Infrastruktur-Anwendung Managed Switches stellen hohe Verfügbarkeit sicher

Industrial Ethernet wird seit Jahren in der Maschinen- und Anlagensteuerung eingesetzt. Die wachsenden Anforderungen bei Infrastruktur-Anwendungen erfordern jedoch neue industrielle Ethernet-Switches, die über komplexere Funktionen und Redundanzoptionen verfügen, aber auch einfach zu bedienen sind.

Um die gestiegenen Ansprüche bei Industrial Ethernet abzudecken, hat Phoenix Contact die Managed-Switches der Baureihen »FL Switch 3000« und »4000« vorgestellt. Neben der industriellen Nutzung sind die Geräte zur Verwendung in Infrastruktur-Applikationen konzipiert, in denen dezentrale Switches benötigt werden, die sich für Betriebstemperaturen von -40 °C bis +75 °C eignen. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch Redundanzoptionen aus, welche die Wiederherstellungszeiten bei einem Dauerbetrieb in sensiblen Bereichen verkürzen. Zu den weiteren Eigenschaften gehören eine stärkere Segmentierung des Datenverkehrs, Filterfunktionen für größere Netzwerke, der Zugriffsschutz durch umfangreiche Sicherheitsfunktionen zur Steuerung des Netzwerkzugangs sowie eine einfache Wartung und Fehlerbehebung auch für IT-Laien.

Besonders die Switches der 4000er-Produktfamilie setzen die Anforderungen von Infrastruktur-Anwendungen um. Dazu zählen gemischte Datenraten, also eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit auf der Hauptleitung parallel zu den Verbindungen mit 10/100 MBit/s. So lassen sich in größeren oder wachsenden Installationen auch kostengünstige 10/100-MBit/s-Komponenten ankoppeln. Außerdem werden bei der Modernisierung älterer Systeme oftmals diese höheren Datenraten für die Industriegeräte bevorzugt.

Ein weiterer Aspekt, dem die 4000er-Baureihe Rechnung trägt, sind die unterschiedlichen Ansprüche an die Port-Konfiguration. Im Maschinen- und Anlagenbereich wird meist ein Lichtwellenleiter als Hauptleitung verwendet. Im Unterschied dazu setzen Infrastruktur-Anwendungen auf Leitwarten, die in einer sternförmigen Konfiguration mit den Außenstandorten verbunden sind. In diesem Fall kommunizieren die Switches der Leitsysteme über einen TX-Gigabit-Ring miteinander, wohingegen für die Punkt-zu-Punkt- oder Ringverbindungen zu den Feldgeräten oder Umsetzern LWL-Ports benötigt werden. Die in den Leitwarten verbauten Switches erfordern darüber hinaus eine höhere Port-Dichte von mehr als acht Schnittstellen, was ab den Datenerfassungspunkten nicht notwendig ist.

Ferner verlangen Infrastruktur-Anwendungen nach mehrfach redundanten Ringen. Im Bereich der Energieversorgung muss das Netzwerk beispielsweise permanent verfügbar sein, um wichtige Prozesse zu steuern und zu überwachen. Daher kommen oft mehrere redundante Ringe oder doppelt redundant ausgelegte Ringtopologien zum Einsatz, um einen Ausfall zu vermeiden. Bei einem solchen Aufbau können für die Hauptleitungen Gigabit-TX-Verbindungen und für die Abzweige LWL-Leitungen mit Übertragungsraten von 100 MBit/s genutzt werden.

Ein weiterer nicht zu vernachlässigender Aspekt sind die Kosten. Viele Unternehmen vergeben ihre Aufträge an Systemintegratoren oder Anlagenbauer. Nachdem die Offerten verschiedener Anbieter eingeholt worden sind, erhält häufig das günstigste Angebot den Zuschlag. Deshalb spielt der Preis der Geräte eine wichtige Rolle.

Netzwerktopologien und Redundanzstufen

Die Kombination von dezentralen Fünf- oder Acht-Port-Switches und Gigabit-Switches mit hoher Port-Dichte soll neue Möglichkeiten beim Aufbau der Netzwerkarchitektur eröffnen. TX-Gigabit-Ports für Twisted-Pair-Kabel ermöglichen in Verbindung mit zwei oder vier 100-MBit/s-LWL-Ports unterschiedliche Netzwerktopologien und Redundanzstufen. Bei industriellen Applikationen sind in der Regel alle Switches in einem Gebäude installiert. In diesem Fall sind LWL-Verbindungen meist weniger sinnvoll.

Im Gegensatz dazu erfordern in Infrastruktur-Anwendungen vor allem SCADA-Systeme Netzwerk-Fernverbindungen zwischen der Leitzentrale und den dezentralen Steuerungs- oder Überwachungsstationen, von wo aus weiter in kleine Geräte-Cluster oder einzelne Feldgeräte verzweigt wird. In solchen Applikationen verwendet man immer häufiger eine Ringtopologie für das zentrale Leitsystem, die im Feld mit mehreren Verteilerringen oder Hauptleitungen gekoppelt ist (Bild 1).

Die Außenstationen kommunizieren über einen LWL-Ring, an den weitere Switches oder Feldgeräte angebunden sind. Gleiches gilt für die Ankopplung mehrerer dezentraler Switches an die Hauptleitung, sofern keine Redundanz benötigt wird.

Über die LWL-Ports des FL Switch 4000 lassen sich zudem dezentrale Switches an den Feldverteilerring anbinden, um so eine hohe Verfügbarkeit sicherzustellen (Bild 2).

Das IEEE-Protokoll RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) hat sich als Standardlösung in redundanten IT-Systemen und vielen industriellen Anwendungen etabliert. Aus Gründen einer hohen Leistungsfähigkeit und Sicherheit setzen große Applikationen VLANs (Virtual Local Area Network) ein, um den Datenverkehr zu segmentieren. Wird das Standard-RSTP verwendet, betrifft ein Wiederherstellungsvorgang sämtliche VLANs.

Ein Problem in einem isolierten VLAN-Bereich kann also zu einer Wiederherstellung in einem anderen VLAN-Bereich führen. Durch Nutzung von MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol) lässt sich der Wiederherstellungsvorgang allerdings auf ein VLAN oder eine bestimmte Gruppe von VLANs beschränken.

Sind Steuerungen in sensiblen Bereichen verbaut oder muss der Betrieb mehrerer dezentraler Einheiten eng abgestimmt werden, erfordert dies Wiederherstellungszeiten von weniger als 20 ns bis 50 ms. Die im Sekundenbereich liegenden Werte von RSTP verfehlen die Vorgaben. Vor diesem Hintergrund haben die Hersteller industrieller Ethernet-Switches in den vergangenen Jahren proprietäre Ringprotokolle eingeführt, um die Reaktionszeiten zu verkürzen. Außerdem wurden neue standardisierte Ringredundanzprotokolle von verschiedenen Normungsorganisationen entwickelt. Sie erlauben Wiederherstellungszeiten im unteren Millisekundenbereich bis hin zu Spitzenwerten unter einer Millisekunde, setzen jedoch teure Hardware voraus (Bild 3).

Wiederherstellung in weniger als 15 ms

Angesichts der Reaktionszeit des übergeordneten Steuerungs- oder Überwachungssystems erweisen sich Wiederherstellungszeiten von weniger als einer Millisekunde in den meisten Fällen als nicht notwendig. Hinzu kommt, dass die kostspieligen Switches aufgrund des begrenzten Budgets oft gar nicht erworben werden können. Deshalb verwenden die Switches der 3000er- und 4000er-Baureihe ein neues Extended-Ring-Protokoll mit Wiederherstellungszeiten von 15 ms oder weniger in Ringen mit bis zu 135 Switches. Ringkopplungsfunktionen verbinden bis zu drei Ringe mit jeweils 135 Switches, wobei die Reaktionszeit der Kopplung unter 18 ms beträgt.

Mit einer neuen Doppelringfunktion lassen sich zwei unterschiedliche Verkabelungspfade an die gleichen Switches anschließen, was die Wiederherstellungszeit um lediglich drei Millisekunden erhöht. Bei der Doppelringfunktion verwaltet der Switch jedes einzelne Verbindungspaar in jedem Switch-an-Switch-Segment, statt von einem Ring komplett auf den anderen umzuschalten. Durch diese Lösung bleibt die Verbindung selbst bei drei Kabelbrüchen oder Kabeltrennungen im Netzwerk noch uneingeschränkt nutzbar (Bild 4).

Mit der Kombination von kurzer Wiederherstellungszeit, flexiblen Verkabelungsmöglichkeiten und hoher Leistung ohne Aufpreis werden die FL Switch 3000 und 4000 den neuen Anforderungen gerecht. Entsprechende Hochgeschwindigkeitsringe können auch weiterhin in übergeordnete IT-Netzwerke, die auf RSTP beruhen, eingebunden werden. Während einige Ports mit dem RSTP-Protokoll der höheren Ebene arbeiten, setzen die anderen Schnittstellen das Extended-Ring-Protokoll ein. Auf diese Weise ist eine umfassende IT-Konnektivität des Systems ohne isolierte Netzwerke sichergestellt.

Neben den Optionen für Redundanz und Port-Konfiguration sind die neuen Anwendungen durch höhere Anforderungen an das Management des Ethernet-Datenverkehrs sowie die Zugriffssicherheit gekennzeichnet. Daher verfügen FL Switch 3000 und 4000 über umfangreiche IEEE-Funktionen in punkto Leistung und Security. In vielen Fällen werden die Geräte von IT-Laien betreut, weshalb großer Wert auf eine einfache Bedienung gelegt wurde. Dazu zählen integrierte Hilfeseiten, verständliche Beschreibungen der Webfunktionen, ein Ansichtsmodus für den schnellen Zugriff auf Diagnosedaten sowie die Möglichkeit, die Weboberfläche durch das Ausblenden nicht genutzter Teile übersichtlicher zu gestalten.

Über den Autor:

Larry Komarek ist Produktmanager Ethernet bei Phoenix Contact.

Produktfamilie »FL Switch« 

Im Jahr 2012 führte Phoenix Contact die Produktfamilie »FL Switch 3000« als neue Generation von Managed-Switches mit fünf oder acht Ports sowie einer Übertragungsrate von 10/100 MBit/s ein. Ein Jahr später wurde die Baureihe dann um den »FL Switch 3016« und »3016T« erweitert, die jeweils 16 Ports bieten sowie für einen Einsatztemperaturbereich von -10 °C bis +60 °C respektive -40 °C bis +75 °C ausgelegt sind. Außerdem ist der »FL Switch 3006T/2FX SM« mit zwei optischen Single-Mode-Ports erhältlich, welche die Überbrückung von Distanzen bis 40 Kilometer erlauben.

Seit 2013 ist auch die neue Produktfamilie »FL Switch 4000« erhältlich, die sich aufgrund der Gigabit-Ports als besonders leistungsfähig erweist. Der »FL Switch 4008T-25FP« stellt zwei Gigabit-SFP-LWL-Ports sowie acht 10/100-TX-Ports zur Verfügung, während der »FL Switch 4012T-2GT-2FX« zwei Gigabit-TX-Ports sowie zwölf 10/100-TX-Ports und zwei FX-Multimode-LWL-Ports mit 100 MBit/s umfasst. Zudem wird mit dem »FL Switch 4008T-2GT-4FX SM« ein Gerät mit zwei Gigabit-TX-Ports sowie zwölf 10/100-TX-Ports und vier FX-Single-Mode-LWL-Ports mit 100 MBit/s angeboten.