In der industriellen Automatisierung stehen speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) als zentrale Steuerungsgeräte zunehmend vor Herausforderungen hinsichtlich Leistung und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Industrie 4.0 und intelligenter Fertigung stellen Hersteller höhere Anforderungen an Gerätekonnektivität, Datenaustausch und intelligente Zusammenarbeit. In diesem Zusammenhang rücken die technischen Eigenschaften, Anwendungsszenarien und Leistungsunterschiede gängiger Protokolle wie Modbus TCP, Ethernet/IP und PROFINET zunehmend in den Fokus der Industrie. Die Wahl des richtigen Kommunikationsprotokolls verbessert nicht nur die Effizienz der Gerätekoordination und die Systemreaktionsfähigkeit deutlich, sondern reduziert auch effektiv Betriebskosten und Systemlatenz. Es ist zu einem entscheidenden Schritt für die digitale und intelligente Transformation und Modernisierung von Unternehmen geworden.

Bei der Auswahl eines SPS-Kommunikationsprotokolls sollten Unternehmen basierend auf den tatsächlichen Anwendungsanforderungen die folgenden vier Schlüsselfaktoren berücksichtigen:

Echtzeit und deterministisch: In hochpräzisen Steuerungsszenarien sind die Echtzeitleistung und der Timing-Determinismus des Protokolls besonders wichtig. Beispielsweise erreicht der Isochronous Real-Time (IRT)-Kanal von PROFINET eine Synchronisierung im Mikrosekundenbereich und bietet zuverlässige Unterstützung für High-End-Anwendungen wie mehrachsige Bewegungssteuerung und kollaborative Robotik.

Datenkapazität und Kompatibilität:

Verschiedene Protokolle unterscheiden sich erheblich in ihrer Datenstruktur und ihren Verarbeitungsmöglichkeiten. Ethernet/IP, basierend auf dem CIP-Protokoll, eignet sich hervorragend für die Verarbeitung komplexer Datenobjekte und großer Mengen an Echtzeitinformationen, während Modbus TCP mit seinem einfachen Register-Lese- und Schreibmodus l, bleibt in kleinen und mittelgroßen Systemen weit verbreitet.

Netzwerktopologie und Skalierbarkeit:

Ringtopologien verbessern effektiv die Systemredundanz und -zuverlässigkeit, während lineare Topologien sich besser für die Kaskadierung von Feldgeräten und die Reduzierung des Verkabelungsaufwands eignen. Moderne Industrienetzwerke müssen eine flexible Erweiterung unterstützen, um zukünftige Anpassungen der Produktionslinien und Kapazitätserweiterungen der Anlagen zu ermöglichen.
In industriellen Automatisierungssystemen müssen Sicherheitsmechanismen und Kostenkontrolle koordiniert berücksichtigt werden. Moderne Protokolle wie PROFINET entsprechen dem Sicherheitsstandard IEC 62443 und bieten zentrale Sicherheitsfunktionen wie Identitätsauthentifizierung und Datenverschlüsselung. Ihre Bereitstellung erfordert jedoch in der Regel spezielle Hardware, was hohe Implementierungskosten verursacht. Modbus TCP hingegen bietet zwar die Vorteile einer flexiblen Bereitstellung und geringer Kosten, verfügt jedoch nicht über umfassende integrierte Sicherheitsmechanismen. In der Praxis muss die Sicherheit durch externe technische Maßnahmen verstärkt werden, was die Systemkomplexität und die Wartungskosten erhöhen kann.

Strategische Protokollauswahl: PROFINET, Ethernet/IP und Modbus TCP an die Anwendungsanforderungen anpassen
Je nach Anwendungsszenario bietet jedes Protokoll einzigartige Vorteile. PROFINET eignet sich hervorragend für echtzeitkritische Anwendungen wie die Automobilfertigung und die Präzisionsbearbeitung. Sein Mehrkanal-Kommunikationsmechanismus erfüllt sowohl die Anforderungen an Echtzeitsteuerung als auch an Datenüberwachung. Ethernet/IP eignet sich besser für mittlere und große Produktionslinien, da es Daten aus IT- und OT-Ebene nahtlos integriert und den Informationsaustausch von der Fertigung bis zur Unternehmensebene unterstützt. Modbus TCP hingegen behauptet aufgrund seiner einfachen Bereitstellung und niedrigen Kosten einen bedeutenden Marktanteil bei kleinen und mittleren Anlagen, der Aufrüstung von Altsystemen und in traditionellen Branchen.

Wichtig ist, dass das gewählte Protokoll vollständig mit der bestehenden Infrastruktur Ihres Unternehmens kompatibel ist. Setzt eine Fabrik beispielsweise bereits eine große Anzahl Ethernet/IP-fähiger Geräte und Steuerungssysteme ein, kann die Priorisierung desselben Protokolls für neue Projekte Upgrade-Kosten und technische Risiken deutlich reduzieren. Protokoll-Gateways ermöglichen zwar die Interoperabilität zwischen heterogenen Netzwerken, dieser Ansatz kann jedoch zusätzliche Latenzen und einzelne Fehlerquellen mit sich bringen. Daher ist die Verwendung eines nativ kompatiblen Kommunikationsprotokolls nach Möglichkeit die optimale Lösung.

Integration von SPS-Protokollen mit IIoT- und Cloud-Technologien
Mit der zunehmenden Popularität von Edge Computing und dem Industrial Internet of Things (IIoT), SPS-Kommunikationsprotokolle Die Automatisierungstechnik entwickelt sich rasant weiter und integriert neue Technologien wie Cloud Computing und künstliche Intelligenz. Die Steuerungen der UniStream-Serie von Unitronics verfügen beispielsweise über integrierte Cloud-Dienste, die Nutzern Fernüberwachung, Datenanalyse und Fehlerwarnungen ohne zusätzliche Abonnements ermöglichen. Dieser Trend legt nahe, dass zukünftige industrielle Kommunikationsprotokolle nicht nur die Anforderungen an eine hochzuverlässige Echtzeitsteuerung erfüllen, sondern auch offener, skalierbarer und systemkompatibel sein müssen. Dadurch erweitern sich die Anwendungsszenarien industrieller Automatisierungssysteme und der praktische Nutzen steigt.