Wirtschaftliches Ethernet in rauen Umgebungen
Mehr Modulariät
Vor nunmehr vierzig Jahren entstanden die ersten Konzepte für Ethernet. Anfangs fast ausschließlich bei Anwendungen in Verwaltungsgebäuden und Büros anzutreffen, eroberte Ethernet nach und nach seinen Platz in der Automatisierungstechnik. Die Industrie erkannte bald die Vorteile eines unternehmensweit einheitlichen Protokolls, und so kamen Ethernet-fähige Geräte auf den Markt, die den speziellen Anforderungen der industriellen Fertigungsumgebung entsprachen.Unaufhaltsam entwickelte sich Ethernet weiter und bietet seine Vorzüge mittlerweile in Bereichen an, die bislang der klassischen Automatisierungstechnik vorbehalten waren. Trotz aller technischen Vorteile dürfen die wirtschaftlichen Aspekte dabei nicht außer Acht gelassen werden - irgendjemand muss schließlich alles bezahlen. Ein durchgehend modularer Ansatz mit bedarfsgerechten Erweiterungen bietet dabei eindeutige Vorteile. Hochautomatisierte Fertigungsstraßen, präzise Abfüllanlagen, geschäftige Schweißroboter - mit Industrial Ethernet lassen sich Fertigungsprozesse effektiv steuern und optimieren. Ein durchgängiges Protokoll für Arbeitsvorbereitung, Fertigungsplanung, Materialwirtschaft, Fertigung und Logistik ermöglicht einen einfachen, effizienten Datenaustausch. Sind die Anlagen dann noch mit denen des Kunden vernetzt, kann dieser seine Fertigung präzise auf die des Zulieferers abstimmen. Auch der Vertrieb kann auf die Daten der Fertigung in Echtzeit zugreifen und so mit seinen Kunden präzise, verlässliche Terminpläne für Supply-Chain-Services erarbeiten, die exakt auf deren Prozesse abgestimmt sind. Die Vorteile, die Industrial Ethernet bietet, sind jedoch nicht auf reine Industrie-Anwendungen beschränkt. Längst hat diese Technik die reine Fertigungsumgebung verlassen und ist zum Synonym für sämtliche Ethernet-Anwendungen geworden, die aufgrund besonderer Umgebungsbedingungen erhöhte Anforderungen an Robustheit, Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit stellen. Wer soll das bezahlen? Die erhöhten Anforderungen an die Industrial-Ethernet-Komponenten schlagen sich zwangsläufig im Preis nieder. Mit der höheren Produktqualität und entsprechenden Redundanzlösungen für eine erhöhte Ausfallsicherheit gehen meist höhere Kosten einher. Im Industriebereich wirken sich höhere Kosten jedoch meist verheerend auf die Wettbewerbsfähigkeit eines Betriebs aus. Hochverfügbare, flexible und gleichzeitig wirtschaftliche Lösungen sind dann gefordert, deren Kosten sowohl unter den Gesichtspunkten der Errichtung (Capital Expenditure - CAPEX) wie auch des laufenden Betriebs (Operational Expenditure - OPEX) in vorhersehbaren, betriebswirtschaftlich sinnvollen Grenzen bleiben. Die Lösung: Ein modularer Aufbau der Industrial Ethernet-Komponenten, der bedarfsgerechte Investitionen ermöglicht und damit die Kosten anforderungsabhängig verteilt und auf ein notwendiges Mindestmaß begrenzt. Nichts Neues unter der Sonne Der modulare Ansatz ist nicht grundsätzlich neu. Modulare Konzepte waren Wegbereiter der bemannten Raumfahrt und der Schlüssel zu deren spektakulären Erfolgen in den Sechzig Jahren des vorigen Jahrhunderts. Baugruppen, die die Techniker bedarfsabhängig kombinierten, ausbauten und ergänzten, machten bis dahin unerreichte Erfolge möglich. Auch in der Informationstechnik haben sich modulare Konzepte bewährt. Blade-Center, Core-Switches, High-Density-Verteilfelder - alle bauen auf diesem Konzept auf. Und durch ständig gekürzte Budgets nimmt die Bedeutung modularer Konzepte weiterhin zu. High-Tech wird wirtschaftlich Bei vielen Anwendungen ist schon allein der Platzbedarf ein Kostenfaktor. Besonders bei rauen Umgebungsbedingungen sind hohe Port-Dichten in den meist knapp bemessenen Verteilern unabdingbar. Switch-Module mit hoher Port-Zahl bieten Höchstleistung bei minimalen Abmessungen. Bei Modulen mit Kupfer-Ports sollten diese sinnvollerweise nicht nur Power over Ethernet (PoE) nach IEEE 802.3af, sondern auch Power over Ethernet + (PoE+) nach IEEE 802.3at zur Versorgung der angeschlossenen Endgeräte bieten. Im Idealfall ist der Switch selbst bei Bedarf ebenfalls über PoE/PoE+ als Powered Device zu versorgen. Aus Platz- und Kostengründen sollten modulare Switches nicht von vornherein mit einer großen Anzahl nicht belegter Reserve-Ports installiert sein. Es ist unwirtschaftlich, bereits heute Anschlussmöglichkeiten für eventuelle künftige Endgeräte vorzuhalten. Große Chassislösungen mit leeren Steckplätzen für spätere Nachrüstungen von kompletten Anschlussmodulen scheiden aus demselben Grund aus. Module, die über ein eigenes Gehäuse verfügen und die sich bedarfsgerecht anreihen lassen, lösen das Problem. Mit dreizehn Gigabit-Ports, von denen vier als Combo-Ports mit SFP-Modulen zu Glasfaseranschlüssen ausgebaut werden können, bietet beispielsweise das Switch-Basismodul der Profiline-Modular-Serie von Microsens eine hohe Leistung auf engem Raum und trägt den Forderungen nach Flexibilität, Wirtschaftlichkeit und hoher Port-Dichte bei Geringem Platzbedarf Rechnung. Neben den Gigabit-Ethernet-Ports enthält das Modul zwei Alarmeingänge und zwei Ausgänge. Damit sind sowohl eine einfache, problemlose Stand-alone-Lösung für gezielte Alarmierungen wie auch eine problemlose Integration in ein vorhandenes Alarmmanagement implementierbar. Erweiterungsmodule mit sechs oder zwölf Gigabit-Ethernet-Ports lassen sich einfach seitlich anreihen. Wie das Basismodul verfügen sie ebenfalls über Gigabit-Combo-Ports, was eine hohe Anzahl von Glasfaseranschlüssen bedarfsgerecht und nutzungsabhängig ermöglicht. Module für gängige industrielle Bustechniken und mit reinen I/O-Ports sind geplant. Professionelles und modulares Design muss bei Kosten und Platzbedarf aber noch einen entscheidenden Schritt weiter gehen: Auch die Backplane selbst muss vollständig modular aufgebaut sein und zusammen mit den Erweiterungsmodulen bedarfsabhängig arbeiten können. Es ist nicht sinnvoll, bei der Erstinstallation von vornherein eine übergroße Backplane für künftige Erweiterungen mit zu installieren, denn dies würde die Vorteile des modularen Konzeptes bei Kosten und Platzbedarf zumindest bei diesem Punkt verschenken. Migrationspfad für künftige Funktionen Zukunftssichere modulare Switch-Plattformen müssen neben der flexiblen Erweiterung von Port-Zahl und Anschlusstypen auch Upgrades für künftige, zusätzliche Funktionen schnell und wirtschaftlich ermöglichen. Dies kann sehr einfach über Firmware-Upgrades geschehen, wenn die zu installierende Hardware dafür ausgelegt ist. In der Praxis haben sich hier Hochleistungs-Switch-Chip-Sets im Verbund mit leistungsstarken ARM-Prozessoren bewährt. Linux bietet als bewährtes und stabiles Betriebssystem eine solide Grundlage für eine intelligente, offene und langfristig zuverlässig arbeitende Lösung, die sich bei Bedarf auch kundenspezifisch anpassen lässt. Kurze Recovery-Zeiten sind Pflicht Kürzest mögliche Recovery-Zeiten bei geplanten Wartungsarbeiten, bei Firmware-Upgrades und auch bei Störungen entscheiden ebenfalls über die Wirtschaftlichkeit einer Industrial Ethernet-Lösung. Die Eliminierung aufwändiger Backup-Szenarien, Image-Verwaltung und Rekonfigurationsarbeiten sind ein wichtiger Schritt in diese Richtung. Der Einsatz von unempfindlichen, praxisbewährten SD-Karten, auf denen Betriebssystem, Firmware und die jeweilige Switch-Konfiguration gespeichert sind, ermöglich genau dies. Falls einmal ein Switch-Basismodul zu tauschen iste, wird die SD-Karte einfach dem zu tauschenden Modul entnommen und in das neue Modul gesteckt, das die darauf gespeicherten Einstellungen automatisch übernimmt. Eine zeitaufwändige Neukonfigurationen des Moduls oder das Aufspielen eines Software-Images sind bei diesem Verfahren nicht nötig. Lösungen mit SD-Karten sorgen damit für einen erheblich geringeren Administrationsaufwand der Geräte. Ein weiterer Vorteil dieses Konzepts: SD-Karten kann das firmeneigene Wartungspersonal auch ohne spezielle IT-Kenntnisse tauschen. Im Fehlerfall muss kein Spezialist vor Ort arbeiten. Wiederherstellungszeiten und die damit verbundenen Kosten sind damit auf ein Minimum reduziert. Fazit Robustheit, Ausfallsicherheit, Netzwerksicherheit, höchste Leistung und kürzest mögliche Recovery-Zeiten auch unter rauen Umgebungsbedingungen sind wichtige technische Anforderungen für Industrial Ethernet. Damit eng verbunden sind Forderungen nach größtmöglicher Flexibilität, maximaler Skalierbarkeit, kurzen Amortisationszeiten und einem möglichst hohen Investitionsschutz. Modulare Industrial Ethernet-Switches bewähren sich überall dort, wo solch hohe Ansprüche an Geräte, Baugruppen und Komponenten gelten. Dazu gehören traditionell besonders anspruchsvolle Fertigungsbereiche, die Überwachung von Tunnelanlagen und Pipelines, die Energieversorgung und der Berg- und Tagebau, aber auch die Sicherheitstechnik und das Transportwesen. Mit einem modularen "Pay as you grow"-Konzept lassen sich diese hohen Ansprüche flexibel, zukunftssicher und besonders wirtschaftlich umsetzen.
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