Die industrielle Automatisierung ist in hohem Maße auf robuste Netzwerkinfrastrukturen angewiesen, um speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), verteilte Leitsysteme (DCS) und Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) zu verbinden. Moderne Fabrikautomatisierungsumgebungen erzeugen große Mengen an Echtzeit-Betriebsdaten über deterministische Netzwerke hinweg. Das Verständnis der strukturellen Unterschiede zwischen Hubs, Switches und Routern gewährleistet eine optimale Verkehrssegmentierung, minimiert die Latenz und erhält eine hohe Netzwerkverfügbarkeit.

Die Grenzen veralteter Netzwerk-Hubs verstehen

Industrielle Hubs arbeiten ausschließlich auf Layer 1 (Bitübertragungsschicht) des Open-Systems-Interconnection-Modells (OSI-Modell). Diese nicht intelligenten Hardwaregeräte übertragen eingehende elektrische Signale oder Bitströme unterschiedslos über jeden Ausgangsport. Dadurch leiden verbundene Geräte unter häufigen Paketkollisionen, hoher Netzwerküberlastung und erheblichen Sicherheitslücken. In modernen industriellen Leitsystemen verursachen veraltete Hubs unvorhersehbare Übertragungsverzögerungen, die den Anforderungen deterministischer Echtzeitsteuerungen widersprechen.

Den lokalen Datendurchsatz mit Managed Switches maximieren

Industrielle Ethernet-Switches arbeiten auf Layer 2 (Sicherungsschicht) und analysieren dynamisch die Media-Access-Control-Adressen (MAC-Adressen). Durch die Pflege einer internen MAC-Adresstabelle leitet ein Switch Ethernet-Frames ausschließlich an den vorgesehenen Zielport weiter. Zudem unterstützen Managed Switches die Vollduplex-Kommunikation und führen vor der Weiterleitung der Frames Fehlerprüfprotokolle aus. Der Einsatz industrieller Layer-2-Switches optimiert die Bandbreitennutzung und verhindert Datenkollisionen in lokalen SPS-Netzwerken.

Subnetze in der Fabrikautomatisierung mit Routern verbinden

Router arbeiten auf Layer 3 (Netzwerkschicht) des OSI-Modells und verarbeiten Header von Internet-Protokoll-(IP-)Paketen. Diese intelligenten Netzwerkgeräte leiten Datenverkehr zwischen verschiedenen lokalen Netzwerken (LANs) weiter oder verbinden die Betriebstechnologie (OT) mit Weitverkehrsnetzwerken (WANs). Darüber hinaus führen Router fortschrittliche Routing-Algorithmen aus, um optimale Pfade für kritische Nutzdaten auszuwählen. Die Installation industrieller Firewalls und Layer-3-Router isoliert Regelkreise effektiv von Unternehmens-IT-Umgebungen.

Die Kernfunktionen industrieller Netzwerkhardware vergleichen

Die Auswahl geeigneter Netzwerkhardware erfordert den Vergleich von Betriebsschichten, Datenformaten, Übertragungsgeschwindigkeiten und Adressierungsmechanismen aller drei Gerätetypen.

Die Geräteauswahl für hochverfügbare Leitsysteme bewerten

Planer industrieller Netzwerke müssen bei der Auswahl zentraler Netzwerkhardware Kosten, Intelligenz und Determinismus sorgfältig gegeneinander abwägen. Während unmanaged Switches für die grundlegende Erweiterung von Peripheriegeräten geeignet sind, erfordern Prozessanlagen mit hohen Folgen Managed Layer-2- und Layer-3-Infrastrukturen. Nach meiner praktischen Erfahrung bei der Modernisierung von DCS-Leitsystemnetzwerken reduziert der Ersatz veralteter Hubs durch Managed Switches mit Unterstützung für virtuelle lokale Netzwerke (VLANs) Jitter drastisch und verhindert Broadcast-Stürme.

Praxisbeispiel: OT/IT-Integration in einer Kläranlage

Eine kommunale Kläranlage in einer Region modernisierte ihr Leitsystemnetzwerk, um die Betriebstechnologie (OT) sicher mit der IT-Analyse des Unternehmens zu verbinden:

• Segmentierung lokaler DCS-Regelkreise: Die Anlageningenieure installierten industrielle Layer-2-Switches auf DIN-Schienen in Feldgehäusen, um lokale SPS, Motor Control Center (MCCs) und SCADA-Knoten über redundante PROFINET-Ringtopologien zu verbinden.
• Netzwerkisolierung durch Layer-3-Routing: Ein gehärteter industrieller Layer-3-Router erzeugte eine sichere demilitarisierte Zone (DMZ) zwischen dem Netzwerk der Wasseraufbereitungsanlage und dem administrativen IT-Netzwerk.
• Optimierte Bandbreite und Sicherheit: Der Layer-3-Router filterte nicht essenziellen Unternehmensdatenverkehr und leitete gleichzeitig bereinigte Telemetriedaten über Modbus TCP an das zentrale Überwachungs-Dashboard weiter, wobei eine deterministische Leistung für die kritischen Steuerungen der Pumpstationen erhalten blieb.

Über den Autor

Wang Jian ist leitender Ingenieur für industrielle Kommunikation mit mehr als 15 Jahren technischer Erfahrung in der Entwicklung, Inbetriebnahme und Absicherung von DCS-, SPS- und OT/IT-Netzwerkarchitekturen für globale Produktions- und Prozessanlagen. Er ist auf die Entwicklung hochverfügbarer Industrial-Ethernet-Netzwerke, die Diagnose von Feldbussen und die Einhaltung von Cybersicherheitsvorgaben für Plattformen kritischer Infrastrukturen spezialisiert.