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Redundanz für mehr Sicherheit

Text: Uwe Nolte, Phoenix Contact
Redundanzfunktionen sind für die Verfügbarkeit in Automatisierungsnetzwerken besonders wichtig. Nun stehen Industrial Ethernet Switches zur Verfügung, die direkt in einen Device Level Ring eingebunden werden können und mit CIP ausgestattet sind.

Aufgrund der konsequenten Verwendung der Ethernet-Standards gemäß IEEE 802.3 lassen sich mit Ethernet/IP alle klassischen Netzwerkstrukturen umsetzen. Hierzu kommen Netzstrukturkomponenten wie Switches zum Einsatz. Außerdem beinhalten viele aktuelle Ethernet/IP-Automatisierungsgeräte zwei physikalische Ethernet-Ports. So können sie in der Feldebene direkt mit einer Bustopologie verkabelt werden, die sich auch zu einem Ring schließen lässt. In einer Ethernet-Topologie ist ein Ring allerdings nur dann realisierbar, wenn der redundante Port über einen Redundanzmechanismus blockiert ist und lediglich bei einer Ringunterbrechung aktiviert werden kann. Zu diesem Zweck wird in Ethernet/IP-Netzwerken die Redundanztechnik Device Level Ring (DLR) genutzt.

Device Level Ring

Die DLR-Technik zeichnet sich durch geringe Wiederherstellungszeiten von drei Millisekunden und somit eine nahezu stoßfreie Umschaltung der Teilnehmerkommunikation aus. Über DLR lassen sich Steuerungen und Feldgeräte in einem schnellen redundanten Ring installieren. Die Integration von Standardkomponenten wie Industrie-PCs oder anderer nicht-DLR-fähiger Ethernet/IP-Teilnehmer erfolgte dabei bislang über die Vorschaltung spezieller Drei-Port-Geräte. Die so genannten Ethernet/IP-Taps sind über zwei Ports in den DLR-Ring eingebunden und koppeln über den dritten Port die jeweilige Standardkomponente an. So wurden bisher auch Switches angebunden, die beispielsweise für die überlagerte Vernetzung der Steuerungszellen verantwortlich sind.

Mit den Advanced Managed Switches der Produktfamilie FL Switch 7000 stehen Switches zur Verfügung, die direkt in einen DLR-Ring eingefügt werden können. Dadurch ergeben sich Vorteile bei der Installation und Ausführung von Ethernet/IP-Netzwerken. In kleinen und mittelgroßen Maschinennetzen, die in einem Ring umgesetzt sind, lassen sich mit den Switches bis zu sechs Komponenten wie Bedienen-und-Beobachten-Geräte, Industrie-PCs, Scanner und weitere Feldmodule in die Automatisierungslösung integrieren. Handelt es sich um größere Maschinen- und Anlagennetzwerke, koppeln die Geräte die DLR-Ringe direkt und redundant auf der Maschinenebene an das überlagerte Netzwerk an. Neben dem DLR-Ring unterstützen die Advanced Managed Switches dazu das universelle Rapid Spanning Tree Protocol. Die kombinierte Funktion eines Switches mit Device Level Ring vereinfacht also die Netzstruktur und reduziert die Anzahl der Komponenten sowie den Installationsaufwand.

Unterbrechungen erkennen

Der Supervisor organisiert im DLR-Ring das Management der Redundanz‑​umschaltung. Diese Funktion kann sowohl von der Steuerung als auch von den Advanced Managed Switches übernommen werden. Die als Supervisor fungierende Komponente blockiert einen ihrer beiden Ports für die Standard-Ethernet-Kommunikation. Der Ring stellt sich für die Standard-Übertragung als Linienstruktur dar. Spezielle DLR-Kontrolltelegramme, sogenannte Beacons, können den Ring jedoch in beide Richtungen nutzen. Mit ihnen prüft der Supervisor kontinuierlich die störungsfreie Funktionsweise der Ring­struktur. Kommt der Beacon nicht innerhalb eines vorgegebenen Timeouts wieder beim Supervisor an, wird ein Fehler unterstellt und daraufhin der zweite Port des Supervisors wieder für sämtliche Nachrichtentypen geöffnet. In diesem Fall betreibt der Supervisor somit zwei Teillinien, in die weiterhin Beacons verschickt werden.

Common Industrial Protocol

Abgesehen von den Redundanzoptionen wird die Verfügbarkeit des Netzwerks von anwendergerechten Diagnosefunktionen beeinflusst. Ethernet/IP verwendet hier das CIP als Anwendungsschnittstelle. Damit die Konfiguration und Diagnose der Switches direkt aus dem Ethernet/IP-Steuerungssystem möglich ist, arbeiten die Geräte mit einem Switch-Profil über CIP. Per EDS-Files, Electronic Data Sheet, lassen sich die Switches in das Engineering des Steuerungssystems integrieren. Das EDS-File enthält alle erforderlichen Informationen über die Parameter, die via CIP eingestellt werden können. Für den Redundanzmechanismus DLR steht ein spezielles Objekt im CIP zur Verfügung. Auf diese Weise kann der Zustand des Rings jederzeit auch von der Applikation individuell ausgewertet werden. Ringunterbrechungen sind schnell erkannt und Wartungsmaßnahmen werden sofort eingeleitet.

Weil Ethernet/IP für die E/A-Kommunikation häufig Multicasts einsetzt, muss der Anwender dies bei der Netzwerkplanung berücksichtigen, um unerwünschte Netzlasten zu vermeiden. Deshalb umfassen die Advanced Managed Switches Mechanismen, die den Multicast-Verkehr filtern und den Datenstrom nur an die jeweiligen Zielteilnehmer weiterleiten. Dazu analysiert der Switch bei aktiviertem IGMP Snooping (Internet Group Management Protocol) den Netzwerkverkehr und ordnet die Ports den entsprechenden Gruppen zu. Die empfangenen Multicast-Telegramme werden dann lediglich an die Ports gesendet, die Teilnehmer der jeweiligen Multicast-Gruppe sind.

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