Vom starren SPS-Baustein zum flexiblen Skill: Am konkreten Pick-and-Place-Beispiel wird sichtbar, warum monolithische Schrittketten teuer und unflexibel sind – und wie die Entkopplung von Aktorik und Ablauflogik Änderungen ohne Stillstand und Re-Validierung ermöglicht. Ein technischer Vergleich für die Praxis.
Das Handhaben von Werkstücken – das sogenannte Pick-and-Place – gehört zu den grundlegendsten Aufgaben in der Fertigung und Intralogistik. Ein Greifer senkt sich ab, schließt die Bakken, hebt das Bauteil an, ein Portal verfährt zur Zielposition, legt das Teil ab und öffnet den Greifer wieder.
Historisch betrachtet ist dieser Prozess tausendfach in speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) programmiert worden. Betrachtet man jedoch, wie dieser Ablauf in einem klassischen SPS-Baustein abgebildet wird und wie er im Vergleich dazu als moderner, Software-definierter Skill aufgebaut ist, wird der fundamentale Unterschied zwischen starr verdrahteter Automatisierung und flexibler Architektur greifbar.
1. Die klassische SPS-Welt: Die verflochtene Schrittkette
In einem traditionellen IEC-61131-Programm, egal ob in KOP, FUP oder Strukturierter Text, ist ein Pick-and-Place-Vorgang meist als starre Schrittkette (Ablaufsprache oder CASE-Anweisung) aufgesetzt. Der Baustein vereint dabei sämtliche Ebenen der Automatisierung in einem einzigen monolithischen Codeblock.
Wie der klassische SPS-Baustein arbeitet
Der SPS-Baustein kennt im Detail die physikalischen Adressen der Sensoren, z. B. E0.4 für Greifer geöffnet, und steuert die Aktoren direkt an, z. B. A1.2 für Ventil senken. Gleichzeitig ist in demselben Baustein hart kodiert, was nach dem Ablegen zu geschehen hat: Der Code schaltet nach Vollzug direkt auf den nächsten fest definierten Schritt weiter – beispielsweise das Anstoßen einer Bearbeitungsstation.
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| KLASSISCHER MONOLITHISCHER SPS-BAUSTEIN (IEC 61131) |
| |
| [Hardware-Signale (E/A)] ──► [Sensormaskierung] |
| │ |
| ▼ |
| [Hartherzige Schrittkette: Step 1 -> Step 2 -> Step 3 -> Step 4] |
| │ |
| ▼ |
| [Feste Folgeentscheidung: "Ruf Station 3 auf!"] |
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Die Schwachstellen dieser Methode:
- Keine Wiederverwendbarkeit ohne Code-Kopie:
Soll derselbe Greifer für ein zweites Bauteil mit leicht abweichenden Höhen- oder Kraftparametern genutzt werden, wird der Baustein meist kopiert, angepasst und neu instanziiert (PickAndPlace_TypB). - Verkette Abhängigkeiten:
Ändert sich der Prozessablauf – soll das Teil beispielsweise nicht direkt abgelegt, sondern erst einer Prüfkamera vorgelegt werden –, muss der Funktionsbaustein in der SPS umprogrammiert, neu kompiliert und eingespielt werden. - Fehlende Transparenz nach außen:
Überlagerte IT-Systeme (wie MES oder ERP) sehen meist nur ein globales Bit „Anlage läuft“, haben aber keinen Einblick in den aktuellen Teilzustand der Handhabung.
2. Die moderne Skill-Welt: Die gekapselte Fähigkeit
Im Software-definierten Paradigma wird der Pick-and-Place-Vorgang aus seiner starren Schrittkette befreit und zu einem atomaren Skill transformiert. Der Skill ist eine in sich geschlossene Funktionseinheit. Er kapselt die hardwarenahe Ausführung und bietet nach außen eine parametrierbare, herstellerneutrale Schnittstelle (typischerweise über OPC UA oder REST).
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| ORCHESTRIERUNGSEBENE (SMLC / Edge Software) |
| Entscheidet dynamisch über Ablauf, Routen & Parameter |
| Ruft Skill auf: PickAndPlace(X=120, Y=450, GripForce=80%) |
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│
▼
API Call (OPC UA / PackML State)
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| ATOMARER SKILL (Auf der SPS implementiert) |
| Verwaltet eigenen Zustandsautomaten (IDLE -> EXECUTE -> COMPLETED) |
| Führt Handhabung lokal & deterministisch aus |
| Weiß NICHTS über den Gesamtablauf |
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│
▼
E/A-Signale / Harte Echtzeit
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| HARDWARE & AKTORIK (Pneumatik, Servo-Antriebe, Endschalter) |
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Wie der Pick-and-Place-Skill aufgebaut ist
A. Klare Parametrierung statt fester Werte
Der Skill erwartet beim Aufruf dynamische Übergabeparameter. Anstatt feste Zielkoordinaten im SPS-Code zu hinterlegen, nimmt die Schnittstelle des Skills Werte entgegen wie:
- SourcePosition
- TargetPosition
- GripperForce oder ProfileID
B. Einheitliches Zustandsmodell (z. B. PackML / VDI 2658)
Der Skill meldet seinen aktuellen Status nicht über lose Hilfsmerker, sondern über ein strukturiertes Zustandshemd. Die übergeordnete Software sieht präzise, ob der Skill im Zustand IDLE, STARTING, EXECUTE oder COMPLETED ist. Tritt ein Fehler auf, z. B. Teil beim Anheben verloren, wechselt der Skill kontrolliert in den Zustand EXECUTION_ERROR oder HELD und liefert einen definierten Diagnosecode zurück.
C. Vollständige Ignoranz gegenüber dem Gesamtablauf
Das entscheidende Merkmal des Pick-and-Place-Skills ist seine funktionale „Blindheit“ für das große Ganze. Der Skill greift das Teil, transportiert es zur Zielposition, legt es ab und meldet COMPLETED. Was davor geschah und was danach passiert, interessiert den Skill auf der SPS nicht.
3. Der direkte Vergleich im operativen Betrieb
Um den Unterschied im Fertigungsalltag zu verdeutlichen, betrachten wir zwei typische Szenarien aus der Praxis:
|
Anforderung / Ereignis |
Klassischer SPS-Baustein |
Modularer Pick-and-Place-Skill |
|
Einführung einer neuen Bauteilvariante |
Der SPS-Programmierer muss neue Schritte in die Schrittkette einfügen, Zielpositionen fest verknüpfen und den Code neu auf die SPS spielen. Stillstand erforderlich. |
Das MES oder der Edge-Orchestrierer ruft denselben Skill mit neuen Zielkoordinaten und angepasster Greifkraft auf. Keine Änderung am SPS-Code. |
|
Änderung der Prozessabfolge (z. B. Einfügen einer Zwischenstation) |
Die Schrittkette muss aufgetrennt, neu verdrahtet und bezüglich ihrer Vorbedingungen angepasst werden. Hohes Testrisiko. |
Die übergeordnete Software (SMLC) ändert lediglich die Reihenfolge der Aufrufe: Erst PickAndPlace zu Kamera, dann PickAndPlace zur Ablage. In Sekunden konfigurierbar. |
|
Fehlerfall: Greifer verliert Bauteil |
Die Schrittkette bleibt im Fehler-Schritt stehen. Die Gesamtanlage geht in Störung. Ein Bediener muss manuell eingreifen und die Schrittkette zurücksetzen. |
Der Skill meldet EXECUTION_ERROR an den Orchestrierer. Dieser kann per Software entscheiden: Skill erneut versuchen oder Ausweich-Routine ansteuern. |
Fazit: Die Entkopplung als Schlüssel zur Flexibilität
Das Beispiel des Pick-and-Place-Ablaufs zeigt deutlich, worum es beim Wandel von der klassischen Automatisierung zur Software-definierten Fabrik geht: Nicht darum, wie der Greifer physisch angesteuert wird, sondern wo die Entscheidung über den Ablauf getroffen wird.
Während die SPS im klassischen Baustein Ausführung, Logik und Ablaufentscheidung ineinander verschränkt, beschränkt sich die SPS beim Skill-Ansatz auf das, was sie am besten kann: Die präzise, deterministische und sichere Ausführung des Greifvorgangs. Die Entscheidung, wohin gegriffen wird und was als Nächstes geschieht, wandert als flexible Parametrierung in die Software-Ebene.
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.
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