Unterschiedliche Netzsegmente koppeln

Wenn zwei oder mehrere verschiedene Netzwerkumgebungen miteinander kommunizieren müssen, ist es besser, diese über Medienkonverter zu koppeln, als ganze Netzsegmente auszutauschen. Dabei übernehmen die Medienkonverter eine Schlüsselfunktion, da sie sowohl die Funktion als auch für die Zuverlässigkeit an dieser Übergangsstelle gewährleisten müssen. Zudem arbeitet nahezu jedes Segment mit anderen Protokollen. So muss der Konverter bei der Anbindung eines Koax-Netzes an ein Datennetz die Koax-Daten in Bezug auf die Performance und Datenintegrität sogar optimieren.

Noch mehr Vielseitigkeit ist gefragt, wenn Medienkonverter in industriellen Umgebungen eingesetzt werden. Dort ist es nicht immer möglich, für Konverter, Switches und Hubs Geräteschränke mit kontrolliertem Klima und elektromagnetischer Abschirmung aufzustellen. Daher müssen die Konverter überaus robust ausgeführt sein, um vielfältigen Umwelteinflüssen zu trotzen. Feuchtigkeits- und Temperaturschwankungen sind in größeren Industriebetrieben üblich. Hinzu kommen Staub, eventuell Tauwasser, Vibrationen und die Belastung mit unterschiedlichen Gasen. Elektrische Felder in unterschiedlichen Frequenzen können massive Störeinstrahlungen bewirken, die im schlimmsten Fall die Funktion des eingesetzten Geräts beeinträchtigen. Darüber hinaus gibt es häufig größere Schwankungen in der Spannungsversorgung. All das muss beim Design eines Medienkonverters berücksichtigt werden. So gibt es Medienkonverter, die sich bei Umgebungstemperaturen von -40 °C bis +65 °C oder gar +75 °C einsetzen lassen. Damit eignen sie sich auch für Walzstraßen und andere thermische Umformbetriebe.

In industriellen Anwendungsbereichen ist eine redundante Spannungsversorgung über zwei Niedervolt-Gleichspannungseingänge sowie ein Betriebsspannungsbereich von 12 bis 48 V inklusive Überspannungsschutz gängig und schützt vor Spannungsschwankungen. Darüber hinaus sollten zum Beispiel Medienkonverter von einer Kupferdatenanbindung zum GbE-LWL-Backbone (1000Base-X) neben einer flexiblen 10/100/1000Base-T-Autosensing- und Autocross-Funktion (Auto MDI/MDI-X) auch Link Fault Pass Through (LFPT) unterstützen. Autocross erkennt automatisch einen Port und passt ihn entsprechend an. LFPT erkennt Signalfehler oder einen Ausfall der Datenübertragung an beiden Ports und gibt entsprechende Fehlermeldungen an den anderen Port weiter, damit dieser nicht einfach weitersendet. Auf diese Weise kann die Integrität auf beiden Seiten der Kopplung überwacht werden.

Zeitkritische Kommunikation

Ein nicht zu vernachlässigender Aspekt industrieller Standorte ist die dort vorhandene Hardware. Die Unternehmen verwenden zum Teil Modbus oder andere Feldbussysteme sowie verschiedene serielle Protokolle. Neben proprietären Befehlssätzen stellen die stark differierenden Geschwindigkeiten dieser Lösungen die Konverter vor besondere Aufgaben.

Da in Fertigungsnetzen neben Servern und Steuerungs-PCs auch Maschinen miteinander vernetzt sind, ist die Signalübertragung oft sehr zeitkritisch. Großbetriebe arbeiten meist mit selbst getakteten Fertigungsstraßen, bei denen die Anbindung zum Unternehmensnetz nicht so zeitkritisch ist. Doch im Mittelstand findet man oft autonome Fertigungs-Cluster, bei denen die Steuerung der einzelnen Prozessschritte in Echtzeit erfolgt. Zumindest muss die Verzögerung im Netz genau definiert und reproduzierbar sein. Nur so lassen sich die Delays gezielt kompensieren.

Die Herausforderung für Medienkonverter liegt in der Schnittstelle zum paketbasiert arbeitenden Ethernet. Bei Ethernet-Übertragungen treten Kollisionen auf, und Übertragungen werden unterbrochen. Die Vorhersage, wann eine Information verfügbar ist, ist deshalb die größte Schwachstelle des Standard-Ethernets. Für Industrieumgebungen würde diese klassische Form des Ethernets unweigerlich das Chaos bedeuten, denn sukzessiv gesteuerte Abläufe sind so nicht zu realisieren. Sie benötigen eine zeitgenaue Zuweisung der Bandbreite zum Datentransfer.

In Kollisionsdomänen gliedern

Verschiedene Verbesserungen haben das Ethernet-Protokoll dennoch weitgehend tauglich für die industrielle Anwendung gemacht. Das Wichtigste ist die Einteilung eines Netzwerks in verschiedene Kollisionsdomänen. Wird beispielsweise eine Büroumgebung über einen Medienkonverter und Glasfaser an eine Fertigung angebunden, unterteilt der Netzwerkverantwortliche den Fertigungsbereich am besten mit mehreren Routern in kleine Kollisionsdomänen. Integriert er in jede dieser Domänen noch Switches, ist der Signalfluss deutlich optimiert.

Da diese Switches oft direkt in der industriellen Umgebung platziert sind, gelten für sie - wie für die Medienkonverter - die erhöhten Anforderungen gegenüber den dort vorherrschenden Einflüssen. Neben der robusten Ausführung kann auch hier eine flexible Anschlusstechnik für längere Standzeiten sorgen. Denn eine nicht ausgelastete GbE-Verbindung sorgt für deutlich niedrigere Latenzzeiten als eine ausgelastete Fast-Ethernet-Verbindung. So sollten die Kupfer-Ports 10/100/1000Base-T-Autosensing und Autocross unterstützen und die LWL-Ports zum Beispiel mit SFP-Combo-Ports für 100/ 1000Base-X ausgestattet sein.

In der Regel werden sowohl die Switches als auch die Medienkonverter für den Industriebereich in einer Managed- und einer Unmanaged-Ausführung angeboten. Ersteres bietet sich an, wenn der Status der Verbindung permanent überwacht werden soll. Unmanaged Switches und Konverter lassen sich dafür unkomplizierter in bestehende Umgebungen einbinden.

Fazit

Die Aufgaben für Netzwerkkomponenten in industriellen Umgebungen werden zunehmend anspruchsvoller. Zum einen ist noch sehr viel alte Netzwerkstruktur vorhanden, zum anderen stellen moderne Fertigungsprozesse und -maschinen immer höhere Anforderungen an die eingesetzten Netzwerkumgebungen. Medienkonverter spielen hier eine wichtige Rolle, da in Zeiten zurückhaltender Investitionen günstige und zuverlässige Lösungen gefragt sind, um die unterschiedlichen Standards unter einen Hut zu bekommen. Natürlich ist in diesem Zusammenhang die Zuverlässigkeit der eingesetzten Hardware ein kritischer Faktor. IT-Verantwortliche sollten daher bei der Auswahl der jeweiligen Komponenten auf eine explizite Tauglichkeit für die schwierigen Umgebungsparameter achten und auf besonders robuste Produkte setzen.