Industrial Ethernet als Alternative

Der Switch macht den Determinismus

10. März 2020, 14:30 Uhr   |  Von Rich Miron, Applications Engineer bei Digi-Key Electronics


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Ethernet auf Hutschienen

Demgegenüber ist ein Ethernet-Netzwerk-Switch ein „intelligentes“ Gerät. Es speichert die eindeutige MAC-Adresse aller Geräte, die mit dem Switch verbunden sind, in einer internen MAC-Adresstabelle, üblicherweise in Hochgeschwindigkeits-RAM. Weil der Switch die MAC-Adressen aller Geräte kennt, die mit ihm verbunden sind, kann er Datenpakete ausschließlich an den Port senden, für den sie bestimmt sind. Wenn also Port 3 ein Datenpaket an Port 22 sendet, leitet der Switch das Datenpaket nur an Port 22 weiter.

Ein Switch ist in der Lage, zahlreiche simultane Datenkommunikationen zu bewältigen. Daher kann Port 3 Daten an Port 22 senden, während Port 4 gleichzeitig Datenpakete an Port 7 sendet. Somit gibt es keine für Ethernet Hubs typische Kollisionen mehr, und gleichzeitig erhöhen sich die Geschwindigkeit, die Effizienz und der Durchsatz des gesamten Netzwerks. Da die einzige Verzögerung in der bekannten (im Datenblatt angegebenen) Schaltgeschwindigkeit des Switches liegt, sind Netzwerk-Switches für ein deterministisches Ethernet-Netzwerk unabdingbar.

Darüber hinaus entsteht durch den Netzwerk-Switch eine zusätzliche Sicherheitsschicht. Weil jeder einzelne Port nur die Datenpakete erhält, die für ihn bestimmt sind, lässt sich das Netzwerk nicht mit einem Gerät überwachen, das an einen Port gesteckt wird.

Die Switches für Industrial Ethernet sind sogar noch solider als handelsübliche Ethernet Switches. Während handelsübliche Ethernet Switches für leichte Belastungen zu Hause oder im Büro geeignet sind, können Industrial Ethernet Switches auch der rauen Umgebung in einer Fabrikhalle standhalten; sie sind sogar bei starken Vibrationen, Stößen und extremen Temperaturen einsetzbar. Zudem sind Switches für Industrial Ethernet darauf ausgelegt, dass sie auch in Umgebungen mit explosiven Gasen sicher nutzbar sind und korrosiver Atmosphäre standhalten.

Delta Electronics
© Delta Electronics

Der Industrial Ethernet Switch DVS-016W01 von Delta Electronics unterstützt 16 Ethernet Ports und wird auf Hutschienen oder einer Wandhalterung montiert.

Ein typischer Industrial Ethernet Switch ist der auf Hutschienen montierbare DVS-005W01 von Delta Electronics mit fünf Ports.

Wie alle Ethernet Switches überträgt der DVS-005W01 die Datenpakete nur an den Empfänger-Port. Er unterstützt 100BASE-T-Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 100 Mbit/s. Die MAC-Adresstabelle unterstützt 1024 Einträge, und für die weitergeleiteten Datenpakete steht ein Zwischenspeicher mit 512 kB zur Verfügung. Im Gegensatz zu handelsüblichen Switches und Hubs, die über eine einzige Stromversorgung verfügen, hat der DVS-005W01 zwei redundante Stromeinspeisungen für 12 bis 48 V; wenn also eine Stromversorgung versagt, lässt sich ganz einfach ohne zusätzliche externe Hardware die zweite Stromversorgung einschalten.

Der DVS-005W01 unterstützt eine interne Schaltgeschwindigkeit von 1 Gbit/s; das ist die Geschwindigkeit des Netzwerk-Switches bei der Verarbeitung ankommender und ausgehender Datenpakete. Dabei handelt es sich um eine wichtige Anforderung an deterministisches Verhalten, denn höhere Schaltgeschwindigkeiten bedeuten kürzere Verzögerungen.

Für komplexere Industrienetzwerke hat Delta Electronics auch den Ethernet Switch DVS-016W01 mit 16 Ports im Angebot. Der Switch bietet eine MAC-Adresstabelle, die 8192 Einträge unterstützt, sowie einen 1-Mbit-Zwischenspeicher für Datenpakete. Er unterstützt eine interne Schaltgeschwindigkeit von 3,2 Gbit/s.

Der 5-Port-Switch und der 16-Port-Switch von Delta Electronics sind beide „unmanaged“, das heißt, sie funktionieren nach dem Plug&Play-Prinzip. Sobald ein Netzwerkgerät in einen der Ports gesteckt wird, erkennt der Switch automatisch die MAC-Adresse des Geräts und speichert sie in seiner internen MAC-Adresstabelle. Die Autoerkennung der MAC-Adressen funktioniert auch beim Aus- und Einschalten des Switches. Managed Switches verfügen über mehr Steuerungsfunktionen für den Datenverkehr pro Port, die bei der Installation konfiguriert werden müssen.

Zu den Switches sind Ethernet-Industriekabel in Schutzart IP67 oder IP68 erhältlich. Die Kabel halten hohen Belastungen stand und sind selbst dann einsetzbar, wenn sie extrem hohen oder niedrigen Temperaturen, aggressiven Lösungsmitteln, Wasser oder sonstigen Einflüssen ausgesetzt sind. Kabel für Industrial Ethernet sind zudem widerstandsfähiger, wenn sie abgeknickt, verdreht oder gedehnt werden oder sonstige Belastungen erfahren, die in Fabrikhallen auftreten können.

Für Anwendungen in der industriellen Automatisierung gelten Anforderungen in Bezug auf Kommunikations-Latenzzeiten, Determinismus und robuste Hardware, die weit über die Möglichkeiten des Standard-Ethernet hinausgehen. Allerdings können Entwickler und Anlagentechniker ein Ethernet einrichten, das den industriellen Anforderungen entspricht, indem sie deterministische Kommunikationsprotokolle und für diese Zwecke vorgesehene Switches und Kabel verwenden.

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