Steuerung und Überwachung von Bergbaudaten: Hochsicherheits-Switches für raue Umgebungen

Fairmount Minerals ist einer der größten Hersteller von Industriesand in den Vereinigten Staaten. Sein in Illinois ansässiges Tochterunternehmen Wedron Silica produziert schon seit über 100 Jahren Rundkorn-Quarzsand von sehr hoher Reinheit. Dieser Sand wird aus der St. Peters Sandstone- Minenanlage abgebaut, einer 200Mio. Jahre alten Sandablagerung, die von Minnesota bis nach Oklahoma verläuft. Mehr als 50 stundenweise und 10 in der Überwachung beschäftigte Mitarbeiter verwalten die Produktion von ca. 10.000t Sand pro Tag. Das größte Produktionssegment des Wedron-Werks richtet sich auf den Markt für Frac-Sand. Das Wedron Silica Werk arbeitet täglich rund um die Uhr. Die gesamte Produktion wird über ein industrielles Ethernet-Netzwerk verwaltet. Dieses Netzwerk kümmert sich um den Datenaustausch mit den Hochdruck-Wasserkanonen. Außerdem werden mithilfe der Daten der über Glasfasern mit der Steuerungszentrale verbundenen Kameras das Beladen der Lastwagen gesteuert und angepasst sowie die Sandtrockenräume verwaltet. Vollständig redundanter Ring Die Datenüberwachungs- und Steuerungssysteme müssen allerhöchste Zuverlässigkeit bieten, insbesondere in einer so rauen Umgebung wie dem Bergbau. \“Unser Datennetzwerk funktioniert seit zehn Jahren mit dem Ethernet-Protokoll, aber jetzt haben wir erstmals einen vollständig redundanten Ring installiert\“, sagt Frank Barnes, ein technischer Manager bei Wedron Silica. \“Wir haben uns aus mehreren Gründen für Westermos Produktreihe der Lynx-Switches entschieden, z.B. die gute Eignung für raue Umgebungen, die Fähigkeit zur Bildung eines redundanten Rings mit COTS-Komponenten und die weltweit kürzeste Rekonfigurationszeit von 20ms. Insbesondere gefallen uns die einfache Konfiguration und Überwachung der Switches sowie die kostenlosen Software-Updates. Außerdem hatten wir eine sehr enge technische Zusammenarbeit mit Trond Grendar von Westermo und Doug Smith vom Unternehmen John R. Willis, einem unabhängigen Herstellervertreter für Gross Automation, Westermos Vertriebspartner in Nordamerika\“, ergänzt Barnes. Der Ringabschnitt des Netzwerks besteht aus elf Switches der Reihe Lynx 1400 sowie sechs Switches der Reihe Lynx 400 an Abzweigungen. Die Ring-Switches befinden sich in den Prozesssteuerungsgebäuden des Werks und sind nach ihrem Ort benannt. Sie sind alle in staubdichten Gehäusen montiert und werden über 24VDC-Spannungsquellen mit Strom versorgt, die an eine Batteriesicherung angeschlossen sind. Das Ringnetzwerk wird bei Stromausfall über zwei Stunden lang weiter mit Strom versorgt. Die gesamte Steuerungs- und Überwachungsinformation läuft über Westermos Netzwerk. L1400 und L400 von Westermo unterstützen das Protokoll IGMP (Internet Group Management Protocol). Sie liefern Filtertechniken zur Steuerung des Datenflusses im Ring, sodass die Bandbreite optimiert und außerdem der Netzwerkbetrieb gesichert wird. Mit dem Protokoll IGMP registrieren sich IP-Hosts dynamisch zu Multicast-Gruppen des nächstliegenden Multicast-Routers. Multicast-Router senden periodisch Anfragen zur Hostmitgliedschaft (\’HostMembership Query messages\‘), um aktuelle Informationen zur Gruppenzusammensetzung im lokalen Netzwerk zu erhalten. Multicast als Lösung Zur effizienten Nutzung der Bandbreite und zur Reduzierung des Datenverkehrs ist Multicast eine gute Lösung. Immer wenn Daten an eine große Benutzergruppe innerhalb des Netzwerks gesendet werden müssen, werden sie via Multicast simultan an die einzelnen Teilnehmer verschickt und nicht etwa an alle Nutzer. Beim IGMP-Snooping muss der Switch einige Informationen in den IGMP-Paketen aus Layer 3 prüfen (\’snoopen\‘), die zwischen den Hosts und dem Router versandt werden. Wenn der Switch den IGMP-Host-Report eines Hosts einer bestimmten Multicast-Gruppe erkennt, fügt er die Portnummer dieses Hosts in die zugeordnete Multicast-Liste ein. Umgekehrt entfernt er den Eintrag der Portnummer des Hosts aus der Liste, wenn er eine IGMP-Leave-Group-Message erhält. In der Lynx-Serie ist der IGMP-Server bzw. -Router implementiert, daher ist kein externer IGMP-Server im Netzwerk erforderlich. Der Server ist in die FRNT-Umgebung eingebettet, damit werden die Multicast-Filter innerhalb von 20ms nach einem Netzwerkfehler aktualisiert. Die Lynx-Switches unterstützen QoS (Quality of Service) mit vier Prioritätswarteschlangen, strikten Prioritätsklassen (Priority Scheduling) und der Vermeidung geblockter Ports mit der Technologie HoL (Head of Line Blocking Prevention). Dies ist auch entscheidend für Prozessanwendungen wie bei Wedron, denn aufgrund all dieser Eigenschaften ist das Transferverhalten im Datennetz deterministisch. Die Lynx-Switches 400 und 1400 haben ein Metallgehäuse (IP 40). Sie können in einem breiten Temperaturbereich von -40 bis +70°C eingesetzt werden und haben einen DC-Spannungsbereich von 19 bis 60VDC. Sie haben keine beweglichen Teile oder Elektrolyt- Kondensatoren, geringen Energieverbrauch mit Redundanz, sind auf DIN-Schienen montiert und erlauben die Verwendung langer Kabel. \“Diese erste erfolgreiche Implementierung mit Westermos Vorzeigeprodukt­reihe Lynx-Switches wird wahrscheinlich zahlreiche weitere Geschäftsmöglichkeiten innerhalb der Unternehmensgruppe eröffnen\“, resümiert Frank Barnes. \“Mit dieser Anwendung wird Westermo zum führenden Industrieunternehmen für das Management komplexer Netzwerke in rauen industriellen Umgebungen – und all das zu günstigen Preisen im Vergleich mit möglichen Konkurrenztechnologien\“, fügt Bob Gross hinzu, der Leiter von Gross Automation in Milwaukee im US-Bundesstaat Wisconsin. \“Wir sind stolz darauf, zum Westermo-Team zu gehören!\“