Aus unserem Fragenpool von 150 IHK-Prüfungsfragen nach offiziellem ZPA/AkA-Wortlaut. Bearbeiten Sie die Aufgaben und vergleichen Sie Ihre Antwort mit dem Erwartungshorizont:
Sensoren und Aktoren im CPS
6 Punkte
In einem intelligenten Serverraum überwachen Sensoren die Umgebungstemperatur und steuern bei Bedarf automatisch Lüftungsklappen.
Definieren Sie die Begriffe Sensor und Aktor in einem Cyber-Physischen System (CPS) und nennen Sie je zwei typische Komponenten in einem Rechenzentrum.
💡 Offizieller IHK-Erwartungshorizont & Punkteverteilung
Sensor: Technisches Bauteil, das physikalische oder chemische Größen (z. B. Temperatur, Helligkeit, Druck) erfasst und in elektrische bzw. digitale Signale umwandelt. Beispiele: Temperaturfühler (PT100/NTC), Rauchmelder, Feuchtigkeitssensor. (3 Pkt.)
Aktor (Aktorik): Bauteil, das elektrische Steuerbefehle in mechanische Bewegung, Schaltvorgänge oder andere physikalische Wirkungen umsetzt. Beispiele: Stellmotor für Lüftungsklappen, Relais zum Einschalten von Kühlaggregaten, Magnet-Türschloss. (3 Pkt.)
MQTT-Protokoll Publish-Subscribe
8 Punkte
Zur Übertragung von Messwerten hunderter IoT-Sensoren an einen Server wird MQTT anstelle von HTTP REST gewählt.
Beschreiben Sie die Funktionsweise des Publish-Subscribe-Musters bei MQTT unter Nennung der Rollen Broker, Publisher und Subscriber und erläutern Sie einen Vorteil gegenüber HTTP.
💡 Offizieller IHK-Erwartungshorizont & Punkteverteilung
Funktionsweise: Publisher (z. B. ein Temperatursensor) sendet Nachrichten zu einem bestimmten Thema (Topic, z. B. "serverraum/rack1/temp") an den zentralen Vermittler (MQTT-Broker). Subscriber (z. B. ein Dashboard oder Alarmdienst) abonnieren dieses Topic beim Broker. Der Broker leitet jede neue Nachricht automatisch an alle aktiven Abonnenten weiter. (5 Pkt.)
Vorteil gegenüber HTTP: Extrem geringer Protokoll-Overhead (Header ab 2 Byte), Push-Prinzip statt ständigem Polling, ideal für bandbreitenarme Verbindungen und stromsparende Mikrocontroller. (3 Pkt.)
MQTT Quality of Service (QoS Level)
8 Punkte
In einem IoT-Überwachungssystem müssen verschiedene Meldungen übertragen werden: Regelmäßige Temperaturwerte alle 5 Sekunden und kritische Rauchmelder-Alarme.
Erläutern Sie die drei MQTT QoS-Stufen (QoS 0, QoS 1, QoS 2) und ordnen Sie die beiden Meldungstypen begründet zu.
💡 Offizieller IHK-Erwartungshorizont & Punkteverteilung
QoS 0 (At most once): Nachricht wird maximal einmal ohne Empfangsbestätigung versendet ("Fire and forget"). Verlust möglich. (2 Pkt.)
QoS 1 (At least once): Nachricht wird garantiert mindestens einmal zugestellt (Bestätigung via PUBACK), Duplikate sind möglich. (2 Pkt.)
QoS 2 (Exactly once): Nachricht wird garantiert genau einmal ohne Duplikate über einen 4-Wege-Handshake zugestellt. Höchster Overhead. (2 Pkt.)
Zuordnung: Regelmäßige Temperaturwerte -> QoS 0 (einzelner Verlust unkritisch); Rauchmelder-Alarm -> QoS 1 oder 2 (darf keinesfalls verloren gehen). (2 Pkt.)
Analog-Digital-Wandlung & Abtasttheorem
6 Punkte
Ein analoger Drucksensor liefert eine Spannung zwischen 0 und 10 Volt. Ein Mikrocontroller liest das Signal mit einem 10-Bit-A/D-Wandler ein.
Berechnen Sie die kleinste auflösbare Spannungsstufe (Auflösung) des Wandlers und formulieren Sie das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem für periodische Signale.
💡 Offizieller IHK-Erwartungshorizont & Punkteverteilung
10-Bit Auflösung: 2^10 = 1024 diskrete Stufen. (2 Pkt.)
Spannungsschritt: 10 V / 1024 = 0,009765 V = ca. 9,77 mV. (2 Pkt.)
Nyquist-Shannon-Abtasttheorem: Um ein bandbegrenztes analoges Signal ohne Informationsverlust (Aliasing) digital rekonstruieren zu können, muss die Abtastfrequenz (Sampling Rate) mehr als doppelt so hoch sein wie die höchste im Signal vorkommende Grenzfrequenz (f_abtast > 2 * f_max). (2 Pkt.)
Feldbussysteme Modbus RTU vs Modbus TCP
8 Punkte
In einer Gebäudeleittechnik werden Energiezähler und Klimageräte über Modbus an eine Steuerung angebunden.
Vergleichen Sie Modbus RTU und Modbus TCP bezüglich Übertragungsmedium, Adressierung und Fehlererkennung.
💡 Offizieller IHK-Erwartungshorizont & Punkteverteilung
Modbus RTU: Physische Zweidrahtleitung RS-485 (differenzielle Spannung). Master-Slave-Prinzip mit Slave-IDs (1 bis 247). Fehlererkennung erfolgt über eine 16-Bit-CRC-Prüfsumme (Cyclic Redundancy Check) am Frame-Ende. (4 Pkt.)
Modbus TCP: Basiert auf Standard-Ethernet und TCP/IP (Standard-Port 502). Adressierung erfolgt über reguläre IP-Adressen und Portnummern. Die Fehlererkennung und Flusskontrolle wird vollständig von den darunterliegenden TCP- und Ethernet-Prüfsummen übernommen (kein CRC im Modbus-Header nötig). (4 Pkt.)
Edge Computing vs Cloud Computing
6 Punkte
In einer Industrie-4.0-Fertigung erfassen Sensoren 10.000 Messwerte pro Sekunde an einer CNC-Fräse.
Begründen Sie, warum die Auswertung zur Erkennung von Werkzeugbruch über ein Edge-Device direkt an der Maschine und nicht in einer Cloud-Plattform stattfinden muss.
💡 Offizieller IHK-Erwartungshorizont & Punkteverteilung
1. Latenzzeit (Echtzeitfähigkeit): Ein Werkzeugbruch erfordert eine Notabschaltung innerhalb von Millisekunden. Der Roundtrip in eine Cloud über das Internet hat Latenzen von 20-100 ms und ist für Maschinenschutz zu langsam. (2 Pkt.)
2. Bandbreitenbedarf: 10.000 Messwerte pro Sekunde würden kontinuierlich Gigabytes an Daten über den Internetanschluss pumpen und unnötige Kosten/Leitungsüberlastung erzeugen. (2 Pkt.)
3. Ausfallsicherheit: Die Maschine muss auch bei einem Ausfall der Internetverbindung autark und sicher weiterlaufen. (2 Pkt.)