Embedded Development im Maschinenbau

Die neue Realität im Maschinenbau

Embedded Development im Maschinenbau ist ein Feld, das sich in den letzten Jahren fundamental verändert hat. Was früher ein einfacher Mikrocontroller mit wenigen Kilobyte Code war, ist heute ein vernetztes System mit komplexer Softwarearchitektur, Echtzeit-Betriebssystem und Anbindung an Cloud-Dienste. Diese Komplexitätssteigerung bringt neue Möglichkeiten – aber auch neue Herausforderungen, die viele Maschinenbauunternehmen noch nicht vollständig bewältigt haben.

Die Herausforderung beginnt oft bei der Organisation. Klassische Maschinenbauunternehmen haben ihre Kernkompetenz in der Mechanik und Elektrotechnik. Software war lange Zeit ein nachgelagertes Thema – eine notwendige Ergänzung, kein strategisches Differenzierungsmerkmal. Das hat sich geändert: In modernen Maschinen entscheidet die Software über Leistung, Präzision und Konnektivität. Unternehmen, die Software nicht als Kernkompetenz aufbauen, riskieren, den Anschluss zu verlieren.

Gleichzeitig sind die Anforderungen an Embedded-Software im Maschinenbau besonders anspruchsvoll. Echtzeitfähigkeit, Langlebigkeit über Jahrzehnte, Robustheit gegenüber harten Umgebungsbedingungen und funktionale Sicherheit – all das muss erfüllt sein, bevor die erste Maschine das Werk verlässt.

Systemarchitektur und Technologiestack

Ein typisches Embedded-System im Maschinenbau besteht aus mehreren Ebenen: Feldebene mit Sensoren und Aktoren, Steuerungsebene mit dem eigentlichen Embedded-Controller, und zunehmend auch einer Kommunikationsebene mit Anbindung an übergeordnete Systeme (SCADA, MES, Cloud). Jede Ebene hat ihre eigenen Anforderungen und Technologien – und die Integration zwischen den Ebenen ist oft die schwierigste Aufgabe.

Auf der Steuerungsebene dominieren heute ARM-basierte Prozessoren, oft in Kombination mit einem RTOS wie FreeRTOS, Zephyr oder einem proprietären Betriebssystem des Maschinenherstellers. Die Wahl des RTOS hat weitreichende Konsequenzen: Sie bestimmt, welche Kommunikationsprotokolle verfügbar sind, wie der Speicher verwaltet wird und wie einfach der Code auf neue Hardware portiert werden kann.

Feldbussysteme wie EtherCAT, PROFINET oder CANopen sind im Maschinenbau allgegenwärtig. Sie stellen strenge Anforderungen an das Zeitverhalten der Software: Zykluszeiten von weniger als einer Millisekunde sind keine Seltenheit. Diese Anforderungen müssen bereits in der Architekturphase berücksichtigt werden – eine nachträgliche Optimierung ist aufwändig und riskant.

Funktionale Sicherheit als Pflicht

Funktionale Sicherheit ist im Maschinenbau kein optionales Feature, sondern eine gesetzliche Anforderung. Die Maschinenrichtlinie und die darauf aufbauenden Normen (EN ISO 13849, IEC 62061) definieren klare Anforderungen an die Softwareentwicklung sicherheitsbezogener Steuerungssysteme. Für Embedded-Entwickler bedeutet das: Dokumentierte Entwicklungsprozesse, systematische Risikoanalysen, redundante Implementierungen und nachgewiesene Testvollständigkeit.

Die Umsetzung dieser Anforderungen erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Entwicklung, Sicherheitsbeauftragtem und oft auch einem externen Prüfinstitut. Frühzeitig einzuplanen – nicht erst wenn die Zertifizierung ansteht – spart erheblichen Aufwand. Sicherheitsanforderungen nachträglich in ein bestehendes Design zu integrieren ist um ein Vielfaches teurer als von Anfang an sicherheitsbewusst zu entwickeln.

Praktisch hat sich ein Ansatz bewährt, der Sicherheitsfunktionen von Standard-Funktionen architektonisch trennt. Separate Partitionen, unterschiedliche Speicherbereiche, klare Kommunikationsschnittstellen zwischen sicherheitsbezogenem und nicht-sicherheitsbezogenem Code – das reduziert die Komplexität der Sicherheitsanalyse und macht den Code übersichtlicher.

Die Digitalisierung des Maschinenbaus eröffnet neue Möglichkeiten, stellt aber auch neue Anforderungen an die Embedded-Entwicklung. OPC UA als Kommunikationsstandard, MQTT für Cloud-Anbindung, TLS für sichere Datenübertragung – Technologien, die vor zehn Jahren im Maschinenbau kaum eine Rolle spielten, sind heute Standard. Embedded-Entwickler müssen diese Technologien beherrschen und gleichzeitig die klassischen Anforderungen an Echtzeitfähigkeit und Robustheit erfüllen.

Besonders gefragt sind dabei Kenntnisse in der Netzwerksicherheit. Industriemaschinen, die ans Internet angebunden sind, sind potenzielle Angriffsziele. Secure Boot, verschlüsselte Kommunikation, Firmware-Update-Mechanismen mit kryptografischer Signatur – all das gehört heute zum Handwerkszeug moderner Embedded-Entwicklung im Maschinenbau.

Fazit: Embedded Development im Maschinenbau ist anspruchsvoll und vielschichtig. Wer die Kombination aus Echtzeitfähigkeit, funktionaler Sicherheit und digitaler Konnektivität beherrscht, hat einen echten Wettbewerbsvorteil – für sich selbst und für die Unternehmen, für die er arbeitet.