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Textaufgaben: Automatisierte Prozesse

Ein automatisches Hühnerstall-Tor und zwei Lüftungsanlagen im Klassenraum: Bauteile benennen, Steuerung und Regelung unterscheiden und Messkurven vergleichen.

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Das Tor zum Hühnerstall

AFB I–II

Familie Brandt hält sechs Hühner. Damit niemand frühmorgens aufstehen muss, hat sie ein automatisches Stalltor eingebaut. Ein Lichtfühler auf dem Stalldach misst die Helligkeit. Ein kleines Kästchen mit Programm wertet den Messwert aus: Steigt die Helligkeit morgens über 40 Lux, zieht ein Elektromotor das Tor über einen Seilzug nach oben. Sinkt sie abends unter 10 Lux, lässt der Motor das Tor wieder herunter. Ob das Tor danach tatsächlich offen oder geschlossen ist, prüft die Anlage nicht.

Aufbau der Anlage am Stall
Lichtfühlerauf dem DachKästchenmit ProgrammElektromotormit SeilzugStalltorhoch / runterMesswert in LuxBefehl „auf“ / „zu“Seil ziehtkeine Rückmeldung
Pfeile zeigen den Weg des Signals. Vom Tor führt keine Leitung zurück.
  1. Nennen Sie für diese Anlage den Sensor, das Steuergerät und den Aktor.
  2. Stellen Sie die beiden Schaltregeln der Anlage als WENN-DANN-Regeln dar.
  3. Ordnen Sie die Anlage begründet einer Steuerung oder einer Regelung zu.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Sensor merkt, Steuergerät entscheidet, Aktor handelt. Welches Bauteil in der Skizze tut was?
Hinweis zu Aufgabe b)
Im Text stehen zwei Grenzwerte — einer für den Morgen, einer für den Abend. Jede Regel braucht eine Bedingung und eine Aktion.
Hinweis zu Aufgabe c)
Entscheidend ist, ob das Ergebnis der Aktion zurückgemeldet wird. Lies den letzten Satz des Textes noch einmal.„Begründet zuordnen“ heißt: Entscheidung plus fachliches Kriterium.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Sensor: der Lichtfühler auf dem Dach. Steuergerät: das Kästchen mit Programm. Aktor: der Elektromotor mit Seilzug. Das Tor selbst ist kein Bauteil der Kette, sondern das, was bewegt wird.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

WENN die Helligkeit über 40 Lux steigt, DANN zieht der Motor das Tor hoch.
WENN die Helligkeit unter 10 Lux sinkt, DANN lässt der Motor das Tor herunter.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Anlage ist eine Steuerung. Der Sensor misst die Helligkeit, also eine Größe, die das Tor gar nicht verändert. Ob das Tor wirklich offen oder zu ist, wird nie gemessen und nicht an das Steuergerät zurückgemeldet — es gibt keine Rückkopplung. Klemmt das Seil, merkt die Anlage das nicht. Vollständig ist die Antwort mit der Zuordnung und dem Kriterium „fehlende Rückmeldung über das Ergebnis“.

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Frische Luft im Klassenraum

AFB II–III

Im Neubau eines Gymnasiums sollen die Klassenräume eine Lüftungsanlage bekommen. Zwei Varianten wurden in zwei gleich großen Räumen mit je 28 Schülerinnen und Schülern getestet. Gemessen wurde der CO₂-Gehalt der Luft in ppm (Teile pro Million).

Variante A läuft nach Stundenplan: In den beiden großen Pausen um 9:15 Uhr und um 11:15 Uhr bläst sie je 15 Minuten lang Frischluft in den Raum. Variante B besitzt einen CO₂-Sensor. Sie soll den Wert bei höchstens 900 ppm halten und schaltet den Lüfter ein, sobald dieser Wert überschritten wird.

Laut Umweltbundesamt gilt Raumluft unter 1000 ppm als unbedenklich, zwischen 1000 und 2000 ppm als auffällig und über 2000 ppm als inakzeptabel. Im Test lief Variante A täglich 30 Minuten, Variante B im Mittel 95 Minuten. Variante B kostet pro Raum 400 € mehr in der Anschaffung.

CO₂-Gehalt an einem Schulvormittag
1000 ppm2000 ppm0500100015002000CO₂ in ppm8:009:0010:0011:0012:00UhrzeitVariante A (Stundenplan)Variante B (CO₂-Sensor)
Messwerte alle 30 Minuten; die gestrichelten Linien markieren die Grenzen des Umweltbundesamts.
  1. Erstellen Sie für Variante B ein beschriftetes Schema des Regelkreises mit Sensor, Steuergerät, Aktor, Sollwert, Istwert und einer passenden Störgröße.
  2. Vergleichen Sie die beiden Varianten anhand der Messkurven.
  3. Beurteilen Sie, welche Variante die Schule einbauen sollte.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Zeichnen Sie einen Kreis, keinen Pfeil: messen → vergleichen → handeln → wieder messen. Was treibt den CO₂-Wert im Raum von außen nach oben?
Hinweis zu Aufgabe b)
Mögliche Kriterien: Höchstwert, Zeit über 1000 ppm, Form der Kurve, Laufzeit des Lüfters, Steuerung oder Regelung.
Hinweis zu Aufgabe c)
Wägen Sie Luftqualität und Konzentration gegen Energieverbrauch und Kosten ab. Beziehen Sie die Messwerte ein.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Geschlossener Kreis: Der CO₂-Sensor (Sensor) misst den Istwert im Raum → das Steuergerät vergleicht ihn mit dem Sollwert von höchstens 900 ppm → bei Überschreitung schaltet es den Lüfter (Aktor) ein → Frischluft senkt den CO₂-Gehalt → der Sensor misst erneut (Rückkopplung). Störgröße: das Ausatmen der 28 Personen, z. B. verstärkt nach dem Sportunterricht oder bei mehr Personen im Raum. Alle sechs Begriffe müssen richtig im Kreis stehen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Variante A zeigt ein Sägezahnmuster: Der Wert steigt bis 9:00 Uhr auf 1600 ppm, fällt nach der Pause auf 700 ppm, erreicht um 11:00 Uhr 2000 ppm und damit die Grenze zu „inakzeptabel“. Den größten Teil des Vormittags liegt er über 1000 ppm. Variante B steigt bis etwa 900 ppm und bleibt dort; die 1000-ppm-Grenze wird nie überschritten. Grund: A ist eine Steuerung, die den CO₂-Wert nicht kennt; B ist eine Regelung mit Rückmeldung. Dafür läuft B gut dreimal so lange (95 statt 30 Minuten) und ist teurer.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Naheliegend ist ein Urteil für Variante B: Sie hält die Luft durchgehend im unbedenklichen Bereich, passt sich an volle oder leere Räume an und fördert so die Konzentration. Längere Laufzeit und 400 € Mehrkosten sind der Preis dafür. Ein Urteil für A ist nur tragfähig, wenn es die Messwerte ernst nimmt, z. B. mit häufigeren festen Lüftungszeiten — bleibt dann aber eine Steuerung, die auf Änderungen nicht reagiert. Vollständig: klares Urteil, mindestens zwei Kriterien mit Bezug auf die Daten und der Bezug zu Steuerung/Regelung.