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Layer-3-Switching auf der Hutschiene

Leistungsfähige Anlagenvernetzung

Layer-3-Switching auf der Hutschiene

Für den Austausch innerhalb von Automatisierungszellen sowie die Kommunikation zwischen den Zellen kommt häufig Ethernet zum Einsatz. Die Anbindung aller Feldkomponenten und der Wunsch nach einer durchgängigen Datenübertragung in der Fabrikebene verlangen allerdings nach einer leistungsfähigen Netzwerk-Infrastruktur.

Bild: Phoenix Contact

Die Netzwerk-Performance wird dabei durch die Backbone-Switches des Automatisierungsnetzes bestimmt. Hier läuft der Datenverkehr sämtlicher Maschinen und Funktionseinheiten zusammen. Gleichzeitig koppeln die Switches das Automatisierungsnetz an das überlagerte Unternehmensnetzwerk an, was eine nahtlose Datenübertragung von der Leit- bis in die Feldebene erst möglich macht.

Mit den Gigabit Modular Switches von Phoenix Contact steht die leistungsfähige Switch-Technologie erstmals zur Verwendung auf der Hutschiene zur Verfügung. Die Datentransfer-Leistung der Geräte ist mit 20,1 Millionen Paketen pro Stunde (pps) dreimal höher als die von bisher im Schaltschrank üblichen Infrastruktur-Komponenten. In jeder Millisekunde kann der Gigabit Modular Switch mehr als 20.000 Ethernet-Pakete durchleiten und optional für jeden Port ein hochperformantes Layer-3-Switching oder Routing durchführen. Mit dem Gerät lassen sich somit Netzwerke dieser Leistungsklasse im Feld in rauer Industrieumgebung umsetzen. Ein Temperaturbereich von -20 Grad bis 55 Grad Celsius gestattet flexible Netzwerkplanung.

Bandbreite für Backbones und Unternehmens-IT

Die modulare Bauform des Switches deckt den Anschlussbedarf industrieller Applikationen flexibel ab. Zwölf Gigabit-Ports erlauben den Einsatz im Produktions-Backbone. So kann sowohl der Automatisierungs-Backbone als auch die Anbindung an das überlagerte Unternehmensnetzwerk durchgängig in Gigabit-Bandbreite sowie auf Wunsch auch redundant realisiert werden. Über bis zu vier Small Form-Factor Pluggable-Einsteckmodule (SFP) sind alle gängigen Glasfaser-Standards für Gigabit – wie 1000Base-SX, 1000Base-LX oder Longhaul – verwendbar.

Mit einer Wellenlänge von 850 Nanometern nutzt 1000Base-SX Multimode-Fasern, sodass Entfernungen bis 550 Meter überbrückt werden können. 1000Base-LX ist durch eine höhere Wellenlänge von 1300 Nanometern gekennzeichnet, weshalb die Segmentlänge in Abhängigkeit der jeweiligen Komponenten auf bis zu 20 Kilometer ausgedehnt werden kann. Über die beiden Gigabit-Glasfaser-Standards lassen sich die überlagerten Core- und Distribution-Switches der IT in der Regel auch redundant ankoppeln. Unterlagerte Automatisierungszellen können ebenfalls via Gigabit Ethernet oder Fast Ethernet in das Automatisierungsnetzwerk integriert werden.

Entsprechende Medienmodule binden die häufig verwendeten Glasfaser-Standards 100Base-FX über verschiedene Stecker an Multimode- oder Singlemode-Fasern an. Darüber hinaus ermöglichen die Medienmodule die direkte Integration des Power over Ethernet-Standards (PoE) sowie feldkonfektionierbare Lichtwellenleiter-Lösungen. Der Anwender kann die Leitungen flexibel auf der Baustelle zusammenstellen und im Fall einer Störung einfach austauschen. Die feldkonfektionierbaren Gradienten-Index-Hard-Clad-Silica-Fasern (GI-HCS) überbrücken hier erstmals Distanzen von bis zu zwei Kilometern.

IP-Adressen in Subnetzen zuordnen

Wegen der wachsenden Anzahl von IP-Adressen in einer Anlage möchten viele Anwender Automatisierungszellen in Subnetze strukturieren. Steuerungen, Feldgeräte und I/O-Module der Automatisierungszelle 1 können so beispielsweise einem Class-C-Subnetz 192.168.1.0 zugeordnet werden. Für die einzelnen Ethernet-Komponenten stehen dann bis zu 254 IP-Adressen zur Verfügung. Dies deckt den Bedarf großer Maschinen ab und eröffnet gleichzeitig Potenzial für zukünftige Erweiterungen. Die zweite Maschine erhält zum Beispiel das Subnetz 192.168.2.0. Neben der logischen Zuordnung von IP-Adressen bleiben auch Broadcasts sowie auf Layer 2 implementierte Protokolle, etwa für die schnelle I/O-Kommunikation, auf das jeweilige Subnetz beschränkt. Andere Automatisierungszellen werden nicht negativ beeinflusst.

Der Zugriff auf übergreifende Standards und der Einsatz von Glasfaser-Technik unterstützen die leistungsfähige Kopplung von Automation und IT. Bild: Phoenix Contact

Routing für übergreifende Kommunikation

Soll eine IP-basierte Kommunikation zwischen den Zellen sowie zum überlagerten Produktionsnetz erfolgen, wird allerdings ein Routing benötigt. Der Switch greift dazu auf eine Layer-3-Option zu. Der Anwender kann für jeden Port oder für mehrere, in einem virtuellen LAN (VLAN) zusammengefasste Ports per Webbased Management oder Command Line Interface (CLI) ein Routing konfigurieren. Die Layer-3-Switching-Funktion, die in Hardware realisiert wird, setzt dies ohne Performance-Einbußen um. Die konsequente Nutzung statischer Routen erhöht dabei die Sicherheit des Automatisierungsnetzes. Zur Steigerung der Verfügbarkeit lassen sich die unterlagerten Automatisierungszellen auch redundant ankoppeln. Hierbei fungieren zwei Gigabit Modular Switches als virtueller Router für die angeschlossene Maschine. Die Koordination wird per Virtual Router Redundancy Protocol (VRRP) übernommen.

Anforderungen von IT und Werkhalle umsetzen

Da die Switch-Technologie an der Schnittstelle zwischen Automatisierungs- und Unternehmensnetzwerk eingesetzt wird, muss sie die Anforderungen der Anwender aus beiden Bereichen in punkto Konfiguration und Bedienung erfüllen. Zwecks Einbindung ethernetbasierter Anlagen in das Unternehmensnetzwerk unterstützen die Switches deshalb alle relevanten IT-Standards zu Sicherheit, Verfügbarkeit sowie für ein durchgängiges Netzwerk-Management. Der Gigabit Modular Switch kontrolliert beispielsweise über den IEEE-Standard 802.1X den effizienten Netzzugang, der zentral über einen Authentifizierungs-Server verwaltet werden kann. Als sichere Konfigurations-Schnittstelle mit verschlüsselter Übertragung verwendet das Gerät HTTPS für den Browser-Zugriff, Secure Shell (SSH) als Fernzugang sowie Simple Network Management Protocol (SNMPv3) zum zentralen Netzwerk-Management.

Engineering-Werkzeuge für die Automatisierung

Die Konfiguration und Diagnose der Gigabit Modular Switches ist über integrierte Engineering-Werkzeuge auch im Automatisierungsumfeld möglich. Hierzu lässt die Infrastruktur den Betrieb des Gerätes als Profinet Device zu, Automatisierungs-Mitarbeiter können den Switch wie alle anderen Automatisierungskomponenten durchgängig mit den bekannten Engineering-Tools im Netzwerk projektieren und warten. Inbetriebnahme und Service erfolgen werkzeuglos über eine in den Switch eingebaute Display-Bedieneinheit. So können wichtige Einstellungen wie die IP-Adresse sofort sowie ohne Spezialkenntnisse direkt am Gerät überprüft werden. Bei der Inbetriebnahme lässt sich über die Display-Bedieneinheit auch die Betriebsart einfach aktivieren. Sie fasst im Switch alle erforderlichen Einstellungen für das jeweilige Automatisierungsprotokoll zusammen.

Unterstützung für das Energiemanagement

Zur Umsetzung energieeffizienter Maschinen- und Anlagenkonzepte unterstützt der Hutschienen-Switch Energiemanagement via Profienergy-Standard. Dazu lassen sich im Gerät verschiedene Energiesparzustände einstellen. Neben der eigenen Hardware-Ressource und den Ports kann der der Switch auch über Power over Ethernet angekoppelte Geräte in das Energiemanagement einbeziehen. Er übernimmt dabei die Profienergy-Funktion stellvertretend für die Powered Devices, beispielsweise Kameras, Access Points oder Bediengeräte, indem er als Profienergy-Proxy agiert. Über den Standard werden die PoE-Komponenten dann ein- oder ausgeschaltet, etwa um die Stromaufnahme in den Betriebspausen zu reduzieren. Die Energiesparzustände des Gigabit Modular Switch lassen sich über Webbased Management, CLI oder SNMP konfigurieren. Die selektive Konfiguration stellt sicher, dass alle für Profinet genutzten Ports aktiv bleiben und das Netzwerk für das Energiemanagement jederzeit verfügbar ist.