Anlagenstrukturen im Wandel Die Globalisierung bietet Unternehmen völlig neue Wachstumschancen. Mit diesen neuen Chancen werden die Unternehmen jedoch auch vor neue Herausforderungen gestellt. Nur wer mit schnellen Produktwechseln flexibel auf kurzfristige Marktrends reagieren kann, wer bei hoher Produktionsgeschwindigkeit auch eine gleichbleibende hohe Produktqualität bieten kann und wer sich auf maximale Anlagenverfügbarkeit und geringe Instandhaltungskosten verlassen kann, wird dauerhaft im weltweiten Wettbewerb bestehen können. Um für diese Herausforderungen optimal gewappnet zu sein, koppeln immer mehr Unternehmen ihre Produktions- und Anlagennetzwerke mit ihrem Office-/IT-Netzwerk. Leistungsfähige Industrieswitches Die neuen Industrieswitches des Typs Scalance X-500 von Siemens wurden speziell entwickelt, um die bis dato bestehende Lücke zwischen den sehr unterschiedlichen IT-/Büro- und Anlagennetzwerken zu schließen. Wo früher einzelne Automatisierungsinseln ihren Dienst autark verrichteten, ist heute Durchgängigkeit von der Unternehmensleitebene bis hinein in den Feldbereich gefordert. Die Zusammenführung der Netzwerke führt auch dazu, dass aus den früher noch einheitlichen Automatisierungsnetzwerken sogenannte konvergente Netze entstehen, in denen unterschiedliche Kommunikationsprotokolle parallel im gleichen Netzwerk ihren Dienst verrichten. In konvergenten Netzen konkurrieren Automatisierungs-Protokolle nicht selten mit Voice-over-IP-Applikationen (VoIP) oder mit Video-Applikationen um Netzwerkperformance. Dieser Trend stellt die Anlagenplaner sowohl von Kommunikationsnetzwerken als auch von Automatisierungsanlagen vor völlig neue Herausforderungen. In puncto Topologie, Performance und Sicherheit müssen neue Netzwerklösungen entstehen und die bisherigen bereichsspezifischen Konzepte ersetzen. Definierte Schnittstelle zwischen IT und Produktion Bereits in der Netzwerkplanungsphase sind neue Anforderungen zu berücksichtigen. Waren früher die Verantwortungsbereiche innerhalb der Unternehmen eindeutig abgegrenzt, ist mittlerweile bei den sich stark überschneidenden Netzwerkbereichen oft unklar, wer im Fall eines Anlagenstillstands den entsprechenden Support leisten soll und kann. IT-Experten fehlt häufig das erforderliche Know-how über die Funktionsweise der eingesetzten Automatisierungssysteme. Nur ein kleiner Teil der Automatisierungsexperten sind ausgebildete Netzwerkspezialisten, die Fehler in den Netzwerken finden und beheben könnten. Im Schnittstellenbereich zwischen Office-IT und Anlagennetzwerken, den sogenannten produktionsnahen Netzen (PNN), ist deshalb eine eindeutige Klärung der Zuständigkeiten unumgänglich. Die Industrieswitches des Typs Scalance X-500 zeigen genau im Bereich dieser PNN besondere Stärken: Weil sie speziell für die Verbindung von Industrie- und IT-Netzwerken konzipiert sind, erfüllen sie auch die besonderen Anforderungen solcher Kopplungen: – Offenheit und Flexibilität, um unterschiedliche Automatisierungssysteme anbinden und Erweiterungen vornehmen zu können – Standardbasierte Kommunikationsprotokolle, um lückenlosen Informationsfluss von der Unternehmensleitebene bis zur Feldebene durch sogenannte Enterprise-Resource-Planning-Systeme (ERP) oder Management-Informationssysteme (MIS) sicherzustellen – Einfache und durchgängige Projektierungs- und effiziente Diagnosemöglichkeiten – Schneller und hochverfügbarer Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Anlagenteilen – Sichere Netzkonzepte, um unerlaubte Netzzugriffe zu vermeiden Die Grundlage für die Kopplung der Anlagennetzwerke in die Unternehmens-IT ist eine gemeinsame Kommunikationsbasis zwischen den unterschiedlichen Netzwerken, ohne jedoch auf die netzspezifischen Eigenschaften verzichten zu müssen. So müssen die Kommunikationssysteme im Industriebereich nach wie vor den harten Anforderungen in diesem rauen Umfeld genügen. Zusätzlich müssen sie mit Funktionen ausgestattet werden, um nahtlos mit der komplexen Welt der Office-IT kombiniert werden zu können. Bei der Netzkopplung muss zudem sichergestellt sein, dass sich netzspezifische Funktionen nicht gegenseitig beeinflussen oder stören. Denn unter keinen Umständen dürfen Ereignisse aus dem Bereich der Office-IT die Funktion der Anlage oder den Ablauf der Produktion beeinflussen. Auf all diese Bedingungen sind die Industrieswitches von Siemens ausgelegt. Industrial Ethernet Als eine robuste Plattform für fehlertolerante Kommunikationssysteme im Automatisierungsbereich hat sich in den letzten Jahren das Industrial Ethernet am Markt etabliert. Industrial Ethernet basiert auf dem Ethernet-Standard nach den Normen IEEE802.3 sowie IEEE802.11 a/b/g/h und ist eine herstellerneutrale Plattform, um die Vorteile von Ethernet auch für Industrieapplikationen nutzen zu können. Profinet Profinet nutzt den Ethernet-Standard für die Automatisierung. Es ermöglicht den schnellen und sicheren Datenaustausch auf allen Kommunikationsebenen und schafft damit die Möglichkeit, innovative Maschinen- und Anlagenkonzepte zu realisieren. Aufgrund seiner Flexibilität und Offenheit bietet Profinet dem Anwender ein Höchstmaß an Freiheit bei der Gestaltung der Maschinen- und Anlagenarchitektur. Industrial Ethernet in Kombination mit Profinet bildet eine optimale Kommunikationsbasis für Automatisierungsanlagen. Durch Profinet und Industrial Ethernet lassen sich Echtzeitanwendungen an die Unternehmens-IT koppeln. Die neuen Industrieswitches unterstützen Profinet. Mittels eines sogenannten Profinet-Stack arbeiten die Scalance X-500-Switches rückwirkungsfrei mit den IT-Funktionen. Hochperformante Hardware Typische Anwendungsgebiete für die Strukturierung von Anlagennetzen und ihre Anbindung an die Unternehmens-IT finden sich sowohl in der Fertigungs- und Prozessindustrie als auch in industrienahen Branchen wie Bergbau, Logistik und Transportwesen. Damit hier die industrielle Kommunikation zuverlässig abläuft, bedarf es robuster Kommunikationssysteme. Verlangt werden Kommunikationskomponenten, die sich weder durch besondere Umweltbedingungen wie Kälte oder Hitze noch durch EMV-Einwirkungen, starke Vibrationen (z.B. in einer Schmiede) oder sonstige Störungen aus dem Tritt bringen lassen. Auch diese speziellen Anforderungen an die Hardware wurden bei der Entwicklung der Industrieswitches berücksichtigt. Hohe Übertragungsraten (10GBit/s) Die zunehmende Vernetzung von Office-IT und Anlagennetzwerken verlangen zudem hohe Übertragungsraten, hohe Anschlussdichte mit vollmodularem Aufbau und hohe Routing-Mengengerüste. Denn die Industrieswitches sollten den Netzwerkbetreiber mit ausreichender Datenübertragungsperformance unterstützen. Hohe Anschlussdichte mit vollmodularem Aufbau Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der neuen Scalance X-500-Industrieswitches müssen bereits in der Designphase berücksichtigt werden. Sowohl das Überbrücken unterschiedlicher Distanzen zwischen den Netzwerkkomponenten als auch die Unterstützung unterschiedlicher Verbindungstechniken stellt eine große Herausforderung an das Design dieser Netzwerkkomponenten. Die Industrieswitches sind deshalb vollmodular mit Steckmodulen aufgebaut, weisen eine hohe Portdichte (vier Ports pro Steckmodul; bis zu 52 Ports gesamt möglich) auf und unterstützen Kommunikation auch über sehr große Distanzen (>100km). Das Stecken und Ziehen dieser Module kann im laufenden Betrieb ohne Neustart (hot pluggable) erfolgen, um Anlagenstillstandszeiten zu vermeiden. Ausgeklügelte Verbindungssysteme müssen dafür Sorge tragen, dass trotz harter Industrie-Umgebungsanforderungen die Kommunikationskomponenten fest miteinander verdrahtet werden können. Deshalb muss das Zusammenspiel zwischen Buchse am Gerät und Kabelstecker optimal gegen Rütteln und Schütteln abgesichert sein. Auch diese Voraussetzung erfüllt das Hardwaredesign der leistungsfähigen Industrieswitches von Siemens: Sie unterstützen sowohl unterschiedliche Industrie-Steckersysteme als auch die Standard-Anschlusssysteme. Power over Ethernet (PoE) Aufgrund der hohen Anschlussdichte kann eine Vielzahl von Geräten direkt an die Industrieswitches angeschlossen werden. Dabei stellt sich speziell im konvergenten Netzbereich immer die Frage nach der Stromversorgung für die angeschlossenen Netzkomponenten (z.B. IP-Telefon). Aus dem Grund müssen Industrieswitches für diese Anwendungen eine Möglichkeit bieten, sie mit Energie versorgen zu können. Weil die Switches Scalance X-500 Power over Ethernet (PoE) unterstützen, lässt sich die Stromversorgung hier direkt mittels der Ethernet-Datenleitungen verlegen. Somit wird das Kabel zum Datenaustausch und zur Stromversorgung gleichzeitig genutzt; eine zusätzliche Stromversorgung zu den Endgeräten entfällt. Dies verringert den Installationsaufwand erheblich. Featureset aus IT- und Anlagennetzwerken Trotz des hohen Stellenwerts der eingesetzten Hardware in den Industrieanlagen dürfen die entsprechenden Softwarefunktionen der Komponenten für die industrielle Kommunikation nicht vernachlässigt werden. Denn die Industrieswitches müssen wichtige Softwarefeatures aus dem Umfeld der Office-IT unterstützen, ergänzt um speziell auf die Belange von Industrieapplikationen abgestimmte Funktionen. Netzsegmentierung durch VLANs Durch das physikalische Zusammenwachsen von IT-Netzen und Anlagennetzen erhöhen sich die Anzahl der Netzwerkkomponenten und somit auch die generierte Broadcastlast. Da dies in einem Netzwerk schnell zu Störungen führen kann, bildet man mithilfe von Virtuellen Local Area Networks (VLAN) kleine Netzwerksegmente, deren Teilnehmer sich dabei an beliebigen Orten im physikalischen LAN (Local Area Network) befinden können. Für Kommunikation zwischen diesen virtuellen Netzsegmenten sorgt das VLAN-Routing. Deshalb unterstützen die neuen Industrieswitches nicht nur eine große Anzahl an VLANs, sondern bieten auch eine sehr hohe Routing-Performance. Durchgängigkeit und Datensicherheit Während früher die Anlagennetzwerke autark arbeiteten, sind sie jetzt physikalisch direkt mit den Office-IT-Netzwerken verbunden. Dies stellt neben der Durchgängigkeit auch erhöhte Anforderungen an die Sicherheitskonzepte. So muss sichergestellt sein, dass kein unerwünschter Zugriff (weder unerlaubt noch unbeabsichtigt) auf Netzwerkkomponenten und die daran angeschlossenen Komponenten erfolgen kann. Dies sollte durch Funktionen wie Access Control (MAC/IP based) oder Portsecurity (IEEE802.1x, Radius) realisierbar sein. Auch eine Man-In-The-Middle Attack (das unerlaubte Mithören von Daten) darf keineswegs möglich sein. Die Siemens-Industrieswitches unterstützen deshalb verschlüsselte Datenkommunikation (HTTPS/SSH/SNMPV3) und sind nahtlos in Sicherheitskonzepte (z.B. Network Access Control/NAC) migrierbar. Meldesystem und Diagnostizierbarkeit Netzwerkereignisse, wie der Verlust einer redundanten Spannungsversorgung oder einer wichtigen Netzkomponente, dürfen nicht unbemerkt bleiben und müssen zu einer entsprechenden Meldung im Kommunikationssystem führen. Die Industrieswitches sind daher schnell und einfach über zentrale Netzwerkmanagementtools konfigurier- und diagnostizierbar. Dies erfolgt durch Standard-Ethernet-Protokolle (SNMP Browser, E-Mail-Server, Syslog-Server usw.). Aber auch ohne direkten Anschluss eines PCs ermöglichen die Geräte aussagekräftige Informationen, und zwar über Gerätestatus-LEDs. So können Fehler wie Duplexity Mismatch schnell erkannt und behoben werden. Die Meldesysteme von Industrieswitches sollten zusätzlich zur Anbindung an Network Monitoring Tools auch direkt in SPS-Steuersysteme integrierbar sein. Diese Voraussetzung erfüllt die Produktlinie Scalance X-500. So können Fehlerzustände, z.B. über einen potenzialfreien Relaiskontakt (Meldekontakt), erkannt, direkt an eine SPS-Steuerung gemeldet, von dieser ausgewertet und im SPS-Programmablauf berücksichtigt werden. Im Vergleich zu reinen Office-IT-Komponenten lassen sich Industrieswitches nahtlos in Automatisierungssysteme einbinden. So kann der Anwender über typische Automatisierungssoftware wie z.B. Step 7 und über Profinet die Siemens-Switches konfigurieren und Fehler diagnostizieren. Durch die Integration in Profinet können die Industrieswitches dann auch Echtzeitapplikationen unterstützen. Neue Infrastrukturkomponenten erforderlich Die Kopplung zwischen Office-IT und Anlagennetzwerken zu einer Unternehmens-IT stellt sehr hohe Anforderungen an die verwendeten Netzwerkkomponenten. Durch ihre spezielle Abstimmung von Hardware und Softwareeigenschaften bieten die Industrieswitches Scalance X-500 von Siemens den Unternehmen maximalen Nutzen bei der Netzwerkkopplung.
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