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Edge-zu-Core-Netzwerkinstallation in der Prozessautomatisierung

Bereich Prozessautomatisierung
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Zusammenfassung Die Installation eines Ethernet-Netzwerks in der Prozessautomatisierung ist je nach Anwendung eine komplexe Angelegenheit. Daher macht es Sinn, bei der Installation Schicht für Schicht vorzugehen, die spezifischen Anforderungen jeder Netzwerkschicht zu bewerten und dann die passenden Komponenten auszuwählen.
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Am oberen Ende des hierarchischen Netzwerks befinden sich die Core-Switches. Sie sind als Hochleistungs-Backbone des Netzwerks für die Anbindung an ein Rechenzentrum, wo die Daten gesammelt, gespeichert und ausgewertet werden, verantwortlich. Core-Switches sind dafür ausgelegt, konvergierte Daten, Video und Voice für anspruchsvolle Backbone-Anforderungen zu liefern. Sie ermöglichen sowohl Layer 2- als auch Layer 3-Switching und Routing-Intelligenz, mit der sie sicherstellen, dass volle Leitungsgeschwindigkeiten abgerufen werden können und dass das Netzwerk für kritische Anwendungen, wie in der Prozessautomatisierung, skalierbar ist.

Um die in der Prozessautomatisierung notwendige hohe Leistung bieten zu können, sind Core-Switches mit widerstandsfähigen Mechanismen und Funktionen ausgestattet. Dazu gehören der lüfterlose energiesparende Betrieb, 50 ms Wiederherstellungszeit, Dual Imaging, die Hot-Swap-Funktion sowie isolierte, redundante Stromeingänge mit universeller 110/220-VAC-Spannungsversorgung.

Distributions-Switches für den Datentransport

Die Distributions-Switches auf der Routing-Schicht des Netzwerks leiten Datenpakete aus zahlreichen Peripherieschichten an Core-Layer-Netzwerke weiter. Typischerweise benötigen solche Switches volle Mesh-Konnektivität und intelligentes Routing sowie Switching zwischen segmentierten VLANs. Deshalb empfiehlt es sich, auf Switches mit hoher Portdichte zurückzugreifen, um die Skalierbarkeit und Effizienz zu optimieren. Es gibt sowohl modulare Switches für die Hutschiene als auch für den Rack-Einbau, welche gleichsam Port-zu-Port-Service zwischen vielschichtigen Netzwerken bieten und mit belastbaren Verbindungen sowie Layer 2- und 3-Switchingfunktion ausgestattet sind.

Distributions-Switches verfügen in der Regel über Gigabit und/oder Fast-Ethernet-Ports und unterstützen volle Leitungsgeschwindigkeiten sowie Gigabit-Ethernet-Redundanz. Eingebaute fortschrittliche Management- sowie Sicherheitsfunktionen ermöglichen einen zuverlässigen, sicheren Betrieb. Distributions-Switches sind oftmals auch als PoE-Version erhältlich, die bis zu 240 Watt über ein spezielles Ethernet-Kabel den PoE-fähigen Geräten zur Verfügung stehen. Solche Anwendungen vereinfachen den Netzaufbau der PoE-fähigen Geräte, bei denen die Verkabelung aufwändig oder gar unmöglich ist.

Edge-Switches für Netzwerkanbindung

Edge-Switches sind von Natur aus einfacher konstruiert als die Switches auf den beiden anderen Netzwerkschichten. Dennoch binden sie Endgeräte zuverlässig ans Netzwerk an, um eine optimale Port-zu-Port-Konnektivität sicherzustellen. Sie zeichnen sich meist durch einen kompakten Formfaktor aus, sind für die Hutschienenmontage konzipiert, arbeiten unter erweiterten Betriebstemperaturen und bieten verschiedene Port-Anzahlen, um sich flexibel an unterschiedliche Anwendungen anzupassen.

Netzwerkmanagement-Software erkennt bis zu 2.000 Geräte automatisch

Um jederzeit eine gute Netzwerkleistung bei zuverlässigem, sicherem und einfachem Betrieb zu erreichen, empfiehlt es sich, eine fortschrittliche, benutzerfreundliche Netzwerkmanagement-Software einzusetzen. Diese analysiert, überwacht, konfiguriert und sucht Fehler in Netzwerkverbindungen, die von Managed-Ethernet-Switches, Wireless Access Points oder anderen SNMP-vernetzten Geräten für die Industrieautomation gebildet werden. Indem über benutzerfreundliche Web-Browser eine physische Verkabelungskarte des Netzwerks visualisiert wird, lassen sich der Echtzeit-Netzwerkstatus auslesen sowie Fehlerquellen sofort identifizieren. So reduziert sich die Response-Zeit komplexer, kritischer Netzwerkoperationen, insbesondere bei Fernzugriff auf die Software.

Eine fortschrittliche Netzwerkmanagement-Software kann zentral gesteuert beispielsweise bis zu 2.000 vernetzte Geräte automatisch erkennen, konfigurieren sowie die Firmware verwalten. Sie erstellt mehrlagige Live-Topologiekarten des Netzwerks und vereinfacht dadurch die Diagnose und Fehlersuche. Über SNMP Inform wird der Anwender über Ereignisse informiert, sodass er frühzeitig reagieren kann. Die Netzwerkmanagement-Software nutzt, je nach Hersteller, beispielsweise OPC, um SNMP Traps in OPS Tags zu konvertieren, die nahtlos in OPC-kompatible HMI/SCADA-Systeme integriert werden können. Diese Funktion ermöglicht es, ein HMI direkt ans Steuerungsnetzwerk anzubinden und dient so als Fernüberwachungswerkzeug für den Netzwerkstatus und -verkehr.

Effizientes Netzwerk

Zukunftssichere Netzwerke zeichnen sich durch hochwertige Komponenten aus. Die Zertifizierung von Switches als IPv6 Ready durch das globale IPv6 Forum stellt sicher, das die Switches IPv4 und IPv6 Dual Stack unterstützen, um somit für eine bessere Adressierung und Sicherheit in großen Netzwerken zu sorgen. Ein weiterer Effizienzfaktor ist die nahtlose Integration in bestehende Automatisierungsanwendungen. In der Regel unterstützen die Switches daher Modbus/TCP für die klassische SCADA/HMI-Integration, wie sie in der Prozessautomatisierung weit verbreitet ist. Ethernet/IP und ProfiNet werden ebenso unterstützt wie das IEEE-1588-PTP-Zeitprotokoll für die Zeitsynchronisierung.

Geht es an die Produkteigenschaften moderner Edge-zu-Core-Switches, so finden sich neben dem obligatorischen Layer-3-Switching zahlreiche Funktionen. IGMP Snooping und GMRP sorgen für die Filterung von Multicast-Traffic, IEEE 802.1Q VLAN und das GVRP-Protokoll für die einfache Netzwerkplanung, Quality over Service (QoS; IEEE 802.1p/1Q) und TOS/DiffServ für verbesserten Determinismus, RMON für effiziente Netzwerküberwachung und proaktives Port Trunking zur optimalen Bandbreitennutzung. IEEE 802.3ad ermöglicht die Link-Bündelung, LACP sorgt für die maximale Bandbreitennutzung und generelles Bandbreitenmanagement verhindert unvorhergesehene Unterbrechung der Verbindung. SNMPv1/v2c/v3 unterstützt verschiedene Ebenen von Netzwerkmanagement, DHCP Option 82 sorgt für die IP-Adresszuweisung nach unterschiedlichen Richtlinien und die Port-Spiegelung unterstützt bei der Online-Fehlersuche und -Beseitigung.

Integrierte Cyber-Sicherheit

Mittlerweile haben sich zahlreiche Sicherheitsfunktionen etabliert, die das Netzwerk gegen unerwünschte Zugriffe von außen absichern. So zum Beispiel Radius, TACACS+, IEEE 802.1X, HTTPS und SSH für Port-basierte Authentifizierung. Die Lock-Port-Funktion stellt den Zugriff für autorisierte Mac-Adressen sicher. Im Ausnahmefall greift die automatische Warnfunktion durch E-Mail oder Relais-Output. Auf der Netzwerkmanagement-Ebene sorgt SNMPv3 Sicherheit für SNM-Verschlüsselung, Nachrichtenintegrität und Authentifizierung und VPN/Firewall/NAT schützen kritische Geräte innerhalb des Netzwerks.

Echtzeit-Ethernet in der Prozessautomatisierung mit IEEE 1588 PTP

Eine synchronisierte Gesamt-Systemzeit stellt die präzise und zuverlässige Umsetzung verteilter Mess- und Steuerungssysteme sicher. IEEE1588 PTP ist ein hauptsächlich in Ethernet-Umgebungen eingesetztes Packet-basiertes Protokoll, das die Zeit zwischen einem Master und einem Slave synchronisiert und Frequenz sowie Zeit verteilt.  Das heißt, es unterstützt dabei, Messzeitpunkte (Stichproben, Triggern) zu koordinieren, Zeitintervalle zu messen, die Abfolge von Ereignissen zu bestimmen, um als Referenz zu dienen und das Alter von Datenpunkten zu bestimmen. Es dient als Basis für die Ausführung koordinierter Aktionen (Zeitbasiertes Verhalten), wie die planmäßige Ausführung von Scripts oder die planmäßige Ausführung wechselseitiger Ausschlüsse. Des Weiteren entkoppelt IEEE1588 PTP die Kommunikation von der Ausführung. Es bietet eine Genauigkeit von unter 100 ns in einem Datennetzwerk, benötigt allerdings Unterstützung durch die Hardware und lässt sich nur in begrenzten Bereichen anwenden. Da es sich in bestehende Netzwerkinfrastrukturen integrieren lässt, ist IEEE1588 PTP jedoch eine kosteneffiziente Lösung für die Zeitsynchronisierung.


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