Für Profinet-RT und Ethernet/IP

smart Managed-Switches auf die Bedürfnisse des Anwenders zugeschnitten

29.05.2008 | Autor / Redakteur: Uwe Nolte / Ines Näther

In industriellen Netzwerken werden neben Standard-IT-Diensten Automatisierungsprotokolle wie Profinet und Ethernet/IP genutzt, um Daten durchgängig sowie in Echtzeit zu übertragen. Infrastruktur-Komponenten wie Switches bestimmen in hohem Maße Echtzeiteigenschaften, Datendurchsatz sowie Netz- und Anlagenverfügbarkeit — wie die Smart-Managed-Switches von Phoenix Contact.

Die Smart-Managed-Switches der Produktfamilie Factory-Line von Phoenix Contact basieren auf dem Konzept der IT-powered Automation: sie unterstützen neben internationalen IT-Standards alle relevanten Managed-Funktionen der Automatisierungsprotokolle Profinet und Ethernet/IP. So lassen sich die Infrastruktur-Komponenten einfach in das Netzwerk integrieren, um Daten durchgängig und schnell über alle Unternehmensebenen auszutauschen und damit die Produktivität der Anwendung zu erhöhen. Das Besondere: ein Gerät lässt sich ohne Software-Werkzeug sowohl in Profinet-RT — wie auch in Ethernet/IP-Netzwerken einsetzen.

Switches in Ethernet-basierten Automatisierungslösungen

Switches sind elementare Ethernet-Infrastruktur-Komponenten, über die Steuerungen und Feldgeräte untereinander sowie mit der überlagerten Fertigungsleitebene kommunizieren. Die Ethernet-Infrastruktur wird damit zum integralen Bestandteil jeder modernen Automatisierungslösung. Die Switches beeinflussen dabei die Echtzeiteigenschaften des E/A-Datenaustausches. Aus der Funktionsweise des jeweiligen Automatisierungsprotokolls ergeben sich spezifische echtzeitrelevante Anforderungen für die Netzwerk-Infrastruktur.

Die Komplexität beherrschen

Im Vergleich zu klassischen Feldbuslösungen bieten Ethernet-basierte Automatisierungssysteme eine durchgängige und skalierbare Kommunikation über Zellengrenzen hinweg. Ethernet-Standards wie Profinet und Ethernet/IP zeichnen sich darüber hinaus durch die Unterstützung verschiedener Medien und Topologien, eine größere Systemausdehnung, die einfache Integration drahtloser Netzwerke sowie einen sicheren Fernwartungszugriff aus. Protokolle und Funktionen aus der IT-Welt sichern das Netzwerk wie folgt ab:

  • Steigerung der Verfügbarkeit — z.B. über Datenpfad-Redundanz gemäß IEEE 802.1w,
  • Erhöhung der Robustheit — zum Beispiel über Filterung und Segmentierung mittels Virtueller LANs gemäß IEEE 802.1Q,
  • Erhöhung der Zugriffssicherheit.

Bei allen Vorteilen darf jedoch nicht vergessen werden, dass die Handhabung der Ethernet-Technologie und der darauf aufsetzenden IT-Protokolle komplex ist. Da IT-Standards für die universelle Nutzung konzipiert sind, müssen sie entsprechend der jeweiligen Anwendung konfiguriert werden. Eine Herausforderung Ethernet-basierter Automatisierungslösungen liegt in ihrer Beherrschbarkeit durch Planer, Installateure, Inbetriebnehmer und Instandhalter. Dabei werden die Inbetriebnahme-Eigenschaften sowie die Service- und Diagnosefähigkeiten an den hoch entwickelten Feldbuslösungen gemessen.

Vorkonfiguration per Knopfdruck

Vor diesem Hintergrund wurden die Smart-Managed-Switches von Phoenix Contact konzipiert, deren Management-Funktionen auf die Applikation sowie die Bedürfnisse des Anwenders zugeschnitten sind:

  • Unterstützung der Echtzeit-relevanten Eigenschaften von Profinet RT und Ethernet/IP auf Basis des Switching-Standards IEEE 802.1D,
  • universeller Einsatz mit allen Automatisierungsprotokollen, die auf dem TCP-, UDP- oder MAC-Layer mit Priorisierung aufsetzen,
  • Auswahl ergänzender IT-Funktionen, die die Konfiguration und Diagnose in dezentralen Strukturen vereinfachen,
  • Ergänzung automatisierungsspezifischer Funktionen wie die schnelle Redundanz gemäß IEC 62439,
  • einfache Konfiguration relevanter Management- und IT-Funktionen.

Die Smart-Managed-Switches werden in Profinet- wie auch in Ethernet/IP-Netzen verwendet. In der Inbetriebnahmephase muss lediglich die Betriebsart per Knopfdruck aktiviert werden, in der die relevanten Funktionen des jeweiligen Protokolls zusammengefasst sind.

Betriebsart für Profinet RT

Zur Kommunikations-Diagnose ist der Switch im Hardware-Konfigurator von Step 7 sichtbar.
Zur Kommunikations-Diagnose ist der Switch im Hardware-Konfigurator von Step 7 sichtbar.

Arbeiten Applikationen mit Profinet RT, ergeben sich für die Übertragung zeitkritischer I/O-Daten weitere Anforderungen an die Switched-Infrastruktur, die über die Basis-Funktionen von Switches hinausgehen. So müssen Ethernet-Frames prioritätsgesteuert weitergeleitet werden. Zu diesem Zweck wird die Prioritätsinformation im VLAN(Virtual Local Area Network)-Tag gemäß IEEE 802.1Q ausgewertet. Die Switches müssen dann neben der Queue für die Standard-Kommunikation eine separate Queue für den hochprioren Datenverkehr bedienen. Die Priorisierung von Datenpaketen ist die Grundlage dafür, dass Datenverkehr höherer Priorität wie zeitsensitive Prozessdaten bei hoher Netzwerklast nicht durch niederprioren Datenverkehr ausgebremst wird.

Die Smart-Managed-Switches, die die Echtzeit-Eigenschaften für Profinet RT unterstützen, sind über eine integrierte Profinet-IO-Device-Funktion in den Engineering-Werkzeugen — wie PC Worx oder Step 7 — sichtbar, über die Profinet konfiguriert und in Betrieb genommen wird. Zur Diagnose und Topologie-Darstellung des Netzwerks wurde das Link-Layer-Discovery-Protocol (LLDP) in die Managed-Switches integriert, das den Anwender im Fehlerfall gezielt zur Störungsstelle führt.

Betriebsart für Ethernet/IP

Multicast-Kommunikation und -Filterung über Managed-Switches in einem Ethernet/IP-Netzwerk.
Multicast-Kommunikation und -Filterung über Managed-Switches in einem Ethernet/IP-Netzwerk.

Da in Ethernet/IP-Anwendungen Multicast-Datenströme zur Übertragung der I/O-Daten eingesetzt werden, müssen die Switches Filterfunktionen auf Basis von IGMP-Snooping zur Verfügung stellen, die über die Filter-Eigenschaften eines Standard-Switches hinausgehen. So lassen sich automatisch Multicast-Gruppen für die relevanten Ports anlegen und filtern. Dadurch wird verhindert, dass sich Multicast-Datenströme unkontrolliert im Netz ausbreiten und unnötig Bandbreite verbrauchen sowie die Netzwerk- und Endgeräte-Performance beeinträchtigen.

Während die Multicasts in klassischen IT-Strukturen über einen zentralen Server und einen Router in das Netz eingespeist werden, entstehen sie in Ethernet/IP-Netzen in der Regel an jedem dezentralen Eingangsmodul. Deshalb tragen die in die Smart-Managed-Switches implementierten automatischen Filtermechanismen der dezentralen Verteilung von Multicast-Quellen Rechnung.

Handhabung bei einem Gerätetausch

Über einen wechselbaren Konfigurationsspeicher kann der Gerätetausch auf einfache Weise erfolgen.
Über einen wechselbaren Konfigurationsspeicher kann der Gerätetausch auf einfache Weise erfolgen.

Viele Anwender bewerten die industrielle Eignung von Infrastruktur-Komponenten nicht nur danach, mit welchem Aufwand sie montiert, angeschlossen und in Betrieb genommen werden. Ebenso wichtig ist der schnelle Gerätetausch im Service-Fall. Während Unmanaged-Switches per Prinzip einfach zu handhaben sind, müssen bei den Smart-Managed-Switches über die voreingestellte Betriebsart hinaus individuelle und anwendungsspezifische Einstellungen vorgenommen werden.

Zu diesem Zweck verfügen sie über einen wechselbaren Konfigurationsspeicher, der die Inbetriebnahme sowie einen möglichen Gerätetausch im Service-Fall ohne zusätzliche Konfigurationseinstellungen erlaubt.

Smart-Managed Gigabit-Switches - In Echtzeit viele Daten managen

Der Smart-Managed Gigabit-Switch aus der Produktfamilie Factory Line von Phoenix Contact ist ein industrietauglicher Hutschienen-Switch.
Der Smart-Managed Gigabit-Switch aus der Produktfamilie Factory Line von Phoenix Contact ist ein industrietauglicher Hutschienen-Switch.

Smart-Managed Gigabit-Switches bieten hervorragende Echtzeiteigenschaften bei gleichzeitig hohem Datendurchsatz. Damit steht genügend Bandbreite für die Integration von IT-Echtzeitdiensten wie Video und Voice-over-IP in das Automatisierungsnetz zur Verfügung.

An die beiden optischen Schnittstellen des neuen Smart-Managed-Switches FL Switch SMCS 6GT/2SFP lassen sich SX-, LX- und Longhaul-Glasfasermodule anschließen. Wird Gigabit-Ethernet via Glasfaser übertragen, kommen die Übertragungsstandards 1000Base-SX und –LX gemäß IEEE 802.3az zum Einsatz. Mit einer Wellenlänge von 850 nm nutzt 1000Base-SX Multimodefasern, mit denen sich bis zu 550 m überbrücken lassen. 1000BASE-LX hat eine Wellenlänge von 1300 nm und verwendet Singlemode-Fasern, wobei die Segmentlänge je nach eingesetzten Komponenten auf bis zu 20 km ausgedehnt werden kann. Erfordert die Applikation größere Entfernungen, sind mit speziellen Longhaul-Modulen mehr als 70 km überbrückbar.

Uwe Nolte, Gruppenleiter Produktmarketing Netzwerktechnik, Automation Systems, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont

In Echtzeit viele Daten managen

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