Automatisierung & Robotik

01 / 11Start & Landkarte

Landkarte: SPS & Industrie

Landkarte: Robotik

Regelungstheorie, Motoren, Encoder und Treiber wohnen im Modul Regelung, Sensoren & Motoren — hier wird nur darauf verwiesen, nichts doppelt erklärt.

SPS oder Mikrocontroller?

Was beide Welten verbindet

02 / 11SPS: Aufbau & Zyklus

Der Zyklus

• 1 · Prozessabbild der Eingänge (PAE): Alle Eingänge werden gleichzeitig in einen Speicherbereich kopiert — das Programm arbeitet mit einem konsistenten Stand.
• 2 · Programmbearbeitung: Der Code läuft von oben nach unten, ausschließlich auf dem Prozessabbild. Kein Klemmenzugriff während der Bearbeitung — deterministisch und nachvollziehbar.
• 3 · Prozessabbild der Ausgänge (PAA): Die berechneten Werte werden gemeinsam auf die Klemmen geschrieben — keine Zwischenzustände nach außen.
• 4 · Systemaufgaben: Kommunikation, Diagnose, Onlinezugriff. Läuft im selben Zyklus mit, deshalb ist die Zykluszeit lastabhängig.

Aufbau einer Steuerung

Adressierung, Datentypen, Eingangstypen

• Symbolisch statt absolut adressieren: NotHalt_Kette_OK statt E 0.3. Klemmenänderungen kosten dann nur einen Eintrag in der Variablentabelle.
• Digitale Eingangstypen nach IEC 61131-2: Signal „1“ bei Typ 1: 15–30 V (mechanische Kontakte), Typ 2 und 3: 11–30 V; Typ 3 ist heute der verbreitetste. Signal „0“ jeweils −3…+5 V.
• PNP oder NPN: In Europa ist PNP Standard (schaltet nach +24 V), in Asien/Nordamerika oft NPN (nach Masse). Ein NPN-Sensor am PNP-Eingang funktioniert nicht — früh prüfen.

Zykluszeit im Griff behalten

03 / 11IEC 61131-3 & Programmierpraxis

Die Sprachen

Strukturierter Text: Syntax

Bausteine und Tasks

Programmstruktur

Schrittketten

CASE iSchritt OF
  0: // Grundstellung
     IF bGrundstellung AND bStart THEN iSchritt := 10; END_IF
 10: // Werkstueck spannen
     bSpannen := TRUE;
     IF bGespannt THEN iSchritt := 20;
     ELSIF fbSchrittTimer.Q THEN iSchritt := 900; END_IF   // Zeitueberschreitung
 20: // Bearbeiten
     bVorschub := TRUE;
     IF bEndlageErreicht THEN iSchritt := 30; END_IF
 30: // Zurueck und freigeben
     bVorschub := FALSE; bSpannen := FALSE;
     IF bGrundstellung THEN iSchritt := 0; END_IF
900: // Stoerung
     bSpannen := FALSE; bVorschub := FALSE; bStoerung := TRUE;
     IF bQuittieren THEN iSchritt := 0; bStoerung := FALSE; END_IF
END_CASE

// Ueberwachungszeit: laeuft in jedem Schritt neu an
fbSchrittTimer(IN := (iSchritt <> iSchrittAlt), PT := T#10S);
iSchrittAlt := iSchritt;

• Schrittnummern in Zehnerschritten: lässt Platz zum Einfügen ohne Umnummerieren.
• Aktuellen Schritt anzeigen: auf HMI und in der Diagnose — die wichtigste Information bei jeder Störung.
• Zeitüberwachung je Schritt: sonst steht die Anlage irgendwann ohne Meldung.
• Aktoren im Schritt setzen und zurücknehmen: der Zustand ergibt sich direkt aus der Schrittnummer.
• Störschritt mit Quittierung und Weg zur Grundstellung: definierter Ausstieg statt Spannung abschalten.

Fallen, die jeder einmal erlebt

Inbetriebnahme und Herstellerwelten

Die Norm sichert Konzepte, keine vollständige Portierbarkeit — Bibliotheken, Hardwarekonfiguration und Kommunikationsbausteine unterscheiden sich erheblich. Wer portabel bleiben will, kapselt Herstellerspezifisches in eigenen Bausteinen — dieselbe Idee wie eine Hardware-Abstraktionsschicht in der Firmware.

04 / 11Feldbusse & Industrial Ethernet

Die Systeme im Vergleich

Die Zykluszeiten sind erreichbare Werte bei sinnvoller Projektierung, keine Garantien — sie hängen an Teilnehmerzahl, Datenmenge und Topologie. Deterministisch heißt: die Zeit ist nach oben begrenzt, nicht: sie ist immer gleich kurz.

Warum EtherCAT so schnell ist

IO-Link — unterschätzt und sehr nützlich

TSN und Single Pair Ethernet

Einordnung: TSN erlaubt Steuerungs-, Kamera- und Bürodatenverkehr im selben Netz, ohne dass die Regelung leidet. PROFINET und EtherNet/IP haben TSN-Profile definiert; EtherCAT bleibt beim eigenen Verfahren, das für kurze Linien effizienter ist. Beides ist in Neuanlagen angekommen, verdrängt die etablierten Feldbusse aber langsamer als lange erwartet.

Auswahl und Inbetriebnahme

05 / 11Schaltschrank & Verdrahtung

Aufbau von oben nach unten

Schutzorgane

Verdrahtung

Kennzeichnung und Dokumentation

Wärme und Klima

Elektronik altert mit der Temperatur: Als Faustregel halbiert sich die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren je 10 K Übertemperatur. Ein Schrank, der dauerhaft bei 55 °C statt 35 °C läuft, verkürzt die Netzteillebensdauer um ein Vielfaches.

06 / 11Funktionale Sicherheit

Der rechtliche Rahmen

13849-1 und 62061 sind zwei Wege zum selben Ziel: 13849-1 rechnet mit Kategorie, MTTF_D und DC auf einen PL, 62061 mit Architektur und PFH_D auf einen SIL. Im Maschinenbau ist 13849-1 der übliche Weg; 62061 passt besser zu komplexer programmierbarer Elektronik.

Risikobeurteilung nach EN ISO 12100

Performance Level bestimmen

Die Größen hinter dem PL

Typische Sicherheitsfunktionen

Umsetzung und Validierung

07 / 11HMI, SCADA & Industrie 4.0

Die Ebenen

Die Pyramide löst sich zunehmend auf — über OPC UA oder MQTT spricht ein Sensor direkt mit der Leitebene. Was bleibt, ist die Trennung der Verantwortlichkeiten: Die Steuerung sichert den Prozess, die Leitebene beobachtet und plant. Eine Leitebene darf nie zur Voraussetzung dafür werden, dass die Anlage sicher steht.

Bedienbilder gestalten

Alarmmanagement

• Alarmflut vermeiden: Ein Ereignis darf nicht fünfzig Meldungen erzeugen — abhängige Folgemeldungen unterdrücken.
• Erstmeldung hervorheben: Bei einer Störungskaskade ist nur die erste Meldung die Ursache, alle weiteren sind Folgen.
• Drei Prioritäten reichen: Mehr Stufen werden in der Praxis nicht unterschieden.
• Meldungsklassen trennen: Störung (Anlage steht) — Warnung (läuft, aber etwas stimmt nicht) — Hinweis. Nur Störungen quittierpflichtig.
• Zeitstempel synchronisieren (NTP): Ohne gemeinsame Uhr lässt sich eine Historie über mehrere Steuerungen nicht auswerten.
• Kennzahlen auswerten: Alarme je Stunde, häufigste Alarme, dauerhaft anstehende. Daraus ergibt sich unmittelbar, wo Verbesserung lohnt.

OPC UA und MQTT

Der Datenweg

Industrie 4.0: Begriffe und Nutzen

Security und eigene Projekte

Für Maschinen, die ab 2027 in Verkehr gebracht werden, verlangt die Maschinenverordnung ausdrücklich, dass Manipulation der Steuerungssoftware die Sicherheit nicht beeinträchtigen darf — Cybersicherheit wird damit Teil der Konformitätsbewertung. Grundlagen unter Digitaltechnik → Security, Serverbetrieb und Sicherung unter Homeserver 101.

08 / 11Robotik-Grundlagen & Kinematik

Aufbau und Bauformen

• Link und Joint: starre Glieder, verbunden durch drehende (revolute) oder schiebende (prismatic) Gelenke. Genau diese Struktur beschreibt später die URDF-Datei — siehe ROS 2.
• Freiheitsgrade (DOF): Zahl der unabhängigen Bewegungsmöglichkeiten, meist ein Antrieb = 1 DOF. 6 DOF sind nötig, um jede Position und Orientierung im Raum zu erreichen; 7 DOF sind redundant und erlauben Ausweichbewegungen bei gleicher Pose.
• TCP (Tool Center Point): der Punkt am Endeffektor, dessen Pose gesteuert wird. Ziele gibt man für den TCP an, nicht für einzelne Gelenke.
• Arbeitsraum: alles, was der TCP erreichen kann — begrenzt durch Gliedlängen und Gelenkgrenzen. Außerhalb gibt es keine Lösung, egal wie man rechnet.
• Nutzlast gilt am Flansch: Greifer und Werkzeug zählen mit, und das Lastmoment wächst mit dem Abstand vom Flansch.

Pose, Frames und Orientierung

Frames: Basis, jedes Gelenk, Kamera, Werkzeug — jedes Teil hat sein eigenes Koordinatensystem. Messungen zu vergleichen heißt, zwischen Frames umzurechnen; ROS 2 erledigt das mit TF2. Fehler in der Frame-Kette sind die häufigste Ursache dafür, dass ein Roboter in der Visualisierung verbogen aussieht.

Vorwärts- und Rückwärtskinematik

DH-Parameter

Die Denavit-Hartenberg-Konvention beschreibt jedes Gliedpaar mit vier Zahlen statt mit einer vollen Matrix — dadurch ist eine beliebig lange Kette durch eine kompakte Tabelle festgelegt.

Jacobi-Matrix, Singularitäten, Bahnplanung

Wahrnehmung und Navigation

Regelkreis, PID, Feedforward und feldorientierte Regelung sind bewusst nicht hier beschrieben — sie gelten für jede Achse gleich und stehen unter Regelung, Sensoren & Motoren. Die Robotik setzt darauf auf: Der Bahnplaner erzeugt Sollwerte, die unterlagerte Achsregelung führt sie aus.

09 / 11Roboter-Hardware

Der Aufbau in Schichten

Aktuatoren: die Robotik-Sicht

Wie Motortypen funktionieren, welcher Treiber wozu passt und wie ausgelegt wird, steht in Motoren im Vergleich und Treiber. Hier zählt nur: Was bedeutet die Wahl für ein Gelenk?

Mechanik: Übertragung und Endeffektor

Lager, Wellen, Passungen und Schraubverbindungen sind allgemeine Maschinenelemente und stehen unter Mechanik → Lager bzw. Schraubverbindungen.

Sensorik am Roboter

Compute und Energie

Auslegung: rückwärts rechnen

10 / 11ROS 2 & Software-Stack

Die Bausteine des Graphen

Distributionen und Support

Der Baukasten

Die Kommunikation läuft über DDS; die Implementierung ist über die RMW-Schicht austauschbar (Fast DDS, Cyclone DDS, alternativ Zenoh). Für den Anfang genügt die Voreinstellung — relevant wird die Wahl erst bei großen Graphen, WLAN-Strecken oder mehreren Robotern im selben Netz.

Simulation

Erste Hürden

Regelfrequenzen und die Aufteilung zwischen MCU und Linux-Rechner sind unter Roboter-Hardware beschrieben, Reglerentwurf und Abtastzeit unter Digitale Regelung.

11 / 11Robot Learning

Wann sich Lernen lohnt

Die Lernparadigmen

Aktuelle Verfahren

Das Feld bewegt sich schnell und die Namen wechseln jährlich. Stabil bleibt das Muster: ein großes vortrainiertes Modell für die Wahrnehmung, ein spezialisierter Kopf für kontinuierliche Aktionen, Feinabstimmung auf der eigenen Hardware.

Von der Demonstration zur Policy

Sim-to-Real

Werkzeuge und Einstieg