03.06.2016

Advanced Managed Switches mit Combo-Ports

Flexible Gestaltung von Gigabit-Netzwerken

Mit den neuen Advanced Managed Switches der Produktfamilie FL Switch 7000 von Phoenix Contact lassen sich hoch verfügbare Steuerungszellen mit Device-Level-Ring-Redundanz in überlagerte Gigabit-Strukturen integrieren. Wir stellen die neuen Switches im Folgenden vor.

Autor: Jan Aulenberg, Mitarbeiter im Produktmarketing Netzwerktechnik, Phoenix Contact Electronics GmbH


Windkraftanlage mit Glasfaser-Kommunikation über WDM.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Viele Anwender realisieren ihre Automatisierungsnetzwerke mittlerweile auf Basis einer Ethernet-basierten Kommunikation. Dabei kommen sowohl Kupfer- als auch Glasfaser-Verbindungen zum Einsatz. Switches, über die einzelne Netzwerksegmente und -teilnehmer miteinander gekoppelt werden, bieten in der Regel eine feste Anzahl an Kupfer- und Glasfaser-Anschlüssen. Anlagenplaner müssen daher genau abwägen, welches Gerät an welcher Stelle der Applikation installiert werden soll. Eine Alternative zu dieser festen Port-Ausprägung stellen Switches mit sogenannten Combo-Ports dar. Sie ermöglichen eine flexible Gestaltung des Netzwerks, indem der Anwender das Übertragungsmedium für die einzelnen Ports frei wählen kann. Die Combo-Ports bestehen jeweils aus einem korrespondierenden RJ45-Port und einem SFP-Slot (Small Form-factor Pluggable). Ein solcher Port lässt sich somit entweder für Kupfer- oder Glasfaser-Verbindungen nutzen. Ist ein besonders hoher Datendurchsatz erforderlich, unterstützen die Combo-Ports zudem eine Gigabit-Kommunikation. Mit bis zu vier Gigabit-Combo-Ports können die FL Switch 7000 für unterschiedliche Anforderungen innerhalb der Applikation verwendet werden. Aufgrund der großen Auswahl an SFP-Glasfaser-Modulen von Phoenix Contact sind mit einem Combo-Port Single- und Multimode-Verbindungen mit einer Leitungslänge von maximal 80km umsetzbar. Gigabit- und Fast-Ethernet-SFP-Module, die in den SFP-Slots der Gigabit-Combo-Ports eingesetzt werden können, eröffnen zusätzliche Flexibilität.

Durchgängige Redundanz auf Basis von RSTP und DLR

In größeren Produktionssystemen dienen Backbone-Netzwerke der Bündelung des überlagerten Kommunikationsbedarfs aller Endteilnehmer. Neben einem hohen Datendurchsatz sind dazu vor allem Sicherheitsvorkehrungen und redundante Strukturen notwendig. Deshalb werden die Backbones häufig als Gigabit-Netzwerke aufgebaut, an die sich die Automatisierungszellen ankoppeln. Den Anforderungen an einen redundanten Datenaustausch trägt die Nutzung des universellen Rapid Spanning Tree Protocols (RSTP) Rechnung. Innerhalb der Automatisierungszellen, also auf der Feld- respektive Steuerungsebene, bieten sich Redundanzmechanismen wie der Ethernet/IP-spezifische Device Level Ring (DLR) an. Mit DLR lassen sich in Ringtopologien Wiederherstellungszeiten von weniger als 3ms erreichen, was nahezu stoßfrei und schneller als ein Steuerungszyklus ist. Die Advanced Managed Switches der Produktfamilie FL Switch 7000 unterstützen sowohl RSTP als auch DLR und sorgen daher als Schnittstelle zwischen dem Produktionsnetzwerk und der Automatisierungszelle für eine durchgängige Redundanz in der Anlage. Innerhalb der Zelle kann der Switch den DLR-Ring ferner als Supervisor überwachen und verwalten sowie bei Bedarf den Redundanzmechanismus aktivieren. Durch die flexible Gestaltung der Combo-Ports bindet der FL Switch 7000 die Automatisierungszellen, in denen DLR verwendet wird, per Kupfer- oder Glasfaser-Verbindung an das Produktionsnetzwerk an. In der Applikation lassen sich wegen der maximal vier Combo-Ports sowohl die beiden Verbindungen im DLR-Ring als auch die redundante Ankopplung an überlagerte Layer-3-Strukturen je nach Bedarf mit bis zu vier Glasfaser-Verbindungen realisieren.

Automatische Zuweisung der IP-Adressen

Damit die Teilnehmer in Ethernet-Netzwerken Daten untereinander weiterleiten können, benötigt jedes Gerät eine IP-Adresse. Die manuelle Konfiguration einer solchen Adresse für jedes Endgerät erweist sich jedoch in großen Anlagen als aufwändig. Abhilfe schafft hier der Einsatz eines DHCP-Servers (Dynamic Host Configuration Protocol), der den Teilnehmern eine IP-Adresse zuweist, sobald sie an das Netzwerk angeschlossen werden. Mit den Advanced Managed Switches der Produktfamilie FL Switch 7000, die als DHCP-Server fungieren können, lässt sich diese Funktion direkt in die Automatisierungszelle integrieren. Auf diese Weise wird der Konfigurationsaufwand bei der Inbetriebnahme von Maschinennetzwerken erheblich reduziert. Eine Anwendungsmöglichkeit der FL Switch 7000 stellt in diesem Zusammenhang beispielsweise die Einrichtung als Pool-basierter DHCP-Server dar. Dabei wird im Web-Interface des Geräts ein Adress-Pool konfiguriert, aus dem während des Betriebs der Applikation IP-Adressen an die anderen Netzwerkteilnehmer vergeben werden. Diese Einstellungen gelten für alle Ports des Switches. Wird einem Endteilnehmer eine IP-Adresse zugeordnet, behält er sie selbst bei einem Verbindungsabbruch für einen einstellbaren Zeitraum, der sogenannten Lease Time. Die FL Switch 7000 lassen sich darüber hinaus als Port-basierter DHCP-Server verwenden. In diesem Fall wird einzelnen Ports eine IP-Adresse fest zugewiesen, die immer der jeweils verbundene Endteilnehmer zugeordnet bekommt. Diese Funktion eignet sich für Applikationen, in denen die Kommunikation mit einzelnen Geräten über fest vorgegebene IP-Adressen abläuft. So ist im Fall eines Gerätetausches sichergestellt, dass der neue Teilnehmer dieselbe IP-Adresse bekommt wie sein Vorgänger. Bei der Pool-basierten Option würde das Austauschgerät aufgrund der Lease Time eine andere IP-Adresse aus dem Adress-Pool erhalten. Mit der Port-basierten Variante vermeidet der Anwender somit eine manuelle Neukonfiguration des Netzwerks.

Schnelle Lokalisierung und Diagnose von Fehlern

In industriellen Applikationen hat der Maschinenbediener oftmals keinen Zugriff auf das Web-Interface der Netzwerkkomponenten. Deshalb gestaltet sich die Lokalisierung und Diagnose von Fehlern entsprechend zeitaufwändig. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, stehen für die Produktfamilie FL Switch 7000 sogenannte Faceplate-Visualisierungen zur Verfügung. Die Lösungen, die für den Betrieb auf Bedienen-und-Beobachten-Geräten sowie Industrie-PCs optimiert sind, bereiten die umfangreichen Diagnosedaten der Switches optisch übersichtlich auf. Auf diese Weise kann der Mitarbeiter Fehler direkt auf der Feldebene aufspüren und ihre Ursache feststellen, ohne auf das Web-Interface des Geräts zugreifen zu müssen. Das senkt die für die Störungsbehebung und Wiederherstellung der Anwendung erforderliche Zeit erheblich. Die komplett vorkonfigurierten Faceplate-Visualisierungen nutzen Diagnosedaten, welche die Ethernet/IP-Anwendungsschnittstelle Common Industrial Protocol (CIP) bereitstellt. Sie lassen sich ohne Programmieraufwand einrichten, da die mitgelieferte Add-On Instruction die für den Menschen verständliche Übersetzung der Binärinformationen übernimmt und lediglich in das Steuerungsprogramm importiert werden muss. Durch die Integration in das Rockwell Engineering Studio 5000 respektive RSLogix sowie die Visualisierungs-Software FactoryTalk View kann der Anwender die FL Switch 7000 inklusive der Faceplate-Visualisierungen einfach in bestehende Rockwell-Steuerungssysteme einbinden.

Unterschiedliche Wellenlängen für die Übertragung und den Empfang der Daten

Viele Anwender beschäftigen sich damit, wie Ethernet-Komponenten auch in rotierenden Anlagenteilen - wie der Nabe einer Windenergieanlage - eingesetzt werden können. Eine Möglichkeit besteht in der Nutzung von Wavelength Division Multiplexing (WDM). Indem unterschiedliche Wellenlängen für die Datenübertragung und den -empfang verwendet werden, lässt sich eine Full-Duplex-Kommunikation über eine Glasfaser umsetzen. Im Gegensatz zu konventionellen Glasfaser-Lösungen werden folglich nicht zwei Adern benötigt. In Kombination mit einem Glasfaser-Schleifring läuft die gesamte Ethernet-Übertragung so im Zentrum der Achse über eine Ader ab. Die SPF-WDM-Module von Phoenix Contact erlauben den Einsatz der WDM-Technologie in Switches, die über einen SFP-Port verfügen, also beispielsweise in den Advanced Managed Switches der Produktfamilie FL Switch 7000. Das Portfolio umfasst hier Module für Leitungslängen bis 20km sowie für die Fast-Ethernet- und Gigabit-Kommunikation.

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