Hier wird aus dem gewählten Bussystem ein Netz, das Abschnitt 4 wirklich trägt: mit Adressen, Namen, Takt und einer Topologie, von der du weißt, was sie bei einem Ausfall tut. Leg den Übersichtsplan aus dem Auftrag daneben.
Schritt 2 von 5. Du ordnest das Anlagennetz als Zelle ein, legst Adressen und Gerätenamen fest, rechnest Ansprechüberwachung und Netzlast, leitest Ausfallfolgen aus der Topologie ab und regelst den Übergang zum Leitstand.
Danach: Lernangebot 4 · Fehler vorausdenken und die Umbaunacht planen
Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Ein Teilnehmer gehört erst zum Netz, wenn Name, Adresse und Platz in der Topologie zusammenpassen.
Am Ende hast du: Netzplan und Adressplan des Anlagennetzes von Abschnitt 4 mit Gerätenamen, Ansprechüberwachung, Netzlast und den Regeln für den Übergang zum Leitstand.
Karte „Abschnitt 4 am Netz auf einen Blick“: Alle Teilnehmer des Anlagennetzes mit Referenzkennzeichen, Ort und Aufgabe, dazu der Übersichtsplan. Die Karte steht im Wissensspeicher, Lektion „Wissensspeicher und Expertenrunde“. Leg sie neben jede Aufgabe dieses Teils.
Abschnitt 4 wird eine Zelle
In einer großen Anlage hängt nicht alles an einem Netz. Jeder Abschnitt bekommt sein eigenes Anlagennetz und ist damit eine Zelle: Steuerung, Bedientafel, Umrichter, Peripherie und Switch sprechen untereinander, in Echtzeit und ohne fremden Verkehr. Nach oben führt genau ein Übergang, ein Router mit Firewall. Er verbindet die Zelle mit dem Leitstandnetz, in dem Bedienplätze und Server des Leitstands und die Router der anderen Zellen hängen. Die Firewall lässt nur Verbindungen durch, die ausdrücklich erlaubt sind. Das Prinzip heißt in der Informationssicherheit Zonen und Übergänge (IEC 62443); du kennst den Gedanken aus Lernfeld 4, wo ihr die Halle W2 mit VLAN in Bereiche geteilt habt.
Name, Adresse, Platz im Netz
Jedes Gerät bringt eine MAC-Adresse ab Werk mit. Beim Echtzeit-Ethernet sucht die Steuerung ihre Geräte aber nicht über die MAC-Adresse, sondern über einen Gerätenamen (device name), den jemand dem Gerät einmal zugewiesen hat. Hat sie ein Gerät mit dem projektierten Namen gefunden, gibt sie ihm seine IP-Adresse aus dem Projekt. Kennt das Projekt außerdem die Topologie, also welcher Port an welchem Port hängt, kann die Steuerung ein Ersatzgerät an derselben Stelle selbst benennen: Nachbarschaftserkennung. Im Plan steht jedes Gerät mit seinem Referenzkennzeichen nach DIN EN IEC 81346; der Vorsatz „=“ nennt das System, zu dem es gehört.
Takt und Überwachung
Die Steuerung K1 tauscht mit jedem Gerät zyklisch Daten aus. Der Sendetakt ist das kleinste Zeitraster im Netz; die Aktualisierungszeit (update time) sagt, wie oft ein bestimmtes Gerät dran ist. Bleiben Telegramme aus, wartet das Gerät nicht ewig: Nach der Ansprechüberwachungszeit (watchdog time) meldet es „keine Verbindung“ und geht in seinen Ersatzzustand. Wie viel Platz die zyklischen Rahmen auf der Leitung belegen, ist die Netzlast.
Linie, Stern, Ring
Im Anlagennetz gibt es drei Grundformen. Im Stern hat jedes Gerät seine eigene Leitung zum Switch. In der Linie hängen Geräte hintereinander; jedes hat zwei Ports und einen eingebauten Switch, der die Rahmen für die Geräte dahinter weiterreicht. Das spart Leitung und Switchports. Der Ring ist eine Linie, deren Ende über einen Ringschluss zum Switch zurückführt; ein Redundanzmanager hält eine Strecke im Normalbetrieb offen und schaltet sie zu, wenn anderswo eine Leitung bricht (Medienredundanz nach IEC 62439-2). Kupferstrecken sind höchstens 100 m lang; für längere Wege nimmt man Lichtwellenleiter.
Woran du siehst, ob das Netz lebt
Am Gerät zeigt je Port eine Link-LED, ob zum Nachbarn eine Verbindung besteht, und eine Status-LED, ob das Gerät mit der Steuerung Daten austauscht. Im Programmierwerkzeug und am Leitstand siehst du den Gerätezustand, die Topologie so, wie sie die Geräte melden, und die Portstatistik: Zähler je Port für gesendete, empfangene und fehlerhafte Rahmen. Mit ping aus Lernfeld 4 prüfst du, ob eine IP-Adresse antwortet.
Erst du, dann die anderen
Die Meisterin fragt: „Woher weißt du am Ende, dass Netzplan, Konfiguration im Programmierwerkzeug und die Leitungen im Keller wirklich zusammenpassen?“ Die Antwort gibt dir keiner vor. Wie würdest du vorgehen?
So gehen andere vor. Such dir einen Weg aus.
- Topologievergleich im Programmierwerkzeug. Das Werkzeug liest von den Geräten, welcher Port an welchem hängt, und zeigt jede Abweichung vom Projekt. Das ist schnell und vollständig, geht aber erst, wenn alles verkabelt und eingeschaltet ist.
- Kabelliste mit Portbelegung. Für jede Leitung schreibt ihr beide Enden mit Gerät und Port auf und hakt sie beim Auflegen ab. Das geht schon vor dem Einschalten und hilft beim Tausch, kostet aber Disziplin auf der Baustelle.
- Abnahmemessung aus Lernfeld 4. Ein Kabeltester misst Länge, Belegung und Schirm jeder Strecke. Das findet Fehler, die der Vergleich nicht sieht, etwa einen fehlenden Schirm, braucht aber Zeit und ein freies Leitungsende.
Es gibt hier nicht den einen richtigen Weg. Entscheide dich für einen und schreibe dazu, weshalb.
Gegebene Werte: Anlagennetz Abschnitt 4 · aufklappen, wenn du rechnest
Gegebene Werte: Anlagennetz Abschnitt 4
- Bussystem
- Industrial Ethernet mit Echtzeitprotokoll, im Kurs am Beispiel PROFINET (IEC 61158 Typ 10, Kommunikationsprofil nach IEC 61784-2). Habt ihr in Teil 1 anders entschieden, übertragt ihr die Schritte auf euer System.
- Adressbereich (Vorgabe der Informationssicherheit)
- Anlagennetz Abschnitt 4: 10.43.4.0/27 · Leitstandnetz: 10.43.0.0/24 · der Router zum Leitstand bekommt die letzte nutzbare Adresse des Anlagennetzes · kein Gerät des Anlagennetzes im Büronetz
- Werkstattregel für Adressen
- Steuerungen und Bedientafel ab der ersten nutzbaren Adresse, Umrichter ab .11, dezentrale Peripherie ab .21, Netzkomponenten am Ende des Bereichs; Lücken bleiben für die Ausbaustufe frei
- Werkstattregel für Gerätenamen
- nur Kleinbuchstaben a bis z, Ziffern und Bindestrich; beginnt mit einem Buchstaben; kein Umlaut, kein Leerzeichen, kein „=“, kein Punkt; im ganzen Leitstand eindeutig und aus dem Referenzkennzeichen erkennbar
- Teilnehmer
- =A4-K1, =ST4-KE1, =A4-P1, =4.3-T1, =4.5-T1, =A4-KE11, =A4-KE12, =A4-KF20 (Switch, verwaltbar), =A4-KE21 (Router mit Firewall); Ort und Aufgabe stehen auf der Karte „Abschnitt 4 am Netz auf einen Blick“
- Takt
- Sendetakt 1 ms · Aktualisierungszeit: =4.3-T1 und =4.5-T1 je 4 ms, =A4-KE11 und =A4-KE12 je 8 ms, =ST4-KE1 16 ms · K1 sendet als Steuerung zyklisch an alle; P1, KF20 und KE21 tauschen nur azyklisch Daten aus · Ansprechüberwachungszeit = 3 · Aktualisierungszeit
- Rahmen auf der Leitung
- 100 Mbit/s Vollduplex (jede Richtung hat die volle Rate) · kleinster Rahmen 64 Byte, dazu 8 Byte Präambel und 12 Byte Pause bis zum nächsten Rahmen · Rechenwert: je zyklischem Teilnehmer und Aktualisierung ein kleinster Rahmen je Richtung
- Topologie (Referenz)
- Linie =A4-KF20, =4.3-T1, =4.5-T1, =A4-KE11, =A4-KE12; Umrichter und Peripherie mit zwei Ports und eingebautem Switch · K1, P1, KE21 und Stapler 4 an eigenen Ports von KF20
- Leitungen
- geschirmte Twisted-Pair-Leitung, höchstens 100 m je Strecke · KF20 bis =4.3-T1 0,5 m · =4.3-T1 bis =4.5-T1 0,5 m · =4.5-T1 bis KE11 45 m · KE11 bis KE12 38 m · KF20 bis =ST4-KE1 85 m · möglicher Ringschluss KE12 bis KF20 70 m · K1, P1 und KE21 je 0,5 m im Schaltschrank SK4 · KE21 bis Leitstand 400 m
- Wanne und Toleranz
- 1,4 m/s auf Band 4.5 · Toleranz an der Zusammenführung 4/5 ± 0,2 m · Spitzenstunde 2.000 Wannen/h
Alle Werte zu Abschnitt 4, zum Anlagennetz und zur Umbaunacht sind Unterrichtswerte. Normen sind mit Bezeichnung genannt; Bussysteme heißen nach ihrer Normbezeichnung.
Dein Lernprodukt im Einzelnen
Dein Lernprodukt
Netzplan und Adressplan des Anlagennetzes Abschnitt 4
Darauf laufen die Aufgaben dieses Lernangebots zu. Die Aufgaben sind die Stufen dorthin, das Lernprodukt ist das Ergebnis.
Es besteht aus
- Netzplan mit allen neun Teilnehmern, Referenzkennzeichen, Ports, Leitungslängen und dem möglichen Ringschluss
- Adressplan: Referenzkennzeichen, Gerätename, IP-Adresse, Maske, Gateway, Aktualisierungszeit je Teilnehmer
- Kabelliste mit Gerät und Port an beiden Enden jeder Leitung
- Nachweis von Ansprechüberwachung und Netzlast mit Bewertung gegen die Toleranz
- Ausfallfolgen in Linie und Ring für Geräteausfall und Leitungsbruch
- Regeln für den Router mit Firewall zwischen Anlagennetz und Leitstandnetz mit Begründung
- Schritte der Konfiguration im Programmierwerkzeug und wie ihr Plan, Konfiguration und Verkabelung vergleicht
Zur Dokumentation
Netzplan als Zeichnung auf einer Seite, Adressplan und Kabelliste als Tabellen, Rechnungen mit Formel, eingesetzten Werten und Einheit. Jede Regel für die Firewall hat einen Satz, weshalb. Alles ist mit Revisionsstand und Datum versehen und am Werkstattrechner gespeichert.
Netzplan und Adressplan gehören zu Meilenstein M1. Ein anderes Team nimmt sie im Kreuzreview ab, danach zeichnet die Projektleitung ab. In Teil 5 nehmt ihr nach genau diesen Unterlagen in Betrieb.
3.1Ordne das Anlagennetz von Abschnitt 4 in die Netze des Flughafens ein
Jetzt bist du dran · Allein · 5 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 3.1
Ordne das Anlagennetz von Abschnitt 4 in die Netze des Flughafens ein:
- Beschreibe, was eine Zelle in der Automatisierung ist.
- Ordne jeden der neun Teilnehmer der Zelle, dem Übergang oder dem Leitstandnetz zu.
- Begründe, weshalb kein Gerät des Anlagennetzes im Büronetz hängen darf.
- Erkläre, weshalb die Verbindung zum Leitstand über Lichtwellenleiter läuft.
- Vergleiche die Trennung über einen Router mit der Trennung über VLAN aus Lernfeld 4.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Netz (IT-Technik) · Datensicherheit · Router · LWL
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
3.2Lege den Adressplan für das Anlagennetz fest
Jetzt bist du dran · Allein · 6 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 3.2
Lege den Adressplan für das Anlagennetz fest:
- Bestimme aus dem Präfix /27 die Subnetzmaske.
- Berechne die Zahl der Adressen, die du an Geräte vergeben kannst.
- Gib Netzadresse, erste und letzte nutzbare Adresse und Broadcastadresse an.
- Lege die Adresse des Gateways nach der Vorgabe fest.
- Vergib die Adressen der übrigen Teilnehmer nach der Werkstattregel.
- Prüfe, ob ein Bedienplatz des Leitstands mit 10.43.0.20 im selben Netz liegt wie K1.
| Referenzkennzeichen | Gerätename | IP-Adresse | Maske | Gateway | Aktualisierungszeit |
|---|---|---|---|---|---|
| =A4-K1 | |||||
| =ST4-KE1 | |||||
| =A4-P1 | |||||
| =4.3-T1 | |||||
| =4.5-T1 | |||||
| =A4-KE11 | |||||
| =A4-KE12 | |||||
| =A4-KF20 | |||||
| =A4-KE21 |
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: IP-Adresse · Subnetzmaske · Gateway · Dualzahlen
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
3.3Gib jedem Teilnehmer einen Gerätenamen und bereite die Konfiguration vor
Jetzt bist du dran · Mit Lernpartner · 6 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 3.3
Device configuration · Plant network (Auszug aus der englischen Hilfe eines Programmierwerkzeugs, eigene Formulierung, herstellerneutral)
| Term | Description |
|---|---|
| Device name | Each IO device in the plant network is addressed by its device name. The IO controller assigns the IP address only after it has found a device with the configured device name. |
| Valid characters | Lower-case letters a to z, digits 0 to 9 and the hyphen. The name has to start with a letter. |
| Neighbourhood detection | If the topology is configured in the project, a replacement device without a name receives its device name automatically from the IO controller, provided it is connected to the same port as the old device. |
| Update time | Interval at which the IO controller and the IO device exchange cyclic data. It is a multiple of the send clock. |
| Watchdog time | Number of accepted update cycles with missing data multiplied by the update time. When it expires, the IO device switches its outputs to the substitute value and reports “no connection”. |
| Port statistics | Counters per port for sent frames, received frames and frames with errors. |
| Topology comparison | The engineering tool compares the configured topology (which port is connected to which port) with the topology read from the devices and lists every difference. |
Gib jedem Teilnehmer einen Gerätenamen und bereite die Konfiguration vor:
- Erkläre den Unterschied zwischen MAC-Adresse, Gerätename und IP-Adresse.
- Beschreibe, wie die Steuerung beim Hochlauf ein Gerät findet und ihm seine IP-Adresse gibt.
- Bilde für jeden Teilnehmer einen Gerätenamen nach der Werkstattregel und trage ihn in den Adressplan ein.
- Begründe, weshalb die Referenzkennzeichen im gemeinsamen Netz einen Vorsatz mit „=“ tragen.
- Lege die Reihenfolge der Schritte im Programmierwerkzeug fest.
- Übersetze die englischen Begriffe aus dem Auszug.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: MAC-Adresse · PROFINET · Inbetriebnahme, PROFINET · Referenzkennzeichnung · Fachbegriffe, Kurzformen
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
3.4Berechne, wie schnell ein schweigender Teilnehmer bemerkt wird
Jetzt bist du dran · Allein · 5 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 3.4
Berechne, wie schnell ein schweigender Teilnehmer bemerkt wird:
- Berechne die Ansprechüberwachungszeit für die Umrichter, die Peripherie und Stapler 4.
- Berechne den Weg, den eine Wanne mit 1,4 m/s in jeder dieser Zeiten zurücklegt.
- Bewerte die Wege gegen die Toleranz an der Zusammenführung 4/5.
- Erkläre, weshalb die Ansprechüberwachung nicht schon nach einem fehlenden Telegramm auslöst.
- Vergleiche mit deiner Schätzung aus dem Auftrag.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Industrial Ethernet · PROFINET · Feldbusse
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
3.5Weise nach, wie viel von der Leitung das Anlagennetz belegt
Jetzt bist du dran · Mit Lernpartner · 5 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 3.5
Weise nach, wie viel von der Leitung das Anlagennetz belegt:
- Berechne, wie lange ein kleinster Rahmen mit Präambel und Pause die Leitung bei 100 Mbit/s belegt.
- Berechne für jeden zyklischen Teilnehmer die Zahl der Rahmen je Sekunde und Richtung.
- Berechne die Netzlast je Richtung auf der Leitung zwischen K1 und KF20 in Prozent.
- Erkläre, weshalb du bei Vollduplex jede Richtung getrennt rechnest.
- Beurteile, ob Abschnitt 4 das Netz an seine Grenze bringt.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Ethernet · Netzwerkkommunikation · Bussysteme
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
3.6Leite aus der Topologie ab, was ein Ausfall anrichtet
Jetzt bist du dran · Mit Lernpartner · 6 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 3.6
Leite aus der Topologie ab, was ein Ausfall anrichtet:
- Ordne den Teilnehmern 1 bis 9 im Netzplan die Referenzkennzeichen zu.
- Bestimme für die Linie, welche Teilnehmer nicht mehr erreichbar sind, wenn =4.3-T1, =4.5-T1 oder =A4-KE11 spannungslos wird.
- Bestimme für die Linie dasselbe bei einem Bruch der Leitung von =4.5-T1 zu =A4-KE11.
- Bestimme dieselben vier Fälle für den Ring mit Ringschluss von =A4-KE12 zu =A4-KF20.
- Beschreibe, was Link-LED und Gerätezustand an =A4-KE11 zeigen, wenn =4.5-T1 spannungslos ist.
- Prüfe, ob jede Kupferstrecke in Linie und Ring höchstens 100 m lang ist.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Busstruktur · Sternstruktur · Datennetze, Leitungen · Twisted-Pair-Leitungen
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
3.7Lege fest, was zwischen Anlagennetz und Leitstand erlaubt ist
Jetzt bist du dran · Mit Lernpartner · 5 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 3.7
Lege fest, was zwischen Anlagennetz und Leitstand erlaubt ist:
- Liste die Datenflüsse auf, die zwischen Abschnitt 4 und dem Leitstand nötig sind. Nimm dafür eure Datenflussliste aus Teil 1.
- Lege für jeden Datenfluss fest, wer die Verbindung aufbaut und in welche Richtung Daten gehen.
- Entscheide, was der Router mit Firewall sperrt.
- Begründe deine Regeln gegenüber der Beauftragten für Informationssicherheit.
- Beschreibe, wie du nach der Inbetriebnahme prüfst, ob die Regeln wirken.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Firewall · Zugriffsschutz · Netzwerkschutz · Datenschutz
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
3.8Stellt Netzplan und Adressplan des Anlagennetzes fertig
Jetzt bist du dran · Im Team · 6 ArbeitsschritteÖffnen ▾Schließen ▴
Aufgabe 3.8
Stellt Netzplan und Adressplan des Anlagennetzes fertig:
- Zeichnet den Netzplan mit allen Teilnehmern, Referenzkennzeichen, Ports, Leitungslängen und dem möglichen Ringschluss.
- Vervollständigt den Adressplan mit Gerätenamen, Adressen, Maske, Gateway und Aktualisierungszeit.
- Legt eine Kabelliste mit Gerät und Port an beiden Enden jeder Leitung an.
- Weist Ansprechüberwachung und Netzlast nach.
- Beschreibt, wie ihr Plan, Konfiguration und Verkabelung gegeneinander prüft.
- Prüft, ob ein anderes Team nach euren Unterlagen ein Gerät tauschen könnte.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: PROFINET · Inbetriebnahme, PROFINET · Dokumentation · verbindungsbezogene Dokumente
Im Team Diese Aufgabe bearbeitet ihr im Projektteam. Jede und jeder kann das Ergebnis am Ende erklären.
Die Lage ändert sich
In der Ausbaustufe kommen an Abschnitt 4 noch 18 Umrichter mit je 4 ms Aktualisierungszeit und vier Peripheriestationen mit je 8 ms dazu. Die Informationssicherheit fragt, ob der zugeteilte Adressbereich dann noch reicht.
Überprüfe dein Lernprodukt an diesem Fall:
- Prüfe an deinem Adressplan, ob alle Teilnehmer in den Bereich passen.
- Entscheide, welches Präfix du beantragst und was sich an Gateway und Werkstattregel ändert.
- Bewerte, ob Netzlast und Topologie die Ausbaustufe tragen.
Mit Lernpartner Diese Überprüfung macht ihr zu zweit. Wer beide Fälle erklären kann, hat die Sache verstanden.