Vorteile von Industrial Ethernet in der Industrieautomation

Industrial Ethernet Definition und mehr – kompakt erklärt

In modernen Industrial Ethernet-Netzwerken spielen unterschiedliche Switch-Typen eine zentrale Rolle. Nach industrial Ethernet Definition müssen Komponenten wie ein industrial POE Switch bzw. Industrieswitch zuverlässig, robust und langlebig sein. So ein Industrie Ethernet Switch muss Maschinen, Sensoren, SPS und andere Geräte zuverlässig und über lange Zeit miteinander verbinden. Ein klassischer industrial Ethernet switch ist z. B. speziell für den Einsatz in rauen Industrieumgebungen konzipiert. Er zeichnet sich zudem durch die Fähigkeit aus, dass er unterschiedliche Industrial Ethernet Protokolle wie PROFINET, EtherCAT oder EtherNet/IP unterstützt.
Besonders wichtig ist dabei die Möglichkeit, zeitkritische Datenpakete priorisiert zu übertragen, sodass Realtime Ethernet-Anwendungen zuverlässig funktionieren. Typische Einsatzfelder sind Fertigungsanlagen, Produktionslinien oder Robotersysteme, in denen viele Geräte gleichzeitig vernetzt und synchronisiert werden müssen. 
Ein spezieller Untertyp ist der industrial PoE Switch, der neben der Datenübertragung auch Strom über das gleiche Kabel liefert – also Power over Ethernet (PoE) unterstützt. Dadurch können Kameras, Sensoren oder HMI-Panels direkt ohne zusätzliche Stromleitungen versorgt werden. Auch industrial PoE Switches sind für raue Umgebungen ausgelegt und unterstützen Priorisierung und deterministische Kommunikation.
Der Begriff Industrieswitch ist als allgemeiner Sammelbegriff für Switches zu verstehen, die speziell für industrielles Ethernet entwickelt wurden. In der Praxis werden Industrieswitches häufig als Synonym für industrial Ethernet Switch verwendet, können aber auch ältere oder herstellerspezifische Modelle meinen. Ein Industrial Switch zeichnet sich durch seine Widerstandsfähigkeit, eine lange Lebensdauer und seine hohe Flexibilität aus. Zudem unterstützen sie Ring- oder Linien-Topologien, um Ausfälle im Netzwerk zu verhindern.
Insgesamt zeigt sich, dass industrial ethernet switches, industrial poe switches und industrieswitches die zentrale Infrastruktur moderner Industrial Ethernet-Netzwerke bilden. Sie sorgen dafür, dass Steuerung, Sensorik, Aktoren und IT-Systeme zuverlässig miteinander kommunizieren, Prozesse synchron laufen und die Netzwerke flexibel erweitert werden können.

Unterschiede zwischen herkömmlichem Ethernet und Industrial Ethernet

Herkömmliches Ethernet in klassischen Büro- oder IT-Netzwerken basiert auf IEEE 802.3 und ist primär auf eine hohe Bandbreite ausgelegt. Latenzen spielen eine eher untergeordnete Rolle und verlorene Pakete können einfach erneut gesendet werden. Diese Eigenschaften sind in der Industrie jedoch unzureichend. Da Steuerbefehle, Sensordaten und Aktor-Kommandos in exakt definierten Zeitfenstern übertragen werden müssen, sind die Anforderungen an eine latenzfreie Übertragung wesentlich höher. Insbesondere bei synchronisierten Roboterachsen, Ther-CAT SPS-Systemen oder komplexen Fertigungsstraßen spielt diese Eigenschaft eine wichtige Rolle.
Industrielles Ethernet bietet hier entscheidende Vorteile: 
Realtime Ethernet sorgt für eine deterministische Datenübertragung, geringe Latenzen und hohe Ausfallsicherheit. Hardware-seitig kommen industrial grade Komponenten wie industrial PHY, robuste industrial ethernet kabel, RJ45- und IEC 63171-6-Stecker sowie industrial switches zum Einsatz, die selbst unter extremen Umweltbedingungen stabil arbeiten. Standard-ethernet bietet dies nicht.
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Priorisierung von Datenpaketen. Industrial switches ermöglichen V-LANs, QoS und die bevorzugte Übertragung zeitkritischer Daten. In der Antriebstechnik ist dies entscheidend: Verzögerungen können zu Produktionsfehlern führen. Die deterministische Übertragung garantiert industrial ethernet vorteile, wie kurze Reaktionszeiten, hohe Zuverlässigkeit und stabile Kommunikation.
Darüber hinaus erlaubt es Industrial Ethernet, hybride und hochflexible Netzwerktopologien aufzubauen. So können Linien-, Stern- und Ringstrukturen problemlos miteinander kombiniert werden, wodurch redundante Übertragungswege für kritische Datenpakete entstehen. Dies erhöht auch die Resilienz gegenüber Ausfällen oder Angriffen von außen und stellt sicher, dass die Fertigungsprozesse auch bei Defekt oder Ausfall einzelner Komponenten unbeeinflusst weiterlaufen können.

Industrielle Ethernet-Protokolle (Industrial Ethernet)

Industrielles Ethernet und die Industrial Ethernet Protokolle definieren die Kommunikationsstandards, Zykluszeiten und Synchronisationsmechanismen zwischen Geräten und Fertigungskomponenten. Sie sind das Herzstück einer modernen Automatisierung im industriellen Umfeld und entscheidend für Realtime Ethernet. Die weltweit relevanten Vertreter im Bereich für industrielles Ethernet haben wir nachfolgend aufgeführt 
PROFINET (Industrial Ethernet Profinet) ist vor allem in Europa und Asien der führende Industrial-Ethernet-Standard. PROFINET unterstützt RT- und IRT-Modi und ermöglicht eine deterministische Kommunikation zwischen Steuerungen, Sensoren und Aktoren. PROFINET eignet sich damit optimal für komplexe Fertigungsstraßen und kann zudem unterschiedliche Topologien nutzen. Neben Stern- und Linien-Topologien sind mit PROFINET auch Ring-Topologien möglich. Unterschiede der beiden Modi liegen darin begründet, dass RT in Standardanwendungen zum Einsatz kommt, während IRT für zeitkritische Achsen oder Motion-Control-Systeme verwendet wird.
EtherCAT (EtherCAT SPS) ist ein hochdeterministisches Protokoll, das Zykluszeiten unter 100 Mikrosekunden ermöglicht und somit nahezu latenzfrei arbeitet. Es wird daher bevorzugt in der Antriebstechnik und bei synchronisierten Roboterachsen eingesetzt. EtherCAT überträgt Daten, während die Datenpakete durch die Geräte „fließen“, was die Latenz erheblich minimiert. Dadurch lassen sich z. B. mehrere hundert Achsen in Echtzeit und nahezu verzögerungsfrei steuern.
EtherNet/IP basiert auf CIP und bietet Soft-Echtzeit. Es ist international verbreitet und ideal für heterogene Produktionslinien, die IT-Integration benötigen. Es bietet Flexibilität und ist gut geeignet für Produktionsanlagen, die eine Mischung aus Standard-SPS und modernen Geräten haben.
Modbus TCP ist einfach, interoperabel und kostengünstig. Es wird häufig in Sensorik und Aktorsteuerungen eingesetzt. Für kleinere Maschinen oder ältere Anlagen, die keine hohen Zykluszeiten erfordern, ist Modbus TCP eine solide Wahl.
SERCOS III und POWERLINK Ethernet sind Protokolle, die auf eine extrem deterministische Kommunikation ausgelegt sind – deterministisch bedeutet, dass Datenpakete in Netzwerken innerhalb eines festgelegten, vorhersehbaren Zeitrahmens (auch als Latenz bezeichnet) ihr jeweiliges Ziel erreichen. Ein Hauptgrund dafür, dass diese Protokolle häufig in synchronisierten Fertigungsstraßen und Motion-Control-Systemen eingesetzt werden. Zykluszeiten liegen oft im Mikrosekundenbereich, und mehrere Achsen können gleichzeitig gesteuert werden.
BACnet IP und HART-IP ist für die Gebäudeautomation ausgelegt. Dabei dient BACnet/IP primär der Gebäudeautomation dient, während HART-IP für die Prozessautomatisierung eingesetzt wird. Sie integrieren Klimaanlagen, Beleuchtung, Sicherheits- und Energiemanagementsysteme in ein Netzwerk. Auch bei diesen Protokollen zeigen sich die Vorteile, die industrielles Ethernet bietet, da Daten zuverlässig und mit geringer Latenz übertragen werden können.
OPC UA ermöglicht eine standardisierte Kommunikation zwischen Maschinen, Steuerungen und IT-Systemen. Es ist herstellerübergreifend einsetzbar und erleichtert die Integration von Produktionsdaten in Analyse- oder Cloud-Systeme. In Industrie-4.0-Umgebungen ist OPC UA der zentrale Baustein für die Vernetzung von Produktion und IT.

Physikalische Ethernet-Schnittstellen (Industrial PHY)

Die physikalische Ebene eines industrial Ethernet-Netzwerks wird durch industrial PHY und industrial ethernet kabel realisiert. Sie bildet die Basis für industrial ethernet vorteile wie geringe Latenz, hohe Zuverlässigkeit und stabile Kommunikation.
SPE (Single Pair Ethernet) ermöglicht die Übertragung von Daten über ein einziges Adernpaar. Dies reduziert den Kabelverlegung und Aufwand, spart Kosten ein und ermöglicht darüber hinaus den Einsatz in beengten oder schwer zugänglichen Bereichen. SPE eignet sich optimal für Sensornetzwerke, Feldgeräte und Maschinenkomponenten, die keine hohen Datenraten benötigen, aber eine präzise Realtime Ethernet-Kommunikation erfordern.

Wichtige Industrie-Ethernet-Steckertypen

RJ45 ist der Standardanschluss für Geräte, die keine extremen Umgebungsbedingungen erfordern. Dieser Steckertyp ist auch bei Endkunden im Privatbereich weit verbreitet. Sowohl der Ethernet Switch, PC sowie WLAN-Router, TV-Gerät und NAS verfügen meist über eine oder mehrere Anschlussbuchsen für RJ45 Stecker.

IEC 63171-6 Stecker sind geschirmt und robust, weshalb sie für IIoT (Industrial Internet of Things) und Industrie 4.0 geeignet sind. Sie sind in Schutzartvarianten von IP20 bis IP6X verfügbar. Für Ex-Bereiche ist die Eignung z.B. durch IP67) gegeben.

M12 D/X: Diese Stecker sind robust, vibrationssicher, wasserdicht und werden häufig in industrial grade Anlagen eingesetzt.
Industrial PHY (Physical Layer Transceiver/Bitübertragungsschicht-Transceiver) ist die physikalische Schicht bzw. der Sender/Empfänger, der die Signale zwischen den Geräten überträgt. PHY gewährleistet die Fehlerkorrektur, eine hohe Signalqualität und Stabilität auch unter extremen Bedingungen. Zusammen mit industrial Ethernet Kabeln und Steckern bildet ein solcher PHY-Baustein die Grundlage für deterministische industrial Ethernet Protokolle und Realtime Ethernet.

Welche Ethernetvarianten wofür?

Nicht jede Ethernetvariante eignet sich für jede Aufgabe, wie in diesem Ratgeber bereits erwähnt wurde. Während einige Anwendungen vor allem eine hohe Datenrate benötigen, sind andere auf kurze Reaktionszeiten oder eine maximale Robustheit angewiesen. Entsprechend haben sich in der Industrie – je nach Branche und Anforderung – verschiedene Ethernetvarianten etabliert. Das klassische Ethernet nach IEEE-802.3 bildet meist die technologische Grundlage aller Ethernet Industrial Lösungen. Typische Anwendungen bei diesem industrial Ethernet Protocol sind die Anbindung von Bedienstationen, Industrie-PCs und Visualisierungssystemen. Industrial Ethernet geht hier einen großen Schritt weiter. Es überträgt das Ethernet-Prinzip gezielt auf die Anforderungen in industriellen Umgebungen. Nicht nur müssen die Komponenten wie robuster Switches, spezieller Kabel und widerstandsfähige Steckverbinder industrietauglich sein, damit das Ethernet auch unter rauen Bedingungen zuverlässig funktioniert. Wie bereits erwähnt, ist industrial Ethernet PROFINET eines der am häufigsten eingesetzten Industrial-Ethernet-Protokolle.

Dieses industrial ethernet protocol eignet sich hervorragend für klassische Automatisierungsaufgaben mit speicherprogrammierbaren Steuerungen. In Fertigungsstraßen von Automobilherstellern übernimmt PROFINET bspw. die Kommunikation zwischen der SPS (speicherprogrammierbare Steuerung), Sensoren zur Produkterkennung und den Aktoren (z. B. Ventile, Förderbänder, Motoren in Verpackungsmaschinen). Die Zykluszeiten eines PROFINETs sind hierzu ausreichend kurz, um Prozesse stabil zu steuern, gleichzeitig lässt sich das Netzwerk flexibel erweitern. Anders sieht es hingegen bei Anwendungen aus, die besonders hohe Anforderungen an Synchronität und Dynamik stellen. Hier kommt EtherCAT zum Einsatz. Dieses Protokoll wurde speziell für Motion-Control- und Antriebstechnik entwickelt. Ein typisches Beispiel ist eine Verpackungsmaschine, in der mehrere Servoantriebe synchron arbeiten müssen, um Produkte präzise zu positionieren, zu schneiden oder zu verschließen. EtherCAT ermöglicht es, die Positionen aller Achsen nahezu gleichzeitig zu aktualisieren, wodurch sehr gleichmäßige Bewegungsabläufe entstehen. In der Robotik wird EtherCAT ebenfalls häufig eingesetzt, etwa bei Knickarmrobotern, deren Gelenke exakt aufeinander abgestimmt arbeiten müssen.

EtherNet/IP hat sich insbesondere in international ausgerichteten Industrieanlagen etabliert, vor allem in Nordamerika, wo eine enge Verzahnung von Automatisierung und IT gefordert ist. Typische Einsatzszenarien sind Prozessanlagen, in denen Steuerungen, Frequenzumrichter und Bediengeräte über EtherNet/IP miteinander kommunizieren. Gleichzeitig werden Produktions- und Maschinendaten kontinuierlich an zentrale Datenerfassungssysteme übertragen, um Monitoring, Analyse und Optimierung zu ermöglichen. Während die Anforderungen an Echtzeit bei dieser Ethernet industrie Variante vergleichsweise moderat sind, spielt die einfache Integration von Geräten unterschiedlicher Hersteller eine zentrale Rolle.

Modbus TCP ist eine offene Ethernetvariante, die vor allem durch ihre geringe Komplexität und hohe Kompatibilität überzeugt. In der Praxis findet sie häufig Anwendung in Energie- und Gebäudemanagementsystemen. Beispielsweise werden Energiezähler, Temperatur- oder Drucksensoren über Modbus TCP an zentrale Leitsysteme angebunden, um Daten regelmäßig abzufragen und auszuwerten.

SERCOS III ist ein Echtzeit-Ethernet-Protokoll, das insbesondere in der Antriebstechnik und in hochpräzisen Werkzeugmaschinen eingesetzt wird. In CNC-Fräs- oder Drehmaschinen sorgt SERCOS III dafür, dass Spindeln, Achsen und andere mechanische Komponenten exakt synchronisiert werden.

POWERLINK Ethernet wird ebenfalls häufig im klassischen Maschinenbau eingesetzt, z. B. in Verpackungs- oder Montageanlagen. POWERLINK sorgt dafür, dass alle Teilnehmer im Netzwerk synchron miteinander kommunizieren und Steuerbefehle zu exakt definierten Zeitpunkten erhalten.
TSN wird derzeit vor allem in Pilotprojekten und neuen Anlagen eingesetzt, z. B. in modularen Produktionssystemen der Automobilindustrie. Dort werden Steuerungsdaten, Diagnosedaten und IT-Daten über ein gemeinsames Netzwerk übertragen, ohne dass sich die unterschiedlichen Datenströme gegenseitig beeinflussen. Auch spezielle Ethernetvarianten für Gebäude- und Prozessautomation haben klare Einsatzfelder. BACnet IP wird beispielsweise in großen Industrie- oder Bürogebäuden eingesetzt, um Heizungs-, Lüftungs- und Klimasysteme zu steuern. HART-IP findet man in der Prozessindustrie, etwa in Chemieanlagen, wo Messgeräte wie Druck- oder Durchflussmesser über Ethernet angebunden werden. In beiden Fällen stehen Zuverlässigkeit, Standardisierung und langfristige Wartbarkeit im Vordergrund, weniger harte Echtzeitanforderungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wahl der passenden Ethernetvariante immer vom konkreten Anwendungsfall abhängt. Während Standard-Ethernet und einfache Industrial-Ethernet-Lösungen ideal für Datenkommunikation und Visualisierung sind, kommen hochdeterministische Protokolle wie EtherCAT, SERCOS III oder POWERLINK dort zum Einsatz, wo Bewegungen und Prozesse exakt synchronisiert werden müssen. PROFINET und EtherNet/IP schließen die Lücke zwischen klassischer Automatisierung und moderner IT-Integration. Mit TSN zeichnet sich zudem eine Zukunft ab, in der unterschiedliche Anforderungen auf einer gemeinsamen Ethernet-Infrastruktur vereint werden können.