Industrial Ethernet: Wenn die Fabrik zu sprechen beginnt

DerSchneider

Einleitung

Es gibt Momente in der Technikgeschichte, in denen eine unscheinbare Innovation die Spielregeln ganzer Industrien verändert. Der Aufstieg des Industrial Ethernet ist ein solcher Moment. Was vor zwei Jahrzehnten als gewagtes Experiment galt – die Übertragung von Echtzeit-Steuerdaten über ein Protokoll, das ursprünglich für Bürokommunikation und Internetzugang entwickelt wurde –, ist heute der dominierende Standard in der Fabrikautomation.

Die aktuellen Zahlen sind eindeutig: Im Jahr 2026 entfallen 79 Prozent aller weltweit neu installierten industriellen Netzwerkknoten auf Industrial Ethernet. Im Vorjahr lag dieser Anteil bei 76 Prozent, und im Jahr 2015 – als HMS Networks erstmals diese Daten erhob – waren es gerade einmal 34 Prozent. Die Transformation ist nahezu abgeschlossen. Doch was steckt hinter dieser Entwicklung? Welche technischen Durchbrüche machten sie möglich, welche Akteure prägen den Markt, und wohin führt der Weg in einer Ära, in der Cybersicherheit, Zeitdeterminismus und die Konvergenz von IT und OT die Agenda bestimmen?

Dieser Artikel zeichnet die technische und historische Entwicklung des Industrial Ethernet nach, analysiert die treibenden Kräfte hinter dem Wandel und wagt einen Ausblick auf die nächste Generation industrieller Kommunikation.

Von der Bürotechnik zur Fabrikhalle

Die Geschichte des Industrial Ethernet beginnt paradoxerweise mit einem vermeintlichen Nachteil. Standard-Ethernet, wie es in den 1980er und 1990er Jahren in Büroumgebungen eingesetzt wurde, war von Natur aus nicht-deterministisch. Das CSMA/CD-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) erlaubte Kollisionen, und die daraus resultierenden Verzögerungen waren für Steuerungsaufgaben inakzeptabel. Eine SPS, die auf ein Signal eines Sensors wartet, kann nicht tolerieren, dass ein Datenpaket „irgendwann“ ankommt.

Dennoch bot Ethernet entscheidende Vorteile: Es war kostengünstig, weit verbreitet, unterstützte hohe Bandbreiten und basierte auf offenen Standards. Die Automatisierungsindustrie erkannte, dass es wirtschaftlich unsinnig wäre, ein paralleles, proprietäres Netzwerkökosystem aufrechtzuerhalten, während die IT-Welt längst auf Ethernet setzte. Die Lösung lag in der Anpassung: Industrial Ethernet erweitert die Standard-Ethernet-Protokolle um Mechanismen für Echtzeitfähigkeit, Determinismus und industrielle Robustheit.

Ein entscheidender historischer Moment war die Gründung der IAONA (Industrial Automation Open Network Alliance) in den 1990er Jahren, an der über 100 Firmen beteiligt waren und die den Grundstein für Industrial Ethernet auf Basis der Norm IEEE 802.3 legte. Die damals üblichen 10 Mbit/s und die kollisionsbehaftete Übertragung waren zunächst Hürden, die es zu überwinden galt. Erst mit der Fast-Ethernet-Technik, Switch-Technologie und Voll-Duplex-Übertragung wurde das Ziel einer durchgängigen Infrastruktur auch vertikal greifbar.

Frühe Ansätze wie PROFINET RT (Real-Time) umgingen einfach die TCP/IP-Schichten und kommunizierten direkt auf der Ethernet-Ebene (Layer 2), um Latenzzeiten zu minimieren. Später folgte PROFINET IRT (Isochronous Real-Time), das mit spezieller Hardware und Zeitschlitzen im Mikrosekundenbereich arbeitete. EtherCAT ging einen anderen Weg und setzte auf eine „Processing on the Fly“-Architektur, bei der die Telegramme durch die Geräte hindurchlaufen, ohne an jedem Knoten vollständig verarbeitet zu werden. EtherNet/IP wiederum baute auf dem Common Industrial Protocol (CIP) auf und integrierte sich nahtlos in bestehende Rockwell-Automatisierungsumgebungen.

Der Markt konsolidiert sich

Die jüngste Marktanalyse von HMS Networks zeigt eine klare Konsolidierung. Drei Protokolle dominieren das Feld: PROFINET führt mit 30 Prozent Marktanteil, gefolgt von EtherNet/IP mit 25 Prozent und EtherCAT mit 20 Prozent. Zusammen repräsentieren sie etwa drei Viertel des kabelgebundenen Protokollmarktes.

Tabelle 1: Marktanteile industrieller Ethernet-Protokolle (2025–2026)

Quelle: HMS Networks, „2026 Industrial Network Market Share: Annual Analysis“, Juni 2026

Bemerkenswert ist die regionale Differenzierung. In Europa dominieren PROFINET und EtherCAT, was nicht zuletzt auf die starke Stellung von Siemens und Beckhoff zurückzuführen ist. In Nordamerika bleibt EtherNet/IP das prägende Protokoll, insbesondere in der Automobilindustrie und der diskreten Fertigung. In Asien hingegen gewinnen PROFINET und EtherCAT in China kontinuierlich an Boden, während CC-Link IE – das erste industrielle Protokoll mit TSN-Mechanismus – seine starke regionale Verankerung behauptet.

Der Rückgang der klassischen Feldbusse ist dabei kein plötzlicher Kollaps, sondern ein schleichender Prozess. PROFIBUS, einst der unangefochtene Standard in Europa, verliert kontinuierlich. Die offiziellen Zahlen von PROFIBUS & PROFINET International zeigen einen Rückgang der PROFIBUS-Neuinstallationen von 1,1 Millionen im Jahr 2024 auf 1,0 Millionen im Jahr 2025 – ein Minus von 9 Prozent. Insgesamt machen Feldbusse nur noch 14 Prozent der neu installierten Knoten aus, gegenüber 17 Prozent im Vorjahr.

Die technische Architektur: Was Industrial Ethernet leistet

Um die Bedeutung dieser Entwicklung zu verstehen, lohnt ein Blick auf die technischen Grundlagen. Industrial Ethernet integriert sich in das ISO-OSI-Schichtenmodell, nutzt jedoch je nach Protokoll unterschiedliche Ebenen für die Echtzeitkommunikation. Grundsätzlich gilt: Je zeitkritischer eine Anwendung, desto tiefer greift das Protokoll in die Netzwerkarchitektur ein – bis hinunter auf Layer 2, die Sicherungsschicht, wo Ethernet-Frames direkt verarbeitet werden.

PROFINET beispielsweise bietet drei Kommunikationsklassen: TCP/IP für Konfiguration und Diagnose, Real-Time (RT) für die meisten Automatisierungsaufgaben mit Zykluszeiten zwischen 1 und 10 Millisekunden, und Isochronous Real-Time (IRT) für hochpräzise, synchronisierte Motion-Control-Anwendungen mit Zykluszeiten unter einer Millisekunde. Während RT die Vermittlungs- und Transportschichten umgeht und direkt auf Layer 2 aufsetzt, nutzt IRT zusätzlich spezielle Hardware und geplante Zeitschlitze, um Determinismus im Nanosekundenbereich zu erreichen. Ein PROFINET-IRT-Netzwerk benötigt daher spezielle Switch-Chips, die den Verkehr nach einem festen Zeitplan steuern.

EtherCAT verfolgt einen radikal anderen Ansatz: Die EtherCAT-Telegramme werden in einem einzigen Ethernet-Frame gebündelt und durchlaufen die Teilnehmer in einer logischen Ringstruktur. Jedes Gerät liest seine Daten „on the fly“ heraus und fügt seine Antwortdaten hinzu. Dieses Verfahren minimiert die Latenz und ermöglicht Zykluszeiten bis hinunter zu 12,5 Mikrosekunden. Ein EtherCAT-Netzwerk benötigt keinen zentralen Switch – der erste Teilnehmer fungiert als Master, alle weiteren als Slaves. Die effektive Bandbreitennutzung ist dabei nahezu optimal, da ein einziger Frame alle Teilnehmer bedient.

EtherNet/IP setzt auf Standard-Ethernet und TCP/IP, erweitert um das Common Industrial Protocol (CIP) für Echtzeit-I/O-Daten. Es unterscheidet zwischen expliziter Nachrichtenübermittlung (für Konfiguration und Diagnose) und impliziter Kommunikation (für zeitkritische I/O-Daten). Die implizite Kommunikation nutzt UDP/IP und Multicast-Verbindungen, um die Latenz zu minimieren. EtherNet/IP ist besonders in Nordamerika verbreitet und profitiert von der engen Integration in die Rockwell-Automatisierungswelt.

Tabelle 2: Technische Kenngrößen der führenden Industrial-Ethernet-Protokolle

Quellen: Siemens, „PROFINET IO – Echtzeitkommunikation RT und IRT“, Funktionshandbuch; Real Time Networks, „PROFINET, EtherCAT, SERCOS III – Specifications“, CERN Indico; Wachendorff Prozesstechnik, „Industrial Ethernet“, Technologie-Übersicht

Die Wahl des Protokolls hängt stark von der Anwendung ab. Für Motion-Control mit hohen Achszahlen und kürzesten Zykluszeiten ist EtherCAT oft die erste Wahl. Für gemischte Anwendungen mit umfangreicher Diagnose und IT-Integration bietet PROFINET Vorteile. EtherNet/IP wiederum punktet in Umgebungen, die bereits auf Rockwell-Steuerungen setzen. In der Praxis existieren häufig mehrere Protokolle parallel – Gateways und Multiprotokoll-Chips ermöglichen die Koexistenz.

Zeitdeterminismus und die TSN-Revolution

Die nächste Evolutionsstufe industrieller Kommunikation heißt Time-Sensitive Networking (TSN). TSN ist eine Sammlung von IEEE-802.1-Standards, die Standard-Ethernet um Determinismus, Zeitsynchronisation und garantierte Latenzzeiten erweitert.

Der Ansatz ist elegant: Statt wie PROFINET IRT auf proprietäre Hardware zu setzen, definiert TSN offene Standards, die in handelsüblichen Ethernet-Chips implementiert werden können. Die IEEE-802.1AS-Norm sorgt für präzise Zeitsynchronisation, 802.1Qbv für zeitgesteuerte Verkehrsplanung (Time-Aware Shaper), 802.1Qbu für Frame Preemption und 802.1CB für Redundanz durch Frame-Replikation. Hinzu kommen 802.1Qci für die Filterung und Policing von Datenströmen sowie 802.1Qcc für die Konfiguration von TSN-Netzwerken.

Ein wichtiger technischer Durchbruch der letzten Jahre ist die Integration von TSN-Funktionen in Commercial-Off-The-Shelf-Netzwerkchips (COTS). Während früher teure FPGA-Technologie notwendig war, um TSN zu unterstützen, können heute handelsübliche Chips von mehreren Herstellern diese Funktionen bereitstellen. Dies senkt die Kosten und beschleunigt die Verbreitung erheblich.

Für die Industrie bedeutet dies eine Annäherung an die Bedürfnisse der IT-Welt: Echtzeitfähigkeit ohne proprietäre Spezialhardware. PROFINET over TSN und EtherNet/IP over TSN sind bereits in Entwicklung und versprechen, die Vorteile der Standard-Ethernet-Welt mit den Anforderungen der Automatisierung zu verbinden. Auch EtherCAT profitiert von TSN, etwa durch die Möglichkeit, EtherCAT-Telegramme über TSN-fähige Netzwerke zu tunneln.

Die Herausforderung liegt in der Komplexität. TSN erfordert eine zentrale Netzwerkkonfiguration (Centralized Network Configuration, CNC), die den Datenverkehr über alle Knoten hinweg koordiniert. In der Automatisierung, wo Anlagen oft über Jahre hinweg gewachsen sind und Komponenten verschiedener Generationen koexistieren, ist dies eine erhebliche Umstellung. Wie Thilo Döring von HMS Networks prognostiziert: „Nach unserer Einschätzung werden TSN, OPC UA over TSN und OPC UA Field eXchange die Industrial-Ethernet-Standards in naher Zukunft nicht ablösen, sondern ergänzen. Großes Potenzial sehen wir bei TSN, das sich als Standard für deterministische Kommunikation in unterschiedlichsten Anwendungen etablieren könnte.“

Single Pair Ethernet: Ethernet bis zum Sensor

Parallel zu TSN entwickelt sich eine zweite technologische Strömung: Single Pair Ethernet (SPE). Während herkömmliches Ethernet mindestens vier Adernpaare benötigt, überträgt SPE Daten über ein einziges verdrilltes Adernpaar – bei gleichzeitiger Stromversorgung (Power over Data Line, PoDL). Dies ermöglicht Ethernet-Verbindungen bis hinunter zur Sensor- und Aktorebene, wo Bauraum und Verkabelungskosten entscheidend sind.

SPE ist Teil einer breiteren Bewegung, die als „Ethernet to the Sensor“ bezeichnet wird. Die Idee: Eine durchgängige Ethernet-Infrastruktur von der Cloud bis zum einfachsten Sensor, ohne proprietäre Feldbusse oder Gateways. In Kombination mit IO-Link, das bereits heute die unterste Feldebene dominiert, entsteht eine durchgängige digitale Kommunikationskette. IO-Link liefert dabei die Punkt-zu-Punkt-Verbindung zum Sensor, während SPE die Netzwerkanbindung übernimmt.

Verena Neuhaus von Phoenix Contact betont: „SPE vereinfacht die digitale Transformation bis hinunter zur Sensor-Aktor-Ebene enorm. Viele Anwendungen, die bislang wegen der erforderlichen Datenraten, Reichweiten und nahtlosen Kommunikation an die Grenzen der technischen oder wirtschaftlichen Umsetzbarkeit stießen, können nun dank SPE Realität werden.“

In Europa und Nordamerika nehmen Aktivitäten rund um SPE und APL (Advanced Physical Layer, die Ethernet-Variante für explosionsgefährdete Bereiche) deutlich zu. Die Prozessautomatisierung, traditionell konservativ und von 4–20-mA-Signalen geprägt, öffnet sich zunehmend Ethernet-basierten Lösungen. APL ermöglicht dabei die Übertragung über lange Kabelstrecken (bis zu 1000 Meter) und eignet sich damit auch für große Prozessanlagen. Die Norm IEC 63171-6 definiert die Steckverbinder für SPE, während IEEE 802.3cg die Übertragungstechnik standardisiert.

Allerdings gibt es noch Hemmnisse: Die Vielfalt der Steckverbinder, wie sie in den Normen IEC 63171-1 bis -7 standardisiert sind und von zwei verschiedenen Organisationen (SPE System Alliance und SPE Industrial Partner Network) vertreten werden, erschwert die Marktdurchdringung. Jede Steckverbinder-Art dürfte sich jedoch ihre bevorzugte Anwendung erschließen.

Cybersicherheit: Die neue Front

Mit der zunehmenden Ethernet-Durchdringung wächst auch die Angriffsfläche. Ein Netzwerk, das nach außen hin offen ist und Standard-IP-Protokolle verwendet, ist prinzipiell anfälliger als ein isoliertes Feldbus-System. Die Zeiten, in denen Automatisierungsnetzwerke „air-gapped“, also physisch vom Rest der Welt getrennt waren, sind vorbei.

Die regulatorischen Rahmenbedingungen verschärfen sich. Der europäische Cyber Resilience Act (CRA) und die IEC-62443-Normen setzen verbindliche Anforderungen an die Cybersicherheit industrieller Komponenten und Systeme. Hersteller müssen Sicherheitsfunktionen nachweisen, Betreiber müssen Risiken bewerten und geeignete Maßnahmen implementieren. Die IEC 62443 definiert dabei Zonen und Conduits – ein Modell, das Netzwerke in Sicherheitszonen unterteilt und den Datenverkehr zwischen ihnen kontrolliert.

In der Praxis bedeutet dies eine Verschiebung der Prioritäten: Während früher die Protokollwahl von Kompatibilität und Leistung bestimmt wurde, rückt nun die Frage nach der Sicherheitsarchitektur in den Vordergrund. Segmentierung, Firewalls, Intrusion Detection und sichere Fernzugriffe werden zu integralen Bestandteilen industrieller Netzwerkkonzepte. Auch die Geräte selbst müssen sicherer werden: Secure Boot, signierte Firmware und verschlüsselte Kommunikation (etwa über OPC UA mit TLS) sind heute Stand der Technik.

Besonders kritisch ist die Fernwartung. Während der COVID-19-Pandemie mussten viele Anlagen aus der Ferne gewartet werden – ein Trend, der anhält. Sichere Fernzugriffslösungen, etwa über VPN-Tunnel mit starker Authentifizierung, sind daher unverzichtbar.

IT/OT-Konvergenz: Die Grenzen verschwimmen

Die vielleicht tiefgreifendste Veränderung ist organisatorischer Natur. Traditionell waren IT (Information Technology) und OT (Operational Technology) getrennte Welten mit unterschiedlichen Prioritäten, Zeithorizonten und Kulturen. Die IT kümmerte sich um Datenverarbeitung, Netzwerke und Geschäftsanwendungen; die OT um Steuerungen, Sensoren und Produktionsprozesse.

Industrial Ethernet und die darauf aufbauenden Protokolle wie OPC UA verwischen diese Grenze. Produktionsdaten werden in Echtzeit in ERP- und MES-Systeme integriert. Cloud-Plattformen analysieren Sensordaten, um predictive Maintenance zu ermöglichen. Maschinen kommunizieren nicht mehr nur untereinander, sondern auch mit übergeordneten Systemen. OPC UA spielt dabei eine Schlüsselrolle: Es ermöglicht die semantische Beschreibung von Daten, sodass Maschinen und Systeme unterschiedlicher Hersteller miteinander kommunizieren können.

Diese Konvergenz bietet enormes Potenzial: Effizienzsteigerung, Transparenz, neue Geschäftsmodelle. Sie birgt aber auch Risiken: Sicherheitslücken in der OT können die Produktion lahmlegen, während Sicherheitslücken in der IT den Weg in die OT ebnen können. Die Integration erfordert neue Kompetenzen, neue Organisationsstrukturen und ein Umdenken in beiden Lagern. IT-Experten müssen die Anforderungen der OT verstehen – etwa Echtzeitfähigkeit und Ausfallsicherheit –, während OT-Experten sich mit Netzwerktechnik und Cybersecurity vertraut machen müssen.

OPC UA und die semantische Ebene

Wenn fast alle Geräte Ethernet verwenden, verschiebt sich die Diskussion von der Frage „Welches Protokoll?“ zur Frage „Was läuft auf dem Protokoll?“. OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) spielt dabei eine besondere Rolle. Es ist kein Echtzeitprotokoll im engeren Sinne, sondern ein standardisiertes Framework für den sicheren, herstellerunabhängigen Datenaustausch. OPC UA kann auf verschiedenen Transportschichten laufen, einschließlich TSN, und ermöglicht die semantische Beschreibung von Daten – eine Voraussetzung für Industrie 4.0 und die „verwaltete Fabrik“.

Mit OPC UA FX (Field Exchange) wird zudem eine Erweiterung für die Feldebene standardisiert, die Echtzeitkommunikation direkt zwischen Feldgeräten ermöglicht. Kuka hat die Erweiterung von OPC UA um TSN initiiert und treibt diese Entwicklung voran. Heinrich Munz von Kuka erklärt die Motivation: „Für Maschinenbauer ist deterministisches Echtzeit-Computing sehr wichtig. Wir müssen unsere Maschinen synchron zu deren Bewegungen teilweise im Sub-Millisekundenbereich von der kontrollierenden Software deterministisch steuern und regeln.“ Die überwältigende Zustimmung dieser Initiative von mehr als 20 Firmen zeigt, dass dies nicht nur Spezialanforderungen von Roboterherstellern sind, sondern breite Relevanz hat.

Neue Übertragungstechniken: Gigabit, 5G und Edge-KI

Parallel zur semantischen Ebene entwickeln sich auch die physischen Übertragungstechniken weiter. Gigabit-Ethernet hält Einzug in die Feldebene. Während 100-Mbit/s-Verbindungen heute Standard sind, ermöglichen Gigabit-Lösungen die Übertragung größerer Datenmengen, etwa für Vision-Systeme oder hochauflösende Sensordaten. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Verkabelung: Schleifringe für rotierende Systeme müssen heute Ethernet mit bis zu 1 Gbit/s übertragen, und kontaktlose Lösungen ersetzen zunehmend mechanische Schleifkontakte.

5G gewinnt an Bedeutung für mobile Anwendungen, fahrerlose Transportsysteme und flexible Produktionslayouts, wo Kabelverbindungen unpraktikabel sind. Die Integration von 5G in industrielle Netzwerke steht jedoch noch am Anfang. Private 5G-Infrastrukturen sind komplex und teuer, und die erwartete rasante Verbreitung ist bislang ausgeblieben. Erste Anlagen nutzen 5G für fahrerlose Transportfahrzeuge (AGVs) oder für den mobilen Zugriff auf Maschinendaten.

Ein weiterer Trend ist die zunehmende Nutzung von KI an der Feldebene. Edge-Computing ermöglicht die Analyse von Sensordaten direkt in der Nähe der Maschine, ohne dass Daten in die Cloud übertragen werden müssen. Dies reduziert Latenzzeiten und erhöht die Datensicherheit. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Rechenleistung der Feldgeräte – ein Trend, der durch leistungsfähigere Embedded-Prozessoren und FPGAs ermöglicht wird.

Fazit: Eine stille Revolution

Der Siegeszug des Industrial Ethernet ist keine spektakuläre Revolution, sondern eine stille, aber konsequente Transformation. Innerhalb von zwei Jahrzehnten hat sich die industrielle Kommunikation von proprietären, isolierten Feldbussen zu offenen, standardisierten Ethernet-Netzwerken entwickelt. Diese Entwicklung hat die Automatisierung effizienter, transparenter und flexibler gemacht – aber auch komplexer und verletzlicher.

Die verbleibenden Herausforderungen sind erheblich. Die Integration von TSN in bestehende Anlagen, die Gewährleistung von Cybersicherheit in offenen Netzwerken, die Überbrückung der IT/OT-Kluft und die Bewältigung des Fachkräftemangels in beiden Bereichen sind Aufgaben, die Jahre, wenn nicht Jahrzehnte in Anspruch nehmen werden. Hinzu kommen technische Herausforderungen wie die Vereinheitlichung von Protokollen, die Skalierung von Netzwerken und die Gewährleistung der Interoperabilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller.

Doch die Richtung ist klar. Ethernet ist die lingua franca der industriellen Kommunikation geworden. Die Frage ist nicht mehr, ob ein Gerät Ethernet spricht, sondern welche Dienste und Sicherheitsmechanismen es darüber anbietet. In einer Welt, in der Maschinen, Systeme und Menschen zunehmend vernetzt sind, ist diese gemeinsame Sprache die Grundlage für alles Weitere. Die Fabrik hat zu sprechen begonnen – und sie wird immer mehr zu sagen haben.

Quellen

1. HMS Networks: „2026 Industrial Network Market Share: Annual Analysis“, industrialethernet.net, Juni 2026.
2. Andreas Knoll: „Ethernet – seit 50 Jahren hochaktuell“, Elektroniknet, Juli 2023.
3. Wachendorff Prozesstechnik: „Industrial Ethernet“, Technologie-Übersicht.
4. Real Time Networks: „PROFINET, EtherCAT, SERCOS III – Specifications“, CERN Indico.
5. Siemens: „PROFINET IO – Echtzeitkommunikation RT und IRT“, Funktionshandbuch.
6. Computer&Automation: „Warum sich Kuka für TSN ausspricht“, August 2026.
7. Industrial Ethernet: „Special Report: Time-Sensitive Networking Update“, Januar 2026.
8. Maschinenbau Kuhn: „Industrial Ethernet erreicht 79 % der neuen Netzwerkknoten“, Juni 2026.
9. Amphenol ICC: „Ethernet Through the Ages“, Mouser Electronics.