Industrielle Netzwerke — PROFINET, PROFIBUS, EtherCAT, Modbus, OPC UA…
Umfassender Überblick industrieller Kommunikationsprotokolle: historische serielle Busse (Modbus, PROFIBUS, HART, AS-i…), deterministisches Industrial Ethernet (PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, POWERLINK), Anwendungsschichten (OPC UA, MQTT Sparkplug), Utility/SCADA-Protokolle (DNP3, IEC 60870, IEC 61850), Safety-Varianten und Funklösungen. Mutternorm: IEC 61158 + IEC 61784.
Grundprinzipien
Ein industrielles Bussystem ist kein IT-Netz. Es hat spezifische Anforderungen, die erklären, warum es ~40 Varianten gibt.
Determinismus
Ein industrielles Bussystem muss jeden Frame zu einem vorhersehbaren Zeitpunkt zustellen — µs-genau bei Motion Control. Anders als „Best Effort" IT-Ethernet. Erreicht durch strikte zyklische Abfrage oder Echtzeit-Ethernet-Mechanismen.
Umweltrobustheit
Geschirmte Kabel, differentielle Codierung (RS-485, Manchester), galvanische Trennung, EMV-Festigkeit. Für −40 °C bis +85 °C, Vibration, korrosive Atmosphären, ATEX.
Adressierung und Topologie
Master-Slave (PROFIBUS DP, Modbus RTU), Producer-Consumer (Foundation Fieldbus), Pub/Sub (OPC UA PubSub, MQTT). Topologien: Bus, Stern, redundanter Ring (MRP, PRP, HSR), Mesh.
Funktionale Sicherheit „on top"
Kein dedizierter Sicherheitsbus — ein nach IEC 61784-3 zertifiziertes Protokoll (PROFIsafe, CIP Safety, FSoE, openSAFETY) wird auf einen Standardbus aufgesetzt. End-to-End-Integritätsprüfung („Black Channel").
1. Serielle / Legacy-Busse (1980–2000)
Die erste industrielle Generation, noch allgegenwärtig. RS-485 differentiell für EMV-Robustheit, Master-Slave-Polling, bescheidene Bandbreite aber strenger Determinismus.
| Bus | Jahr | Organisation | Physische Schicht | Geschw. | Knoten | Anwendungsfall | Status |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Modbus RTU | 1979 | Modbus Org | RS-485 / RS-232 | 9,6 – 115,2 kbps | 247 | Der Urvater. Universell, einfach, offen. Noch überall. | Aktiv |
| HART | 1986 | FieldComm | 4-20 mA + digitales Overlay | 1,2 kbps | 15+ (multidrop) / 1 (point-to-point) | Sensor-Konfiguration & Diagnose ohne Änderung der analogen Verkabelung | Aktiv (massive Bestandsbasis) |
| PROFIBUS DP | 1989 | PI | RS-485 | 9,6 kbps – 12 Mbps | 126 | SPS ↔ Aktoren / dezentrale E/A. Siemens De-facto-Standard. | Rückläufig — durch PROFINET ersetzt |
| PROFIBUS PA | 1995 | PI | MBP-IS (2 fils) | 31,25 kbps | 32 (segment) | Prozessinstrumentierung in ATEX Zone 1 — Speisung und Signal auf einem Aderpaar | Stabil — schrittweise Ablösung durch Ethernet-APL |
| Foundation Fieldbus H1 | 1996 | FieldComm | IEC 61158-2 (2 fils) | 31,25 kbps | 32 | Direkter Konkurrent zu PROFIBUS PA. Producer-Consumer-Modell. | Stabil, große installierte Basis |
| AS-Interface (AS-i) | 1993 | AS-i Consortium | 2 gelbe Adern (Signal + 24 V) | 167 kbps (AS-i 3) / 600 kbps (AS-i 5) | 62 | Kostengünstige binäre Sensoren/Aktoren. Schneidklemmen-Flachkabel. | Aktiv — AS-i 5 (2020) mit IO-Link & Safety |
| DeviceNet | 1994 | ODVA | CAN | 125 / 250 / 500 kbps | 64 | CAN-Variante von CIP. An Rockwell gebunden. | Legacy, nordamerikanische Bestandsbasis |
| CANopen | 1995 | CiA | CAN | 1 Mbps max | 127 | Werkzeugmaschinen, eingebettete Automobiltechnik, Medizintechnik. | Aktiv — CANopen FD im Aufkommen |
| CC-Link | 1996 | CLPA | RS-485 différentiel | 10 Mbps max | 64 | Mitsubishi. In Asien auf Mitsubishi-Anlagen dominant. | Aktiv, aber Migration zu CC-Link IE |
| INTERBUS | 1987 | Phoenix Contact | RS-485 / fibre | 500 kbps – 2 Mbps | 512 | Serieller Ring. Starke historische Präsenz in europäischer Automobil- und Sondermaschinen. | Legacy — bei Neuanlagen nicht empfohlen |
| ControlNet | 1995 | ODVA | Koax / Glasfaser | 5 Mbps | 99 | SPS-zu-SPS-Backbone bei Rockwell — durch EtherNet/IP ersetzt | Legacy |
2. Intelligenter Single-Drop — IO-Link und Ethernet-APL
Kein eigentlicher Bus — eine intelligente Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Die große Innovation der 2010er–2020er: günstiges Kabel mit Speisung + Messwert + Diagnose + Parametrierung.
| Protokoll | Jahr | Organisation | Physische Schicht | Geschw. | Knoten | Anwendungsfall | Status |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| IO-Link | 2009 | PI / IEC 61131-9 | 3 ungeschirmte Adern (24 V) | 4,8 / 38,4 / 230,4 kbps | 1 (point-to-point) | Intelligente Sensoren: Messwert + Diagnose + Parametrierung über dieselben Adern. | Starkes Wachstum — Standard bei Neuanlagen |
| IO-Link Safety | 2022 | PI / IEC 61131-9 | Wie IO-Link | Idem | 1 | Safety-Erweiterung von IO-Link für SIL-2-Sensoren | Im Aufkommen — erste Produkte 2024 |
| Ethernet-APL | 2021 | Multi-Hersteller (APL Project Group) | 2 Adern (Speisung + Signal), IEC 61158-2 lange Distanz, eigensicher ATEX | 10 Mbps full-duplex | 1 (point-to-point) | Ersatz für ATEX-Zone 0/1 Prozess — Ethernet bis zum Sensor im Tank. | Im Aufkommen — erste industrielle Rollouts 2024-2025 |
3. Industrial Ethernet (deterministisch)
Die Entwicklung der 2000er: Standard-IT-Ethernet (IEEE 802.3) um fehlende Echtzeit-Garantien erweitern. TSN versucht heute zu vereinheitlichen.
| Bus | Jahr | Organisation | Hauptanbieter | Bandbreite | Latenz | Anwendungsfall |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PROFINET | 2003 | PI | Siemens | 100 Mbps – 1 Gbps | Standard <10 ms, IRT <1 ms, Isochronous <1 µs Jitter | Am häufigsten in Europa. 3 Klassen: Standard, RT, IRT |
| EtherNet/IP | 2001 | ODVA | Rockwell | 100 Mbps – 1 Gbps | < 10 ms typique, < 1 ms avec CIP Sync | In den USA dominant. CIP über TCP (explizit) und UDP (zyklisch). |
| EtherCAT | 2003 | ETG | Beckhoff | 100 Mbps | <100 µs (32 Achsen), eindeutiger zirkulierender Frame "on-the-fly" | Leistungsstärkstes Motion Control. Zirkulierender Frame. Linien-/Ring-/Baum-Topologie. |
| POWERLINK | 2001 | EPSG | B&R | 100 Mbps | < 200 µs | Open Source (LGPL). Strenger isochroner Zyklus. Europäische Nische. |
| Sercos III | 2003 | IGS | Multi | 100 Mbps | <31,25 µs (synchrones Motion Control) | Werkzeugmaschinen & Robotik Motion Control |
| Modbus TCP | 1999 | Modbus Org | Multi (offen) | 100 Mbps – 1 Gbps | Best-Effort (nicht-deterministisch) | Universell und am einfachsten umzusetzen. Nicht deterministisch, aber allgegenwärtig. |
| CC-Link IE | 2007 | CLPA | Mitsubishi | 1 Gbps | < 1 ms | Gigabit von Anfang an. Hauptsächlich Asien. |
| TSN (IEEE 802.1) | 2018 | IEEE / IEC | Multi-Vendor | 1 – 10 Gbps | < 100 µs (déterministe garanti) | Kein Bus, sondern eine Sammlung von Ethernet-Erweiterungen, die Ethernet deterministisch machen. Konvergenzschicht der Zukunft. |
4. Anwendungsschichten — IT/OT-Interoperabilität
Über dem Transport definieren Anwendungsschichten die Datenbedeutung. OPC UA wird zur modernen IT/OT-Lingua-Franca; MQTT Sparkplug B übernimmt dieselbe Rolle in der IIoT-Cloud.
| Protokoll | Jahr | Organisation | Transport | Anwendungsfall |
|---|---|---|---|---|
| OPC UA | 2008 | OPC Foundation / IEC 62541 | TCP, HTTPS, WebSocket | De-facto-Standard für IT/OT-Interop. Reiches Informationsmodell, native Sicherheit. |
| OPC UA Pub/Sub | 2018 | OPC Foundation | UDP multicast, MQTT, AMQP | Publisher/Subscriber-Erweiterung von OPC UA — Entkopplung, IIoT-Skalierbarkeit. |
| OPC UA over TSN | 2020 | OPC + IEEE | Ethernet L2 + TSN | Konvergenzziel: OPC UA für Information, TSN für Echtzeit. SPS und Motion auf demselben Kabel. |
| OPC Classic (DA/HDA/A&E) | 1996 | OPC Foundation | DCOM (Windows) | Windows-only Legacy. In neuen Projekten vermeiden — durch OPC UA ersetzt. |
| MQTT | 1999 | OASIS / ISO 20922 | TCP (broker) | Ultra-leichtes Pub/Sub. Weltweiter IIoT-Standard. Mobilfunk- und NB-IoT-kompatibel. |
| MQTT Sparkplug B | 2019 | Eclipse Foundation | MQTT broker (Mosquitto, HiveMQ) | Industrieller MQTT-Profil — State Machine, reiche Metadaten, Auto-Discovery. |
| AMQP | 2003 | OASIS | TCP (broker) | Reiches Queue-Messaging. Mehr im Finanzsektor als in der Industrie. |
5. Utility-/SCADA-Protokolle — Energie, Wasser, Gas
Für weitläufige Infrastruktur reichen Feldbusse nicht. Spezialisierte Langstreckenprotokolle für die Abfrage hunderter Außenstationen.
| Protokoll | Jahr | Region | Transport | Anwendungsfall |
|---|---|---|---|---|
| DNP3 / IEEE 1815 | 1993 | Nordamerika | Seriell RS-485 oder TCP/IP | Stromverteilung, Wasser. RTU-Zeitstempelung, Ereignisklassen, starke Integrität. |
| IEC 60870-5-101 | 1995 | Europe | Seriell | Historische europäische Fernwirktechnik. |
| IEC 60870-5-104 | 2000 | Europe | TCP/IP | Ethernet-Weiterentwicklung von -101. Moderne europäische und asiatische Stromnetze. |
| IEC 61850 MMS | 2003 | Weltweit | TCP (ISO 9506) | Station-Bus-Kommunikation in modernen Umspannwerken. XML/SCL-Datenmodell. |
| IEC 61850 GOOSE | 2003 | Weltweit | L2 multicast (Ethernet) | Echtzeit-Austausch zwischen Schutzrelais. <4 ms. NIE zwischen Standorten geroutet. |
| IEC 61850 Sampled Values | 2003 | Weltweit | L2 multicast (Ethernet) | Digitale Strom-/Spannungsabtastung als Ersatz für analoge CT/VT. Process Bus. |
6. Funktionale Sicherheit „on top" — IEC 61784-3
Keiner dieser Busse ist nativ sicherheitsgerichtet. Für SIL-2/3-Funktionen wird ein zertifiziertes Protokoll aufgesetzt, das End-to-End-Integrität sicherstellt. Das Transportprotokoll darf Nachrichten verlieren/duplizieren/umordnen — der Safety-Empfänger erkennt und geht in den sicheren Zustand.
| Protokoll | Trägerprotokoll | Organisation | Anwendungsfall |
|---|---|---|---|
| PROFIsafe | PROFINET / PROFIBUS | PI | Safety-Standard für Siemens/PI-Umgebungen. SIL 3. |
| CIP Safety | EtherNet/IP, DeviceNet | ODVA | Safety für Rockwell-Umgebungen. SIL 3. |
| FSoE (Fail Safe over EtherCAT) | EtherCAT | ETG | Native EtherCAT-Safety. SIL 3. Sehr geringer Overhead. |
| openSAFETY | POWERLINK und andere | EPSG | Open-Source-Safety, transportunabhängig. SIL 3. |
| CC-Link IE Safety | CC-Link IE | CLPA | Safety für Mitsubishi-Umgebungen. SIL 3. |
7. Industrieller Funk
Funk bleibt im Kernprozess Minderheit (Determinismus und Zuverlässigkeit schwieriger), gewinnt aber bei schwer zugänglichen Sensoren, mobilen FTS und Teleoperation an Boden. 5G URLLC könnte ab 2026-2027 das Spiel ändern.
| Protokoll | Jahr | Norm | Frequenzband | Reichweite | Anwendungsfall |
|---|---|---|---|---|---|
| WirelessHART | 2010 | IEC 62591 | 2,4 GHz | 100 m typisch, Mesh-erweiterbar | Funk-Prozesssensoren — typischerweise Vibration, Temperatur. Selbstorganisierender Mesh. |
| ISA100.11a | 2009 | ISA / IEC 62734 | 2,4 GHz | 100 m typisch | WirelessHART-Konkurrent. Flexibler (natives IPv6), aber weniger verbreitet. |
| 5G industriel (URLLC) | 2020 | 3GPP Release 16+ | Sub-6 GHz, mmWave | km (private Campus-Abdeckung) | Funk-Motion-Control, FTS, Teleoperation. URLLC: <1 ms und 99,9999 % Zuverlässigkeit. |
| Wi-Fi 6/6E/7 | 2020 | IEEE 802.11ax/be | 2,4 / 5 / 6 GHz | 100 m | FTS, Bediener-Tablets, mobile HMI. Nicht deterministisch. |
| LoRaWAN | 2015 | LoRa Alliance | Sub-GHz (868 MHz EU, 915 MHz US) | 2–15 km | Sehr energiesparsame, langreichweitige Sensoren mit niedriger Bandbreite. |
| NB-IoT | 2017 | 3GPP Release 13 | LTE / 4G bestehende Bänder | Mobilfunk-Abdeckung | Outdoor-IIoT — Pipelines, Wasserzähler, urbane Sensoren. |
Wie ein Bus auswählen?
Keine universelle Antwort. Fragen in dieser Reihenfolge:
- Welche Latenz wird benötigt? Motion Control <1 ms → EtherCAT / PROFINET IRT. Prozessregelung <100 ms → PROFINET / Modbus TCP / OPC UA. Reporting >1 s → MQTT Sparkplug.
- Welcher SPS-Hersteller? Siemens → PROFINET + PROFIsafe. Rockwell → EtherNet/IP + CIP Safety. Beckhoff → EtherCAT + FSoE. B&R → POWERLINK + openSAFETY. Mitsubishi → CC-Link IE. Bei Vendor-Neutralität: Modbus TCP oder OPC UA.
- ATEX Zone 0/1? PROFIBUS PA, Foundation Fieldbus H1, Ethernet-APL (Zukunft). Eigensichere Sensoren (Ex ia).
- Standortübergreifend / Cloud? NIE PROFINET / EtherCAT / GOOSE zwischen Standorten. Immer verschlüsseltes OPC UA oder MQTT Sparkplug B mit TLS.
- SIL 2/3 Safety erforderlich? Erst Standardbus wählen, dann passendes Safety-Profil hinzufügen.
- Kostensensibel? Günstige Binärsensoren → AS-i. Intelligenter Sensor → IO-Link.
Referenznormen
- IEC 61158 — Mutternorm — OSI-Schichten 1, 2, 7 ALLER Industriebusse (40+ Typen)
- IEC 61784 — Kommunikationsprofile (CPF) — 18 Familien
- IEC 61784-3 — Safety-Profile (PROFIsafe, CIP Safety, FSoE, openSAFETY)
- IEC 62541 — OPC UA — IT/OT-Anwendungsschicht
- IEC 61131-9 — IO-Link Single-Drop
- IEEE 802.1 TSN — Time-Sensitive Networking — deterministisches Ethernet
- IEC 62591 — WirelessHART
- IEC 62734 — ISA100.11a