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Planung von Ethernet-basierten Automatisierungsnetzwerken : Ausgabe 09/2015, 27.05.2015

Für jede Anwendung den richtigen Switch

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 Infrastrukturkomponenten auszuwählen.

Autor: Urs Thönen

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.

Wirtschaftliche Vernetzung nach dem Plug-&-Play-Prinzip

Aufgrund der konsequenten Umsetzung der Plug-&-Play-Philosophie des Standards IEEE 802.3 erlauben industrielle Ethernet-Switches die einfache und wirtschaftliche Vernetzung von Maschinen und Anlagen. Dazu leiten die Switches den Datenverkehr gemäss Plug-&-Play-Prinzip 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 via Multi- und Singlemode-Leitungen grosse Distanzen bis zu 30 km und mehr überbrücken.

Während die Glasfaser-Ports je nach Ausführung eine feste Übertragungsgeschwindigkeit von 100 MBit/s oder GBit/s unterstützen, stellen sich die Twisted-Pair-Ports in Kupferausführung auf die bestmögliche Datenrate des angeschlossenen Kommunikationspartners ein. Die Port-bezogenen Automatik-Mechanismen Autocrossing und Autonegotiation 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 oder Anlage

Neben den RJ45-Steckverbindern, die in 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 mm können sie direkt und einfach auf den Konstruktionsprofilen der Maschinen montiert werden. Der Anwender kann den Anbauort der IP67-Switches also flexibel, platzsparend und installationsoptimiert in der Nähe der anzuschliessenden Ethernet-Endgeräte wählen.

Automatische Prioritätserkennung

Wird Ethernet zur Feldkommunikation verwendet, müssen zeitkritische I/O-Daten übertragen werden. Bei der Auswahl passender Switch-Komponenten sind daher die Echtzeiterfordernisse 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 im VLAN-Feld 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.

Deutliche Einsparung bei den Verkabelungskosten

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 GBit-Datenrate an. Entsprechende Komponenten sind in der Regel räumlich abgesetzt von den Schaltschränken sowie oftmals an schlecht zugänglichen Anlagenteilen montiert. Durch die Ausführung als PoE-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.

Sofortige Lokalisierung von Störungen

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 in den Profinet- oder Ethernet/IP-Betriebsarten 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, der über das Engineering konfiguriert und diagnostiziert werden kann. Da die Switches auch die Topologieerkennung über das Link Layer Discovery Protocol (LLDP) beinhalten, lässt sich die Netztopologie darstellen. So gelingt bei Fehlerzuständen eine schnelle Lokalisierung der Störung.

Schnelle Umschaltzeit im Fehlerfall

Durch die Verschaltung von Switches lassen sich Netztopologien wie Stern, Baum, Ring oder beliebig vermaschte Strukturen umsetzen. Während sich Stern- und Baumtopologien auch mit Unmanaged-Switches aufbauen lassen, bedürfen Ring- oder vermaschte Strukturen eine besondere Betrachtung. Wird in einer Ethernet-Topologie ein Ring ausgeführt, muss der redundante Port über einen Redundanzmechanismus blockiert und darf nur bei einer Ringunterbrechung aktiviert werden. Diesen Job übernimmt das jeweilige Redundanzprotokoll des Managed-Switches. Alle aktiven Komponenten in der vermaschten Topologie müssen dazu das gleiche Redundanzprotokoll unterstützen. Als universelle Lösung bietet das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) hier Umschaltzeiten von 1 s.

Es kommen alternative Redundanzmechanismen zum Einsatz

In Automatisierungsnetzwerken werden üblicherweise alternative Redundanzmechanismen genutzt – beispielsweise das Media Redundancy Protocol (MRP) in Profinet-Netzen der Conformance Class B und C. Neben einer schnelleren Umschaltung erlauben diese Lösungen zudem die Kabelweg-minimierte Integration von Zwei-Port-Feldgeräten. Ethernet/IP-Netzwerke arbeiten mit der Redundanz-Technologie Device Level Ring (DLR), die sehr kurze Wiederherstellungszeiten von drei Millisekunden ermöglicht. So ist eine nahezu stossfreie Umschaltung der Teilnehmerkommunikation gegeben.

Über die DLR-Technologie kann man Steuerungen, I/O-Module, Feldgeräte und Antriebe in einem schnellen, redundanten Ring installieren. Standardkomponenten wie PCs, andere nicht DLR-fähige Ethernet/IP-Teilnehmer oder Switches wurden bislang über die Vorschaltung spezieller Drei-Port-Komponenten in den Ring eingebunden. Mit den neuen Advanced-Managed-Switches der Produktfamilie FL Switch 7000 von Phoenix Contact sind nun auch Geräte erhältlich, die sich direkt in einen DLR-Ring integrieren lassen. Daraus ergeben sich erhebliche Vorteile bei der Installation und Ausführung von EtherNet/IP-Netzen.

FL Switch 7000-Handbuch: 09_15.50.pdf

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Industrielle Switches stehen jetzt
erstmalig mit integrierter DLR-Redundanz
für Ethernet/IP-Netzwerke zur Verfügung


Die Power-over-Ethernet-Switches in GBit-Ausführung
werden im Feld über M12-Steckverbinder angeschlossen


Die IP67-Switches lassen sich flexibel und platzsparend direkt in der Maschine installieren

Autor

Urs Thönen Produktmanager/Systemingenieur Automation & Netzwerktechnik Phoenix Contact AG Tagelswangen

Erste Switches mit DLR-Support


Die neuen Advanced-Managed-Switches der Produktfamilie FL Switch 7000 eignen sich insbesondere für den Einsatz in Ethernet/IP-Netzwerken, da die Industrial-Ethernet-Komponenten erstmalig mit dem Common Industrial Protocol (CIP) ausgestattet sind. Bei den FL Switch 7000 handelt es sich laut Anbieter um die weltweit ersten Geräte, die den Redundanz-Mechanismus Device Level Ring (DLR) unterstützen. Mit DLR werden im Fehlerfall Umschaltzeiten von weniger als 3 ms erreicht, was die Netzwerkverfügbarkeit steigert. Die FL Switch 7000 erlauben die Integration von bis zu sechs nicht DLR-fähigen Geräten in die Ringtopologie. Die Acht-Port-Komponenten sind als reine Kupferlösung sowie alternativ mit zwei oder drei Glasfaser-Schnittstellen erhältlich.

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