Wie SPS die präzise Robotersteuerung in der modernen Fertigung neu gestalten

Robotersteuerung rückt näher an die SPS

Jahrzehntelang arbeiteten Industrieroboter als isolierte Automatisierungsinseln. Ingenieure programmierten Bewegungsbahnen über spezielle Teach-Pendants, während SPSen die umgebende Maschinenlogik übernahmen. Diese Trennung beginnt zu verschwinden.

Kompakte Hochpräzisionsroboter wie der Mecademic Meca500 ermöglichen inzwischen die direkte Bewegungssteuerung über SPS-Plattformen und verändern damit die Art und Weise, wie Hersteller Automatisierungszellen konzipieren. Statt lediglich einfache Start- und Stoppsignale zu senden, kann die SPS nun jede Roboterbewegung in Echtzeit über EtherNet/IP steuern.

Dieser Wandel ist besonders für die Elektronikmontage, Laborautomatisierung, Halbleiterhandhabung und Präzisionsfertigung relevant – überall dort, wo kompakte Abmessungen und deterministische Bewegungen wichtiger sind als eine hohe Nutzlast.

Kompakte Roboterarchitekturen ermöglichen eine engere Integration von Bewegungssteuerung und SPS-basierenden Automatisierungssystemen.

Warum eine strukturierte SPS-Steuerung die Roboterintegration verändert

Herkömmliche Sechsachsroboter verwenden typischerweise proprietäre Robotersprachen und eigenständige Bewegungssteuerungen. Bei SPS-gesteuerten Robotern wird dagegen ein großer Teil dieser Logik in die Steuerungsplattform verlagert, die bereits Förderbänder, Sensoren, Bildverarbeitungssysteme und Sicherheitsverriegelungen verwaltet.

In dieser Implementierung kommuniziert eine Allen-Bradley-CompactLogix-SPS direkt über EtherNet/IP mit dem Meca500. Bewegungsanweisungen wie MovePose und MoveJoints werden dadurch Bestandteil der Umgebung für Kontaktplanlogik, anstatt in einem separaten Roboterprogramm zu liegen.

Diese Architektur reduziert die Integrationskomplexität für Maschinenbauer, die ihre Automatisierung bereits auf Rockwell-Plattformen standardisiert haben, erheblich. Anlagen mit vorhandenen Allen-Bradley-CompactLogix-Systemen können Roboterbewegungen integrieren, ohne ein weiteres spezielles Programmierökosystem einzuführen.

EtherNet/IP wird zum Rückgrat der Bewegungssteuerung

Der Roboter muss zunächst im selben Subnetz wie die SPS konfiguriert werden. Sobald die EtherNet/IP-Kommunikation über die MecaPortal-Oberfläche aktiviert ist, übernimmt die SPS die Koordination des Roboters.

Im Gegensatz zu älteren Roboterarchitekturen, die lediglich vorab geladene Routinen ausführen, kann die SPS in dieser Konfiguration dynamisch laufende Bewegungsbefehle erzeugen. Dieser Unterschied ist bei adaptiven Fertigungsanwendungen entscheidend, bei denen Bewegungspfade von Sensorrückmeldungen, Prüfsystemen oder Rezeptänderungen abhängen.

Die EtherNet/IP-Konfiguration ermöglicht den Wechsel des Robotercontrollers vom eigenständigen Betrieb zur von der SPS verwalteten Bewegungsausführung.

EDS und AOI vereinfachen die Inbetriebnahme von Geräten

Rockwell-basierte Systeme stützen sich stark auf elektronische Datenblätter und Add-On Instructions, um die Hardwareintegration zu vereinfachen. Nach der Installation der EDS-Datei erscheint der Roboter als natives Gerät in Studio 5000.

Die AOI-Schicht abstrahiert einen Großteil der Komplexität der Kommunikation auf niedriger Ebene. Ingenieure können sich auf die Bewegungslogik konzentrieren, anstatt Ethernet-Nachrichtenstrukturen manuell zu erstellen.

Dieser Ablauf spiegelt die allgemeine Entwicklung in der industriellen Automatisierung wider. Anbieter stellen zunehmend wiederverwendbare Softwareobjekte bereit, statt umfangreiche individuelle Programmierung vorauszusetzen. Ähnliche Integrationsstrategien werden auch bei modernen SPS- und PAC-Plattformen für die Prozess- und Hybridfertigung immer häufiger eingesetzt.

Gerätedefinitionsdateien verkürzen die Inbetriebnahme, da Roboter in Studio 5000 als native Automatisierungsgeräte erscheinen können.

Bewegungsbefehle werden zu Objekten der Kontaktplanlogik

Nach der Verbindung kann der Roboter Bewegungen direkt aus der Kontaktplanlogik über vordefinierte Funktionsblöcke ausführen. Befehle wie Connect, MovePose und MoveJoints definieren die Roboterbahn und das Positionierverhalten.

Dieser Ansatz verändert die Interaktion von Wartungsteams mit Robotersystemen. Statt mehrere Programmierumgebungen zu analysieren, können Techniker das Roboterverhalten direkt in der SPS-Plattform diagnostizieren, mit der sie bereits vertraut sind.

MovePose für kartesische Präzision

Die Anweisung MovePose steuert den Roboter mithilfe der Werte X, Y, Z, W, P und R zu einer bestimmten kartesischen Koordinate. Diese Methode eignet sich ideal für Pick-and-Place-Systeme, Prüfstationen und kompakte Montageaufgaben, die eine wiederholbare Werkzeugpositionierung erfordern.

Kartesische Bewegungsanweisungen ermöglichen es Ingenieuren, die Roboterpositionierung direkt in SPS-Routinen mit Kontaktplanlogik zu verwalten.

Achsenbasierte Steuerung für Referenzfahrten und Wiederherstellung

MoveJoints-Befehle ermöglichen eine direkte Positionierung auf Achsenebene. Diese Anweisungen werden häufig für Referenzfahrten, Wiederherstellungsvorgänge und Wartungspositionierungen verwendet.

Aus ingenieurtechnischer Sicht verbessert die Trennung von kartesischen Bewegungen und achsenbasierter Wiederherstellung die Betriebssicherheit. Außerdem wird die Fehlerbehandlung während des Neustarts der Maschine vereinfacht.

Bewegungsblöcke auf Gelenkebene ermöglichen eine deterministische Positionierung während des Anfahrens und bei Wartungsarbeiten.

Die Firmware-Kompatibilität bleibt entscheidend

Eine wichtige Erkenntnis aus dieser Implementierung ist, dass die Abstimmung der Firmware weiterhin entscheidend ist. Roboterfirmware, EDS-Paket und AOI-Version müssen korrekt zusammenpassen.

Versionsabweichungen können in Studio 5000 zu Konflikten bei Datentypen führen, insbesondere innerhalb modulspezifischer Strukturen. Erfahrene Steuerungstechniker können veraltete Datentypen zwar manuell ersetzen, doch das Problem verdeutlicht eine größere Herausforderung der Branche: Die Interoperabilität hängt weiterhin stark vom Management des Softwarelebenszyklus ab.

Dies ist nicht auf die Robotik beschränkt. Ähnliche Kompatibilitätsprobleme treten bei DCS-Migrationen, Modernisierungen der Turbinenüberwachung und Erweiterungen verteilter I/O mit Plattformen von ABB, Honeywell, Emerson und GE auf.

Eine sorgfältige Versionsverwaltung bleibt bei der Integration von EtherNet/IP-Robotersystemen in industrielle Steuerungen unerlässlich.

Wo diese Architektur am besten geeignet ist

SPS-gesteuerte Robotik soll nicht jeden herkömmlichen Robotercontroller ersetzen. Schweißzellen für hohe Nutzlasten und komplexe Systeme zur Koordination mehrerer Roboter profitieren weiterhin von speziellen Roboterplattformen.

Für kompakte Präzisionsanwendungen ist dieses Modell jedoch äußerst attraktiv. Die medizinische Montage, die optische Ausrichtung, die Elektronikfertigung und die Laborautomatisierung benötigen zunehmend Roboter, die sich wie intelligente Maschinenachsen verhalten und nicht wie isolierte Automatisierungsinseln.

Die Möglichkeit, Robotik direkt in die SPS-Ablaufsteuerung zu integrieren, verkürzt zudem die Entwicklungszyklen für OEM-Maschinenbauer. Kleinere Engineering-Teams können fortschrittliche Roboterbewegungen einsetzen, ohne separate Spezialisten für die Roboterprogrammierung beschäftigen zu müssen.

Die größere Entwicklung in der Branche

Der Markt für Industrierobotik bewegt sich in Richtung softwaredefinierter Bewegungsarchitekturen. Programmierung in strukturiertem Text, EtherNet/IP-Kommunikation und SPS-zentrierte Koordination werden zunehmend zu Standardanforderungen statt zu fortgeschrittenen Funktionen.

Bemerkenswert an Systemen wie dem Meca500 ist nicht nur ihre Präzision im Mikrometerbereich, sondern auch, wie zugänglich sie die Roboterintegration für herkömmliche Steuerungstechniker machen.

In vielen Fabriken wird der Roboterprogrammierer der Zukunft möglicherweise überhaupt kein Teach-Pendant mehr verwenden. Stattdessen wird er Bewegungsstrategien direkt in der SPS-Umgebung entwickeln, die bereits den Rest der Maschine steuert.

Autor: Nathaniel Brooks | Leitender Reporter für industrielle Systeme

Nathaniel Brooks verfügt über mehr als 14 Jahre Erfahrung in der Berichterstattung über Industrierobotik, SPS-Architekturen und Bewegungssteuerungssysteme. Zu seinem Hintergrund gehören Automatisierungsintegrationsprojekte mit Rockwell Automation, ABB Robotics und Siemens-Bewegungsplattformen sowie Hochgeschwindigkeitsverpackungssysteme in den Bereichen Halbleiter und Präzisionsfertigung.