27.05.2014

Direkte Integration von Ethernet/IP-Switches in einen Device Level Ring

Hohe Verfügbarkeit mit geringer Umschaltzeit

Mit den Advanced Managed Switches der 7000er Baureihe bietet Phoenix Contact erstmals Switches für Ethernet/IP-Lösungen an, die direkt in einen DLR-Ring integriert werden können. Im Fehlerfall lassen sich so Umschaltzeiten von weniger als drei Millisekunden realisieren, was die Verfügbarkeit des Netzwerks deutlich erhöht.

Autor: Dipl.-Ing. Uwe Nolte, PHOENIX CONTACT Electronics GmbH.


Die Kommunikationstechnologie Ethernet/IP (Ethernet Industrial Protocol) gehört international zu den am weitesten verbreiteten Ethernet-basierten Automatisierungsprotokollen. Als Echtzeit-Ethernet-Lösung ermöglicht Ethernet/IP den vereinheitlichten Datenaustausch zwischen Steuerungen, E/A-Modulen, Feldgeräten und Antrieben. Das offene Busprotokoll, das von der Open Devicenet Vendor Association (ODVA) standardisiert ist, wird derzeit von einigen hundert Komponentenherstellern weltweit unterstützt. Auf der Grundlage von Standard-TCP und -UDP sorgt Ethernet/IP für eine durchgängige Kommunikation zwischen dem Unternehmensnetzwerk und den Automatisierungszellen.

Bisher Integration nicht-DLR-fähiger Geräte über eine vorgeschaltete Komponente

Aufgrund der konsequenten Verwendung der Ethernet-Standards gemäß IEEE802.3 lassen sich mit Ethernet/IP alle klassischen Netzwerkstrukturen wie Stern, Baum, Ring und andere hochverfügbare Topologien umsetzen. Hierzu kommen entsprechende Netzstrukturkomponenten wie Switches zum Einsatz. Darüber hinaus sind viele aktuelle Ethernet/IP-Automatisierungsgeräte mit zwei physikalischen Ethernet-Ports ausgestattet. Auf diese Weise können sie in der Feldebene direkt mit einer Bustopologie verkabelt werden, die sich auch zu einem Ring schließen lässt. In einer Ethernet-Topologie ist ein Ring allerdings nur dann realisierbar, wenn der redundante Port über einen Redundanzmechanismus blockiert ist und lediglich bei einer Ringunterbrechung aktiviert werden kann. Zu diesem Zweck wird in Ethernet/IP-Netzwerken die Redundanztechnologie Device Level Ring (DLR) genutzt, die kurze Reaktionszeiten erlaubt. Die DLR-Technologie zeichnet sich durch minimale Wiederherstellungszeiten von drei Millisekunden und somit eine nahezu stoßfreie Umschaltung der Teilnehmerkommunikation aus. Über DLR lassen sich Steuerungen, E/A-Module, Feldgeräte und Antriebe in einem schnellen redundanten Ring installieren. Die Integration von Standardkomponenten wie Industrie-PCs oder anderer nicht-DLRfähiger Ethernet/IP-Teilnehmer erfolgte dabei bislang über die Vorschaltung spezieller Drei-Port-Geräte. Die sogenannten Ethernet/IP-Taps (ETAPs) sind damit über zwei Ports in den DLR-Ring eingebunden und koppeln über den dritten Port die jeweilige Standardkomponente an. So wurden bisher auch Switches angebunden, die beispielsweise für die überlagerte Vernetzung der Steuerungszellen verantwortlich sind.

Vereinfachte Netzstruktur sowie geringerer Installationsaufwand

Mit den neuen Advanced Managed Switches der Produktfamilie FL Switch 7000 von Phoenix Contact stehen nun weltweit erstmals Switches zur Verfügung, die direkt in einen DLR-Ring eingefügt werden können. Dadurch ergeben sich Vorteile bei der Installation und Ausführung von Ethernet/IP-Netzwerken. In kleinen und mittelgroßen Maschinennetzen, die in einem Ring umgesetzt sind, lassen sich mit den im Schaltschrank verbauten Advanced Managed Switches jetzt bis zu sechs Komponenten wie Bedienen-und-Beobachten-Geräte, Industrie-PCs, Scanner und andere Feldmodule in die Automatisierungslösung integrieren (Bild 1). Handelt es sich um größere Maschinen- und Anlagennetzwerke, koppeln die neuen Switches der 7000er Baureihe die DLR-Ringe direkt und redundant auf der Maschinenebene an das überlagerte Netzwerk an. Neben dem DLR-Ring unterstützen die Advanced Managed Switches dazu das universelle Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP). Die kombinierte Funktion eines Switches mit Device Level Ring vereinfacht also die Netzstruktur und reduziert die Anzahl der Komponenten sowie den Installationsaufwand.

Flexible Umsetzung des Netzwerks über Kupfer oder Glasfaser

Der sogenannte Supervisor organisiert im DLR-Ring das Management der Redundanzumschaltung. Diese Funktion kann sowohl von der Steuerung als auch von den Advanced Managed Switches übernommen werden. Die als Supervisor fungierende Komponente blockiert einen ihrer beiden Ports für die Standard-Ethernet-Kommunikation. Der Ring stellt sich für die Standard-Übertragung als Linienstruktur dar. Spezielle DLR-Kontrolltelegramme, die ebenfalls als Beacons bezeichnet werden, können den Ring jedoch in beide Richtungen nutzen. Mit ihnen prüft der Supervisor kontinuierlich die störungsfreie Funktionsweise der Ringstruktur. Kommt der Beacon nicht innerhalb eines vorgegebenen Timeouts wieder beim Supervisor an, wird ein Fehler unterstellt und daraufhin der zweite Port des Supervisors wieder für sämtliche Nachrichtentypen geöffnet. In diesem Fall betreibt der Supervisor somit zwei Teillinien, in die weiterhin Beacons verschickt werden. Diese enthalten auch die Information zum Ringstatus, sodass die angeschlossenen Teilnehmer (Ring Nodes) erkennen, wann sie ihre MAC-Adresstabellen reorganisieren müssen. Da die Beacons zyklisch alle 400 Mikrosekunden versandt werden, um kurze Umschaltzeiten zu realisieren, ist sowohl für den Supervisor- als auch den Node-Betrieb eine besondere Hardware-Unterstützung der beiden Redundanz-Ports notwendig. Bei den Advanced Managed Switches kann der Anwender die DLR-Ports beliebig auswählen sowie die Supervisor- oder Node-Funktion konfigurieren. Auf diese Weise passt sich der DLR-Ring im Medium an die Applikationsanforderungen an und lässt sich flexibel über Kupfer- oder Glasfaser-Schnittstellen führen (Bild 2).

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Direkte Konfiguration und Diagnose aus dem Steuerungssystem

Neben den Redundanzoptionen wird die Verfügbarkeit in Automatisierungsnetzwerken von anwendergerechten Diagnosefunktionen beeinflusst. Ethernet/IP verwendet hier das Common Industrial Protocol (CIP) als Anwendungsschnittstelle. Damit die Konfiguration und Diagnose der Switches direkt aus dem Ethernet/IP-Steuerungssystem möglich ist, arbeiten die Geräte mit einem Switch-Profil über das Common Industrial Protocol. Per EDS-Files (Electronic Data Sheet) lassen sich die Switches in das Engineering des Steuerungssystems wie z.B. RSLogix oder Studio 5000 integrieren. Das EDS-File enthält alle erforderlichen Informationen über die Parameter, die via CIP eingestellt werden können (Bild 3). Für den Redundanzmechanismus DLR steht in Ethernet/IP ein spezielles Objekt im Common Industrial Protocol zur Verfügung. So kann der Zustand des Rings jederzeit auch von der Applikation individuell ausgewertet werden. Ringunterbrechungen sind schnell erkannt und entsprechende Wartungsmaßnahmen sofort eingeleitet.

Intelligente Filterung des Multicast-Verkehrs

Weil Ethernet/IP für die E/A-Kommunikation häufig Multicasts einsetzt, muss der Anwender dies bei der Netzwerkplanung berücksichtigen, um unerwünschte Netzlasten zu vermeiden. Ansonsten besteht die Gefahr, dass einfache Automatisierungskomponenten wie E/A-Geräte durch die eingehende Datenlast überfordert werden und selbst keine Daten mehr austauschen können. Vor diesem Hintergrund beinhalten die Advanced Managed Switches Mechanismen, die den Multicast-Verkehr automatisierungsoptimiert filtern und den Datenstrom nur an die jeweiligen Zielteilnehmer weiterleiten. Dazu analysiert der Switch bei aktiviertem IGMP Snooping (Internet Group Management Protocol) den Netzwerkverkehr und ordnet die Ports den entsprechenden Multicast-Gruppen zu. Die anschließend empfangenen Multicast-Telegramme werden dann lediglich an die Ports gesendet, die Teilnehmer der jeweiligen Multicast-Gruppe sind. Damit die Einträge in den Multicast-Tabellen netzwerkübergreifend aktuell gehalten werden, übernehmen die Advanced Managed Switches zudem die IGMP-Querier-Funktion, die durch kontinuierliche Abfragen die Multicast-Tabellen aktualisiert.

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