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Ein Industrial Switch für alle Fälle

Industrielle Kommunikation
Ein Industrial Switch für alle Fälle

Durch die Digitalisierung werden radikale Veränderungen erwartet, die einen Schub an Produktivität und eine deutlich erhöhte Individualisierung bringen sollen. Doch was ist das Grundgerüst, das diese radikalen Veränderungen in der industriellen Produktion ermöglicht? Es ist das industrielle Netzwerk, das Geräte überhaupt für industrielle Kommunikation befähigt und damit auch dazu, Prozesse zu optimieren. Somit werindustrielle Kommunikation robuste und leistungsfähige industrielle Netzwerkkomponenten benötigt.

 

Der Autor:Christian Homann, Produktmanager Industrial Switches, Digital Factory/Process Industries and Drives, Siemens AG

Das Industrielle Netzwerk wird aus Gründen der Übersichtlichkeit sowie der vereinfachten Administration typischerweise in unterschiedliche Ebenen unterteilt, die sich an den Datenströmen und Aufgaben orientieren. In der Maschinen-/Zellenebene werden die Endgeräte wie Steuerungen, Feldgeräte oder HMI-Panels mit Industrial-Ethernet-Protokollen wie Profinet über Switche verbunden.
Da oftmals mehrere Zellen pro Produktionshalle existieren, werden diese zur Strukturierung in einem Hallennetzwerk (Shopflor Aggregation) zusammengefasst. Die unterschiedlichen Hallennetzwerke werden dann zusätzlich in einer höheren Ebene zusammengeführt, die als Backbone Aggregation bezeichnet wird und in der eine gesicherte Anbindung an die Office-IT besteht (siehe Bild 1).
Bekannt aus der Automatisierung und bewährt in der industriellen Netzwerktechnik bietet Siemens für jede beschriebene Ebene die passende Netzwerk-Lösung. Für kleinere Maschinennetze kann integrierte Switching-Funktionalität verwendet werden oder es kommen für die maschinennahe Vernetzung unmanaged Swichtes zum Einsatz. Um größere Netzwerke beherrschen zu können, wird mehr Funktionalität und umfangreiche Diagnose benötigt, die der Switch Scalance XC-200 (siehe Bild 2)als managed Industrial-Ethernet-Layer-2-Switch bietet.
Es stehen unterschiedliche Port-Ausprägungen für elektrische RJ45- sowie optische Anschlüsse zur Verfügung. Durch den Einsatz von SFP-Steckplätzen (SFP: Small form factor pluggable) bietet der Switch neben den fest eingebauten optischen Transceivern mit SC- und ST/BFOC-Anschlusstechnik eine flexible Möglichkeit, um optische Teilnehmer anzubinden. Es können hierbei – je nach Bedarf an Bandbreite und Reichweite – die Switches mit einer breiten Auswahl an optischen Transceivern bestückt werden. Ein weiterer Vorteil bei der SFP-Variante ist die Konfiguration mit SFPs mit bis zu 1 Gbit/s, beispielsweise für den Aufbau schneller Gigabitverbindungen bei der Vernetzung mehrerer Zellen (Shopfloor Aggregation).
Ein perfomantes Netzwerk hilft, Stillstandszeiten zu reduzieren
Ein weiterer wichtiger Aspekt für die industrielle Kommunikation neben schneller und performanter Kommunikation ist ein zuverlässiges und robustes Netzwerk. Ein Ausfall von Netzwerkkomponenten und ihr Austausch ist möglichst zu vermeiden, da Stillstandszeiten der Anlage auch Produktionsausfälle verursachen. Um diesem vorzubeugen, bietet der Industrial-Ethernet-Switch Scalance XC-200 unterschiedliche physikalische Ausprägungen in einem robusten Design sowie geeignete Softwaremechanismen zur Steigerung der Verfügbarkeit. Die Möglichkeit einer redundanten Stromversorgung sowie die robusten Teilnehmeranschlüsse mit industriegerechten RJ45-Steckverbindern, die durch Verrastung am Gehäuse eine zusätzliche Zug- und Biegeentlastung bieten, reduzieren die Gefahr eines Ausfalls. Weiterhin bietet die Funktion „Fiber Monitoring“, die frühzeitig Dämpfungsänderungen auf der optischen Strecke erkennt, eine Überwachung der optischen Leitung. Dadurch kann eine frühzeitige Alterung oder mögliche Verschmutzung erkannt und eine Wartung eingeplant werden.
Falls jedoch die Verbindung zu einem Teilnehmer ausfällt, ist eine Lösung für die industrielle Kommunikation gefragt, bei der der Datenverkehr nicht unterbrochen wird. Dies wird über redundante Wege in der Netzwerkstruktur – oftmals in Ringform – erreicht. Der Switch Scalance XC-200 bietet dafür das Profinet-konforme Media Redundancy Protocol (MRP) und das High Speed Redundancy Protocol (HRP) mit einer deterministischen Rekonfigurationszeit an. Weiterhin ist ein Steckplatz für ein Speicherwechselmedium (C-Plug) vorhanden, auf dem die Gerätekonfiguration gespeichert und im Austauschfall schnell und ohne Fachkenntnis auf ein neues Gerät geladen werden kann.
Um die immer größer werdenden Netzwerke für die industrielle Kommunikation beherrschen zu können, bringt der Switch XC-200 virtuelle LANs (VLAN) für die strukturierte Unterteilung großer Netzwerke in kleinere, logische Teilnetzwerke mit. Durch die logische Trennung können die Broadcast-Last reduziert, sensitive Bereiche vom Hauptnetz getrennt oder das Netzwerk in logische Arbeitsgruppen geteilt werden. Weiterhin lässt sich beim Einsatz von Multicast-Protokollen, wie etwa bei Videoanwendungen oder Verwendung von Ethernet/IP, die Multicast-Last im Netzwerk wirkungsvoll reduzieren. Dabei kann der Switch durch IGMP-Snooping Multicast-Quellen und -Ziele erlernen, wodurch der Multicast-Datenverkehr gefiltert und die Last im Netzwerk begrenzt wird (siehe Bild 3).
Leichte Konfiguration und Diagnose – auch in der Engineering-Software
Verschiedene Diagnosetools – zentral wie auch lokal – unterstützen zusätzlich, die Ausfallzeiten so gering wie möglich zu halten. Die Managementplattform Sinema Server nutzt neben einem zentralen Firmware-Management ihre Monitoring-Funktionalität, um die „Gesundheit“ des Netzwerkes kontinuierlich zu prüfen. Ermöglicht wird dies, indem über SNMP (Simple Network Management Protocol), über Sinema Server und den Scalance-X-Switch Informationen ausgetauscht werden. Weiterhin ist die Online-Diagnose im TIA-Portal in gleicher Weise aufgebaut wie das Web-based Management (WBM) des Geräts, was die Auswertung von Ereignissen systemübergreifend komfortabel macht. Direkt an der Maschine ermöglicht die Funktion NFC (Near Field Communication) den schnellen Zugang zum WBM des Gerätes. Auf dem Tablet oder SmartPhone sowie dem Scalance XC-200 aktiviert, kann mit Hilfe von NFC die IP-Adresse des Gerätes sofort ermittelt und bei bestehender WLAN-Verbindung auf das WBM zugegriffen werden.
Ein immer wichtiger werdender Aspekt in der Industrie ist die einfache und intuitive Bedienung – im Fachjargon „Usability“ – die im privaten Bereich schon als selbstverständlich erwartet wird. Beim Hardwareaufbau zeichnet sich der Switch Scalance XC-200 durch ein abgesetztes LED-Feld (Diagnose-Insel) aus. Dort lassen sich die LEDs zur Diagnose mit einem Blick erkennen, selbst wenn alle Kabel gesteckt sind. Port-Status, Zustand des Gerätes über Meldekontakt sowie der Status des Redundanz-Managers werden hier übersichtlich gezeigt. Softwareseitig wird die Konfiguration – neben der textbasierten CLI-Schnittstelle – durch einen Webserver unterstützt, in dem die Einstellungen intuitiv vorgenommen können. Dennoch steht die integrierte Onlinehilfe als Nachschlagewerk bereit.
Die Verwendung der managed Layer 2 Switches als Profinet Device und die nahtlose Integration in die zentrale Engineering-Software TIA-Portal ermöglicht eine einfache Konfiguration, die der Automatisierer bereits von anderen Simatic-Komponenten kennt. Für die Realisierung einer Anlagenkonfiguration bestehend aus Steuerung, Peripherie und Endgeräten können die Switches XC-200 sehr einfach in die Projekte mit aufgenommen und zentral über TIA-Portal verwaltet werden. Das hierfür meist verwendete Echtzeitprotokoll Profinet wird dabei auch unterstützt. Die vielseitige Einsetzbarkeit wird weiter durch die Unterstützung des Ethernet/IP-Profils und die Einbindung in die Ethernet/IP-Diagnose gewährleistet. co

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Tel. +49 911 895-0
SPS IPC Drives: Halle 11
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