19. Realisierung eines I4.0-Lerndemonstrators im Rahmen des AKKORD-Projekts

Die Digitalisierung von Produktionsprozessen nimmt zu, gleichzeitig existiert noch wenig didaktisches Material für die Aus- und Weiterbildung von Personal. Zudem sind derzeit erhältliche Demonstratoren eher sperrig, kostenintensiv und werden oft ohne didaktisches Konzept und Aufgaben für den Einsatz in der Ausbildung angeboten (Oks et al., 2021, S. 119 ff.). Deshalb haben sich die Real-Time-Systems GmbH, vormals Arendar IT-Security GmbH, und der Lehrstuhl für Berufspädagogik in den technischen Fächern (BtF) der Universität Hamburg innerhalb des Projekts AKKORD zusammengetan (Kap. 2), um prototypisch eine kompakte und erschwingliche Lernstation zur Veranschaulichung von industrieller Datenerfassung und zugehörigen Sicherheitskonzepten umzusetzen (siehe Kap. 14). Die Arbeiten stammen aus dem Umfeld des Konsortialprojekts AKKORD (siehe Kap. 1) und leisten einen Beitrag zur Realisierung der Prozesskette der industriellen Datenanalyse (siehe Kap. 4). Die abstrakten Industrie 4.0- Paradigmen werden durch den in diesem Kapitel beschriebenen Demonstrator als reale Lösungen erlern- und erlebbar. Der Demonstrator reiht sich in eine Gruppe von Demonstratoren im Forschungsprojekt ein, die u. a. auch das modulare Datenbackend (siehe Kap. 5 und 17) sowie die modularen Datenanalysen (siehe Kap. 6 und 18) beschreiben.

Auf der Wand der Lernstation (siehe Abb. 19.1) sind von links nach rechts das cybersichere Edge-Gateway ARENDAR, ein Raspberry Pi 2 und eine SPS montiert. Das Gateway verfügt über 3 LAN-Schnittstellen und ist über LAN 1 mit der Office IT im Boden des Koffers, über LAN 2 mit der SPS und über LAN 3 mit dem Raspberry Pi verbunden. Die Office-IT kann mit dem Internet verbunden werden, sodass auch das Gateway aus dem Netz erreichbar ist. Der Pi ist nur zur Demonstration des sicheren Fernzugriffs über das LAN 3 des Gateways nach 2-Faktor-Authentifzierung vorhanden und hat darüber hinaus keine weitere Funktion.

Auf dem Kofferboden befindet sich mittig ein Stirlingmotor mit einer Kühlung links daneben. Dieser steht für die erste technische Revolution und wird für Regelszenarien in Zusammenhang mit der Kühlung und für Produktionssimulationen eingesetzt. Im Vordergrund der Kühlung ist ein Schaltboard mit drei Kippschaltern und 2 LED-Leuchten, die jeweils direktverdrahtet mit den digitalen Eingängen des Gateways sind und zur Anzeige von Prozesszuständen bzw. zum Anschalten von Demonstratorkomponenten dienen. Unmittelbar rechts vom Stirlingmotor sind eine Lichtschranke zur Drehzahlmessung sowie zwei Temperatursensoren verortet, die sowohl direkt mit dem Gateway als auch mit der SPS verbunden sind. Links befindet sich ein Elektromotor, ebenfalls mit einer rechts daneben angebrachten Lichtschranke. Davor befindet sich wieder ein Schaltboard mit gleichem Aufbau wie in der rechten Hälfte. Dessen Elemente sind mit der SPS verbunden. Zwischen den beiden Schaltboards vorne in der Mitte befindet sich das Potenziometer-Board mit 3 Potis, die mit den analogen Eingängen des Gateways verbunden sind. Diese dienen zur Simulation von Werten in den Prozessen. Unsichtbar in dieser Ansicht sind zwei USB-Schnittstellen des Servers aus dem Office-Bereich hinter dem Elektromotor. Durch die Direktverdrahtung von Elementen der Station mit dem Gateway werden Retrofitting-Szenarien simuliert (vgl. Wöstmann et al., 2019, S. 94 ff.). Die Erfassung von Daten der Elemente über die SPS dient zur Darstellung von moderneren Szenarien, bei denen auf eine SPS zugegriffen werden kann.

Im Boden der Lernstation sind verschiedene Netzteile für die verschiedenen Komponenten, ein gemanagter LAN-Switch (zwei VLANs), ein Raspberry Pi 4 mit WLAN, der als Server dient, und ein LTE Stick untergebracht.

Die Station bietet zwei Möglichkeiten der Visualisierung erfasster Daten: über eine Weboberfläche des im Gateway integrierten Webservers und durch eine externe Visualisierung über die Open-Source-Software Node-RED. Mit der Visualisierung lassen sich praxisnahe Betriebsfälle aus diversen industriellen Bereichen zu unterschiedlichen Lernfeldern und Lernniveaus konstruieren (siehe Hardt & Klupak, 2022, S. 271 ff.). Gleichzeitig ist es möglich, durch die Konfiguration des Gateways, Parameter anzupassen oder Informationen (z. B. Durchschnittswerte, Min-Max-Bestimmung, etc.) durch Datenvorverarbeitung im ARENDAR zu erzeugen (Edge-Computing).

Im ersten Schritt wurden zunächst die möglichen technischen Einsatzfelder der vorhandenen ARENDAR-Lernplattform untersucht, um ein hybrides Lernkonzept daraus ableiten zu können. In diesem Zusammenhang bezeichnet hybrides Lernen eine Lehr- und Lernmethode, die sowohl traditionelle Präsenzveranstaltungen als auch digitale Elemente der Fernlehre kombiniert (Kerres, 2002, S. 1 ff.). Im weiteren Verlauf wurde eine Zielgruppenanalyse durchgeführt, bei der die duale technische Erstausbildung favorisiert wurde. Unter diesem Oberbegriff werden zahlreiche Ausbildungsberufe subsummiert, die einen inhaltlichen Bezug zum Schulungsinhalt aufweisen. Bei der dualen Berufsausbildung findet die Vermittlung von Lerninhalten an zwei Orten, im Ausbildungsbetrieb sowie in der berufsbildenden Schule, statt.

In diesem Zusammenhang wurden im nächsten Schritt aus den Rahmenlehrplänen der Kultusminister Konferenz zur dualen Berufsausbildung, welche auf der Internetseite der Kultusministerkonferenz zur Verfügung gestellt werden, vorab die technischen Ausbildungsberufe mit den passenden Lernfeldern erfasst und in einer Gesamtübersicht zusammengetragen (siehe KMK, 2023).

Unter den insgesamt 306 Rahmenlehrplänen wurden 26 technische Ausbildungsberufe mit möglichen Einsatzfeldern der Lernplattform identifiziert. Im Rahmen der Analyse wurden zu den 26 Ausbildungsberufen die spezifischen Lernfelder, das Ausbildungsjahr und deren Zeitrichtwerte erfasst. So hat beispielsweise der Ausbildungsberuf Anlagenmechaniker:in im adressierten Lernfeld 10 einen Zeitrichtwert von 80 h im dritten Ausbildungsjahr. Zusätzlich wurden unter dem Reiter ARENDAR die jeweiligen Lernfeld-Inhalte, die durch die Lernplattform abgedeckt werden, aufgelistet. Dies wird in Abb. 19.2 exemplarisch dargestellt.

In der Gesamtübersicht kann somit die inhaltliche Passung zwischen den identifizierten Ausbildungsberufen und den möglichen Schulungsinhalten des Demonstrators abgeglichen werden. Als Leitfaden kann die Gesamtübersicht die Lehrkräfte später beim Einsatz des hybriden Lernplattform-Konzeptes im Unterricht unterstützen, und eine Orientierungshilfe für die konkrete inhaltliche Anwendung bieten.

Im Anschluss erfolgte die didaktisch-/methodische Vorüberlegung, die sich am Konzept „Vom Lernfeld zur Lernsituation“ orientiert. Dabei werden in der Lernsituation die Lerninhalte aus dem Lernfeld konkretisiert, in der die Auszubildenden in möglichst realitätsnahe Handlungssituationen hineinversetzt werden. Dazu werden die jeweiligen Lerninhalte in einem simulierten, didaktisch aufbereiteten, beruflichen und/oder lebensweltlichen Kontext vermittelt, was eine motivierende Wirkung bei den Lernenden mit sich bringt. Als Szenario wurde ein fiktives Sägewerk für die Lernenden gewählt, in dem sich alte und neue Produktionsanlagen befinden, die den einzelnen Stufen der industriellen Revolution zugeordnet werden können.

In diesem Zusammenhang wird für die Lernenden ein sinnstiftender Bezug zwischen dem fiktiven Unternehmen und der AKKORD-Lernstation geschaffen (siehe Kap. 7). Bei der späteren Durchführung als Industrie 4.0- Projekttag an den berufsbildenden Schulen schlüpfen die Auszubildenden in die fiktive Rolle eines/-r Experten-/in, die von ihrem Onkel als Inhaber des „Sägewerks Fichtenast“ um Hilfe gebeten werden. Er möchte ein weiteres Sägewerk mit dem Namen „Tannental“ aufkaufen und in seine bestehende Firmenstruktur integrieren. Das erworbene Sägewerk soll unter den Aspekten von Industrie 4.0 modernisiert werden, sodass eine standortübergreifende Koordination möglich ist. Durch die Aufgabenstellung werden die Lernenden so in eine berufliche und lebensweltliche Situation versetzt.

Daraus wurde ein zweiteiliges Lernkonzept abgeleitet, welches im ersten Abschnitt die Lernsituation und die ersten drei Lernaufgaben bildet. In einem für die Schüler greifbaren Setting werden sie zunächst in die Grundlagen eingearbeitet, lernen etwas über die Industrierevolutionen und über die Lernstation. Die einzelnen Lerninhalte wurden dabei als Präsentationsvorlage entwickelt und in einer digitalen Work&Learn-Plattform als rollenbezogener Kurs „Berufsschule“ hinterlegt (Abb. 19.3).

Den zweiten Teil bilden die Lernaufgaben vier bis sieben. Diese vier Aufgaben sind als umfangreiche, von den Schülern möglichst eigenständig zu erarbeitende kleine Projekte entworfen. Das Konzept ist angelehnt an Stationen, in denen ein spezielles Thema im Team vertieft bearbeitet wird. Jede der Stationen greift ein zentrales Thema der AKKORD-Lernstation auf. Dabei kann die Klasse der Lernenden in vier Gruppen unterteilt werden, in der jede Gruppe an einer Lernstation arbeitet. Abgeschlossen wird dieses Lernkonzept mit einer Präsentationsphase. Hier sollen die einzelnen Gruppen ihre Lernstation sowie deren Ergebnisse vorstellen. Zusätzlich erhalten die Schüler, die sich nicht mit der vorgestellten Station auseinandergesetzt haben, eine Idee, was mit dem Gateway ARENDAR alles realisierbar ist.

Die Digitalisierung von Produktionsprozessen nimmt zu, gleichzeitig existiert noch recht wenig didaktisches Material für die Aus- und Weiterbildung von Personal. Derzeit erhältliche Demonstratoren sind eher sperrig, kostenintensiv und werden oftmals ohne didaktisches Konzept und Aufgaben für den Einsatz in der Ausbildung angeboten. Aus dieser Notwendigkeit entstand die erarbeitete Lösung, bestehend aus der in Abschn. 19.2 vorgestellten Hardware und digitalen Lernmodulen. Das vorgestellte Schulungskonzept ist nur eines von vielen Möglichkeiten, zur Nutzung der AKKORD-Lernstation. Hier kann, geführt durch eine von den Schülern greifbare Lernsituation, das Konzept der Lernstation als Ganzes erlebt werden. Alle angeführten Inhalte wurden in eine digitalen Work & Learn- Lernplattform integriert, sodass es für die Schüler aber auch für die Lehrpersonen möglich ist, damit zu arbeiten. Die Ergebnisse der ersten Pilotierung waren bis auf kleinere Probleme durchweg positiv.

Aktuell wird daran gearbeitet, die Stationen mit einem Multi-User-Interface auszustatten, sodass mehrere Gruppen gleichzeitig an einer Station arbeiten können, ohne einander zu beeinflussen. Dazu werden Simulationen kreiert, die dann über die ARENDAR-Weboberfläche zur Verfügung stehen sollen.