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Ethernet-Netzwerke: Redundanz über das MRP-Protokoll

Zur Sicherstellung der Verfügbarkeit industrieller Ethernet-Netze sind über die Jahre unterschiedliche Redundanz-Protokolle entstanden. Allerdings sind diese Lösungen untereinander nicht kompatibel. Das im Standard IEC 62439 definierte Media Redundancy Protocol – kurz MRP – schafft hier Abhilfe.

Die ständige Verfügbarkeit des industriellen Ethernet-Netzes ist im Umfeld der Fertigungsprozesse ein unbedingtes Muss. Kommt es trotzdem zu einem Fehlerfall, ist durch eine schnelle Rekonfiguration die reibungslose Fortsetzung der Produktion zu gewährleisten. Die Weichen hierfür werden bereits in der Planungsphase gestellt - unter anderem was das Netzdesign und das dahinter stehende Redundanzkonzept betrifft. Um ein Netz aufzubauen, existieren hinsichtlich der Topologie vier verschiedene Ansätze: Stern-, Linien-, Ringstruktur oder auch eine Mischung aus den verschiedenen Topologien. Letzteres führt jedoch zu einer voll vermaschten und damit komplexen Struktur.

Die Linientopologie kommt vorwiegend bei Anlagen mit geringeren Anforderungen an die Verfügbarkeit zum Einsatz. Bei Ausfall eines Koppel-Elements, einer Verbindung oder eines Steckers ist in diesem Fall eine Kommunikation zwischen den einzelnen Teilnehmern beziehungsweise Maschinen nicht mehr möglich. Es bilden sich zwei Teilnetze die keine Verbindung untereinander haben. Resultat dieses „single point of failure" ist: Die Produktion wird unterbrochen, was unter Umständen mit hohen Kosten verbunden ist. Auch bei der vergleichsweise häufiger eingesetzten Sternstruktur entsteht bei Ausfall des zentralen Koppel-Elements - zum Beispiel eines Switch - ein „single point of failure" und die Kommunikation im Netz ist ebenfalls nicht mehr möglich. Dieses Problem lässt sich nur beseitigen, wenn das zentrale Koppel-Element aufwendig redundant ausgelegt wird, und bei Ausfall einer Komponente die Ersatzkomponenten automatisch und schnell auf eine Ersatzstrecke schalten.

Aufgrund dieser Restriktionen der Linien- und Sternstruktur fällt im industriellen Umfeld in punkto Netzdesign die Entscheidung meist zugunsten der Ring- Topologie. Diese ergibt sich, indem eine Linienstruktur mit Switches aufgebaut und die beiden Switches an den Enden der Linie miteinander verbunden werden. Auf diese Weise entstehen zwei Wege zwischen zwei beliebigen Teilnehmern, die an unterschiedlichen Switches angeschlossen sind. Die Krux dabei: Der Datennetzstandard Ethernet (IEEE802.3) erlaubt nur einen einzigen, also eindeutigen Datenpfad zwischen zwei beliebigen Teilnehmern. Ergo ist die Ringstruktur theoretisch nicht zulässig. Umgehen lässt sich diese Restriktion durch die Abschaltung einer Verbindung im Ring auf der logischen Ebene.

Das heißt: Die Verkabelung ist ein Ring, tatsächlich ist die Struktur aber eine Linie - jedoch mit dem großen Vorteil, dass sich eine logisch abgeschaltete Strecke automatisch zuschalten lässt, wenn im Ring eine Strecke ausfällt. Die Kommunikation kann somit weitergeführt werden.