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Sichere Diagnose in Profinet-Netzwerken

01  Da Profinet-Netzwerke ganz andere Dimensionen haben können als Profibus-Netzwerke, spielen Diagnose und vorbeugende Wartungskonzepte hier eine große ­Rolle

02  Beispiel für eine Netzwerkstruktur in der Automobilindustrie

03  Moderne Monitoring-Tools liefern umfangreiche Informationen über den Zustand von Netzwerken – einfach, verständlich und komplett ohne zusätzliches Engineering

Derzeit findet in vielen Unternehmen bei der Kommunikation ein Wechsel von Profibus hin zu Profinet statt. Dabei handelt es sich nicht nur um eine bloße Technologieumstellung. Vielmehr stehen die Anwender vor einem Paradigmenwechsel beim Umgang mit Kommunikationsnetzwerken. Insbesondere bei der Diagnose ist ein Umdenken gefordert. So geht der Trend weg vom Troubleshooting hin zum vorbeugenden Wartungskonzept. Dank integrierten und intelligenten Diagnosemechanismen fällt der Umstieg jedoch leicht.

Das Wachstum von Profinet ist ungebrochen. Zu den ­Vorteilen gehören unter anderem die Durchgängigkeit, das vereinfachte Engineering, die Einbindung von Profi­safe, die Echtzeitfähigkeit aber auch die Skalierbarkeit sowie Möglichkeit, neue Wege in der Netzwerkarchitektur einzuschlagen. Genau hier liegt aber auch eine der größten Herausforderungen, wenn man beispielsweise Profibus- und Profinet-Installationen miteinander vergleicht. So hat eine typische Profibus-Anwendung im Maschinenbau eine ­Größe von 50 bis 100 Geräten. Damit bewegt sich der Anwender in der Profibus-Welt in einem überschaubaren Netzwerk oder um es salopp zu formulieren: In der Regel kennt der Instandhalter fast jeden Teilnehmer im Netzwerk mit seinem Namen. Dies kann in Profinet-Netzwerken völlig anders aussehen. So existieren in der Automobilindustrie bereits heute Netzwerke mit 5.000 Teilnehmern (Bild 1).
Aber nicht nur die Anzahl auch die Art der Netzwerke ist eine völlig andere. Es gibt unterschiedliche Netzstrukturen (Class C-, Class B-Netze), dynamische Netzstrukturen etwa in Robotern mit häufigem Werkzeugwechsel und es finden Umbauten/Erweiterungen im laufenden Betrieb statt (Bild 2). Netzwerke sind sowohl vertikal als auch horizontal ausgerichtet und es muss sich nicht immer um ein reines Profinet-Netzwerk handeln. Die Einbindung von bestehenden Profibus-Netzwerken gehört zur täglichen Praxis, genauso wie der Betrieb von Standard-Ethernet-Geräten bei gleichzeitiger Einbindung einer Mehrachsen-Anlage, die Echtzeit-Kommunikation verlangt.

Konvergenz und Zuverlässigkeit sind gefragt
Gerade diese Vielfalt schätzen die Anwender an Profinet, erwarten aber auch, dass die Technologie mit den sich daraus ergebenden Anforderungen zurechtkommt. Eine Umfrage von Trebing & Himstedt ergab, dass 59 % der Anwender für die Zukunft gemischte Netze planen und folgerichtig die Konvergenz der Netzwerke oberste Priorität besitzt. Interessant ist, dass sich bei den Anwendern in der Automobil­industrie noch keine Tendenz herauskristallisiert hat, welche Art von Netzwerk sich in Zukunft durchsetzen wird.
Unabhängig davon, wie die Netzwerke der Zukunft gestaltet sind: Damit diese Vielfalt im täglichen Betrieb funktioniert, müssen neue Wege in der Diagnose eingeschlagen werden, mit denen das frühzeitige und eindeutige Erkennen von möglichen Störungen umsetzbar ist. Den Anwendern kommt zugute, dass bei der Diagnose bereits viele Erfahrungen mit den Profibus-Netzwerken gemacht wurden. So wurden umfangreiche Diagnosefunktionen aus dieser Technologie in den Spezifikationen und der Zertifizierung von Profinet verankert. Eine gute Standardisierung der Diagnosen in Geräten und Engineering-Tools ist die Basis für eine Diag­nose, die sowohl in der Inbetriebnahme als auch im Betrieb wirklich nützt. Beispielsweise empfiehlt Profinet die Verwendung von Standarddiagnosen und das Vermeiden von herstellerabhängigen Fehlercodes. Nicht umsonst gilt daher Profinet heute in Bezug auf seine Diagnose als ‚Best-in-Class‘ im Vergleich zu anderen Industrial-Ethernet-Systemen.

Systematische Suche
Dennoch müssen die Anwender umdenken: Während man die Diagnose früher eher unsystematisch und oft auch erst im Fehlerfall genutzt hat, empfiehlt es sich jetzt, das ­Thema eher wie eine Risikoanalyse anzugehen. Zunächst steht ­also die Frage, was muss genau untersucht werden und auf welche Aspekte kann man verzichten? Darauf aufbauend kann ein Monitoring der Anlagen starten. Generell lässt sich die Fehler­suche bei Profinet automatisieren, der manuelle Aufwand hält sich also in Grenzen. Dies gilt nicht nur für Inbetriebnahmen und Abnahmen, sondern auch für den laufenden Betrieb.

Schnellere Inbetriebnahme
Bei der Inbetriebnahme ist beispielsweise eine Topologieanalyse nützlich, die sich ohne Engineeringwerkzeug durch­führen lässt. Auch Informationen über Fehlermeldungen einzelner Geräte, Performance und Protokollverteilung lassen sich so automatisch ermitteln. Weiter können die Inventarisierung eines vollständigen Gerätesatz oder die Dokumentation des Ist-Zustandes (im Unterschied zur Projektierung) in der Praxis hilfreich sein.
In der Automobilindustrie werden heute mithilfe der auto­matisierten Diagnose unter anderem Netzwerkparameter, ­also IP-Adressen, Subnetzmaske oder Default-Gateway, ­sowie die Geräteparametern (Hardware- und Firmwarestände müssen der Projektierung entsprechen) ermittelt. Darüber hinaus interessieren die Leitungsdaten bei Lichtwellenleitern, etwa Länge und Leitungsqualität. Auch die Verbindungsqualität, sprich die Anzahl der verloren gegangenen Pakete werden abgefragt. Vor einer Abnahme wird zudem eine Netzwerkdiagnose gestartet, wobei einzelne Teilnehmer Diagnose­meldungen abgeben. Hier zählt die Anzahl Broadcast-, Multicast-Telegramme und die Netzwerklast.

Monitoring im laufenden Betrieb
Ein wesentlicher Unterschied zu Profibus-Netzwerken ist, dass ein Profinet-Netzwerk lebt. Nutzt der Anwender die Möglichkeiten und die Flexibilität, die dessen Architektur bietet, wird das Netzwerk ständig erweitert oder umgebaut. Daraus ergibt sich, dass ein Profinet-Netzwerk nie fertig ist.
Die Instandhaltung benötigt also ein geeignetes Diagnose- und Monitoring-Werkzeug, das einfach und sofort einsetzbar ist. Hilfreich ist eine dauerhafte Selbstüberwachung nach dem Ampelprinzip. Das bedeutet, dass sich das Netzwerk bei einem Fehler selbstständig meldet und eindeutige Informationen liefert. Dabei muss ein zentraler Zugriff auf relevante Diagnose- und Netzwerkinformationen möglich sein. Außerdem muss die Darstellung an zentraler Stelle vorliegen, sodass man sie webbasiert von jedem Ort der Welt abrufen kann.
Monitoring-Tools bieten eine neue Transparenz im Netzwerk, aus der weit mehr als nur die Topologie und Protokollverteilung erkennbar ist (Bild 3). Beispielsweise ist eine grafische Darstellung der realen Infrastruktur ohne Zusatz-Engineering möglich. Ebenso lassen sich daraus historische Verläufe von Netz-, Leitungs- und Gerätediagnosen ablesen. Selbstverständlich lassen sich Gerätelogbücher einsehen, um gegebenenfalls Handlungsanweisungen zur Fehlerbehebung daraus abzuleiten. Zudem steht eine permanente Real-time-Inventur der Geräte inklusive zum Beispiel von Firmware-Version und Bestellnummern zur Verfügung.

Informationen frei Haus
Typische Fehler bei der Diagnose von Netzwerken, die bei der Inbetriebnahme und im Betrieb immer wieder auftauchen, sind falsche Adresskonfigurationen und veraltete Firmware-Versionen. Auch Abweichungen zwischen projektierten Geräten und denjenigen, die wirklich installiert wurden, sind keine Seltenheit. Problematisch können undefinierte Netzwerklasten werden, die durch gemischte Netzwerke verursacht wurden. Dies passiert häufiger bei der vertikalen Integration durch MES- und ERP-Systeme oder der Einbindung durch OPC-Server, Engineering-Systemen und Webcams.
Informationen über solche Unstimmigkeiten oder Fehler liefert Profinet bereits heute frei Haus. Das eingangs geforderte Umdenken in der Diagnose ist technologisch gesehen also kein Hindernis, sondern liegt eher in den Köpfen der Anwender.

Fazit und Ausblick
Profinet hat sich in allen Phasen des Lebenszyklus in der Praxis bewährt, ist aber aus Sicht der Anwender immer noch eine junge Technologie. Die Trebing & Himstedt
-Umfrage ergab, dass 76 % der Anwender noch keine Erfahrungen mit Abnahme- und Monitoring-Tools haben und 37 % der Anwender noch Geräte nutzen, mit denen keine Diagnose und Topologieerkennung möglich ist. Beratung, Training und Ausbildung in puncto Diagnose und Monitoring bleiben somit weiter auf der Tagesordnung, vor allem weil sich Best Practice-Vorgehensweisen erst langsam herausbilden.
Bereits heute ist jedoch eine kostengünstige Überwachung von Profinet-Netzwerken möglich. So belaufen sich die Extrakosten für ein Monitoring auf etwa 1 % der Geräte­kosten. Oder anders ausgedrückt: Der Return-of-investment ist in der Regel bereits erreicht, so bald nur eine Stunde Uptime im Anlagenlebenszyklus möglich ist oder bereits eine Stunde während der Inbetriebnahmephase eingespart wurde. (no)

Verschiedene Instrumente für die Diagnose in Profinet
Eine Diagnose muss in allen Phasen des Lebenszyklusses eines Kommunikationssystems greifen, also bei der Inbetriebnahme, während des Betriebs bei der akuten Fehlersuche, aber auch im Hinblick auf die präventive Wartung. In Profinet sind verschiedene Diagnoseinstrumente bereits als Standard implementiert. Dazu zählen unter anderem:

  • Zusätzlich zur logischen Sicht auf eine IO-Konfiguration steht auch eine Topologiesicht für die Leitungs- und Geräte­diagnose zur Verfügung.
  • Um den Telegrammverkehr zwischen verschiedenen Profinet-Teilnehmern zu dokumentieren und zu unter­suchen, können bewährte Ethernet-Netzwerk-Tools, wie Wire­shark, angewandt werden.
  • Um eine Verbindung zu überprüfen, stehen die bekannten LED-Anzeigen von Ethernet-Ports mit TX/RX für Senden bzw. Empfangen von Telegrammen und von Link bereit.
  • Netzwerk-Statistikzähler.
  • Profinet nutzt zur Adressierung von Geräten Namen, wie sie aus der IT-Technik bekannt sind. Durch den im ­Diagnosefall mitgelieferten Gerätenamen kann der Anwender schnell und einfach auf das betroffene Gerät schließen.
  • Jedes Ein-/Ausgangssubmodul liefert neben den Datenwerten auch noch einen Qualitätswert, der sich aus dem Zustand des Submoduls und der Kommunikationsstatemachine ergibt.
  • Definition zweier zusätzlicher Schwellen zwischen OK und Fehler (Maintenance required und Maintenance ­demanded).
  • Die Alarme sind je nach Dringlichkeit gestuft.
  • Es existiert eine Diagnose für kaskadierte Automatisierungssysteme.

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Autor: Steffen Himstedt ist als Geschäftsführer der ­Trebing & Himstedt Prozessautomation GmbH & Co KG für den Bereich Vertrieb und Marketing verantwortlich. Als langjähriges Mitglied der Profibus-­Nutzerorganisation, des europäischen Steering Committee der OPC Foundation, der FDT Group und Pactware ­arbeitet er aktiv in den wichtigsten Gremien der Branche mit und ist maßgeblich an der Weiterentwicklung der Technologien beteiligt.