In der traditionellen Automatisierungspyramide erfüllt die speicherprogrammierbare Steuerung alle Aufgaben gleichzeitig: Sie verwaltet die Prozesskette, führt die hardwarenahen Befehle aus und koordiniert das Zusammenspiel der Komponenten. In einer modularisierten, Software-definierten Fertigung wird dieser Aufgabenberg entflochten.
In der klassischen Automatisierungstechnik hatte das Wort Steuerung über Jahrzehnte hinweg eine eindeutige Zuordnung. Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) war das unangefochtene Zentrum der Fertigungszelle. Sie las Sensorwerte ein, schaltete Ventile, regelte Achsen, verwaltete Rezepturen, führte den Bediener durch Schrittketten und fungierte ganz nebenbei noch als Übersetzer in die übergeordnete Leittechnik. Diese funktionale Verdichtung war lange Zeit das Erfolgsgeheimnis der deutschen Automatisierungsexzellenz: Alles befand sich in einer Hand, deterministisch getaktet und in sich geschlossen.
Doch genau diese historische Stärke entwickelt sich im Zeitalter der Software-definierten Fabrik zum Flaschenhals. Wenn sich Produktlebenszyklen verkürzen, Chargengrößen sinken und Fertigungslinien dynamisch umkonfiguriert werden müssen, stößt der All-in-One-Ansatz an seine Grenzen. Das Problem ist dabei selten die Hardwareleistung moderner Steuerungen, sondern ein begriffliches und architektonisches Missverständnis.
In Diskussionen über modulare Produktion wird der Begriff der Steuerung oft synonym für völlig unterschiedliche Aufgabenarten verwendet. Um zukunftsfähige, entkoppelte Architekturen zu bauen, müssen wir die Arbeit in der Werkshalle präzise entflechten und drei Ebenen unterscheiden: die physikalische Ausführung, die lokale Steuerung atomarer Funktionen und die übergeordnete Orchestrierung variabler Prozessketten.
1. Die Ausführung: Der deterministische Muskel der Anlage
An der untersten Schnittstelle zur physischen Welt geht es um harte Physik. Die Ausführung umfasst alle Vorgänge, bei denen Signale direkt in Bewegung, Kraft, Temperatur oder Messwerte umgewandelt werden. Dazu zählen die Ansteuerung von Servoverstärkern, das Erfassen von Inkrementalgebern, schnelle Schaltzyklen von Pneumatikventilen sowie sämtliche funktionalen Sicherheitsfunktionen nach den einschlägigen ISO- und IEC-Normen.
Auf dieser Ebene gelten unumstößliche technische Anforderungen: Determinismus, Reaktionszeiten im einstelligen Millisekundenbereich oder darunter und eine ausnahmslose Ausfallsicherheit. Ein Not-Halt-Signal oder ein Positionsstopp darf nicht darauf warten müssen, ob ein Netzwerkpaket im Ethernet-Switch verzögert wurde oder ein Betriebssystem-Update im Hintergrund Ressourcen bindet.
Die Ausführung verbleibt daher auch in modernsten Software-Fabriken unangetastet auf der SPS beziehungsweise der dedizierten Feld-Hardware. Die SPS verliert durch die Digitalisierung nicht an Wert, sondern wird auf ihre größte Stärke zurückgeführt. Sie ist und bleibt der verlässliche, echtzeitfähige Muskel der Fertigung.
2. Die Steuerung: Kapselung in atomare Skills
Die mittlere Ebene bildet die Brücke zwischen der physischen Ausführung und der digitalen Logikwelt. Hier findet die eigentliche Steuerung im engeren Sinne statt – allerdings nicht mehr als endloses, miteinander verflochtenes Gesamtskript, sondern in Form von streng gekapselten, atomaren Einzelfunktionen, den sogenannten Skills.
Ein Skill bündelt eine zusammengehörige Gruppe von Ausführungsschritten zu einer logischen Fähigkeit. Beispiele hierfür sind das präzise Positionieren einer Linearachse, das Ausführen eines definierten Einpressvorgangs oder das Starten einer Qualitätsmessung. Der Skill auf der SPS verarbeitet Eingabeparameter, führt die lokale Abfolge deterministisch aus, überwacht den internen Ablauf über einen standardisierten Zustandsautomaten und meldet schließlich ein strukturiertes Ergebnis zurück.
Der entscheidende Unterschied zur klassischen Vorgehensweise liegt in der vollständigen Entkopplung. Ein atomarer Skill auf der SPS weiß nicht, wofür das aktuell gepresste Bauteil verwendet wird oder welcher Prozessschritt als Nächster folgt. Er konzentriert sich ausschließlich darauf, seine genau definierte Aufgabe unter Einhaltung aller Toleranzen korrekt auszuführen. Durch diese saubere Kapselung entsteht eine Schnittstelle, die sich wie ein Software-Dienst aufrufen und parametrieren lässt.
3. Die Orchestrierung: Das Dirigat der flexiblen Prozesskette
Während Ausführung und lokale Steuerung auf Feldebene verankert bleiben, wandert die dritte Ebene – die Orchestrierung – konsequent nach oben ab. Die Orchestrierung entspricht dem Dirigenten eines Orchesters: Sie spielt selbst kein Instrument, entscheidet aber darüber, wann welches Instrument mit welchem Einsatz an der Reihe ist.
Auf dieser Ebene wird festgelegt, wie die atomaren Skills der SPS zu einer vollständigen Prozesskette verknüpft werden. Die Orchestrierung nimmt Kundenaufträge aus dem ERP- oder MES-System entgegen, löst die erforderlichen Fertigungsschritte auf und ruft die Skills auf den Steuerungen in der passenden Reihenfolge auf. Sie verwaltet Rezepturparameter, wertet Qualitätsdaten in Echtzeit aus und entscheidet bei Störungen oder Engpässen dynamisch über Ausweichrouten.
Da diese Prozesslogik naturgemäß einer hohen Veränderungsfrequenz unterliegt, wird sie auf übergeordneten Edge-Plattformen oder speziellen Controllern wie dem Skill Management and Lifecycle Controller (SMLC) implementiert. Hier kommen moderne Software-Methoden und Hochsprachen wie Python, Go oder C# zum Einsatz. Anpassungen an der Prozesskette erfordern somit keinen Eingriff in den SPS-Code, keine Neu-Kompilierung und keine Unterbrechung der unterlagerten Sicherheitsarchitektur.
Fazit: Gewinner durch klare Schnittstellen
Die Entflechtung von Ausführung, Steuerung und Orchestrierung ist kein akademischer Selbstzweck, sondern die Voraussetzung für wirtschaftliche Flexibilität im Brownfield.
Indem wir der SPS die Last der veränderlichen Prozesslogik abnehmen, befreien wir sie aus der Rolle des unübersichtlichen Monolithen. Die Steuerung wird zum hochspezialisierten Dienstleister, der atomare Fähigkeiten über standardisierte Schnittstellen robust bereitstellt. Die Dynamik wandert dorthin, wo sie hingehört: in die Software-Schicht der Edge-Ebene. Erst durch diese klare Rollenteilung wird aus einer starren Automatisierungsanlage eine anpassungsfähige, Software-definierte Fabrik.
Skill-basierte Automatisierung
Die Software-definierte Fabrik
Zwischen Echtzeit-Anforderungen, funktionaler Sicherheit und gewachsenen Anlagenstrukturen scheint mehr Flexibilität im Brownfield oft unmöglich. Dieses Whitepaper zeigt, wie skillbasierte Architekturen SPS-Funktionen kapseln, Modernisierung vereinfachen und den Weg zur software-definierten Fabrik ebnen.
