Industrieunternehmen stehen heute vor einem grundlegenden Wandel: Während bestehende Produktionsanlagen ursprünglich für große Stückzahlen und standardisierte Produkte ausgelegt wurden, verlangen Märkte zunehmend individuelle Produkte, kürzere Lieferzeiten und eine hohe Variantenvielfalt. Besonders herausfordernd ist dieser Wandel in gewachsenen Produktionsumgebungen. Die meisten Unternehmen können ihre bestehenden Anlagen nicht einfach ersetzen, sondern müssen vorhandene Maschinen und Automatisierungslösungen schrittweise modernisieren. Gleichzeitig erschweren proprietäre Robotiklösungen die notwendige Flexibilität: Jeder Hersteller verfolgt eigene Programmieransätze, wodurch Anpassungen häufig Spezialwissen erfordern und hohe Aufwände verursachen.

Vor dieser Herausforderung steht auch Stabilus. Im Verpackungsprozess werden Produkte manuell in kundenspezifische Verpackungen eingelegt. Da jeder Kunde individuelle Verpackungsvorgaben besitzt, weist dieser Prozess eine große Komplexität auf.

Entlastung durch flexible Robotik

Im Rahmen seiner Masterarbeit entwickelte Lorenz Wagner gemeinsam mit Stabilus und der SmartFactory-KL einen Demonstrator für eine flexible, skillbasierte Verpackungszelle. Ziel war es, den bestehenden Verpackungsprozess so zu automatisieren, dass unterschiedliche Kundenanforderungen ohne erneute Roboterprogrammierung umgesetzt werden können.

Hierfür hat der Student einen realitätsnahen Nachbau der Verpackungsstation aufgebaut. Die Anlage besteht aus einem KUKA-Industrieroboter, Fördertechnik und Materialbereitstellung. Der Roboter entnimmt Produkte vom Förderband und verpackt diese entsprechend der jeweiligen Kundenanforderungen. Die einzelnen Anlagenmodule sind dabei miteinander vernetzt und stellen ihre Funktionen als sogenannte Skills bereit.

Anstatt jeden Verpackungsablauf fest im Roboter zu programmieren, werden die benötigten Fähigkeiten – beispielsweise Greifen, Positionieren oder Ablegen – modular gekapselt. Neue Verpackungsvarianten entstehen durch die flexible Kombination dieser Skills und nicht durch aufwendige Anpassungen im Roboterprogramm.

Drei Wege zur flexiblen Robotersteuerung

Der Schwerpunkt der Arbeit lag also auf der Frage, wie sich skillbasierte Produktionskonzepte möglichst praxisnah in bestehende Industrieumgebungen integrieren lassen. Dafür hat der Student drei unterschiedliche Softwarearchitekturen untersucht.

Variante 1: Klassische SPS-Programmierung

Die erste Möglichkeit bestand darin, sämtliche Abläufe direkt über die SPS abzubilden. Dadurch könnten SPS-Programmierer den Roboter steuern, ohne auf die herstellerspezifische Roboterprogrammierung zurückgreifen zu müssen. In der Praxis zeigte sich jedoch ein entscheidender Nachteil: Jede neue Verpackungsvariante würde zeitaufwendige Anpassungen an der Steuerungslogik erfordern. Die notwendige Flexibilität für kundenindividuelle Prozesse wäre damit nur eingeschränkt erreichbar.

Variante 2: Direkte OPC-UA-basierte Steuerung

Im zweiten Ansatz wurde der Roboter über OPC UA und den an der SmartFactory-KL entwickelten PyUA-Adapter angesteuert. Dadurch ließ sich eine hohe Flexibilität erzielen. Allerdings erhöhte dieser Ansatz die Komplexität deutlich. Wartung, Diagnose und die Integration in bestehende Bedienkonzepte wären insbesondere für klassische SPS-Programmierer nur schwer beherrschbar.

Variante 3: Das Beste aus beiden Welten

Als vielversprechendste Lösung erwies sich die Kombination beider Ansätze. Dabei übernimmt ein externes Python-Programm die Ablaufsteuerung und Orchestrierung definierter Maschinenfähigkeiten, sogenannte „Skills“. Die eigentliche Roboteransteuerung erfolgt weiterhin über standardisierte SPS-Schnittstellen. OPC UA dient dabei ausschließlich als Vermittlungsschicht zwischen den beteiligten Komponenten. Die Skills werden dabei auf SPS-Ebene bereitgestellt und können über standardisierte Schnittstellen aufgerufen und parametrisiert werden. Grundlage hierfür bildeten das Skill-Modell und die Templates der SmartFactory- (mitentwickelt von Simon Lamoth), die in der SmartFactory-Modellfabrik entwickelt und bereits ausführlich getestet wurden. Dadurch ließ sich die Implementierung auf SPS-Ebene erheblich verkürzen.

Der entscheidende Vorteil: Bedienung und Wartung bleiben für Automatisierungstechniker vertraut, während gleichzeitig eine hohe Flexibilität erreicht wird. Darüber hinaus können Roboter unterschiedlicher Hersteller eingebunden werden, sofern sie das standardisierte Robot Command Interface unterstützen. Unternehmen werden dadurch deutlich unabhängiger von herstellerspezifischem Expertenwissen.

Großer Mehrwert für Stabilus

Die entwickelte Lösung zeigt, wie sich bestehende Produktionssysteme schrittweise in Richtung flexibler Fertigung weiterentwickeln lassen. Für Stabilus ergeben sich daraus mehrere Vorteile:

• Schnellere Umsetzung neuer Kundenanforderungen
• Höhere Flexibilität bei Verpackungsvarianten
• Geringere Abhängigkeit von Robotikspezialisten einzelner Hersteller
• Wiederverwendbare Softwarebausteine für zukünftige Anwendungen
• Übertragbarkeit auf weitere Robotersysteme und Produktionsbereiche

Der Demonstrator bildet die reale Produktionsumgebung bereits sehr präzise nach und liefert damit eine belastbare Grundlage für eine spätere industrielle Umsetzung. Vor einem produktiven Rollout müssten die entwickelten Forschungskomponenten noch in die jeweiligen Unternehmensstandards integriert und validiert werden.

SmartFactory-KL Referenzarchitektur in der Praxis

Das Projekt zeigt exemplarisch, wie Elemente der SmartFactory-KL Referenzarchitektur in bestehende Industrieumgebungen übertragen werden können. Insbesondere das Skill-Konzept sowie die OPC-UA-basierte Informationsmodellierung wurden erfolgreich eingesetzt, um eine flexible und herstellerübergreifende Automatisierung zu ermöglichen. Dabei wird deutlich: Nicht immer sind umfassende Anlagenmodernisierungen notwendig. Bereits gezielte Erweiterungen bestehender Systeme können einen erheblichen Beitrag zur Flexibilisierung der Produktion leisten.

Von der Forschung in die industrielle Anwendung

Das Projekt verdeutlicht zugleich das Potenzial gemeinsamer Entwicklungsprojekte zwischen Unternehmen und SmartFactory-KL. Gerade für risikobehaftete Innovationsvorhaben bietet ein Demonstrator im realitätsnahen Testumfeld die Möglichkeit, neue Technologien zunächst unter kontrollierten Bedingungen zu evaluieren, bevor sie in die Produktion überführt werden. Der dafür notwendige Aufwand bleibt weitestgehend überschaubar: Mit Standard-Hardware wie SPS-Systemen, einem Industrie-PC, Fördertechnik und einem Roboter (welcher allerdings mit entsprechenden Softwarepaketen ausgestattet sein muss) lassen sich entsprechende Pilotanwendungen realisieren. Dass der Ansatz auch fachlich überzeugte, zeigt die Auszeichnung der Arbeit mit dem Pfalzmetall-Preis.