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Skalierbare Netzwerk-Intelligenz

Die LÜTZE Transportation GmbH stellt eine neue innovative Produktfamilie von Ethernet Switchen vor, die alle Komplexitäts- und Hierarchiestufen von Netzwerken auf Schienenfahrzeugen abdecken können und dabei stets die Schlüsselfaktoren Größe, Robustheit, Preis und Flexibilität in sich vereinen.

Ethernet als Kommunikationsbus auf Schienenfahrzeugen – schon längst Realität

Es ist schon längst Realität! Ethernet hat den flächendeckenden Einzug in die Welt der Schienenfahrzeuge vollzogen, nach der Fahrgastinformations- und Infotainment-Ebene, zuletzt auch in der Leit- und Steuerungsebene. Nach Definition des Train Communication Network (TCN) gemäß der IEC61375-2-5 und IEC61375-3-4, ersetzt das sogenannte „Ethernet Train Backbone“ (ETB) den bald ausgedienten Zugbus WTB und das „Ethernet Consist Network“ die bekannten MVB oder CAN Feldbus-Netzwerke. Das Kommunikationsprotokoll zwischen Busteilnehmern wird mit dem Train Real Time Data Protocol (TRDP) umgesetzt. Dieses Netzwerkprotokoll ist IP-basiert und ermöglicht durch die neue Struktur die direkte Kommunikation aller Netzwerkteilnehmer untereinander. Doch diese Entwicklung kommt mit einem grundlegenden Paradigmenwechsel daher: eine neue Netzwerktopologie.

Was ist die Besonderheit der neuen Topologie?

Es werden gemanagte Ethernet Switche für die Umsetzung benötigt, die neben dem aus der Industrieautomatisierung bekannten Feature-Set auch Anforderungen aus der Bahnindustrie erfüllen müssen.

Innerhalb eines Zugsegments werden Busteilnehmer (End Devices [ED]) mittels gemanagter Ethernet Switches (Consist Switches [CS]) an das ECN angebunden, welches die Kommunikation aller Teilnehmer wie z.B. Steuergeräte oder dezentrale I/O Knoten untereinander sicherstellt. Die Topologie innerhalb eines Ethernet Consist Netzwerkes ist nicht durch eine Norm vorgegeben, typischerweise kommen Ring-Topologien zum Einsatz. Da ein Zug über mehrere Zugsegmente (ECNs) verfügen kann, werden diese über den fahrzeugübergreifenden ETB, ebenfalls mittels intelligenter Layer-3 Switche angebunden.

Wie können einzelne, in sich abgeschottete Fahrzeugsegmente (ECN) mit anderen Segmenten kommunizieren?

Mit Hilfe einer Netzwerkadressübersetzung (NAT) werden Netzwerkteilnehmer des Consists nach außen hin unsichtbar. Um das zu erreichen, werden ankommende IP-Adressen maskiert und nach innen übersetzt. So kommen Daten aus dem Fahrzeug (ETB) mit der IP-Adresse 10.10.1.0 und 255.255.255.0 an; der NAT-Router übersetzt diese in eine lokale IP-Adresse z.B. 192.168.10.0/ 255.255.255.0, die beispielsweise einem Fahrzeugsteuergerät zugeordnet ist. Sobald die verarbeiteten Daten in der Steuerung verfügbar sind, werden diese an den NAT-Router gesendet. Der Router übersetzt die Netzwerkadresse der Steuerung und sendet die Daten mit der IP-Adresse 10.10.1.0 an die Gegenstelle, z.B. einem dezentralen I/O Knoten.

Durch die ständige Übersetzung der IP-Adressen werden ECN Netzteilnehmer, für Teilnehmer außerhalb des ECN unsichtbar. Folglich können außenstehende Drittparteien nicht auf die Steuerungsebene des Fahrzeugs zugreifen.

Die Eigenschaft der Adressübersetzung hat positive Nebeneffekte auf die Verfügbarkeit und Konfiguration von IP-Adressen. Bei einem mehrteiligen Fahrzeug mit duplizierten ECNs müssten ohne eine 1:1 NAT, Netzkonfigurationen manuell vorgenommen werden. Das ist zeit- und kostenintensiv. Werden alle Netzwerke zentral verwaltet, muss sichergestellt werden, dass IP-Adressen einmalig vergeben sind. Zur Konfiguration des Netzwerks sind Vernetzung und Bedienfreundlichkeit wesentliche Kriterien für eine kosteneffektive Installation. Welches Anforderungsprofil muss also ein Ethernet Switch für Schienenfahrzeuge erfüllen?

Bahntauglichkeit
Ein Ethernet Switch der in einem Netzwerk eines Schienenfahrzeugs eingesetzt werden soll, muss alle Anforderungen aus der EN50155 Norm erfüllen und somit die Robustheit in einer rauen Umgebung unter Beweis stellen.

Zuverlässigkeit
Eine wesentliche Eigenschaft eines Ethernet Switches wird außerordentliche Zuverlässigkeit sein. Ungeplante Wartungsarbeiten und eine schlechte Verfügbarkeit kann schnell sehr teuer für den Zugbetreiber werden.

Verfügbarkeit
Wenn einzelne Netzwerksegmente wegfallen, z.B. aufgrund von Defekten, ist es wichtig über einen redundanten Weg das Netzwerk weiterhin betriebsbereit zu erhalten, z.B. durch Ring-Redundanzen wie beispielsweise RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol).

Einfache Handhabung
Aufbau, Integration und Wartung von Ethernet-basierten Netzen müssen schnell, sicher und zuverlässig erfolgen. Während der Inbetriebsetzungs-Phase oder bei geplanten Wartungssätzen, ist es wichtig, dass die Konfiguration auch ohne den Einsatz von spezieller Software möglich sein, im Idealfall soll sich eine Konfiguration von einem Gerät auf das andere klonen lassen.

Netzwerksicherheit
Eine Firewall kann das Netzwerk vor externer Beeinflussung abschotten und schützen, bei unbeabsichtigt falscher Installation und dadurch entstandenen Verbindung zur Infotainment-Ebene oder durch kriminellen Hintergrund z.B. bei Cyber-Attacken. Eine Abschottung der Steuerungsebene eines Fahrzeugs ist unumgänglich.

Alle Eigenschaften in einem Gerät umgesetzt

Die neue Ethernet Switch Produktfamilie von LÜTZE-LEOS steht für Lütze Ethernet Onboard System. Die Geräte wurden speziell für den Einsatz auf Schienenfahrzeuge entwickelt und sind konform zur EN50155. Alle Produkte verfügen über ein Weitbereichsnetzteil von DC 24 V bis 110 V sowie den Schutzgrad IP54. Der Anwender hat die Auswahl eines skalierbaren Feature Sets. So wird ein Unmanaged, ein Lite Managed, und ein Full Managed Ethernet-Switch angeboten. Je nach Ausbaustufe bekommt der Anwender verschiedene Funktionen bereitgestellt, wie beispielsweise QoS, VLAN, Link Aggregation, Port Mirroring u.v.m. Ein Digitaler Eingang der das Senden spezieller Telegramme triggern kann, sowie einen Relais-Kontakt der abhängig von Betriebsstatus aktiviert sind ebenfalls enthalten. Die Konfiguration der Geräte erfolgt bequem per Webserver. Per USB-Speicherstick ist es möglich Konfigurationen zu Exportieren und zu Importieren und somit ganz einfach Geräte zu klonen. Das Produktprogramm komplettiert der LEOS-Router, der neben der NAT-Funktion und einen DHCP-Server (inkl. Der Option 82), auch für Ringtopologien eingesetzt werden kann.

Autor: Dimitrios Koutrouvis, Product Manager Train Control Systems, Lütze Transportation GmbH

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