Die moderne Fabrikautomatisierung setzt auf eine zuverlässige industrielle Netzwerkinfrastruktur, um Echtzeit-Felddaten zwischen Systemen der Betriebstechnologie auszutauschen. Bei der Integration von speicherprogrammierbaren Steuerungen, verteilten Leitsystemen und SCADA-Überwachungsknoten begegnen Ingenieure häufig Netzwerkhardware wie Hubs, Switches und Routern. Obwohl diese Geräte über physische Anschlüsse verfügen, arbeiten sie auf unterschiedlichen Ebenen des Referenzmodells für die Vernetzung offener Systeme und bieten jeweils unterschiedliche Funktionen zur Verkehrsverwaltung.

Ethernet-Netzwerk-Hubs in älteren Feldnetzwerken verstehen

Ein Ethernet-Netzwerk-Hub ist ausschließlich ein Hardwaregerät der physikalischen Schicht, also der Schicht 1. Er empfängt elektrische Signale oder Bitströme an einem Eingangsport und sendet sie an jeden angeschlossenen Ausgangsport weiter.

Hubs verfügen über keine Verkehrsintelligenz, da sie die Adressen von Datenpaketen nicht prüfen. Folglich empfängt jeder Knoten im lokalen Netzwerksegment jede übertragene Nachricht. Diese unkontrollierte Wiederholung verursacht hohe Kollisionsraten und beschränkt die Kommunikation auf den Halbduplexbetrieb.

Hinweis des Experten: Moderne Industriestandards wie PROFINET Real-Time und Ethernet/IP verbieten herkömmliche Hubs. Unkontrollierter Broadcast-Verkehr führt zu starkem Latenz-Jitter, der kritische Hochgeschwindigkeitsregelkreise für Bewegungsabläufe und Sicherheitsverriegelungen beeinträchtigt.

Industrielle Switches und MAC-basierte Verkehrsverwaltung

Ein industrieller Ethernet-Switch arbeitet auf Schicht 2, der Sicherungsschicht. Anders als ein einfacher Hub prüft ein Switch eingehende Ethernet-Frames, um die MAC-Adressen (Media Access Control) auszulesen.

Er erstellt eine interne MAC-Adresstabelle, um physische Geräteports den Zielgeräten zuzuordnen. Der Switch sendet Frames direkt an den vorgesehenen Zielknoten, anstatt sie an alle Geräte zu übertragen.

Gem管理te Layer-2-Switches unterstützen Vollduplex-Kommunikation und führen vor der Weiterleitung der Pakete eine Hardware-Fehlerprüfung durch. Darüber hinaus unterstützen fortschrittliche Industriemodelle Redundanzprotokolle wie Ring Redundancy (MRP) und virtuelle lokale Netzwerke (VLANs), um den Steuerungsverkehr effizient zu segmentieren.

Industrielle Router und Netzwerkverbindungen auf Schicht 3

Ein industrieller Router arbeitet auf Schicht 3, der Netzwerkschicht des OSI-Modells. Router leiten Datenpakete mithilfe von IP-Routingtabellen über verschiedene logische Netzwerke hinweg weiter.

Router verbinden getrennte lokale Netzwerke miteinander, beispielsweise ein LAN der OT-Produktionsebene mit einem WAN des Unternehmensnetzwerks oder einer Cloud-Plattform. Sie analysieren Pfadmetriken, um Pakete über den effizientesten Weg zu leiten.

Darüber hinaus verfügen industrielle Router über Stateful-Firewalls und NAT-Funktionen, um Feldsteuerungen vor unbefugtem externem Zugriff zu schützen.

Technischer Vergleich der Netzwerkhardware

Anwendungsszenarien in Fabrikautomatisierungssystemen

Industrielle Netzwerke erfordern die Auswahl von Hardware, die den Leistungs- und Sicherheitsanforderungen des Systems entspricht:

• Verbindung innerhalb einer lokalen Maschinenzelle: Industrielle Switches sind die Standardwahl für Schaltschränke. Sie verbinden SPSen, Mensch-Maschine-Schnittstellen, Frequenzumrichter und dezentrale I/O-Baugruppen innerhalb eines gemeinsamen Schranks. Gemanagte Switches mit Quality-of-Service-Priorisierung stellen sicher, dass kritische Steuerungsnachrichten Hintergrunddaten aus der visuellen Diagnose umgehen.
• Werksweites Backbone und OT/IT-Integration: Industrielle Router isolieren sensible Betriebsabläufe im Werk von Unternehmens-IT-Netzwerken. Wird ein Router mit VPN-Unterstützung am Netzwerkrand platziert, können OEM-Ingenieure an externen Standorten DCS-Steuerungen sicher diagnostizieren, ohne die interne Fabrikumgebung Cybersecurity-Bedrohungen auszusetzen.

Autorenprofil

Zhang Wei ist ein leitender Architekt für industrielle Automatisierung mit mehr als 15 Jahren Erfahrung in der Feldtechnik. Er ist auf die Migration von DCS-Systemen, die SPS-Integration und die Architektur industrieller Cybersicherheit spezialisiert. Er berät aktiv globale Anbieter von Automatisierungslösungen und veröffentlicht Fachbeiträge in führenden Publikationen für Leitsysteme.