Industrielle Automation für Redundante Netzwerke

Ausfallsicherheit ist bei industriellen Netzen ein wichtiges Thema. Mehr noch als in kommerziellen Büroumgebungen sind Industrienetze oft „mission-critical“. Ein Ausfall führt oft schnell zu großen Problemen oder gar Notfällen. Das Risiko eines Ausfalls der Netzwerkverbindung lässt sich jedoch durch Redundanzmaßnahmen deutlich verringern.
In der Automatisierung kommt man an der Netzwerkredundanz mittels Ringtechnologie nicht vorbei. Während theoretisch eine Redundanz aller(!) beteiligten Komponenten notwendig ist, beschränkt man sich in der Praxis häufig auf die mit überschaubarem Aufwand zu realisierenden -und bezahlbaren- Maßnahmen.

Vorteil redundanter Netzwerke

Der Vorteil von redundanten Netzwerken liegt in der erhöhten Ausfallsicherheit für alle Teilnehmer.

Denn während in Unmanaged Netzwerken aufgrund der strikt einzuhaltenden Sterntopologie ein Netzwerk-Switch nur über genau einen einzigen Weg erreichbar ist und darum jeder Ausfall eines beliebigen Switch auf dem Weg zum Teilnehmer diesen sofort „im Dunkeln“ stehen lässt, gibt es in Ringnetzwerken zu jedem Switch und damit zu jedem Teilnehmer zwei Wege: „links herum“ oder „rechts herum“.

Bei noch höheren Ansprüchen an die Ausfallsicherheit, bei denen auch noch der Ringmaster als „single point of failure" redundant ausgelegt wird, kann die Netzwerkverbindung vom Sender zum Empfänger auch über das komplette Netzwerk hinweg doppelt ausgelegt werden. Das erfordert an den Endgeräten jeweils zwei Netzwerk-Ports, die beide jeweils an Switches angeschlossen sind, die wiederum Teile je eines Ringverbunds sind. Maximale Redundanz durch Dual-Homing plus Doppelring.

Technische Umsetzung der Redundanz

Technisch wird ein Netzwerkring von einem ausgewählten Switch, dem Ringmaster, verwaltet. Dieser schaltet intern standardmäßig den Primary-Path („links herum“) durch und blockiert den Secondary- oder Backup-Path („rechts herum“). Fällt nun ein Switch auf dem Weg „links herum“ aus, gibt der Ringmaster den Backup-Path frei und die Datenpakete erreichen ihr Ziel „rechts herum“.

Für die Reorganisation der Topologie und das Erlernen der neuen Wege gibt es eigene genormte Protokolle wie das Spanning Tree Protokoll (STP), das historisch bald durch das effizientere Rapid Spanning Tree Protokoll (RSTP) abgelöst wird. Aber selbst dieses ist mit Recovery-Zeiten in der Größenordnung von 100 Millisekunden für das industrielle Umfeld noch deutlich zu langsam.

Deshalb entwickeln die Hersteller eigene proprietäre Ringprotokolle und erreichen unter Namen wie Superring, Hiperring u.ä. eine Recovery-Zeit von 10-30msec. Ähnliche schnelle Zeiten werden auch mit dem vielfach unterstützten Media Redundancy Protokoll (MRP) erreicht.

Einsatzgebiete in der Industrie

Ihren Einsatz finden redundante Netzwerke vor allem in solchen Szenarien, in denen ein Ausfall des Netzwerkes schon für nur 1 Sekunde oder noch kürzer bereits kritisch ist.

Das trifft zum Beispiel in der Fabrikautomation zu (Flaschenabfüllung, Roboterbewegung, usw.) oder in der Prozessautomation (Tankbefüllung, Gemisch-Herstellung, Gaserzeugung) oder auch bei der Stromerzeugung (Umspannwerke, Energieverteilung).

Schon mit dem ersten „Ernstfall“, bei dem eine Störung des Netzwerks per Netzwerkredundanz geräuschlos abgefangen wurde, werden sich die Zusatzkosten und der erhöhte Managementaufwand amortisiert haben.