| Lernfeld | 7 | Lernfeld Titel | Cyber-physische Systeme19 ergänzen |
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| Lernfeld Stunden | 72 |
| Kernkompetenz | Die Schülerinnen und Schüler verfügen über die Kompetenz, die physische Welt und IT-Systeme funktional zu einem cyber-physischen System zusammenzuführen. |
| Erwartete Handlungskompetenz am Ende der Berufsausbildung in Anlehnung an ausgewählte Berufsbildpositionsbeschreibungen | Sie stimmen die Leistungserbringung unter Berücksichtigung der organisatorischen und terminlichen Vorgaben mit Kundinnen und Kunden ab. Sie erfassen und visualisieren das Zusammenwirken der Komponenten cyber-physischer Systeme. Sie wählen Vorgehensmodelle und -methoden sowie Entwicklungsumgebungen und -bibliotheken aus. Sie setzen Vorgehensmodelle und -methoden sowie Entwicklungsumgebungen und -bibliotheken ein. Sie erstellen Programme, passen diese an und konfigurieren Signal- und Datenübertragungseinrichtungen. Sie erstellen Testkonzepte, führen Tests durch und dokumentieren diese. Sie reflektieren die eigene Vorgehensweise sowie die Aufgabendurchführung im Team und wirken bei der Verbesserung der Arbeitsprozesse mit. |
| Zielformulierung/Kompetenzen aus Handlungsfeld | 1 Die Schülerinnen und Schüler analysieren ein cyber-physisches System bezüglich eines Kundenauftrags zur Ergänzung und Inbetriebnahme weiterer Komponenten. |
| 2 Sie informieren sich über den Datenfluss an der Schnittstelle zwischen physischer Welt und ITSystem sowie über die Kommunikation in einem bestehenden Netzwerk. Sie verschaffen sich einen Überblick über die Energie-, Stoff- und Informationsflüsse aller am System beteiligten Geräte und Betriebsmittel. | |
| 3 Sie informieren sich über den Datenfluss an der Schnittstelle zwischen physischer Welt und ITSystem sowie über die Kommunikation in einem bestehenden Netzwerk. Sie verschaffen sich einen Überblick über die Energie-, Stoff- und Informationsflüsse aller am System beteiligten Geräte und Betriebsmittel. | |
| 4 Sie führen Komponenten mit dem cyber-physischen System funktional zusammen. | |
| 5 Sie prüfen systematisch die Funktion, messen physikalische Betriebswerte, validieren den Energiebedarf und protokollieren die Ergebnisse. | |
| 6 Die Schülerinnen und Schüler reflektieren den Arbeitsprozess hinsichtlich möglicher Optimierungen und diskutieren das Ergebnis in Bezug auf Betriebssicherheit und Datensicherheit. | |
| Exemplarische Lernsituation zu Kompetenzen | 1-6 Eine Gemüsegärtnerei bewässert Jungpflanzen im Anzuchtgewächshaus automatisch zeitgesteuert. Das für die Bewässerung nötige Wasser wird einer Regenwasserzisterne entnommen. Gerade während regenarmer Wetterperioden muss das Gärtnereipersonal regelmäßig persönlich den Wasserstand in der Zisterne überprüfen. Deshalb erhalten die Schülerinnen und Schüler den Auftrag, die bereits verwendete Steuerung um einen Füllstandssensor zu erweitern, der den aktuellen Wasserstand in der Regenwasserzisterne misst. Dessen aktuelle Messdaten sollen über ein IoTKommunikationsprotokoll an einen mobilen Client übertragen werden, wo sie grafisch aufbereitet und dargestellt werden. Zusätzlich soll bei sehr niedrigem Wasserstand der Anlagenbediener mittels einer Push-Nachricht eine entsprechende Warnmeldung erhalten. Weiterhin erhalten die Schülerinnen und Schüler den Auftrag sich über die bereits eingesetzte Bewässerungssteuerung und über ein für den geforderten Datenaustausch geeignetes IoTKommunikationsprotokoll sowie die Eigenschaften des für die Füllstandsmessung vorgesehenen Sensors zu informieren. Anschließend sollen Sie die softwaretechnische Erweiterung der Steuerung, die Datenbereitstellung über das gewählte IoTProtokoll sowie die Einbindung des Füllstandssensors in die Anlagensteuerung planen und müssen ihre Planung unter Nutzung quelloffener Softwarepakete umsetzen. Abschließend erhalten die Schülerinnen und Schüler den Auftrag ihre Implementierung mit Hilfe gängiger Testmethoden zu testen. |
| Mögliche Handlungsprodukte | Abbildung des Kundenauftrags auf eine
tabellarische Anforderungsbeschreibung Info-Sheet zu Füllstandssensoren und deren Funktionsweise bzw. elektrischen Charakteristika Grafische Übersicht zum Funktionsprinzip des verwendeten IoTKommunikationsprotokolls Technologieschema zur Darstellung des Zusammenwirkens zwischen Steuerung, Kommunikationsprotokoll und mobilen Endgeräten inklusive Adressierungsschema Kommentierte und dokumentierte Installationen und Ergänzungen der für die Datenerfassung und -bereitstellung erforderlichen Steuerungs-SW bzw. Skripte Erweiterung der Steuerungs-SW um PushWarnmeldungen auf mobile Endgeräte Entwicklertest des in der tabellarischen Anforderungsbeschreibung dargestellten Kundenauftrags |
| Inhaltliche Orientierung | (FI und SE: Fortf. der elektrotechn. Inhalte aus LF 2) Allgemein Cyber-physisches System: z.B. Smart City, Gebäudeautomation, Smart Home, Smart Farming, E-Health, Smart Grids, IoT, IIoT (Industrial Internet of Things) Grundlagen der Elektronik inkl. Steuerung und Regelung Visualisierung Identifikation: (QR-Code, RFID) Digitaltechnik: Logische Grundverknüpfungen, sequentielle Logik CPS-Hardware: Embedded Systems, Echtzeitverarbeitung, Leistungsfähigkeit und Energieverbrauch Komponenten: RasPI, Arduino, ESP32, Kleinsteuerungen, intelligente Sensoren und Aktoren, Anschlüsse Bussysteme der IT-, Elektro- und Installationstechnik Vernetzung und Protokolle: z.B LPWA, Zigbee, Bluetooth, LoRaWAN, SigFox, NB-IoT, LTE, TCP/IP, MQTT Datenaufbereitung: zentral, dezentral Programmierung: Konfiguration und Auswertung, Entwicklungssysteme, Programmiersprachen, Bibliotheken (z.B. REST, Node-RED) |