Infrastruktur-Komponenten in Schutzart IP67: Aus dem Schaltschrank in die Maschine

Die Ethernet-Anbindung kann zum einen über schaltschrankfähige Switches erfolgen, die in den Steuerungsschränken auf der Hutschiene montiert sind. Die in der Maschine verteilten Ethernet-Teilnehmer werden dann in einer Sterntopologie an den jeweiligen Hutschienen-Switch im Schaltschrank angekoppelt. Sollen in hoher Schutzart ausgeführte Feldgeräte in das Netzwerk integriert werden, ist auch die Datenverkabelung mit feldgeeigneten Datensteckern in den Schutzarten IP65 oder IP67 zu realisieren. Dazu muss der entsprechende Link auf feldtaugliche Stecker wie M12-Rundsteckverbinder umgesetzt werden. Beim zweiten, alternativen Installationskonzept verfügen die Switches und Ethernet-Ports bereits über eine hohe Schutzart, sodass sie dezentral in der Maschine verbaut werden können. Vorkonfektionierte M12-Patchkabel ermöglichen die direkte Anbindung der Endgeräte ohne weitere Adapterkomponenten. Um die Ethernet-Anschlüsse in hoher Schutzart dort in der Maschine bereitzustellen, wo der jeweilige Anschlussbedarf besteht, müssen die dezentralen Switches dem Einsatzumfeld der Maschine gerecht werden. Neben den Umgebungsbedingungen spielen die Bauform und die Montageeigenschaften eine besondere Rolle. Damit eine wirtschaftliche Ethernet-Installation gegeben ist, sollten die Switches an jedem Ort in der Maschine einfach und schnell angebracht werden können. Direkte Montage auf Konstruktionsprofilen Die IP65/67-Switches aus der Produktfamilie Factoryline von Phoenix Contact sind für diese Anforderungen konzipiert. Der FL Switch 1605 in hoher Schutzart bietet auf einer Baubreite von 30mm fünf linear angeordnete Ports. Aufgrund der schmalen Bauform lässt sich das Gerät direkt auf den Konstruktionsprofilen der Maschinen montieren. Dadurch entfallen die aufwändige und zeitintensive Anfertigung und Anbringung von Montageplatten. Durch die achssymmetrische Anordnung der beiden Befestigungslaschen reichen zwei Befestigungspunkte zur Fixierung des Switches auf dem Trägerprofil aus. Zu diesem Zweck sind die Befestigungsbohrungen für die gängigen M6-Schrauben ausgelegt, was die Installation ohne spezielles Befestigungsmaterial ermöglicht. Konstruktive Maßnahmen tragen dazu bei, dass der FL Switch 1605 an beliebigen Orten eingebaut werden kann (Bild 2). In der Maschine stehen fünf industrielle Ethernet-Anschlüsse in spritzwassergeschützter standardisierter M12-Anschlusstechnik zur Verfügung. Da es sich um einen Standard-Plug&Play-Switch handelt, muss der Anwender das Gerät nicht konfigurieren. Die in der Applikation montierten I/O-Module und weiteren Feldgeräte werden über die M12-Anschlüsse direkt mit einer Datenrate von 10/100MBit/s angekoppelt. Die Mechanismen Autocrossing und Autonegotiation sorgen für den sicheren Link-Aufbau mit den unterschiedlichen Endgeräten. Bevorzugte Weiterleitung hochpriorer Datenpakete An den FL Switch 1605 angeschlossene Steuerungen können beliebige Automatisierungsprotokolle wie Profinet, Ethernet/IP oder Modbus TCP unterstützen. Die IP65/67-Geräte bieten hier insbesondere die von Profinet RT geforderte Funktion Quality of Service, indem sie die Ethernet-Frames prioritätsgesteuert weiterleiten. Alle im VLAN-Tag (Virtual Local Area Network) enthaltenen Prioritätsinformationen werden von den Switches gemäß der Norm IEEE802.1Q ausgewertet. Die bevorzugte Kommunikation von Datenpaketen ist die Grundlage dafür, dass der Datenverkehr mit höherer Priorität – wie zeitsensitive Prozessdaten – bei starker Netzwerklast nicht durch niederprioren Datenverkehr ausgebremst wird. Wegen der integrierten Prioritätsbehandlung der Datenpakete nach IEEE802.1p können die FL Switch 1605 im Profinet-Umfeld oder in heterogenen Umgebungen verwendet werden, in denen bestimmte Dienste, wie die IP-Telefonie, vorrangig zu übermitteln sind. Um die hohen Anforderungen zu erfüllen, die der dezentrale Einsatz in den Maschinen an die Geräte stellt, ist der Switch staubdicht aufgebaut und hält Strahlwasser bis zum zeitweiligen Untertauchen gemäß den Schutzarten IP65, IP66 und IP67 stand. Dabei deckt er einen weiten Einsatztemperaturbereich von -40 bis 70°C ab. Die hohe Toleranz des FL Switch 1605 gegen widrige Umgebungsbedingungen eröffnet die notwendigen planerischen Freiheitsgrade zur Realisierung der optimalen Netzwerktopologie für den jeweiligen Anwendungsbereich. Umsetzung ­anwendungs­gerechter Topologien Nur wenn sich die verteilte Ethernet-Ins­tallation in der Netztopologie flexibel an das Anlagenlayout anpasst, lässt sie sich unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten umsetzen. Denn so kann der Verkabelungsaufwand zu den Ethernet-Endgeräten optimiert respektive reduziert werden. Deshalb ermöglichen die feldinstallierbaren Switches den Aufbau von Stern-, Linien- und Baumstrukturen. In kleineren Maschinen fungieren sie als Sternpunkt im Feld, über den mehrere Ethernet-Teilnehmer mit geringem Verkabelungsaufwand in das Netzwerk eingebunden werden können. Für ausgedehnte Förderstrecken eignet sich eine Linientopologie am besten. Hier führt der Ethernet-Strang von Switch zu Switch und stellt entlang der Förderstrecke Anschluss-Ports bereit. Die Spannungsversorgung kann ebenfalls effizient in der Linie installiert werden. Zu diesem Zweck sind Y-Verteiler erhältlich, die auf den Spannungsanschluss des Switches geschraubt werden und die weiteren Switches der Linie speisen können (Bild 4). Ausgedehnte Linientopologien profitieren vom energiesparenden Design der IP65/67-Switches aus der Produktlinie Factoryline. Da die komplett angeschlossenen Infrastruktur-Komponenten mit 90mA auskommen und Y-Verteiler eine Stromtragfähigkeit von 4A aufweisen, können entsprechend große Anwendungen in Linie aufgebaut werden (Bild 5). Zur Installation der IP65/67-Switches im Feld bietet Phoenix Contact diverses Zubehör an. Von der Schaltschrank-Durchführung über konfektionierte Ethernet-Leitungen mit M12- oder RJ45-Stecker bis zu einfach im Feld zusammenbaubaren Ethernet-Steckern in gewinkelter oder gerader Bauform lassen sich die passenden Installationskomponenten der dezentralen Switch-Lösung einfach projektieren. Die Kennzeichnung der Komponenten erfolgt über Standard-Markierungszubehör (Zackband). Kasten: 1:1-NAT vereinfacht die Konfiguration Hersteller von Produktionsmaschinen stehen vor der Herausforderung, die IP-Adressen der in den Maschinen verbauten Endgeräte so zu vergeben, dass sich dieser IP-Adressraum in das Betreiber- oder IT-Netz integriert. Meist weist die Betreiber-IT der Maschine freie IP-Adressen zu. Die individuelle Konfiguration jedes einzelnen Ethernet-Endgeräts ist aber aufwändig und fehlerträchtig. Sollen baugleiche Maschinen an einen Anwender geliefert werden, die dann gemeinsam in einem Netzwerk arbeiten, führt das zu einem unvertretbar hohen Konfigurationsaufwand (Bild 3). Abhilfe schafft die 1:1-Network-Address-Translation, kurz 1:1-NAT genannt. Hier bleiben die Adressbereiche innerhalb der Maschine gleich, werden für das überlagerte Unternehmensnetzwerk jedoch auf den gewünschten IP-Adressbereich umrangiert. Diese Aufgabe lässt sich mit dem FL NAT Switch SMN 8TX von Phoenix Contact lösen. Die Infrastruktur-Komponente stellt Routing und 1:1-NAT für den WAN-Port (Uplink) zur Verfügung. Alle weiteren Ports dienen dem schnellen Datenaustausch innerhalb der Maschine. Zu diesem Zweck unterstützt der NAT-Switch wichtige Datenmanagement-Funktionen wie Priorisierung (Quality of Service), Redundanz und Port-Spiegelung. Das Gerät lässt sich über einen Webserver sowie SNMP (Simple Network Management Protocol) konfigurieren. Der wechselbare Konfigurationsstecker FL MEM Plug ermöglicht die einfache Inbetriebnahme sowie den schnellen Austausch im Fehlerfall.