Planung von Ethernet-basierten Automatisierungsnetzwerken

Für jeden Fall den passenden Switch

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Die Kommunikation innerhalb von Maschinen und Anlagen basiert zunehmend auf dem Ethernet-Standard (IEEE 802.3). Beim Aufbau des Netzwerks steht der Planer häufig vor der Herausforderung, die für seine Applikation passenden Infrastruktur-Komponenten auszuwählen.

Das Ethernet-Netzwerk fungiert gleichzeitig als modernes Feldbussystem wie auch als universeller Kommunikations-Backbone, über den IT- typische Dienste – beispielsweise zur Übertragung von Kameradaten – bereitgestellt werden. Als Strukturierungselemente sollen die verbauten Switches daher die vielfältigen Möglichkeiten des Standards im industriellen Installationsumfeld nutzbar machen. Zugleich müssen sie den Erfordernissen der verwendeten Automatisierungsprotokolle – wie Profinet oder Ethernet/IP – in den Bereichen Echtzeitfähigkeit, Diagnoseeigenschaften und Netzwerkredundanz Rechnung tragen.

Aufgrund der konsequenten Umsetzung der Plug&Play-Philosophie des Standards IEEE 802.3 ermöglichen industrielle Ethernet-Switches die einfache und wirtschaftliche Vernetzung von Maschinen und Anlagen. Dazu leiten die Switches den Datenverkehr nach Zieladressen gefiltert weiter.
Für die unterschiedlichen Einsatzfälle und Umgebungsanforderungen ist ein breites Produkt-Portfolio erhältlich, das Switches mit einer Datenrate von 100 oder 1000 MBit/s sowie verschiedenen Port-Konstellationen umfasst. Über Glasfaser-Ports lassen sich sogar große Distanzen bis zu 30 Kilometer und mehr überbrücken.
Während die Glasfaser-Ports je nach Ausführung eine feste Übertragungsgeschwindigkeit von 100 MBit/s oder Gigabit unterstützen, stellen sich die Twisted-Pair-Ports in Kupferausführung auf die bestmögliche Datenrate des angeschlossenen Kommunikationspartners ein. Die Port-bezogenen Automatik-Mechanismen sorgen dabei für einen sicheren Link-Aufbau zu Endgeräten mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 10, 100 oder 1000 MBit/s. Auf diese Weise erlauben die Switches die Kombination von Teilnehmern und Segmenten mit unterschiedlichen Datenraten.
Direkte Montage an der Maschine. Neben den klassischen RJ45-Steckverbindern, die innerhalb von Schaltschränken genutzt werden, kommen für die dezentrale Installation im Feld geschützte Varianten wie die M12-Rundsteckverbinder zum Einsatz. Für die Fast-Ethernet-Vernetzung (100 MBit/s) mit dem M12-Standard ist der vierpolige D-codierte M12-Steckverbinder standardisiert. Zur Anbindung dezentral verteilter Endgeräte im Feld bietet Phoenix Contact Switches in der hohen Schutzart IP67 an. Die Geräte der Baureihe 1605 beinhalten fünf Ports in M12-Ausführung. Wegen ihrer schmalen Bauform von 30 Millimeter können sie direkt und einfach auf den Konstruktionsprofilen der Maschinen montiert werden.
Automatische PrioritätsErkennung. Wird Ethernet zur Feldkommunikation verwendet, müssen zeitkritische I/O-Daten übertragen werden. Bei der Auswahl passender Switch-Komponenten sind daher die Echtzeit-Erfordernisse des genutzten Automatisierungsprotokolls zu berücksichtigen. Geeignete Switches wie die IP67-Geräte der Baureihe 1605 unterstützen hier die von Profinet IO verwendeten Quality-of-Service-Mechanismen und werten die in den Datentelegrammen enthaltenen Priorisierungsinformationen automatisch aus. Die Priorisierung von Datenpaketen bildet die Grundlage dafür, dass Datenverkehr mit höherer Priorität – wie zeitsensitive Prozessdaten – bei größerem Datenaufkommen nicht durch niederprioren Datenverkehr ausgebremst wird. Gleichzeitig umfassen die Switches die in Profinet-Netzwerken für Unmanaged-Komponenten geforderten PTCP-Filterfunktionen (Precision Time Control Protocol). Zur Vereinfachung der Planung von Profinet-Netzwerken sind diese in drei Anwendungsklassen kategorisiert. Die IP67-Geräte der Baureihe 1605 stellen dabei eine Lösung der Profinet-Class A dar.
Kabelkosten einsparen. Zur Anbindung von Kameras und Vision-Sensoren im Anlagenbereich bietet sich die Power-over-Ethernet-Technologie (PoE) gemäß IEEE 802.3at in Kombination mit einer Gigabit-Datenrate an. Entsprechende Komponenten sind in der Regel räumlich abgesetzt von den Schaltschränken sowie oftmals an schlecht zugänglichen Anlagenteilen montiert. Durch die Ausführung als Power-over-Ethernet-Lösung erfordert die Installation der Komponenten nur ein Kabel, das parallel für die Datenübertragung und die Stromversorgung eingesetzt wird. Daraus resultieren deutliche Einsparungen bei den Verkabelungskosten. Für die Gigabit-Ethernet-Kommunikation wird die achtpolige Kabel-Ausführung mit x-codiertem M12-Steckverbinder gemäß CAT 6A verwendet. Über den PoE-Switch in Schutzart IP67 lassen sich bis zu acht Power-over-Ethernet-Endgeräte direkt im Feld ankoppeln.
Die Diagnose des Netzwerks trägt entscheidend zur Erhöhung der Verfügbarkeit der Anlagenfunktion bei. Denn auf Basis der Diagnoseinformationen kann der Anwender Wartungsmaßnahmen einleiten, bevor es zu einem Ausfall kommt.
Um das Netzwerk direkt über die Steuerung diagnostizieren zu können, sind die Automation-Switches über das jeweilige Automatisierungsprotokoll sichtbar. Die Diagnoseinformationen der Netzwerk-Komponenten stehen dann direkt in der SPS und im Engineering-Tool des Steuerungssystems zur Verfügung. In Profinet-Netzwerken finden sich derartige Netzwerk-Komponenten in der Class B. Entsprechende Switches unterstützen die Device-Funktion von Profinet IO. Auf diese Weise sind sie in der Steuerung als Profinet-Teilnehmer sichtbar. Da die Switches auch die Topologieerkennung über das Link Layer Discovery Protocol (LLDP) beinhalten, lässt sich die Netztopologie darstellen. So wird bei Fehlerzuständen eine schnelle Lokalisierung der Störung ermöglicht.

Weltweit erste Switches mit DLR-Unterstützung
Die Advanced Managed Switches der Produktfamilie FL Switch 7000 eignen sich insbesondere für den Einsatz in Ethernet/IP-Netzwerken (Bild 4), weil die Industrial-Ethernet-Komponenten erstmalig mit dem Common Industrial Protocol (CIP) ausgestattet sind. Auf diese Weise können sie aus dem Ethernet/IP-Steuerungssystem konfiguriert und diagnostiziert werden. Bei den FL Switch 7000 handelt es sich zudem um die weltweit ersten Geräte, die den Redundanz-Mechanismus Device Level Ring (DLR) unterstützen. Mit DLR werden im Fehlerfall Umschaltzeiten von weniger als drei Millisekunden erreicht, was die Verfügbarkeit des Netzwerks steigert.
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