Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

Automatisierungstechnikim Unterricht

1. Einleitung

2. Automatisierungstechnik in den / als Handlungsfeld(ern) ?!

3. Definition Automatisierungstechnik

4. Unterrichtsbeispiele zur Automatisierungstechnik

Gliederung


1. Einleitung

Warum eine Präsentation zum Thema Automatisierungstechnik?


Persönliches Interesse.


Automatisierung ist allgegenwärtig und Bestandteil unseres modernen und

alltäglichen Lebens.


Automatisierungstechnik findet im Technikunterricht zu wenig

Beachtung.


Automatisierungstechnik in der Schule

Deutschlandweite Umfrage von M. Radermacher aus dem Jahr 2008


Radermacher, M.: Inhalte allgemeinbildenden Unterrichts, Verlag Dr. Kovač, Hamburg 2010

12.


Radermacher, M.: Inhalte allgemeinbildenden Unterrichts, Verlag Dr. Kovač, Hamburg 2010


- Wo finde ich es im Lehrplan?Handlungsfelder

-Was gehört zur Automatisierungstechnik?

Definition Automatisierungstechnik

-Wie setze ich es im Unterricht um?Unterrichtsbeispiele

Mögliche Gründe


2. Automatisierungstechnikin den / als

Handlungsfeld(ern) ?!


Handlungsfelder im Technikunterricht

· Arbeit und Produktion· Bauen und Wohnen

· Transport und Verkehr· Versorgung und Entsorgung

· Information und Kommunikation· Haushalt und Freizeit


Arbeit und ProduktionAufbau und Funktionsweise von Maschinen, die:

- im Technikunterricht verwendet werden (z.B.: Bohrmaschine mit einstellbarer Drehzahl)

- in der industriellen Produktion eingesetzt werden (z.B. CNC-Maschinen, Fertigungsroboter)

- die das Leben der Menschen verändert haben (Industriealisierung / Technikgeschichte)


Bauen und Wohnen- Steuerung bzw. Regelung des Warmwassers

und der Heizungsanlage im Haus- (Optimierung der) Verlegung der

Stromleitungen zur Lichtsteuerung in Gebäuden


Transport und Verkehr- Möglichkeiten der Steuerung einer Ampelanlage (mechanisch, elektrisch)

- Steuerung von mehreren Ampelanlagen aufgrund des Verkehrsaufkommens mittels

Sensoren und Computer- Automatikschaltung im PKW- Gangschaltung am Fahrrad


Versorgung und Entsorgung- Wasserstandregelung (z.B. Spülkasten)

- Regulierung der konstanten Spannungsversorgung durch Kraftwerke


- Ausrichtung eines Windkonverters und

Veränderung des Anstellwinkels der Flügel in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit

Information und Kommunikation- Erstellen / Nutzen von Software zur

Steuerung / Regelung von Maschinen- Erstellen von Ablaufplänen / Flussdiagrammen /

Struktogrammen zur Prozessverdeutlichung- Wandlung von gemessenen Werten in

Informationen zur Steuerung- Verwendung der formalen Logik zur Erstellung

von logischen Steuerschaltungen


&

Haushalt und Freizeit

Aufbau und Funktion von nahezu sämtlichen Haushaltgeräten, in denen Steuerungs- und

Regelungsprozesse stattfinden, z.B.:


Heizung, Waschmaschine, Ofen, Toaster, Eierkocher, Trockner, Fön, elektrische Zahnbürste, Bügeleisen,

Boiler, Kühlschrank, Gefrierschrank…

Probleme der Handlungsfelder Themen der Automatisierungstechnik können

jedem Handlungsfeld zugeordnet werdenDenk- und Handlungsweisen sind in den

Handlungsfeldern fast überall gleich Wenn die Handlungsfelder nicht klar definiert sind, ist ihre Anzahl beliebig vergrößerbar – als Grundlage

für ein Curriculum muss darüber nachgedacht werden!

Lernfelder sollten spezifische Denk- und Handlungsweisen beinhalten


Ziele und Inhalte der AutomatisierungstechnikDie Schülerinnen und Schüler können:- den Unterschied zwischen Steuern und Regeln erklären.- Geräte aus ihrer Lebenswelt nennen, in denen Steuerungs-

bzw. Regelungsprozesse stattfinden.- die Begriffe Führungsgröße (Sollwert), Stellgröße, Störgröße,

Steuerstrecke… fachgerecht benutzen.- die eben genannten Elemente an ihnen bekannten Geräten

verorten.- das Schema von Steuerkette und Regelkreis aufzeichnen.


Ziele und Inhalte der Automatisierungstechnik- den Ablauf einer Steuerung / Regelung mit einem

Ablaufplan / Flussdiagramm / Struktogramm graphisch darstellen.

- die Funktionsweise eines Zweipunktreglers (PID-Reglers) erklären.

- mechanische und elektronische (pneumatische, hydraulische) Steuerungen selber konstruieren und anfertigen.

- eine Programmiersprache / Computer anwenden, um vorgegebene Roboter / Maschinen zu steuern.

- die Bedeutung der Automatisierungstechnik für die Entwicklung der Gesellschaft und unser heutiges Leben verdeutlichen. Institut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

Technik muss seine Eigenständigkeit und Notwendigkeit verdeutlichen

Automatisierungstechnik findet nur im Technikunterricht statt!


Automatisierungstechnik im Unterricht

Fazit der DGTB Tagung von 2009:

„Insbesondere von den Kolleginnen und Kollegen aus den Schulen werden Inhalte und Themen

erwartet, die theoretische Grundlagen und Handlungsanweisungen für den Unterricht mit

praktischen Ratschlägen und Tipps bereitstellen.“


3. Definition Automatisierungstechnik


Mechanischer Türöffner

Heron von Alexandria

(lebte vermutlich im1. Jahrhundert)

http://www.realschule.bayern.de/lehrer/dokumente/untmat/ph/heron/heron.htm


Mechanische Öllampe

Heron von Alexandria

(lebte vermutlich im1. Jahrhundert)

http://www.sn.schule.de/~gyfloeha/rt/lex01/lex0100.html


Heutige Automaten


„Unter Automatisierungstechnik versteht man nach DIN 19233 das Einsetzen technischer Mittel, um einen Vorgang selbstständig ablaufen zu lassen.

Einen großen Anteil an der Automatisierungstechnik eines Prozesses nimmt die Steuerungs- und Regelungstechnik ein.

Produktionsprozesse werden hierbei so konzipiert, dass mechanische, elektrische, pneumatische oder hydraulische Einheiten selbstständig – häufig mit Hilfe von Computern – arbeiten können.“

Fachkunde Mechatronik, Europa Lehrmittel Verlag, 2008

Definition Automatisierungstechnik


3 grundlegende Begriffe- Messen- Steuern- Regeln


Erfassen der physikalischen Basisgrößen:- Länge- Masse- Zeit- Stromstärke- Temperatur- Lichtstärke- (Stoffmenge)

Messen


Abgeleitete Größen:- Kraft- Druck- Geschwindigkeit- Volumen

Messen


Steuern Steuerkette

Basiswissen Schule – Technik, Dudenverlag, 2001


Regeln Regelkreis

Vergleich Steuern und Regeln

umwelt: technik – Themenheft: Automatisierung, Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2006


4. Unterrichtsbeispiele


Typisches Beispiel für Automatisierung im Technikunterricht:

CNC-Drehmaschine

http://de.opitec.com/opitec-web/articleNumber/314204/zz/cID/1285061561297


„Klassische“ Bausätze

oft nur reine Werkaufgabe


Erstellen eines Flussdiagrammes Elemente:

Start / Stopp Operation

Verzweigung

Ja

Nein Verbindung zum nächsten

ElementInstitut für Technik und ihre Didaktik - Thomas Weber - 2010

ThermolüfterFlussdiagramm

ThermolüfterStruktogramm


Welche anderen (Haushalts-) Geräte benötigen ebenfalls eine

Temperaturregelung?

Gibt es neben dem Verwenden von Bimetall noch weitere Steuerungsmöglichkeiten?


Technische Analyse: Demontage von Haushaltsgeräten mit Temperaturregelung


Möglicher Schülerversuch:Verhalten einer Zweipunktregelung

+


Graphische Darstellung des Verhaltens einer Zweipunktregelung



Bauanleitung zur Ampelsteuerung

Analyse von Technik:SuS sollen die Ampelphasen einer

realen Ampel selber überprüfen

Auszug aus der Bauanleitung „105.071 Ampelschaltung“ von Opitec


Analyse der Ampelphasen

- Wie viele Phasen gibt es?

- Dauern alle Phasen gleich lang?- Wozu dient die Phase Rot-Gelb? - Wenn zwei Ampeln an einer Kreuzung stehen:

Warum überschneiden sich zwei Rotphasen?


Technik konstruieren- Wie bestimme ich die Länge der einzelnen

Phasen?- Wie bestimme ich die Länge des gesamten Zyklus?


VariationsmethodeWie kann ich die Ampelschaltung

verändern / verbessern?- Ansteuerung der Dose durch einen Motor

(+ elektronische Zeitschaltung)- Nockensteuerung mit Tastern anstelle von

Schleifkontakten an einer Dose- anstatt der Dose eine Metallscheibe verwenden

Möglichkeit, eine Platine zu ätzen


Beispiel Platinenlayout


RotGelbGrün

Technik bewertenWelche Vor- und Nachteile haben die unterschiedlichen Lösungsmöglichkeiten?- Dualbewertung- gestufte Bewertung- Punktbewertung


Verwendung von Hard- und Software zu computerunterstützten

Steuer- und Regelungsprozessen


Automatisierungstechnik mit Lego RCX und Lego NXT


Beispielaufgaben



Weitere Beispielaufgaben

- Einschalten einer Lampe in Abhängigkeit von der Umgebungshelligkeit

- Ansteuerung eines Ventilators beim Erreichen einer bestimmten Temperatur

- Erzeugen von verschiedenen Signaltönen in Abhängigkeit vom Abstand zum Ultraschallsensor

- Konstruieren und Programmieren eines Linienfolgers


Erstellen vonelektronischen Schaltungen

zu Steuer- und Regelungsprozessen




Beispielschaltung

Ab einer vorgegebenen Dunkelheit soll eine Lampe eingeschaltet werden.

Schaltung mit LDR und Glühlampe

Bei Unterschreitung einer bestimmten Temperatur soll eine Heizung eingeschaltet werden.

Thermistor und Heizwiderstand

Bei Überschreitung einer Temperatur soll ein Ventilator eingeschaltet werden.

Thermistor und Motor

Beispiele für elektronische Steuerungen


Entdeckendes / Erfindendes Lernen


Black Box MethodeAufgabe:Wie könnte der Türöffner von

Heron von Alexandria funktioniert

haben?


Black Box MethodeAufgabe:Zeichne in das Kästchen eine

mögliche Lösung, wie die

automatische Tür funktioniert haben kann!


Aufgabe:Entwerfe eine

Öllampe, bei der der Docht

automatisch weitergeführt

wird!

http://www.sn.schule.de/~gyfloeha/rt/lex01/lex0100.html


Aufgabe:Wie funktioniert der Spülkasten einer Toilette?

(Fertige eine Skizze seiner

Funktionsweise an!)

http://www.badshop-world.de/images/nova.jpg

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WC Spülung

http://de.wikipedia.org/wiki/Toilettensp%C3%BClung


WC Spülung

http://de.wikipedia.org/wiki/Toilettensp%C3%BClung

Aufgabe:Beschreibe die Funktionsweise

eines Spülkastens!


Wie kann man ein Bimetall zur Temperaturmessung einsetzen?


Diskussionen zum Thema Automatisierungstechnik

und ihre Bedeutung und Auswirkung


- Wie verändert die Automatisierungstechnik Deinen Alltag?

- Welche Vor- und Nachteile ergeben sich dadurch für Dich?

- Kannst Du mögliche Gefahren der Automatisierungstechnik nennen?

- Welche Auswirkung hat der Einsatz der Automatisierungstechnik auf die Gesellschaft?

Technikgeschichte

Diskussionen im Technikunterricht


Diskussion


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