20.11.2019

Hoher Datendurchsatz, schnelle Link-up-Zeiten, sichere Netze

Turbolader für das industrielle IoT

Außergewöhnlich schnell, kompakt, robust und sicher: Mit diesen Eigenschaften ermöglicht ein neuer managed Switch eine dezentrale Verteilung von Ethernet-Verbindungen direkt an der Maschine. Mit zwei GBit-Highspeed-Backbone-Ports liefert er genug Bandbreite für hochperformanten Datenfluss der acht Standard-Ports (100MBit/s). Unterstützend hinzu kommen schnelle Link-up-Zeiten und Cut-through Forwarding. So spart der neue Switch - der auf der SPS 2019 erstmals gezeigt wird - in vielen Applikationen Verdrahtungsaufwand und unterstützt modulare Maschinenkonzepte ohne Schaltschrank.


Premiere auf der SPS in Nürnberg: Turcks managebarer Highspeed-Switch TBEN-L-SE-M2 in IP67
Bild: Hans Turck GmbH & Co. KG

Datennetzwerke werden häufig mit dem Straßenverkehr verglichen. In diesem Bild sind die Leitungen Straßen und Autobahnen, Switches repräsentieren Kreuzungen und Autobahnanschlussstellen. Die Aufgabe des Switches ist, die Daten vieler Ethernet-Teilnehmer auf einer Hauptleitung zusammenzuführen. Die Hauptleitung kann in der Regel mehr Daten pro Sekunde transportieren als die einzelnen Zuleitungen. Ebenso wie der Straßenverkehr nimmt auch der Datenverkehr stetig zu. Diese Entwicklung kann man sowohl in der Büro-IT, in Privathaushalten als auch in Industrienetzen. Die Konvergenz von Fertigungstechnik und IT befeuert die Zunahme der Datenströme zusätzlich. Diese müssen durch Switches geordnet und verteilt werden. Das können passive sogenannte unmanaged Switches übernehmen oder aktive bzw. managed Switches. Während die erste Sorte im Grunde nur Leitungen zusammenführt, kontrollieren managed Switches den Datenfluss aktiv und nehmen dabei Priorisierungen vor, weisen ggf. IP-Adressen zu, etablieren Redundanzen und sichern mittels Firewall den Zugang zu Netzwerken.

Effiziente Verdrahtung durch IP67-Switch

Als Anbieter moderner IP67-Lösungen zielt Turck auf die Dezentralisierung der Automationstechnik "heraus aus dem Schaltschrank". Neben den klassischen I/O-Modulen zum Anschluss von digitalen oder analogen Signalen bzw. IO-Link Devices an Ethernet-Netze wurden auch schon Steuerungen und Spanner zur Übersetzung zwischen Ethernet-Sprachen aus dem Schaltschrank befreit. Die Verdrahtungs- und Flexibilitätsvorteile, die aus der dezentralen Montage ohne Schaltschrank erwachsen, gelten ebenso für Switches. Ethernet-Leitungen zu den Teilnehmern müssen nicht einzeln aus dem Schaltschrank geführt werden, sondern werden erst an der Maschine auf den letzten Metern zu den Teilnehmern geführt. Je nach Anlagentopologie spart die dezentrale Positionierung der Switches erheblichen Verdrahtungsaufwand.

Schleppketten, Redundanzen, Sicherheit

Sicher, nicht jede Anlage benötigt einen Switch oder mehrere Switches an der Maschine. Es ist ja gerade ein Hauptvorteil von Feldbussen und Ethernet-Netzen, Teilnehmer mit Linienstrukturen anzubinden. In vielen Fällen ist jedoch eine Sternstruktur sinnvoll und daher ein Switch notwendig: So ist es z.B. in Schleppkettenapplikationen äußerst unpraktisch und aufwendig, Ethernet-Leitungen am Ende der Schleppkette als Linie weiterzuführen. Zur Etablierung von Ringredundanzen werden ebenfalls mehrere Ports benötigt. Ein anderer Grund sind erhöhte Anforderungen an die Verfügbarkeit einer Maschine. Die höchste Ausfallsicherheit bieten eine Ringstruktur oder eine Sternstruktur. Bei letzterer ist jeder Teilnehmer an einem separaten Port des Switches angebunden. Genauso lassen sich verschiedene Linienstrukturen passend zur jeweiligen Maschinenarchitektur über Switches aufbauen.

Highspeed Backbone und IP-Adressvergabe

Turcks neuer 10-Port-Switch TBEN-L-SE-M2 in Blockmodulbauform bietet auf acht Ports 100Mbit/s und zwei Highspeed Backbone Ports mit 1Gbit/s. In der robusten IP67-Bauform erfüllt der Switch alle Anforderungen von hochperformanten Industrieapplikationen im rauen Umfeld. Nutzer können die IP-Adressen an Teilnehmer Port-basiert und zentral über den Webserver des Switchs zuweisen. Das erspart eine separate Konfiguration für jeden einzelnen Teilnehmer. Für Serienmaschinenbauer und andere Anwender, die Maschinen in übergeordnete Netzwerke integrieren, bietet der Switch mit NAT Routing überlagerten Systemen die Möglichkeit, stellvertretende IP-Adressen zu vergeben und so die Dopplung von IP-Adressen im Netz zu verhindern. Die eingebettete Firewall sorgt bei der Integration für den kontrollierten und vor allem sicheren Datenaustausch.

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Werkzeugwechsel in unter 150ms

Eine Anforderung, an der viele Industrie-Switches scheitern, ist die schnelle Link-up-Zeit. Die Fähigkeit, Verbindungen zu Teilnehmern in kürzester Zeit herzustellen, ist in der Industrieautomation viel kritischer als in Home- oder Büro-IT-Szenarien. Gerade bei Werkzeugwechseln z.B. in der Karosseriefertigung der Automobilindustrie kommt es auf Sekundenbruchteile an. Sitzt zwischen Steuerung und Teilnehmer ein Switch, so ist nicht nur die Start-up-Zeit des Ethernet-Teilnehmers auf dem Werkzeug, sondern auch die Link-up-Zeit des Switches für die Bereitstellung des Werkzeugs verantwortlich. Durch seine Quick-Link-up-Technik ermöglicht der TBEN-L-Switch Werkzeugwechsel in weniger als 150ms.

Einsatz an mobilen Arbeitsmaschinen

Ein Markt, bei dem man nicht direkt an Switches denkt, ist der für mobile Arbeitsmaschinen. Switches werden hier zur Anbindung von IP-Kameras benötigt, die zunehmend die Autonomisierung der Landmaschinen unterstützen. Sie zeigen dem Landwirt Live-Bilder der Maschine an - entweder direkt im Führerstand oder im Fall von fahrerlosen Systemen weit entfernt im Büro. Die Landmaschinenhersteller nutzen auch Überwachungsfunktionen, die das Kamerabild automatisch auf den Bildschirm spielen, wenn eine ungewöhnliche Bewegung registriert wurde. Die Kamerabilder solcher Landmaschinen müssen über einen Switch verwaltet und der Steuerung zugänglich gemacht werden. Die Multicast-Fähigkeit des TBEN-L-Switches ermöglicht dabei, dass mehrere Bildschirme die Videostreams latenzfrei und bandbreitenoptimiert anzeigen können. Außerdem ist der weite Eingangsspannungsbereich von 8 bis 30V unverzichtbar, um in Geräten mit 12V-Bordnetzspannung eingesetzt zu werden. Wichtig ist auch die sogenannte Load Dump Capacity des Switches. Dieser Test konstatiert dem Switch, dass er Spannungsspitzen kompensieren kann, wie sie beim Abschalten der Spannungsversorgung entstehen können.

Broadcast-Wellen und Netzlastmonitoring

Ethernet-Teilnehmer können sogenannte Broadcast-Anfragen stellen, die an alle Teilnehmer eines Netzwerks gerichtet sind. Diese Broadcast-Wellen können Switches und andere Geräte an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit bringen. Die integrierte Funktion Broadcast Storm Protection reduziert derartige Netzlastspitzen. Für die zielgerichtete Kontrolle über Broadcast-Domänen lassen sich zudem virtuelle Netzwerke einrichten. Diese VLANs können dann wie einzelne Netzwerke genutzt und mit VLAN-spezifischen Bandbreiten konfiguriert werden. Broadcast-Anfragen werden so nur innerhalb des virtuellen LANs wirksam. VLANs werden auch genutzt, um Produktions- und Managementdaten zu trennen, was wiederum effektiv die Verfügbarkeit und Sicherheit des Produktionsnetzwerks schützt. Das Netzlastmonitoring des Switches hilft auf allen Ports, drohende Überlastungen frühzeitig zu diagnostizieren und ermöglicht es, vorausschauend einzugreifen.

Fazit

Der kompakte und leistungsfähige Switch TBEN-L-SE-M2 kann mit seiner Kombination aus hoher Schutzart und Highspeed Backbone mit zwei GBit-Ports die Anforderungen der zunehmenden industriellen Vernetzung mit steigenden Datenraten gut abbilden. Mit der schnellen Link-up-Zeit unter 150ms ermöglicht er kurze Taktraten, z.B. bei Werkzeugwechseln in der Robotik. Darüber hinaus profitiert der Anwender von zahlreichen Funktionen zur sicheren und effizienten Organisation von Industrial-Ethernet-Netzwerken. So schützt die integrierte Firewall bidirektional vor unbefugten Zugriffen und erhöht damit zuverlässig die Sicherheit im IIoT, ebenso wie NAT-Routing oder die Möglichkeit, virtuelle LANs zu errichten.

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