Industrielle Netzwerke

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Warum Netzwerke in der Industrie so wichtig sind

Eine SPS steuert zwar den Prozess — aber sie muss dafür mit vielen Geräten kommunizieren: Sensoren, Antriebe, Ventilinseln, Bedienpanels (HMI) und oft ein Leitsystem (SCADA). Ohne zuverlässige Kommunikation bleibt eine Anlage blind, langsam oder instabil.

In der Praxis transportieren industrielle Netzwerke:

• Prozessdaten (z. B. Temperaturen, Drücke, Zustände, Zählwerte)
• Steuerbefehle (z. B. Start/Stop, Sollwerte, Freigaben)
• Diagnose (z. B. Fehlercodes, Gerätestatus, Qualitätsinformationen)
• Zeitkritische Signale (z. B. Positions-/Taktinformationen in schnellen Abläufen)

Wichtig: In vielen Anlagen sind Netzwerke Teil der Steuerung — nicht nur „für Daten“. Deshalb gelten andere Prioritäten als in typischer Büro-IT: Determinismus, Verfügbarkeit und Fehlertoleranz.

Feldbus: Der klassische Ansatz

Ein Feldbus ist ein Kommunikationssystem, das speziell für industrielle Geräte in der „Feldebene“ entwickelt wurde. Früher war es üblich, jedes Signal einzeln zu verdrahten. Feldbusse reduzierten Verkabelung massiv, weil viele Signale über eine gemeinsame Busleitung laufen.

Typische Eigenschaften klassischer Feldbusse:

• Einfachere Topologien (oft Linie/Bus)
• Begrenzte Datenraten im Vergleich zu Ethernet
• Robustes Verhalten für industrielle Umgebungen
• Klare Echtzeit-/Zeitverhalten (je nach System)

Feldbusse sind nicht „alt und schlecht“. Viele laufen jahrzehntelang stabil und sind weiterhin verbreitet — vor allem, wenn eine Anlage historisch gewachsen ist oder wenn Gerätepark/Komponenten darauf ausgelegt sind.

Warum Industrial Ethernet kam

Mit steigender Komplexität stiegen auch die Anforderungen: mehr Daten, mehr Geräte, mehr Diagnose, mehr Integration — und oft der Wunsch, Netzwerke standardnäher zu gestalten. Hier kommt Industrial Ethernet ins Spiel.

Industrial Ethernet nutzt die physikalische Basis von Ethernet (wie in der IT), ergänzt aber Mechanismen und Protokolle, um industrietaugliches Verhalten zu erreichen: z. B. definierte Zykluszeiten, priorisierte Telegramme und Diagnosefunktionen.

Der zentrale Unterschied: „Best Effort“ vs. „Planbar“

Klassische IT-Netzwerke sind häufig „Best Effort“: Daten werden so gut wie möglich transportiert, aber Verzögerungen sind im Normalfall akzeptabel. In der Automatisierung ist das oft nicht akzeptabel.

In vielen industriellen Szenarien muss Kommunikation:

• planbar sein (Zykluszeiten, definierte Reaktionsfenster)
• stabil sein (lange Laufzeiten ohne „Überraschungen“)
• diagnostizierbar sein (wo ist der Fehler? Kabel? Gerät? Port? Adressierung?)

Man spricht hier oft von Determinismus: nicht nur „schnell“, sondern „vorhersehbar“.

Topologien: Linie, Stern, Ring (und warum das zählt)

Die Topologie bestimmt, wie Geräte verbunden sind — und wie sich Fehler auswirken. Drei Grundformen begegnen häufig:

Linie (Daisy Chain)

Geräte sind hintereinander verbunden. Vorteil: wenig Kabel. Nachteil: Wenn ein Segment oder ein Gerät „dazwischen“ ausfällt, kann dahinter alles betroffen sein — abhängig von System und Aufbau.

Stern

Viele Verbindungen laufen auf einen zentralen Switch. Vorteil: Fehler sind oft leichter einzugrenzen, Ausfälle betreffen eher einzelne Stränge. Nachteil: Der zentrale Switch wird zu einem wichtigen Punkt (Design/Redundanz beachten).

Ring

Ringtopologien werden oft genutzt, um Redundanz zu erreichen: Fällt eine Leitung aus, kann der Datenverkehr im Ring in die andere Richtung laufen — wenn das Protokoll/Redundanzverfahren dies unterstützt.

Typische Protokoll-Welten (ohne Hersteller-Hype)

Es gibt viele Protokolle und Varianten. Für das Verständnis reichen drei Kategorien:

1) Feldgeräte-/IO-Kommunikation (nah am Prozess)

Kommunikation zwischen SPS und IO/Antrieben: zyklisch, zeitkritisch, oft mit Diagnose. Hier entscheidet sich, ob eine Anlage im Takt läuft.

2) HMI/SCADA-Kommunikation (Bedienung/Überwachung)

HMIs und SCADA lesen Werte, zeigen sie an, historisieren und schreiben Befehle/Sollwerte. Hier sind Reaktionszeiten wichtig, aber meist weniger hartzeitkritisch als bei IO.

3) Integration / Datenweitergabe (Leitebene)

Daten werden in andere Systeme übertragen: Reporting, MES/ERP, Datenplattformen. Das ist oft nicht zyklisch, sondern ereignis- oder abfragebasiert.

Praktischer Hinweis: Eine Anlage kann mehrere Protokoll-Welten gleichzeitig nutzen — das ist normal. Wichtig ist, dass die Architektur klar trennt, was wirklich zeitkritisch ist und was nicht.

Adressierung und „Tags“: Wie Daten benannt werden

In der SPS gibt es Variablen/„Tags“. HMI/SCADA verbinden sich darauf und lesen/schreiben Werte. In IO-Netzen werden Prozessdaten oft in festen Zyklen übertragen.

Häufige Ursachen für Kommunikationsprobleme sind erstaunlich banal:

• falsche IP-Adressen / Subnetze
• Namenskonflikte / doppelte Adressen
• falsche Zuordnung von IO/Devices
• Versions-/Konfigurationsmismatch zwischen Steuerung und Gerät

Diagnose: „Läuft“ reicht nicht

Gute industrielle Netzwerke liefern Diagnose: Welche Verbindung ist down? Wo gibt es Telegrammverluste? Welcher Switch-Port hat Probleme? Welche Geräte melden Fehler?

Ohne Diagnose wird Fehlersuche zur Detektivarbeit — mit Diagnose wird sie zu einem strukturierten Prozess. Deshalb ist Industriekommunikation oft enger mit dem Steuerungssystem integriert als klassische IT-Kommunikation.

Typische Fehlerbilder (realistisch und häufig)

• Intermittierende Ausfälle: Wackelkontakt, schlechte Schirmung/Erdung, EMV-Störungen, Steckverbinder.
• „Alles ist langsam“: Überlastete Switches, zu viel Broadcast/Multicast, falsche Priorisierung, zu viele Visualisierungsabfragen.
• Geräte tauchen „sporadisch“ auf: doppelte Adressen, DHCP/Adressmanagement-Probleme, Power-Issues.
• Ring reagiert nicht wie erwartet: Redundanz nicht korrekt konfiguriert, falsche Komponenten, Mischbetrieb.
• HMI zeigt falsche Werte: Tag-Mapping falsch, Skalierung/Einheiten falsch, falsche Datenquelle.

Netzwerk ist nicht automatisch „Security“

Ein wichtiger Punkt: „Netzwerk“ und „Sicherheit“ sind verwandt, aber nicht identisch. Ein stabiles industrielles Netz ist primär für Verfügbarkeit und Vorhersehbarkeit gebaut. Security (Zugriffsschutz, Segmentierung, Regeln, Härtung) ist zusätzlich nötig — darf aber Betrieb und Wartung nicht sabotieren.

Gute Architektur trennt deshalb häufig:

• zeitkritische Steuerkommunikation (OT-Kern)
• Bedienung/Überwachung (HMI/SCADA)
• IT-Integration/Reporting (Leitebene)

Praktisches Architekturprinzip (einfacher Leitfaden)

Für ein solides Grunddesign sind diese Prinzipien hilfreich:

• Trenne Ebenen: IO/Steuerung, Visualisierung, Integration.
• Halte Zeitkritisches klein: je weniger in der „harten Echtzeit“, desto stabiler.
• Plane Diagnose ein: Switches/Ports/Status sichtbar machen.
• Denke an Wartung: klare Beschriftung, Dokumentation, Ersatzteilfähigkeit.
• Design für Ausfall: was passiert bei Kabelbruch? Switch-Ausfall? HMI-Ausfall?

Fazit

Industrielle Netzwerke sind kein „Ethernet wie im Büro“. Sie sind ein zentraler Bestandteil der Automatisierung: Sie verbinden SPS, Geräte, HMI und SCADA — mit Anforderungen an Vorhersehbarkeit, Stabilität und Diagnose. Wer Anlagen verstehen will, sollte Netzwerke nicht als Nebenthema behandeln, sondern als tragende Infrastruktur.

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Glossar

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