen Realisieren Prüfen Dokumentieren auf ein anderes Teilsystem und erläutere, welche Nachweise sich ändern.

Lernnachweis

Ein vollständiger Lernnachweis besteht aus einem kleinen, datenschutzgerechten Projektportfolio. Es enthält keine realen Kunden-, Betriebs- oder Schülerdaten, sondern ausschließlich synthetische Kennzeichnungen.

Nachweisbereich	Erwartetes Produkt	Mindestanforderung
Wissen	Fachbegriffsübersicht und begründete Komponentenwahl	Steuerung, Regelung, Sensor, Aktor und Signalarten korrekt erklärt
Planung	Anforderungsliste, Blockbild, I/O-Liste und Arbeitsplan	Anforderungen sind messbar und Schnittstellen eindeutig
Berechnung	Zylinder- oder Antriebsberechnung	Ansatz, Einheiten, Rechenweg, Reserve und Herstellerabgleich nachvollziehbar
Realisierung	Simulation oder beaufsichtigter Schulungsaufbau	Ablauf funktioniert ohne unzulässige Zustände
Prüfung	Mess- und Abnahmeprotokoll	Normalfall, Grenzfall und mindestens zwei sichere Fehlerfälle geprüft
Dokumentation	Versionierte Unterlagen und Kurzpräsentation	Ergebnis, Abweichungen und Verbesserungen verständlich dargestellt
Transfer	Übertragung auf ein neues Teilsystem	Unterschiede bei Sensorik, Aktorik, Sicherheit und Daten begründet

Als konkreter Kompetenznachweis gilt das Praxisprojekt, wenn mindestens 15 von 24 Punkten im Bewertungsraster erreicht, keine schwerwiegende Sicherheitslücke festgestellt und die Funktionsprüfung reproduzierbar dokumentiert wurde. Lehrkraft und Ausbildungsbetrieb können strengere Kriterien festlegen.

OER und Wikipedia

Fachliche Ausgangsquellen

KMK-Rahmenlehrplan Mechatronikerin und Mechatroniker, Lernfeld 7 auf PDF-Seite 15.
BIBB-Berufsprofil Mechatronikerin und Mechatroniker mit Ausbildungsdauer, Tätigkeitsprofil und Rechtsgrundlagen.
Konsolidierte Mechatroniker-Ausbildungsverordnung auf Gesetze im Internet.
Betriebssicherheitsverordnung § 3 zur Gefährdungsbeurteilung vor der Verwendung von Arbeitsmitteln.
DGUV Vorschrift 3 zu elektrischen Anlagen und Betriebsmitteln; die für den Betrieb gültige Fassung beim zuständigen Unfallversicherungsträger prüfen.
DIN EN 60204-1:2026-06 zur elektrischen Ausrüstung von Maschinen.
DIN EN ISO 12100:2011-03 zu Risikobeurteilung und Risikominderung.
DIN EN ISO 13849-1:2023-12 zu sicherheitsbezogenen Teilen von Steuerungen.
DIN EN ISO 13850:2016-05 zur Not-Halt-Funktion.
DIN EN ISO 4413:2011-04 zu Hydraulikanlagen und ihren Bauteilen.
DIN EN ISO 4414:2011-04 zu Pneumatikanlagen und ihren Bauteilen.
Baumer-Fachinformation zu induktiven Sensoren als Herstellererklärung des Wirkprinzips; konkrete Anschlüsse nur nach dem Datenblatt des eingesetzten Sensors.

Der Normenstand wurde für die Kurserstellung am 25. Oktober 2026 über die verlinkten offiziellen Datensätze geprüft. Vor praktischer Anwendung müssen aktuelle Fassungen, nationale Übergangsregelungen, betriebliche Vorgaben und Herstellerunterlagen erneut geprüft werden. Der Kurs gibt keine Normtexte wieder.

Mediennachweise

Medium	Quelle	Urheber	Lizenz oder Rechtestatus
File:Inductive proximity sensor.jpg	Wikimedia Commons	Ekbsensor	CC BY-SA 4.0
File:Cylinders with Hall sensors.png	Wikimedia Commons	IMeowbot	CC BY-SA 3.0
File:Doppelwirkender Zylinder Funktionsprinziep.gif	Wikimedia Commons	RainerB	Gemeinfrei
File:PLC Control Panel.png	Wikimedia Commons	Dailynetworks	Gemeinfrei
File:Simple feedback control loop.svg	Wikimedia Commons	Ap und Chetvorno	CC BY-SA 3.0
https://www.youtube.com/watch?v=u_kvX9Ox6Qs	Grundlagen Pneumatik und einfachwirkender Zylinder	EduVision – Technische Bildung	Keine freie Lizenz verifiziert; Einbettung über YouTube, Rechte beim Kanal
https://www.youtube.com/watch?v=T_kl_I-br4k	Reed-Schalter und Endlagenabfrage	EduVision – Technische Bildung	Keine freie Lizenz verifiziert; Einbettung über YouTube, Rechte beim Kanal

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Verknüpfte Lernbereiche

Realisieren mechatronischer Teilsysteme

Der Kurs verbindet die Lernfelder zur Analyse mechatronischer Systeme, zu elektrischen und fluidtechnischen Baugruppen, zur Arbeitsplanung, zum Design mechatronischer Systeme, zur Fehlersuche und zur Instandhaltung. Geeignete Anschlussprojekte sind eine automatische Werkstückerkennung, eine geregelte Lüfterachse, eine pneumatische Spannvorrichtung als Simulation oder eine energieoptimierte Handhabungsstation.