Berufliche Schulen Technisches Gymnasium Umsetzung der Lehrpläne im Profil Umwelttechnik Profilfach Umwelttechnik Eingangsklasse Landesinstitut für Schulentwicklung www.ls-bw.de best@ls.kv.bwl.de Qualitätsentwicklung und Evaluation LPE 2: Umwelttechnische Systeme steuern Schulentwicklung und empirische Bildungsforschung Stuttgart 2017 H-17.02b Bildungspläne
Redaktionelle Bearbeitung Redaktion: Autoren: Bildautor: Konrad Neufeld, LS Stuttgart Otto Bubbers, Gottlieb-Daimler-Schule 2 Sindelfingen Bernhard Broghammer, Berufliche Schulen Schramberg Joachim Stoll, Friedrich-August-Haselwander-Schule Offenburg Thomas Wolf, Werner-Siemens-Schule Stuttgart Otto Bubbers, Carl-Engler-Schule Karlsruhe Bildschirmkopien eigener Programme, erstellt mit der freien Demoversion von LOGO! Soft Comfort, V8, Siemens AG 2016 Erscheinungsjahr 1. Auflage 2014 Stand 2., überarbeitete und ergänzte Auflage Februar 2017 Impressum Herausgeber: Druck und Vertrieb: Urheberrecht: Landesinstitut für Schulentwicklung (LS) Heilbronner Straße 172, 70191 Stuttgart Telefon: 0711 6642-0 Telefax: 0711 6642-1099 E-Mail: poststelle@ls.kv.bwl.de www.ls-bw.de Landesinstitut für Schulentwicklung (LS) Heilbronner Straße 172, 70191 Stuttgart Telefon: 0711 6642-1204 www.ls-webshop.de Inhalte dieses Heftes dürfen für unterrichtliche Zwecke in den Schulen und Hochschulen des Landes Baden-Württemberg vervielfältigt werden. Jede darüber hinausgehende fotomechanische oder anderweitig technisch mögliche Reproduktion ist nur mit Genehmigung des Herausgebers möglich. Soweit die vorliegende Publikation Nachdrucke enthält, wurden dafür nach bestem Wissen und Gewissen Lizenzen eingeholt. Die Urheberrechte der Copyrightinhaber werden ausdrücklich anerkannt. Sollten dennoch in einzelnen Fällen Urheberrechte nicht berücksichtigt worden sein, wenden Sie sich bitte an den Herausgeber. Bei weiteren Vervielfältigungen müssen die Rechte der Urheber beachtet bzw. deren Genehmigung eingeholt werden. Landesinstitut für Schulentwicklung, Stuttgart 2017
Landesinstitut für Schulentwicklung Inhaltsverzeichnis 1 Vorwort...1 2 Stoffverteilung...2 2.1 Einbettung dieser Lehrplaneinheit in den Gesamtzusammenhang...2 2.2 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan für LPE 2...2 2.3 Hinweise zur Arbeitsweise...2 3 Grundbegriffe...4 3.1 Was bedeutet steuern?...4 3.2 Analog, Digital, Binär...5 3.3 Signale in einer Steuerung...5 3.4 Dezimal- und Dualzahlen...6 4 Steuerungen mit binären Signalen...7 4.1 Digitale Grundverknüpfungen...7 4.2 Handling der Schaltungseingabe und Regeln zur Veranschaulichung...10 4.3 Schaltung nach Funktionsgleichung (Beispiel 1)...11 4.4 Schaltung nach Funktionsgleichung (Beispiel 2)...12 4.5 Entwurf einer Schaltung aus Grundelementen: Wechselschaltung...13 4.6 Disjunktive Normalform: eine systematische Lösungsmöglichkeit...14 4.7 Prüf- und Sicherheitsschaltung (Übung)...15 4.8 Majoritätsschaltung: 2-aus-3-Schaltung (Übung)...16 4.9 Wechselschaltung mit 3 Ein-Aus-Schaltern (Übung)...17 4.10 Wechselschaltung mit 4 Ein-Aus-Schaltern (Übung)...18 4.11 Leuchtpunktanzeige (Übung)...19 4.12 Leuchtbandanzeige, Thermometer-Code (Übung)...20 4.13 Teichbefüllungssteuerung (Übung)...21 4.14 Aufgabe Wasseraufbereitungsanlage...22 4.15 Windrichtungsanzeige für Windkraftanlage (Übung)...23 4.16 Sturmsicherung für eine Windkraftanlage (Übung)...24 5 Schwellwertschalter, Schmitt-Trigger...25 5.1 Komparator (Schwellwertschalter) ohne Hysterese...25 5.2 Komparator (Schwellwertschalter) mit Hysterese (Schmitt-Trigger)...25
LPE 2: Umwelttechnische Systeme steuern 5.3 Analoger Schwellwertschalter (Komparator) in LOGO!...26 5.4 Analoger Schadstoffmelder (Übung)...28 5.5 Schadstoffkonzentrationsanzeige mit 3 Stufen (Übung)...29 5.6 Pumpensteuerung für thermische Solaranlage (Übung)...30 5.7 Jalousiesteuerung (Übung)...30 6 Speichern von Informationen...31 6.1 Erklärung des Begriffs Speichern am Beispiel Fahrstuhlanforderung...31 6.2 RS-Speicher (RS-Flipflop)...31 6.3 RS-Speicher aus Grundgattern...31 6.4 Funktionsbaustein RS-Speicher...32 6.5 Regenwassernutzung...33 7 Zeitfunktionen...36 7.1 Einschaltverzögerung...36 7.2 LOGO!-Ausschaltverzögerung...36 7.3 Anwendung Treppenhauslicht mit 3 Tastern...37 8 Prinzip von Ablaufsteuerungen...38 8.1 Funktion einer Schrittkette...38 8.2 Grafische Ablaufdarstellung einer einfachen Befüllung...39 8.3 Zugehöriges Zeitablaufdiagramm: einfache Befüllung...41 8.4 Schaltungsaufbau mit LOGO!...42 8.5 Alternativer Schaltungsaufbau in LOGO! mit speichernden Ausgängen...43 9 Beispiele von Ablaufsteuerungen...44 9.1 Ablaufsteuerung einer Waschstraße...44 9.2 Einfache Ampelsteuerung...49 9.3 Fußgängerampel (Übung)...51 9.4 Fußgänger-Bedarfsampel (Übung)...53 9.5 Schaltwerk für eine Waschmaschine...54 9.6 Schwimmbecken mit Sonnenkollektorheizung...58 9.7 Mischanlage...61
Landesinstitut für Schulentwicklung 1 Vorwort Diese Handreichung kann als Unterrichtsskript dienen. Es wird davon ausgegangen, dass den Schülerinnen und Schülern kein Buch zur Verfügung steht. Theorie und Praxis sind untrennbar miteinander verbunden. Daher sollte diese Lehrplaneinheit durchgängig von einer Lehrkraft unterrichtet werden. Durch den hohen Laboranteil sind Doppelstunden sinnvoll, um die Summe der Rüstzeiten klein zu halten. Im Labor kann die Theorie jederzeit durch kleine Schülerversuche im wahrsten Sinne des Wortes begriffen werden. Die Klassenteilung bietet darüber hinaus die Möglichkeit der individuellen Förderung, die gerade in der Eingangsklasse einen hohen Stellenwert einnehmen muss, um den unterschiedlichen Vorkenntnissen der Schülerinnen und Schüler gerecht zu werden. Nach Möglichkeit wird Computertechnik von der gleichen Lehrkraft unterrichtet, wie die Lehrplaneinheiten 1 und 2. Dadurch wird eine enge Verzahnung zwischen Profilfach und Computertechnik möglich. 1