Beim Aufbau von Ethernet-Netzwerken werden verschiedene Klassen von Vermittlungsgeräten verwendet. Unabhängig davon lohnt es sich, nicht verwaltete Switches hervorzuheben - einfache Geräte, die die Arbeit eines kleinen Ethernet-Netzwerks schnell und effizient organisieren. Dieser Artikel bietet einen detaillierten Überblick über die nicht verwalteten industriellen Einstiegsschalter der EKI-2000-Serie.
Einführung
Ethernet ist seit langem ein wesentlicher Bestandteil jedes industriellen Netzwerks. Dieser Standard, der aus der IT-Branche stammt, ermöglichte es uns, eine völlig neue Ebene der Vernetzung zu erreichen. Die Geschwindigkeit hat zugenommen, die Zuverlässigkeit hat zugenommen und die Möglichkeit einer zentralen Verwaltung der Netzwerkinfrastruktur ist aufgetaucht. Die Entwickler von Datenübertragungsprotokollen ließen nicht lange auf sich warten. Fast alle wichtigen Industrieprotokolle wie Modbus TCP, EtherNet / IP, IEC 60870-5-104, PROFINET, DNP3 usw. verwenden das identische oder ungefähre OSI-Modell als Basis. Nutzdaten werden in einem Frame platziert und über ein Ethernet-Netzwerk übertragen. Nahezu jede moderne Steuerung, jeder intelligente Sensor oder jedes Bedienfeld ist mit einer Ethernet-Schnittstelle für die Verbindung mit dem gleichnamigen Netzwerk ausgestattet. Dies bedeutet, dass Sie theoretisch für ein industrielles Netzwerk Standard-Ethernet-Geräte verwenden können, die sich in einem Unternehmens-, Büro- und sogar Heimnetzwerk befinden. In der Praxis hat sich jedoch seit langem eine große Klasse von Geräten gebildet, die speziell für die Verwendung mit industriellen Ethernet-Netzwerken entwickelt wurden. Es umfasst Netzwerkgeräte, die speziell für die Arbeit in einer industriellen Umgebung angepasst sind, Zuverlässigkeit, Mindestlatenz gewährleisten und verschiedene Industriestandards einer bestimmten Branche erfüllen. Gleichzeitig ist die wichtigste „Kampfeinheit“ in der Regel ein industrieller Ethernet-Switch. Dies liegt an der Tatsache, dass der Switch ein Gerät ist, das eine zuverlässige und vor allem schnelle Interaktion zwischen Komponenten und Knoten eines industriellen Netzwerks ermöglicht.
Der Switch ist die optimale Lösung für ein industrielles Netzwerk
Industrieller Switch oder Switch (Switch) ist das Hauptgerät, mit dem ein industrielles Netzwerk aufgebaut wird. Warum wechseln? Schließlich gibt es andere Netzwerkgeräte wie einen Hub (Hub, Hub) oder einen Router (Router, Router). Alles ist mit Geschwindigkeit und Funktionalität verbunden. Das schnellste Gerät aus der Liste ist ein Hub. Vor einiger Zeit war dieser Gerätetyp aufgrund seines niedrigen Preises sehr beliebt. Tatsächlich ist ein Hub ein Multiport-Repeater. Er arbeitet auf physischer Ebene gemäß dem OSI-Netzwerkmodell und leitet die empfangenen Daten an alle verbundenen Ports weiter.
Ein solches Schema ermöglicht einerseits minimale Netzwerkverzögerungen, andererseits erhöht sich die Netzwerklast, da sich herausstellt, dass das Senden mit einer solchen Implementierung gesendet wird. Dies führte häufig zu einem starken Rückgang der Netzwerkleistung. Der Router wiederum ist ein Gerät, das gemäß dem OSI-Modell auf Netzwerkebene arbeitet und über eine sehr umfangreiche Funktionalität verfügt, die den Aufbau von Verkehrsübertragungsrouten ermöglicht. Eine solche Funktionalität erfordert eine höhere Leistung des Geräts als die Analyse des Informationspakets, beginnend mit dem Header der 3. Ebene des OSI-Modells und höher. Infolgedessen werden die Verzögerungen größer, da die Implementierung auf Routern meistens Software ist, der Preis natürlich höher ist und ähnliche Funktionen auf der Kernebene des Netzwerks gefragt sind.
Daher werden Switches in industriellen Ethernet-Netzwerken am häufigsten verwendet und haben gleichzeitig unterschiedliche Ebenen und Funktionen. Der Switch ist ein intelligenteres Gerät als ein Hub und schneller als ein Router, da er gemäß dem OSI-Modell auf der Datenverbindungsschicht arbeitet. Der Datenverkehr wird klar verteilt und sofort an den Empfänger gesendet, wodurch unnötige Belastungen der Netzwerkgeräte vermieden werden und andere Segmente keine Daten verarbeiten können, die nicht für sie bestimmt sind. Dies wird erreicht, indem die MAC-Adressen von Absendern und Zielen analysiert werden, die in jedem übertragenen Datenrahmen enthalten sind. Durch eine solche Umschaltung können Sie minimale Verzögerungen bei der Verteilung des Datenverkehrs erzielen und gleichzeitig ein akzeptables Preisniveau beibehalten.
In seinem Speicher enthält der Switch eine Tabelle (CAM-Tabelle), in der die Entsprechung der MAC-Adresse des Knotens und des physischen Ports des Switches angezeigt wird, wodurch nur die Netzwerklast verringert wird, da der Switch genau weiß, an welchen Port das Datenpaket weitergeleitet werden soll. Es ist jedoch zu beachten, dass der Schalter beim Einschalten oder Neustarten im Trainingsmodus funktioniert, da die Korrespondenztabelle leer ist. In diesem Modus werden die am Switch ankommenden Daten an alle anderen Ports gesendet, und der Switch analysiert die MAC-Adresse des Absenders und gibt sie in die Tabelle ein. Im Laufe der Zeit wird der Datenverkehr lokalisiert, da der Switch eine vollständige MAC-Adresszuordnungstabelle für alle Ports erstellt.
Mittlerweile bieten viele Hersteller von Netzwerkgeräten für industrielle Netzwerke präzise Switches als Geräte an, um die Interaktion zwischen Netzwerkknoten sicherzustellen. Das Portfolio verfügt über Switches mit verschiedenen Funktionen. In der Regel unterscheiden sie nicht verwaltete, verwaltete und L3-Switches. Wenn L3-Switches als Alternative zu Routern auf der Kernebene des Netzwerks verwendet werden und nur hochspezialisierte Probleme mit ihrer Auswahl verbunden sind, reduziert sich die Auswahl zwischen einem verwalteten und einem nicht verwalteten Switch auf die korrekte Definition der Aufgaben, die ein Netzwerkgerät lösen sollte. Betrachten Sie als Nächstes die grundlegenden Unterschiede zwischen verwalteten und nicht verwalteten Switches.
Verwaltete und nicht verwaltete Switches
Verwaltete und nicht verwaltete Switches sind zwei verschiedene Geräte, die auf der L2-Ebene des OSI-Modells arbeiten. Der nicht verwaltete Switch ist für die automatische gleichmäßige Verteilung von Geschwindigkeit und übertragenem Verkehr unter allen Netzwerkteilnehmern ausgelegt. Dies ist die optimale Lösung für Netzwerke mit einer kleinen Anzahl von Endgeräten. Zu den Vorteilen gehören:
- Ethernet-Netzwerk mit hoher Bandbreite;
- kurze Reaktionszeit;
- einfache Verwaltung;
- das Vorhandensein zusätzlicher Funktionen zur Verwaltung des Datenflusses.
Ein verwalteter Switch hat höhere Kosten, wird für große Netzwerke verwendet und kann den übertragenen Verkehr und die Geschwindigkeit vollständig steuern. Außerdem verfügt er über zusätzliche Verwaltungsfunktionen. Tatsächlich ist dies die optimale Lösung für Netzwerkabschnitte, in denen zusätzliche Funktionen für Segmentierung, Redundanz, Informationsschutz usw. erforderlich sind. Im Gegensatz zu einem nicht verwalteten Switch muss ein verwalteter Switch durch Angabe einer Reihe zusätzlicher und erforderlicher Einstellungen konfiguriert werden.
Nicht verwaltete Switches sind Plug-and-Play-Geräte, die keine komplexe Konfiguration und fundierte Kenntnisse erfordern. Mit ihnen können Sie den Austausch zwischen Geräten in einem Ethernet-Netzwerk ohne zusätzliche Einstellungen schnell organisieren. Mit diesen Switches können Ethernet-Geräte miteinander kommunizieren (z. B. SPS und HMI), eine Verbindung zum Netzwerk herstellen und Informationen vom Absender an den Adressaten übertragen. Sie werden mit einer festen Konfiguration geliefert und lassen keine Änderungen an den Einstellungen zu, sodass keine Frames priorisiert und zusätzliche Einstellungen vorgenommen werden müssen.
Nicht verwaltete Switches werden hauptsächlich zum Verbinden von Peripheriegeräten mit Netzwerkzweigen oder in einem kleinen autonomen Netzwerk mit mehreren Komponenten verwendet. In industriellen Umgebungen müssen Sie Schalter verwenden, die auf Ihre spezifischen Anforderungen zugeschnitten sind.
Industrielle Schalter sind für verschiedene industrielle Anwendungen wie Strom, Öl und Gas, Schienenverkehr und Infrastruktur usw. ausgelegt. Sie sind speziell für den Betrieb in einem erweiterten Temperaturbereich unter Vibrations- und Schockbedingungen konzipiert und tragen zur Schaffung eines kostengünstigen und zuverlässigen sicheren Netzwerks bei.
Advantech Industrial Switches der
EKI-2000- Serie sind Einstiegsgeräte, mit denen Geräte durch die Erstellung eines Ethernet-Netzwerks schnell miteinander verbunden werden können. Derzeit umfasst die
EKI-2000- Serie mehr als 25 Geräte. Die folgende Tabelle zeigt die Entschlüsselung der Bestellnummer.
Gleichzeitig können die Switches sowohl mit RJ-45-Ports als auch mit optischen Ports für die Datenübertragung über Single-Mode- und Multimode-Glasfasern ausgestattet werden, während die maximale Geschwindigkeit 1 Gbit / s erreichen kann.
Die Funktionalität nicht verwalteter Switches ist in der Regel nichts Außergewöhnliches. Lassen Sie uns jedoch sehen, welche Funktionen mit
Switches der Advantech
EKI-2000- Serie noch
verfügbar sind .
Automatische Erkennung des MDI / MDI-X-Verbindungstyps
Mit dieser Funktion können Sie jede Art von Ethernet-Gerät an die Switches anschließen, ohne über die Art des Kabels nachdenken zu müssen: gerade oder überkreuzt.
In der Regel wird der Netzwerkadapter über ein Durchgangskabel an Netzwerkgeräte der L2-Ebene (Hub oder Switch) angeschlossen. Um zwei identische Netzwerkgeräte miteinander zu verbinden oder beispielsweise einen Netzwerkadapter mit einem Router, muss ein Crossover-Kabel verwendet werden. Durch das Vorhandensein der MDI / MDI-X-Funktion können Sie jeden Kabeltyp mit dem Switch verwenden.
Automatische Netzwerktyperkennung (Auto-Negotiation)
Diese Funktion, die MDI / MDI-X folgt, bezieht sich auf Plug and Play und ermöglicht es Ihnen, die Art des Netzwerks und die Baudrate, die vom Ethernet-Standard bereitgestellt werden, automatisch zu bestimmen. In der Praxis ist dies besonders wichtig, da Geräte mit verschiedenen Geschwindigkeitseigenschaften von 10 Mbit / s bis 1 Gbit / s in einem vorhandenen Netzwerk verwendet werden können. Auto-Negotiation kann das Leben von Netzwerkbenutzern erheblich vereinfachen. Das Gerät selbst "stimmt" hinsichtlich der Geschwindigkeit mit der Grenze "Ethernet-Nachbar" überein.
Broadcast Storm Protection
Broadcast Storm Protection ist auch eine sehr nützliche Funktion für Switches. Ein Broadcast-Sturm wird normalerweise durch „Schleifen“ im lokalen Netzwerk oder durch das falsche Verhalten eines der Netzwerkteilnehmer verursacht. In solchen Fällen wird das Netzwerk mit einer großen Anzahl nutzloser Frames gefüllt, was sich auf seine Geschwindigkeit auswirkt.
Die Broadcast Storm Protection-Funktion am Switch filtert Broadcast-Frames automatisch heraus. Und wenn der Broadcast-Verkehr einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, bleibt das Netzwerk weiterhin betriebsbereit, da der Switch automatisch Bandbreite für die Übertragung herkömmlicher Frames reserviert.
Der Broadcast-Sturmschutz auf nicht verwalteten
EKI-2000- Switches ist standardmäßig aktiviert. Detaillierte Informationen zu den Schwellenwerten für jedes Modell müssen auf der offiziellen Website des Herstellers angegeben werden.
P-Fail-Relais
Zunächst sind die meisten Modelle der
EKI-2000- Serie für einen Eingangsspannungsbereich von 12 ... 48 V DC ausgelegt. Der Eingang ist doppelt vorhanden und schützt vor Verpolung sowie Überstrom durch eine rücksetzbare Sicherung. Am Eingang befindet sich ein Spannungskomparator. Wenn an beide Eingänge Spannung angelegt wird, wählt der Komparator automatisch einen höheren Wert aus und macht diesen Eingang zum Haupteingang. Wenn die Spannung an einem der Eingänge verschwindet oder der Pegel unter 12 V fällt, schaltet der Schalter automatisch auf den zweiten Kanal und schließt das P-Fail-Relais. Mit dieser Funktion können Sie den Status des Stromversorgungsnetzes der Switches überwachen und schnell einen abnormalen Betrieb signalisieren.
LED-Anzeige
Mit dieser Funktion können Sie den Status des Schalters während seiner Sichtprüfung beurteilen. Jeder Datenport des Switches der
EKI-2000- Serie verfügt über zwei LEDs zur Anzeige der Baudrate, des Verbindungsstatus und des möglichen Kollisionsstatus. Es gibt auch LEDs, die die P-Fail-Relais duplizieren und gleichzeitig arbeiten, wenn einer der Stromkreise unterbrochen wird.
PoE (Power-over-Ethernet)
Die nicht verwalteten Switches der
EKI-2000- Serie verfügen über Power-over-Ethernet. Sie können Remote-Geräte gemäß den Standards IEEE 802.3af und IEEE 802.3at (PoE +) mit Strom versorgen, wobei eine Übertragungsleitung, die auf einem Twisted Pair-Kabel der Kategorie 5e und höher basiert, als Stromleitung verwendet wird. Es wird empfohlen, für diese Schalter einen Nennwert von 53 ... 57 V DC als Netz zu verwenden, um einen Spannungsabfall in der Leitung zu vermeiden.
Eingebauter Schutz gegen elektromagnetische Störungen und elektrostatische Entladung
Die
Schalter der EKI-2000- Serie
verfügen über ein integriertes Filtersystem zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen und statischer Spannung. Über die Stromleitung kann der Schalter für kurzzeitiges Impulsrauschen mit einer Amplitude von bis zu 3000 V DC sowie für elektrostatische Entladungen an RJ-45-Ports bis zu 4000 V betrieben werden.
Konstruktiv
Absolut alle Schalter der
EKI-2000- Serie haben ein robustes Metallgehäuse mit der Schutzart IP30. Strukturell kann die
EKI-2000- Serie in zwei Versionen hergestellt werden, entweder als Version zur Montage auf einer DIN-Schiene oder zur Montage in einem 19ʺ-Rack. Alle notwendigen Montage ist enthalten. Schalter, die für die Montage auf einer DIN-Schiene vorgesehen sind, können auch auf einer Schalttafel montiert werden. Die Montage wird mitgeliefert.
Fazit
Industrielle nicht verwaltete Switches sind Geräte, die speziell für die Arbeit in einer industriellen Umgebung angepasst sind. Sie bieten eine zuverlässige und schnelle Interaktion zwischen Ethernet-Knoten und erfordern keine zusätzlichen Einstellungen und Konfigurationen. Derzeit ist ein nicht verwalteter Switch ein einfaches Budget-Netzwerkgerät, das eine relativ große Anzahl grundlegender Aufgaben im Zusammenhang mit der Organisation des Austauschs über ein Ethernet-Netzwerk lösen kann. Es ist keine Konfiguration erforderlich. Entfernen Sie einfach den Schalter aus der Box und schließen Sie alle erforderlichen Anschlüsse an.
Die Advantech
EKI-2000- Serie von nicht verwalteten Switches, die zur beschriebenen Geräteklasse gehört, unterstützt eine Vielzahl wichtiger und notwendiger Funktionen wie die automatische Erkennung des MDI / MDI-X-Verbindungstyps, die automatische Erkennung des Netzwerktyps (Auto-Negotiation), den Schutz vor Broadcast Storm und PoE , Schutz vor elektromagnetischen Störungen und elektrostatischen Entladungen usw. Zusammen ermöglichen all diese Funktionen die Verwendung des
EKI-2000 zur Lösung grundlegender Aufgaben bei der Organisation der Interaktion zwischen Netzwerk- und Endknoten.
Anwendungsbeispiel
Einer der Kunden von Advantech ist die
China National Petroleum Corporation (CNPC) . Um die Datenübertragungsmöglichkeiten zu erweitern und gleichzeitig die damit verbundenen Kosten zu senken, hat sich CNPC für die Advantech-Lösung zur Überwachung und Verwaltung des Ölfelds entschieden. Daten werden über das Mobilfunknetz vom Feld zur Zentrale übertragen. Die
BB-SL306-Router wurden mit den
EKI-2525I-Switches in Schränken in der Nähe der Pumpenräume installiert und bieten Netzwerkkonnektivität für Feldgeräte wie Kameras, SPS, RTUs und andere Geräte.
Literatur
1.
Eine Einführung in Industrial Ethernet2.10
Fragen, die vor der Auswahl eines Ethernet-Switches gestellt werden müssen3.
EKI-2525 10 / 100Base-TX Industrial Unmanaged Ethernet Switch mit 5 Anschlüssen. EKI-2528 8 / Port 10 / 100Base-TX Industrieller nicht verwalteter Ethernet-Switch: BenutzerhandbuchDer Autor ist Mitarbeiter von
PROSOFT