Automatisierungspyramide

Die Automatisierungspyramide ist ein Ordnungsmodell. Sie teilt alles, was in einem Industriebetrieb an Daten entsteht und verarbeitet wird, in fünf Ebenen und stapelt sie übereinander: unten das einzelne Signal an der Maschine, oben die Auftragsabwicklung des Unternehmens.

Die Form der Pyramide ist dabei Aussage, nicht Dekoration. Nach unten nimmt die Zahl der Datenpunkte zu und die Reaktionszeit ab — Tausende Signale im Millisekundenbereich. Nach oben werden die Daten weniger, aber verdichteter, und die Zeitskala wächst von Millisekunden auf Tage.

Die fünf Ebenen

Feldebene

Hier steht die Hardware, die mit dem physikalischen Prozess in Berührung kommt: Sensoren, die Temperatur, Druck, Position oder Durchfluss messen, und Aktoren, die Ventile öffnen, Motoren anlaufen lassen und Werkzeuge bewegen.

Die Daten sind einzelne Signale ohne Zusammenhang — ein Schaltzustand, ein Messwert. Verbunden wird über Feldbusse wie RS485 mit Modbus, PROFIBUS, CAN oder über IO-Link bis zum einzelnen Sensor. Die Zeitskala liegt bei Mikro- bis Millisekunden.

Steuerungsebene

Hier arbeiten die speicherprogrammierbaren Steuerungen, daneben Antriebsregler und CNC-Steuerungen. Sie lesen die Feldsignale, verknüpfen sie nach einem Programm und schalten die Aktoren.

Diese Ebene trägt die eigentliche Automatisierung: Verriegelungen, Ablaufketten, Regelungen. Sie ist die einzige, die unmittelbar in den Prozess eingreift, und die einzige, die harte Zeitvorgaben einhalten muss. Zykluszeiten liegen bei einigen Millisekunden, angebunden wird über PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT oder Ethernet Powerlink.

Prozessleitebene

Hier wird beobachtet und eingegriffen, aber nicht gesteuert. Bedienstationen zeigen Anlagenbilder, Alarme werden gesammelt und quittiert, Messwerte in Archiven abgelegt, Rezepte und Sollwerte an die Steuerungen übergeben.

Die Gattungsbezeichnungen lauten SCADA für überwachende Systeme und HMI für die Bedienoberfläche an der Maschine. Die Zeitskala reicht von Sekunden bis Minuten; ein Bediener, der einen Sollwert ändert, braucht keine Millisekunden. Üblich sind hier OPC UA und MQTT.

Betriebsleitebene

Hier wird die Produktion geplant und nachgewiesen. Aufträge werden in Arbeitsschritte zerlegt, Maschinen belegt, Material verfolgt, Qualitätsdaten erfasst, Verfügbarkeiten berechnet. Die Systeme dieser Ebene heißen Manufacturing Execution System (MES).

Die Frage dieser Ebene ist nicht, wie eine Maschine läuft, sondern was sie produziert hat und warum sie stand. Die Zeitskala liegt bei Minuten bis Stunden.

Unternehmensebene

Hier liegt die kaufmännische Abwicklung: Kundenaufträge, Einkauf, Lager, Kosten, Personal — die Aufgaben eines ERP-Systems. Vom Prozess bleibt eine Stückzahl, ein Termin und ein Betrag.

Die Zeitskala reicht von Tagen bis Monaten. Ein Produktionsauftrag entsteht hier und wandert nach unten; die Rückmeldung, dass er erledigt ist, wandert nach oben.

Was das Modell behauptet

Zwei Annahmen stecken in der Pyramide, und beide sind der Grund, warum sie über Jahrzehnte getragen hat:

Jede Ebene spricht nur mit ihren Nachbarn. Ein Sensor meldet an die Steuerung, die Steuerung an die Leitebene, die Leitebene an das MES. Ein ERP-System greift nicht auf einen Temperaturfühler zu. Jede Ebene verdichtet die Daten und gibt nur weiter, was oben gebraucht wird.

Jede Ebene hat ihre eigene Zeitskala. Eine Verriegelung muss in Millisekunden greifen, eine Auftragsfreigabe darf Minuten brauchen. Weil die Anforderungen so verschieden sind, sind auch die Technologien verschieden, und das ist kein Mangel, sondern Absicht.

Beide Annahmen zusammen ergeben eine Eigenschaft, die unabhängig von der Datenverarbeitung wertvoll ist: Die Ebenen sind voneinander getrennt. Wer das Büronetz kompromittiert, steht noch nicht an der Steuerung.

Wo das Modell nicht mehr stimmt

In der Praxis durchlöchert sich die strikte Reihenfolge seit etwa zwei Jahrzehnten:

Daten überspringen Ebenen. Ein Sensor mit eigener Netzanbindung schickt Messwerte über MQTT direkt an eine Auswertung, ohne Steuerung und Leitebene zu durchlaufen. Zustandsüberwachung und Energiemessung gehen diesen Weg regelmäßig, weil die Daten dort nicht zur Steuerung gebraucht werden, sondern zur Analyse.

Dieselbe Technik liegt auf mehreren Ebenen. Ethernet ist heute von der Feldebene bis zum ERP dasselbe, und OPC UA wird von der Steuerung bis in die Auswertung gesprochen. Die technische Begründung für getrennte Ebenen fällt damit weg — die organisatorische nicht.

Rechenleistung wandert nach unten. Ein Gerät an der Maschine, das Daten vorverarbeitet, statt sie weiterzuschicken, gehört keiner Ebene des Modells sauber zu. Dafür hat sich der Begriff Edge Computing etabliert.

Daraus ist eine Reihe von Gegenentwürfen entstanden, oft als Säule oder Netz gezeichnet, in denen alle Beteiligten an einem gemeinsamen Datenraum hängen statt in einer Kette.

Warum sie trotzdem gilt

Als Beschreibung der Datenwege ist die Pyramide ungenau geworden. Als Beschreibung der Zuständigkeiten und als Begründung für Netztrennung ist sie es nicht.

Die Ebenen haben unverändert verschiedene Schutzbedarfe. Eine Steuerung, die einen Antrieb bewegt, kann Personen verletzen; ein ERP-System kann das nicht. Deshalb bleibt die Trennung in Netzsegmente richtig, auch wenn überall dasselbe Ethernet liegt — nur dass sie heute ausdrücklich hergestellt werden muss, durch Segmentierung und kontrollierte Übergänge, statt sich aus unterschiedlichen Bussystemen von selbst zu ergeben.

Das Purdue-Referenzmodell, das dieselben Ebenen feiner gliedert, ist aus diesem Grund in der Sicherheitsbetrachtung von Anlagennetzen weiterhin die übliche Grundlage.

Normen

• IEC 62264 – Integration von Unternehmensführungs- und Leitsystemen (Enterprise-Control System Integration)
• ISA-95 – Grundlage von IEC 62264, Ebenenmodell und Datenaustausch
• IEC 62443 – IT-Sicherheit für industrielle Automatisierungssysteme