Software, Datenplattformen und KI verändern die industrielle Automatisierung. Damit verschiebt sich auch die Aufgabenverteilung zwischen klassischer Steuerungstechnik und übergeordneten Softwareebenen. Die SPS verliert dabei nicht ihre Bedeutung – vielmehr verändert sich ihre Rolle innerhalb einer zunehmend geschichteten Automatisierungsarchitektur.
Die Vorstellung, klassische Steuerungsfunktionen weitgehend durch Edge– oder Cloud-Software zu ersetzen, stößt in den Werkhallen des Maschinen- und Anlagenbaus schnell an praktische Grenzen. Dort laufen Anlagen, die auf 15 bis 30 Jahre Betrieb ausgelegt sind, Taktzeiten im einstelligen Millisekundenbereich verlangen und bei sicherheitskritischen Funktionen strengen Anforderungen an funktionale Sicherheit und Zertifizierung unterliegen. Gleichzeitig sollen dieselben Betriebe immer schneller auf neue Varianten und Aufträge reagieren. Damit entsteht ein Zielkonflikt zwischen Stabilität und Wandlungsfähigkeit.
Software-defined Factory: Schichtung statt Ablösung
Einen Ausweg bietet eine geschichtete Architektur, in der die SPS ihre Stärken behält. Auf der untersten Ebene verbleiben harte Echtzeit, die direkte Ansteuerung von Antrieben, Ventilen und Sensoren sowie sämtliche Sicherheitsfunktionen. Darüber dient eine Ausführungsschicht als Schnittstelle, welche die auf der SPS gekapselten Maschinenfunktionen abstrahiert und Daten aus der Feldebene in aufrufbare Dienste übersetzt. Die oberste Ebene, meist auf einem Edge-Rechner, koordiniert schließlich ganze Prozessketten.
Als Faustregel gilt: Je zeitkritischer und sicherheitsrelevanter eine Funktion ist, desto näher bleibt sie an der Steuerung, während variable und datengetriebene Abläufe dagegen in die Softwareebene wandern.
Der Skill als technischer Vertrag zwischen Automatisierung und Software
Das Bindeglied zwischen diesen Ebenen bilden sogenannte Skills. Dabei handelt es sich um klar abgegrenzte Fähigkeiten einer Maschine wie etwa das Schließen eines Greifers oder das Positionieren einer Achse. Für die aufrufende Ebene spielt es dabei keine Rolle, ob dahinter IEC-61131-Code auf der SPS oder eine Python-Anwendung auf einem Edge-Gerät steckt.
Von entscheidender Bedeutung ist der Vertrag nach außen, der festlegt, welche Parameter ein Skill braucht, welche Rückmeldungen er liefert und woran ein übergeordnetes System erkennt, ob er bereit, aktiv, abgeschlossen oder gestört ist. Einheitliche Zustandsmodelle wie PackML können dazu beitragen, Funktionen unterschiedlicher Komponenten nach vergleichbaren Prinzipien zu orchestrieren.
Soll ein Pick-and-Place-Vorgang künftig anders ablaufen, muss nur die Reihenfolge der Skill-Aufrufe auf der Edge-Ebene angepasst werden. Der sicherheitsrelevante Steuerungscode bleibt dabei unangetastet.
In der Praxis lässt sich das an der Produktionsinsel PHUKET der SmartFactory-KL in Kaiserslautern beobachten, in der fünf vernetzte Roboter skillbasiert zusammenarbeiten. Ein in Python programmierter Controller auf dem Edge-Gerät ruft dort die vorbereiteten Funktionen parametriert ab und koordiniert den Gesamtablauf, während die klassische Steuerung weiterhin Bewegung und Sicherheit verantwortet. Das Beispiel zeigt, wie sich die Fähigkeiten einer Anlage von ihrer konkreten technischen Umsetzung entkoppeln und auf einer übergeordneten Ebene flexibel orchestrieren lassen.
Vom Auftrag bis zur Achse
Die Orchestrierungsebene wird damit zur neuen Nahtstelle zwischen Fertigung und Unternehmenssoftware, weil sie Aufträge und Rezepturen verwaltet und direkt an ERP- und MES-Systeme angebunden werden kann. In der Software-defined Factory verbindet sie damit die klassische Automatisierung mit flexibel steuerbaren Softwareprozessen. Lässt sich eine neue Variante aus vorhandenen Fähigkeiten zusammensetzen, übermittelt das ERP-System die Auftrags- und Rezepturdaten an die Edge-Ebene, die daraus die passende Abfolge bestehender Skills ableitet – ohne dass die Steuerung umprogrammiert werden muss.
Für den variantenreichen Maschinen- und Anlagenbau entsteht so eine durchgängige Verbindung von der Kundenanforderung über ERP und MES bis hin zur einzelnen Maschinenfunktion.
