Vor diesem Hintergrund sind bei der Projektierung der industriellen Infrastrukturkomponenten neben den Echtzeiteigenschaften auch Inbetriebnahme- und Verfügbarkeitsaspekte wichtige Auswahlkriterien. Darüber hinaus muss im Rahmen der Netzwerk-Planung die kommunikationstechnische Integration der Maschine in das überlagerte Werksnetz berücksichtigt werden. Nachteile der Unmanaged Switches Für die Vernetzung innerhalb von Maschinen werden oftmals Unmanaged Switches verwendet, die den Datenverkehr per Plug&Play-Prinzip nach Zieladressen gefiltert weiterleiten. Die Konzentration bei der Maschinen-Infrastruktur auf diese Basisfunktion des Ethernet-Switching erfolgt vornehmlich aus Vereinfachungs- und/oder Kostengründen. Allerdings verzichten derartige Applikationen so auf wichtige Diagnosemöglichkeiten des Netzwerks sowie die Option, im Fehlerfall redundante Datenpfade bereitzustellen, wie dies durch Switches mit den entsprechenden Management-Eigenschaften möglich wäre. Da in den Maschinen eine stetig wachsende Anzahl an Automatisierungskomponenten mit Ethernet-Schnittstelle verbaut wird, steigt die Komplexität der Netze. Mit dem Einsatz von Ethernet im Feld werden zudem die Inbetriebnahme-Eigenschaften sowie die Service- und Diagnosefähigkeiten der Ethernet-basierten Konzepte an den klassischen Feldbuslösungen gemessen. Hierdurch ergibt sich die Notwendigkeit geeigneter Netzwerk-Diagnosefunktionen für die wirtschaftliche Inbetriebnahme und Instandhaltung der Maschine, wobei das Kosten-/Nutzenverhältnis der industriellen Infrastruktur passen muss. Hohe Verfügbarkeit durch Redundanz und Diagnose Die Lean Managed Switches von Phoenix Contact wurden auf Basis dieser Anforderungen entwickelt. Die Grundidee besteht dabei in dem bewussten Zuschnitt der Management-Funktionen in den Bereichen Diagnose und Redundanz auf die Automatisierungsapplikation und die Bedürfnisse des Anwenders: – verständliche Konfiguration und umfassende Diagnose über das Webbased Management per Standard-Browser – Darstellung servicerelevanter Diagnoseinformationen wie einer Port-bezogenen Statistik und Netzauslastung – Port-Mirroring zur einfachen Ankopplung von Netzanalyse-Tools wie Wireshark – Möglichkeit zur Umsetzung redundanter Netztopologien. Die Lean Managed Switches unterstützen den IT-Redundanz-Standard Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) zur Auflösung vermaschter Netzstrukturen sowie von Ringen. Auf diese Weise können redundante Datenpfade herstellerübergreifend sowie bis zu den überlagerten 19\“-Switches der Unternehmensleitebene aufgebaut werden. Selbst wenn keine redundanten Strukturen projektiert werden sollen, lässt sich die Robustheit des Netzes durch die Funktion erhöhen, indem beispielsweise unbeabsichtigt gesteckte Schleifen, die zu einem Kommunikationsstillstand führen würden, automatisch unterdrückt werden (Bild 2). Die Funktion \’Fast Ring Detection\‘ verhindert eine Unterbrechung der Prozessführung respektive den Kommunikationsabbruch im Redundanzfall, denn die Umschaltung auf das redundante Netzwerk erfolgt schneller als die Watchdog-Zeit. Mit Large Tree können selbst dezentrale Netzstrukturen redundant realisiert werden, da bis zu 57 Switches pro Ring erlaubt sind. Verglichen mit den bekannten Feldbussystemen stehen für den Ethernet-Standard viele Netzanalyse-Tools kostengünstig oder als Freeware zur Verfügung. Bei der Verwendung in einer Switched-Infrastruktur müssen die zu analysierenden Daten jedoch auf einen freien Port gespiegelt werden. Die Lean Managed Switches sind deshalb mit der konfigurierbaren Funktion \’Port-Mirroring\‘ ausgestattet, sodass die Aufzeichnung von Datenverkehr zu Servicezwecken über eine Protokollanalyse-Software wie Wireshark einfach umsetzbar ist (Bild 3). Schnelle Datenübertragung Soll die Ethernet-Technik im Feldbereich zur Übertragung zeitkritischer I/O-Daten genutzt werden, sind Echtzeit-Eigenschaften erforderlich, die über die Möglichkeiten vieler Standard-Switches hinausgehen. Die Lean Managed Switches unterstützen deshalb die von den Ethernet-Protokollen Profinet IO-RT und Ethernet/IP verwendeten Quality-of-Service-Mechanismen und wertet die in den Datentelegrammen enthaltenen Priorisierungs-Informationen im V-LAN-Tag (Virtual Local Area Network) gemäß IEEE802.1Q aus. Neben der Queue für die Standard-Kommunikation bedienen die Ethernet-Geräte eine separate Queue für den hochprioren Datenverkehr. Die Priorisierung ist die Grundlage dafür, dass Datenverkehr höherer Priorität wie zeitsensitive Prozessdaten bei hoher Netzwerklast nicht durch niederprioren Datenverkehr ausgebremst wird. In Ethernet/IP-Anwendungen ergeben sich aus dem Einsatz von Multicast-Datenströmen für die I/O-Datenübertragung weitere Anforderungen. Switches müssen hier über Multicast-Filterfunktionen verfügen, die auf dem Mechanismus IGMP Snooping beruhen und über die Basis-Filtereigenschaften eines Standard-Switches hinausgehen. Auf diese Weise lassen sich für die relevanten Switch-Ports Multicast-Gruppen automatisch und dynamisch anlegen sowie entsprechend filtern. So wird verhindert, dass sich Multicast-Datenströme unkontrolliert im Netz ausbreiten und unnötig Bandbreite verbrauchen, was die Netzwerk- und Endgeräte-Performance beeinträchtigt. Während die Multicasts in klassischen IT-Strukturen über einen zentralen Server (z.B. einen Videoserver) und einen Router in das Netz eingespeist werden, entstehen sie in Ethernet/IP-Systemen in der Regel an jedem dezentralen Eingangsmodul. Die in die Lean Managed Switches implementierten automatischen Filtermechanismen tragen der dezentralen Verteilung von Multicast-Quellen in Ethernet/IP-Netzen Rechnung, die sich von klassischen IT-Netzwerken und dem IGMP-Standardmechanismus unterscheidet. Effiziente Einbindung in das Betreiber-Netzwerk Werden mehrere Maschinen mit interner Ethernet-Kommunikation in ein überlagertes Produktionsnetz integriert, sind die IP-Adressbereiche aufeinander abzustimmen sowie Security-Aspekte zu beachten. Hieraus resultieren weitere Herausforderungen für die Projektierung und Vernetzung der Anwendung. Um die Maschinen in ein einheitliches Netzwerk einbinden zu können, müssen alle Ethernet-Teilnehmer eine eigene IP-Adresse aus dem gemeinsamen überlagerten Netzwerk haben. Die individuelle Konfiguration jedes Netzwerk-Teilnehmers gestaltet sich allerdings fehlerträchtig, zeitaufwendig und erfordert mitunter die Änderung der SPS-Programme (Bild 4). Die kompakten industriellen Router der Produktlinie Factory Line von Phoenix Contact – wie der FL MGuard RS-B – bieten hier eine wirtschaftliche Lösung. Mit den Security-Geräten lassen sich die vom jeweiligen System genutzten IP-Adressen maskieren (Network Address Translation, NAT) oder konfliktfrei und selektiv auf die Segmente des Betreiber-Netzes abbilden (1:1-NAT). Auf diese Weise können auch mehrere Maschinen, die einen identischen IP-Adressraum belegen, in einem übergeordneten Netzwerk verwendet werden. Die aufwendige individuelle Konfiguration von Serienmaschinen entfällt; lediglich die Layer3-Infrastrukturkomponente, die die eindeutige Abbildung aller Ethernet-Teilnehmer auf virtuellen IP-Adressen des Betreiber-Netzwerks übernimmt, muss konfiguriert werden. Die Übertragungs-Bandbreite, die zum Betrieb der Maschinensegmente notwendig ist und über die die Kommunikation am Übergabepunkt geführt wird, ist ein wichtiges Kriterium bei der Wahl der geeigneten Infrastruktur. Die industriellen Ethernet-Security-Router FL MGuard, die sowohl als Hutschienen-Geräte als auch als PC-Einsteckkarte (PCI) erhältlich sind, stellen hier einen Datendurchsatz bis zu 100MBit/s zur Verfügung. Kasten: Umfassende Diagnose auf kleinem Raum Die kompakten LWL-fähigen Lean Managed Switches aus der Produktfamilie Factory Line binden Kupfer-basierte Ethernet-Geräte oder Netzwerk-Segmente in LWL-Ethernet-Netzwerke ein. Die Ankopplung kann dabei direkt oder über redundante Leitungen in beliebigen Topologieformen erfolgen. Mithilfe der integrierten Software-Funktionen lassen sich Datenströme und angeschlossene Automatisierungsgeräte umfassend diagnostizieren und analysieren (Bild 5). Das Produktspektrum umfasst 6-Port-Switches mit zwei Glasfaser-Ports im ST/BFOC- oder SC-Anschlussformat wahlweise für Multimode- oder Singlemode-Glasfaser sowie 5-Port- und 8-Port-Switches in Twisted Pair-Ausführung. Ein erweiterter Einsatztemperaturbereich von -40 bis +70°C und internationale Zulassungen, wie Germanischer Lloyd (GL) für maritime Anwendungen, ermöglichen den Einsatz in zahlreichen industriellen Branchen. HMI-Stand: Halle 9
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