Zukunft durch Bandbreite

Ethernet - Maßgeblich für Automatisierungs-Netzwerke ist auch die eingesetzte Infrastruktur. Optimierte Gigabit-Switches erhöhen die Produktivität einer Anlage deutlich.

03. August 2007

Ein unternehmensweit einheitliches Kommunikationssystem, das die Produktion nahtlos mit der Unternehmensleitebene verbindet, ist der Datenübertragungsstandard Ethernet. Ein Unterschied zwischen der Kommunikation der Steuerungen und Feldgeräte einerseits und des übergeordneten Unternehmens-Netzwerks andererseits ist jedoch häufig die Übertragungsgeschwindigkeit: Während in der Bürokommunikation vielfach die Übertragung nach Gigabit-Ethernet mit einer nominalen Datenrate von 1.000Mbit/s im Einsatz ist, kommuniziert die Feldebene heute in der Regel über Fast Ethernet mit einer Datenrate von 100Mbit/s. Den Einsatz von Gigabit-Ethernet auch bei Maschinen und Anlagen für Echtzeit-Anwendungen der industriellen Automation verhinderte bislang vor allem der Mangel an industrietauglichen Gigabit-Switches. Die Verfügbarkeit solcher Netzwerkkomponenten eröffnet jetzt die Möglichkeit, die extrem hohe Übertragungsgeschwindigkeit von Gigabit-Ethernet universell zu nutzen.

Alte Kabel, neue Leistung

Gigabit Ethernet ist die Weiterentwicklung und Fortschreibung der Normen für Standard Ethernet nach IEEE802.3 und Fast Ethernet nach IEEE 802.3u für Bandbreiten von 10 und 100 Mbit/s. Maßgeblich bei der Standardisierung von Gigabit-Ethernet für die Übertragung mit Twisted-Pair-Kupfer­kabeln im Standard IEEE802.3ab war die Systemdurchgängigkeit bei der Verwendung eingeführter Verkabelungsstandards mit einer unveränderten maximalen Übertragungslänge von 100 Metern. Dies hat zur Folge, dass sich ein erhöhter Datendurchsatz auch mit einer bereits vorhandenen Verkabelung nur durch ein Hochrüsten der aktiven Komponenten erreichen lässt. Typischerweise werden für (Fast) Ethernet zwei- oder vierpaarige Twisted-Pair-Kupferkabel mit verdrillten Adernpaaren verwendet, die mindestens den Anforderungen der Kategorie CAT 5 gemäß ISO/IEC 11801-2002 entsprechen. Diese Kabel eignen sich für Übertragungsfrequenzen bis 100 Megahertz. Um eine Datenrate von 1.000 Mbit/s über diese Leitungen zu übertragen, kommt bei Gigabit-Ethernet eine ausgeklügelte Übertragungstechnologie zum Einsatz, die vierpaarige Leitungen benötigt, bei denen alle acht Adern des RJ45-Steckers belegt sind.

Volles Tempo in beide Richtungen

Ein wesentliches Merkmal von Gigabit-Ethernet ist, dass alle vier Doppeladern gleichzeitig für die Datenübertragung in beide Richtungen genutzt werden. Um die Wechselwirkung zwischen gesendeten und empfangenen Daten auf dem gleichen Adernpaar zu eliminieren, wird das Echo schaltungstechnisch kompensiert. Durch ein Modulationsverfahren mit fünf Zuständen und einer geeigneten Codierung übermittelt Gigabit-Ethernet auf diese Weise zwei Bit pro Schritt, Adernpaar und Richtung. Bei einer Schrittgeschwindigkeit von 125 kBaud genügt für Gigabit-Ethernet pro Adernpaar deshalb eine Übertragungsfrequenz von 62,5 Megahertz. Damit lassen sich auch solche Verkabelungen nutzen, deren Übertragungs-Parameter der aktuellen CAT-5-Spezifikation ISO/IEC 11801-2002 entsprechen. Alternativ werden in Gigabit-Applikationen aber auch vielfach Patchkabel der Kategorie CAT 6 eingesetzt. Gigabit-Ethernet als Twisted-Pair-Installation ist abwärtskompatibel zu 100 und 10 Mbit/s und nutzt ebenfalls die automatische Datenraten-Einstellung per Autonegotiation. Fast-Ethernet-Endgeräte und -Segmente lassen sich somit einfach per »Plug and play« in eine Gigabit-Ethernet-Infrastruktur integrieren.

Glasfasertechnik

Bei der Übertragung des Protokolls Gigabit-Ethernet über Glasfaserleitungen nach IEEE 802.3az kommen die Standards 1000BASE-SX und 1000BASE-LX zum ­Einsatz. Die wesentlichen Unterschiede zwischen beiden Standards sind die Wellenlängen der verwendeten Lichtquellen sowie die mögliche Reichweite: 1000BASE-SX verwendet Licht mit einer Wellenlänge von 850 Nanometer, nutzt Multimodefasern und erlaubt Entfernungen bis zu 550 Meter. Bei 1000BASE-LX und einer Wellenlänge von 1.300 Nanometer kommen dagegen Single­mode-Fasern zum Einsatz, und die Segmentlänge kann je nach eingesetzten Komponenten auf bis zu zehn oder zwanzig Kilometer ausgedehnt werden.

Industrielle Gigabit-Infrastruktur

Wichtige Infrastrukturelemente zum Aufbau von Kupfer- oder Glasfasernetzen in Stern-, Linien- oder Baumtopologie sind industrielle Switches mit Twisted-Pair- und optionalen Glasfaser-Ports. Ihr Einsatz in der industriellen Umgebung im Schaltschrank oder prozessnah in dezentralen Busgehäusen stellt jedoch erhöhte Anforderungen an die aktiven Komponenten hinsichtlich ihrer Beständigkeit gegenüber Temperaturen, Stößen und Vibrationen sowie vor allem der elektromagnetischen Verträglichkeit. Industrielle Switches müssen deshalb auch bei der hohen Gigabit-­Datenrate die höheren Schärfegrade der elektromagnetischen Störfestigkeit nach IEC 61000-6-2 nachweisen.

Ein Nachteil einiger industrieller Switches ist, dass sie Gigabit-Ethernet nur auf einem oder zwei Ports unterstützen: Da industrielle Ethernet-Installationen in der Regel ­dezentral - also in Linien- oder Baumtopologie - ausgeführt sind, stehen dann neben den beiden Uplink-Ports in der Linienstruktur dezentral keine Gigabit-Anschlüsse zur Verfügung. Flexibler und leistungsfähiger sind hier industrielle Switches wie die Modelle SMCS und SFN GT aus der Produktfamilie Factory Line von Phoenix Contact: Sie unterstützen die Datenrate von 1 Gbit/s durchgängig auf allen Ports, sodass sich auch T-förmige Verzweigungen des Back­bones in Gigabit-Bandbreite ausführen lassen. Endgeräte, die selbst über ein Gigabit-Netzwerk-Interface verfügen - etwa Datenserver in Logistik-Applikationen oder Kameras - können auf diese Weise direkt von der hohen Datenrate profitieren.

»Store and forward« mit Gigabit

Die Gigabit-Switches besitzen die Basis­filtereigenschaften des Ethernet-Switching gemäß IEEE 802.1D und arbeiten nach dem Plug-and-play-Prinzip: Quelladressen werden automatisch erlernt, und eingelesene Ethernet-Datenpakete werden Zielport-orientiert weitergeleitet. Zum Einsatz kommt der bewährte Store-and-forward-Mechanismus, der die Datentelegramme zunächst komplett kontrolliert und sie nur bei Fehlerfreiheit weitergibt. Fehlerbehaftete Telegramme werden so schon am Switch eliminiert und erzeugen daher keine Netzwerk­last. Da bei Gigabit-Ethernet sogar die Übertragung des längsten Ethernet-Rahmens von 1.522 Byte die Datenleitung weniger als 15 Mikrosekunden belegt, kann die Verzögerung durch den Store-and-forward-Mechanismus in der Regel vernachlässigt werden. Selbst bei einer Kaskade von 50 ­Gigabit-Switches liegt die Gesamtverzögerung durch Store-and-forward lediglich im Bereich einer Millisekunde. Switches mit durchgängiger Gigabit-Unterstützung vereinfachen damit die Netzwerkplanung bei flexibler Topologiewahl erheblich, da sowohl die Bandbreite als auch die Verzögerungszeiten in den überwiegenden Fällen als unkritisch betrachtet werden können.

Gigabit integriert IT-Standards

Ein Vorteil des durchgängigen Einsatzes von Ethernet in Produktion und Unternehmensleitebene ist auch, dass sich IP-basierte Netzwerkdienste wie Video over IP oder Voice over IP sowie weitere IT-Dienste auf diese Weise auch in den Automatisierungsanwendungen nutzen lassen. So ermöglichen IP-Kameras beispielsweise die visuelle Überwachung von Fertigungsprozessen, oder IP-Telefonie kann bei Bedarf zur Sprachkommunikation mit dem Service-Techniker vor Ort dienen.

Quality of Service

Eine entscheidende Bedeutung für die Übertragung zeitkritischer I/O-Daten in der Automatisierung haben Automatisierungs-Protokolle wie Profinet. Für Echtzeit-Anwendungen erfordert Profinet IO von der Switched-Infrastruktur die prioritäts­gesteuerte Weiterleitung von Ethernet-Frames. Hierzu wird die Prioritäts-Information im VLAN(Virtual Local Area Network)-Tag gemäß der Norm IEEE 802.1Q ausgewertet. Die Priorisierung von Datenpaketen verhindert dabei, dass Datenverkehr höherer Priorität wie zeitsensitive Prozessdaten bei starker Verkehrslast durch niederprioritären Datenverkehr ausgebremst wird.

Die vom Standard Profinet RT geforderten Echtzeit-Eigenschaften bieten zum Beispiel die Smart Managed Compact Switches von Phoe­nix Contact. Diese Geräte stellen dazu bis zu vier unterschiedlich zu priorisierende Warteschlangen (Priority Queues) zur Verfügung, mit denen sich in Automatisierungsnetzen neben zeitkritischen Prozessdaten weitere IT-Echtzeitdienste wie Video over IP und Voice over IP gleichzeitig nutzen lassen.

In entscheidendem Maße bestimmt die gewählte Ethernet-Infrastruktur außer dem Datendurchsatz und den Echtzeiteigenschaften jedoch auch die Verfügbarkeit des Übertragungsnetzes und der Anlage.

Redundanz für bessere Verfügbarkeit

So lassen sich durch den Einsatz von Managed Gigabit Switches zum Beispiel redundante und diagnosefähige Netzstrukturen realisieren. Eine redundante Anbindung der Automatisierungszellen an den überlagerten (Gigabit-)IT-Backbone erfolgt dabei in Layer 2 auf Switch-Ebene über den hersteller­übergreifenden Redundanz-Standard RSTP nach IEEE 802.1w. Je nach überlagerter IT-Struktur kann die redundante Koppelung jedoch auch alternativ im Layer 3 mit dem VRRP-Protokoll ausgeführt werden.

Industriegerechte Servicemöglichkeit

Eine durchgängige industrielle Gigabit-Infrastruktur muss sowohl den Anforderungen des überlagerten IT-Netzes als auch denen der Automation gerecht werden. Das Maß der Industrietauglichkeit von Infrastruktur bestimmt bei Managed Switches deshalb auch, mit welchem Aufwand die Geräte sich montieren, in Betrieb nehmen oder im Servicefalle austauschen lassen. Verfügen die Switches zum Beispiel über Konfigurationsstecker mit Speicherfunktion, dann lassen sich alle notwendigen Einstellungen für die jeweilige Applikation auf diesem ablegen und bei der Inbetriebnahme vor Ort oder bei einem etwaigen Gerätetausch im Servicefall ohne Software-Tools einfach auf die Switches übertragen.

Uwe Nolte, Phoenix Contact/bt

Eigenschaften von Profinet

- Skalierbare Echtzeitlösung mit drei Kommunikationskanälen, die parallel auf demselben Netzwerk oder Gerät verlaufen können: Standard-Kanal (TCP/IP, RDP/IP), Echtzeit-Kanal RT (Real Time) und Echtzeit-Kanal IRT (Isochronous Real Time).

- Kompabilität zur Ethernet-Welt

- Problemloser Aufbau von Linien-, Baum- und Netzwerkstrukturen

- Einfache Integrationsmöglichkeit bestehender Feldbussysteme über Proxies. Der Proxy fungiert hierbei als Repräsentant der Feldbus-Geräte im Ethernet.

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2007