Industrial Ethernet wird erwachsen: Kriterien für die Auswahl von Industrie-Switches

Wer heute Unternehmensverantwortung trägt, erwartet Qualitäts- und Prozesssicherheit, die Vernetzung von Wertschöpfungsketten und die Möglichkeit einer weltweiten Diagnose. Basis dafür ist eine komplette Infrastruktur, eine durchgängige Kommunikation, die sowohl die hohe Verfügbarkeit des Automatisierungsnetzwerks als auch des IT-Netzwerkes sicherstellt. In der Automatisierung ist heute die Akzeptanz der Feldbusse hoch, denn die Leistung entspricht den Automatisierungsanforderungen. Stand der Technik ist heute auch, dass industrielle Steuerungen über Ethernet in vom Automatisierungsnetzwerk getrennte unternehmensweite IT-Netzwerke integriert sind. Auch die IT-Infrastruktur hat eine sehr hohe Akzeptanz und auch eine entsprechende Relevanz. In der Praxis bedeutet dies, dass nebeneinander aufgebaute Netzwerke existieren – mit der Konsequenz von Kosten ohne zusätzlichen Nutzen. Der Extremfall ist folglich, dass zur Integration der Fertigung in IT-Strukturen ohne Systembruch zu jedem Automatisierungsgerät das Automatisierungsnetzwerk und das IT-Netzwerk reichen – und dies nur, weil die beiden Netze historisch für unterschiedliche Applikationen entstanden sind und daher scheinbar beide Netzwerke ihre Berechtigung nebeneinander haben. Ausgehend von den Applikationen ist die Trennung in zwei autarke Netzwerke sinnvoll, was sich in der Trennung der Standardisierung widerspiegelt. In der Industrie wird jedoch die Welt der Office-IT und der industriellen Automation praktisch zusammengeführt und damit die Existenz zweier Netzwerke unnötig. Damit die Zusammenführung reibungslos funktioniert, sind die infrastrukturellen Voraussetzungen für den Einsatz des Ethernet als universelles Netzwerk für industrielle IT und Automatisierung zu schaffen. Angefangen vom Steckverbinder bis hin zu aktiven Netzkomponenten setzt Harting durch aktive Mitarbeit den Standard und diesen in Produkten um. Grundlage für die Realisierung der notwendigen Produkte ist die Kenntnis der Systemlandschaften. Sie stellen die abstrahierte Applikation dar. Und nur aus Kenntnis dieser Applikationen lassen sich geeignete Produkte ableiten. Von Harting stehen daher eine Reihe von Bauformen zur Verfügung, in denen die jahrzehnte lange Erfahrung aus industriegerechter Verpackung steckt: Als Bauform ist bei einer vollständigen Dezentralisierung der IP67-Switch optimal angepasst. Bei Integration einzelner Schaltschränke ins Netzwerk passt die In-Between-Bauform und für schaltschrankgebundene Aufbauten der IP20-Switch. Harting berücksichtigt all diese Anforderungen in einer durchgängigen Switch-Familie. Industrielle Switches aus IT-Sicht Nachdem im ersten Ethernet-Migrationschritt vor wenigen Jahren davon ausgegangen wurde, dass in einer Industrieumgebung aktive Netzkomponenten in erster Linie eine Diagnose vor Ort brauchen und möglichst ohne erweiterte Managementfunktionen auskommen, geht man heute von wesentlich mehr Managementumfang aus. Demnach ist in der Industrie das Management von Switches notwendig, um eine sichere Funktion sowohl der Automatisierungsapplikationen als auch der IT-Applikationen zu administrieren. Für welche Applikation welcher Managementumfang sinnvoll ist, richtet sich nicht nur nach der Applikation, sondern nach dem Umfeld ,in das eine Automatisierungsapplikation eingebettet wird. So kann ein separates Automatisierungsnetzwerk ohne vertikale Integration oder über eine Firewall gesichert, auch mit ungemanagten Switches realisiert werden. Nur werden diese Netzwerke zumeist nicht zur Automatisierung, sondern zu Betriebsdatenerfassung genutzt. Damit bleibt beim Switch unterhalb einer Firewall nur noch die Funktion der Mehrfachsteckdose, deren Ausfall nicht zu Produktionsstillständen führt. Switches mit diesem Funktionsumfang sind somit nur sehr eingeschränkt verwendbar, weder für IT noch für die Automatisierung. Oftmals werden diese einfachen Switches auch für Automatisierungsapplikationen vorgeschlagen. Einfachheit wird hier mit Benutzerfreundlichkeit assoziiert. Darüber hinaus wird von einer Feldbusapplikation ausgegangen, bei der Sternkoppler, die in der Netztopologie vergleichbar mit Switches sind, nur sehr vereinzelt eingesetzt wurden. Bei einem geswitchten Ethernet sieht die Situation anders aus. Hier ist eine stärkere logische Segmentierung gefragt, die mit ungemanagten Switches nicht möglich ist. Auch ist eine zentrale Diagnose über ein Netzwerkmanagement-Tool hilfreich, um vorausschauend die Verfügbarkeit des Netzwerkes sicherzustellen. Ein ungemanagter Switch ist immer ein Kompromiss, der nur dann akzeptabel ist, wenn das Netzwerk nicht universell für Automatisierungs- und IT-Applikationen genutzt wird. Mit zunehmender Verschmelzung dieser Netzwerke werden ungemanagte Switches verdrängt. Bei der physikalischen Trennung aller Applikationen in Form separater Netzwerke kann mit ungemanagten Switches gearbeitet werden. Industrielle Switches aus Profinet-Sicht Profinet setzt Maßstäbe, wenn es um die Vereinbarkeit von Automation- und IT-Applikationen geht. Das hängt damit zusammen, dass Profinet-Kommunikation zweigleisig fährt. Es existiert ein Gleis für Standard- Ethernet und ein Gleis für eine Profinet-spezifische Kommunikation. Diese Zweigleisigkeit wird oft unter dem Aspekt Echtzeit beschrieben, doch ist diese mehr. Über ein Hardware-geschütztes Gleis lassen sich Funktionen abbilden, die ein Nebeneinander von Automatisierungs- und Office-Applikationen auf einem Kabel ermöglichen. Der Nachteil dieser notwendigen zusätzlichen Hardwareunterstützung wird kompensiert durch die wesentlichen Vorteile der Vereinbarkeit von Automation und IT zur so genannten Automation IT. Der Funktionsumfang von Profinet-Basis-Switches setzt auf bewährten IT-Standards auf wie IEEE802.1D (Bridging), IEEE802.1Q (VLAN tagging), IEEE802.1P (Priority tagging), (min. 2queues, one of high and one of low priority), Auto crossover, Auto negotiation, 100MB full duplex or more. Der so geforderte Funktionsumfang ist mit Standard-Switches aus dem IT-Umfeld zu erreichen. Er entspricht in etwa dem Stand der Technik. Ergänzend ist die Norm für die industrielle Installation IEC61918 einzuhalten. Diese Basis-Switches sind für einfache Automatisierungsaufgaben einsetzbar und erfüllen auch die Anforderungen an eine eingeschränkte Echtzeitperformance. Harting unterstützt bei IP30- und IP67-Switches diesen Funktionsumfang. Profinet präzisiert diese Anforderungen, um die Verwendbarkeit in allen Applikationen sicherzustellen: – Unterstützung der Profinet-Diagnose – Berücksichtigung von Profinet- spezifischen Übertragungseigenschaften (IRT) Die Kompatibilität zum Ethernetstandard wird bei dieser Selektion nicht eingeschränkt. Profinet-konforme Diagnose Switches der einfachsten Klasse zeichnen sich neben der Berücksichtigung von Standard-Ethernetfunktionen nur durch die industriekonforme Profinet-Ausführung aus. Bei diesen Switches steht keine Diagnosemöglichkeit durch das Netzwerk, weder über Profinet-IO-Funktionen noch über Standardethernetfunktionen, zur Verfügung. Diese Switches arbeiten datentechnisch als Mehrfachsteckdosen oder auch vergleichbar zu Sternkopplern im Feldbus. Die Switches mit Management unterstützen eine Diagnose über SNMP. Auch wenn hier eine Profinet-spezifische MIB zur Verfügung gestellt wird, ist die Diagnose im Profinet-IO-Umfeld nicht gegeben. Erst wenn die Switches sich verhalten wie ein Profinet-IO-Device, können sie auch im Automatisierungsnetzwerk diagnostiziert werden. Auch die Eigenschaften der optischen Übertragungsstrecken werden auf diese Weise diagnostiziert. Das Produktspektrum üblicher Profinet-Switches teilt sich dann folgendermaßen auf: – Einfache Switches mit einem minimalen Funktionsumfang. Profinet unterscheidet hier aber nicht zwischen Switches, die gemanagt oder ungemanagt sind. – Profinet-Switches, die im Profinet-IO-Umfeld agieren wie IO-Geräte und im IT-Umfeld auf Basis SNMP vollständig managebar sind. Damit ist in einem Profinet-Netzwerk immer eine Kopplung von Management und IO-Funktionalität gegeben. Da Standard-Office-Switches mit Management diese Funktion nicht unterstützen, ist ein Profinet-Netzwerk für Applikationen, die Automatisierungsaufgaben vergleichbar heutiger Feldbusse nur mit dedizierten Profinet-Switches möglich. Profinet-konforme Performance Profinet verwendet für die Übertragung spezielle Echtzeitmechanismen, die nur durch eine zusätzliche Hardwareunterstützung möglich sind und ein separates Gleis für isochrone Echtzeitkommunikation zur Verfügung steht. Dieses separate Gleis ermöglicht die vollständig autarke Automatisierung bei gleichzeitiger Einbindung aller Geräte in ein universelles Automation IT-Netzwerk. Die Profinet-Switches lassen sich demnach in drei Gruppen zusammenfassen: (Siehe Bild 6). Wird diese Gruppierung an der obigen aus IT-Sicht gespiegelt, so fällt auf, dass aus Profinet-Aspekten ein Switch mit Standard-Management keinen zusätzlichen Nutzen bringt, dieser wird erst bei der Integration der I/O-Funktionalität erreicht. Harting bietet Switches für alle Profinet-Applikationen an. Des Weiteren werden Switches realisiert, die nicht Profinet-Netzwerke in Profinet integrieren. Das wird über die In-Between-Bauform möglich. Innerhalb des Schaltschranks nur Standard-Ethernet-konform, außerhalb aber ein echter Profinet-Schaltschrank. Resümee Die Fusion von Automatisierung und IT-Netzwerken zu Automation IT ist die Antwort auf die Anforderungen in produzierenden Unternehmen: Qualitäts- und Prozesssicherheit, Vernetzung von Wertschöpfungsketten, weltweite Diagnose und vieles mehr. Durch eine einheitliche Infrastruktur ist die durchgängige Kommunikation möglich. Profinet bietet hier eine zum Standard-Ethernet kompatible Plattform, die den IT- und den Automatisierungs-Anforderungen gerecht wird. Auf diese Weise wird Automation IT mit Profinet Wirklichkeit.