SafetySim - Entwicklung von digitalen Ausbildungskonzepten zur realitätsnahen Anlagensimulation für den Einsatz von Sicherheits-SPSen in der beruflichen Aus- und Weiterbildung

Status:

abgeschlossen 02/2020

Zielsetzung:

In der elektrotechnischen Berufsausbildung fehlen gerade im besonders sicherheitssensitiven Bereich der digitalen Maschinensteuerungen geeignete Ausbildungsmaterialien, die eine sachgerechte und sichere Planung, Installation und Nutzung der mittlerweile in der industriellen Praxis vorherrschenden Sicherheitssteuerungen vermitteln helfen. Diese Lücke soll das Forschungsvorhaben SafetySim mit einer Simulation von Anlagen zum einfachen realitätsnahen Training des Einsatzes von Sicherheits-SPS (SPS: speicherprogrammierbare Steuerung) in der Ausbildung schließen.

Ziel des kooperativen Forschungsvorhabens des Instituts für Visual Computing der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (HBRS) und des Bundesinstituts für Berufsbildung (BIBB) mit Unterstützung von gewerblichen Partnern aus der Branche der Lehr- und Ausbildungsmittel für die berufliche Bildung war ein Angebot einer exemplarischen Simulations- und Trainingsanwendung zum Erlernen sicherheitsrelevanter Aspekte beim Betrieb speicherprogrammierbarer Maschinen und Anlagen in elektrotechnischen Ausbildungsberufen.

Aktivitäten/Methoden:

Zur Erreichung der oben genannten Ziele sollte ein 3D-simulationsbasiertes Mehrbenutzer-Trainingssystem entwickelt werden, das den Einsatz von Sicherheits-SPSen bei der Realisierung von Sicherheitsfunktionen unterstützt. Dafür war eine 3D-Simulationssoftware zu entwickeln, welche Schutzeinrichtungen (inkl. zugehöriger Sensoren/Aktoren) einer Maschine in physikalisch und elektromechanisch korrekter Weise simuliert. Die zugehörigen Signale sollten durch den zu entwickelnden E/A-Adapter so aufbereitet werden, dass diese von handelsüblichen Sicherheits-SPSen gelesen bzw. über den E/A-Adapter in die Simulationssoftware ausgegeben werden können. Der didaktische Ansatz erfordert das Einstreuen von Fehlern in die simulierten Schutzeinrichtungen und Aktoren, z. B. Kontaktdiskrepanzen, Drahtbruch, Festschweißen von Schützen, Kurz- und Querschlüsse. Die Realisierung dieses Verhaltens stellt aber eine weitere technische und wissenschaftliche Herausforderung dar, da dies in Echtzeit auf Standard-Rechnertechnik erfolgen muss.

Anschließend sollen die (beabsichtigten) Reaktionen der Sicherheits-SPS auf die induzierten Fehler unter Echtzeitbedingungen von den Auszubildenden beobachtet und analysiert werden können. Die Einbeziehung moderner didaktischer Lernkonzepte, die damit verbundenen Evaluationsmöglichkeiten der Lernerfolge und die gezielte Fokussierung auf das Erlernen sicherheitsrelevanter Fehleraspekte (z. B. Drahtbruch, defekte Schütze/Relais o. ä.) bilden dabei Alleinstellungsmerkmale.

Die Simulation soll zunächst exemplarisch in den drei IHK-Ausbildungsgängen "Elektroniker/in für Geräte und Systeme", "Mechatroniker/in" und "Elektroniker/in für Betriebstechnik" diejenigen fortgeschrittenen Lernmodule ergänzen, in denen die Auszubildenden Fähigkeiten zum Umgang mit elektrischen Anlagen, Fehlererkennung, Maschinensicherheit, räumlich-logische Zusammenhänge und gründlichem Vorgehen bei sicherheitsrelevanten Tätigkeiten erwerben.

Die Entwicklung wird fortlaufend durch Nutzertests evaluiert und anhand der Ergebnisse die Vorgehensweise entsprechend angepasst.

Ergebnisse:

Im Rahmen des Projektes wurde ein erster Prototyp des E/A-Adapters entwickelt und gebaut. Der Adapter wurde erfolgreich mit der EATON easy Safety SPS und der Siemens S7-1200 Safety SPS getestet. Für den E/A-Adapter wurde eine Embedded Software implementiert, die die Kommunikation zwischen SafetySim-Anwendung und der physischen SPS ermöglicht. Außerdem wurde im Rahmen der Vorbereitung der Nutzertestphase ein exemplarischer Prototyp eines physischen Benutzerbedienungsfeldes fertiggestellt.

Im Bereich der Softwareentwicklung wurde der Stromlaufplaneditor fertiggestellt.

Zusätzlich wurde die erste Version der technischen Dokumentation erstellt. Die Dokumentation umfasst die "SafetySim Bedienungsanleitung“ und "Kurzeinführung für die praktische Erprobung, SafetySim Erste Schritte“ sowie "Hinweise zum Lernbaustein für Auszubildende“ .

Stand: