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Einheitliches Diagnosekonzept für industrielle Netzwerke

Bild 1. Das Diagnosekonzept besteht aus der webbasierten Software TH Scope und den Netzwerkzugängen TH Link für Profibus, Profinet und Industrial Ethernet

Bild 2. Der TH Scope zeigt den Zustand aller Netzwerke in einer gemeinsamen Sicht. Anhand der Fehlerstatistik lassen sich kritische Netzteilnehmer schnell identifizieren

Bild 3. Dank des webbasierten Konzepts kann jederzeit und von jedem Ort auf die Diagnoseinformationen aller angeschlossenen Netzwerke zugegriffen werden. Eine E-Mail-Alarmierung informiert frühzeitig bei auftretenden Unregelmäßigkeiten

Nimmt man die heutigen Diagnosekonzepte für serielle Feldbusse, wie Profibus, Ethernet-basierte Feldbusse, wie Profinet und Industrial Ethernet Netzwerke genauer unter die Lupe, so werden die prinzipiellen Unterschiede zwischen den Systemen sowie die Vor- und Nachteile bestehender Diagnoseprodukte deutlich. Analysiert man parallel die Anforderungen der Kunden an eine effektive Netzwerkdiagnose, zeigt sich, dass derzeit noch viele Wünsche unerfüllt bleiben. Deshalb hat Trebing + Himstedt ein zukunftsweisendes, einheitliches Diagnosekonzept entwickelt, das eine Kombination aus dezentraler Überwachung und zentraler Analyse vorsieht.

Feldbussysteme wie Profibus, Interbus oder CAN, die die RS-485-Busphysik nutzen, werden seit über 20 Jahren analysiert. Das Grundprinzip ist bei allen Protokollen identisch: Ein passiver Teilnehmer hört den gesamten Telegrammverkehr mit und wertet die mitgeschnittenen Telegramme entsprechend dem Protokollstack aus. Auf Basis dieser Informationen erhält der Anwender ein Zustandsabbild des gesamten Netzwerks und aller angeschlossenen Teilnehmer.
Der Fokus der meisten Tools liegt auf der komplexen Telegrammanalyse mit umfangreichen Trigger- und Filterfunktionen, die zwar für Experten und Dienstleister bei der Fehlersuche von hohem Nutzen, für den Anwender aber viel zu komplex sind. Die Kontrolle der Busphysik erfolgt zwar durch einfach handhabbare Leitungstester, hat jedoch den Nachteil, dass zum Teil der Anlagenbetrieb unterbrochen werden muss und dass viele Fehler nur temporär, zum Beispiel nur für wenige Millisekunden, auftreten. Um den Grenzen dieser Tools Rechnung zu tragen, setzte Trebing + Himstedt bereits mit dem ersten Diagnosetool Profibus Scope auf eine einfache Anwendbarkeit und brachte mit der Diagnoseeinheit xEPI 2 (neu: TH Link) eine permanente, fest installierte Überwachung von kompletten Netzwerken auf den Markt. Alle wichtigen Diagnoseinformationen stehen jederzeit über einen Webbrowser zur Verfügung und eine Alarmierung informiert bereits vor Auftreten von Problemen. Dies ermöglicht ein sofortiges, rechtzeitiges Reagieren, während Troubleshooting-Tools hier wertvolle Zeit verschenken.

Schwierigkeiten bei der passiven Ethernet-Diagnose
Mit Ethernet ziehen in die Automatisierungswelt neue Möglichkeiten aber auch neue Herausforderungen ein. Da bei Ethernet-basierten Feldbussen, wie Profinet, jetzt auch Feldgeräte, wie einfache IO-Devices oder Antriebe, angeschlossen werden, steigen nicht nur die Anzahl der Teilnehmer und die Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit, sondern auch die Topologie der Netzwerke wird komplexer.
Im Gegensatz zu der Diagnose klassischer Feldbusse ist bei dem geswitchten Medium Ethernet die Überwachung eines gesamten Netzes realistisch nicht machbar. Schließlich kann eine passive Diagnoseeinrichtung im Ethernet nur die Kommunikation zwischen zwei Teilnehmern überwachen und benötigt zusätzlich teure TAP für eine rückwirkungsfreie Messung. Sniffer-basierte Konzepte, wie der weitverbreitete Wireshark scheiden also für eine anlagenweite Überwachung aus. Eine weitere Einschränkung sind die hohen Performanceanforderungen und großen Datenmengen, die bei einer passiven, „telegrammbasierten“ Analyse eine kontinuierliche Überwachung nicht praxistauglich erscheinen lassen, da leistungsfähige Messgeräte oder PC notwendig werden.

Leistungsfähige, aber komplexe Tools
Der Einzug der „intelligenten Geräte“ hat die Diagnosestrategie verändert, da mit Managed Devices zahlreiche Informationen über Standardprotokolle, wie SNMP, LLDP, DCP, zur Kommunikationsqualität oder Topologie verfügbar sind. Diese können aktiv zur Laufzeit netzwerkweit aus den Geräten ausgelesen werden. Dafür stehen leistungsfähige IT-Tools der Infrastruktur- und Netzwerkausrüster bereit, deren Einsatz jedoch auf die typischen IT-Office Anwendungen bzw. global vernetzte Standorte und die Analyse des Internetverkehrs ausgelegt ist.
Dadurch erreichen die Tools eine Komplexität, die für den Instandhalter weder sinnvoll, noch zu überschauen ist. Zudem fehlen protokollspezifische Funktionen der Feldbusse, die für die Fehlersuche wichtig sind. Insbesondere Profinet besitzt ein leistungsfähiges Diagnosemodell, welches auf dem bewährten Profibus Diagnosekonzept basiert und nochmals erweitert wurde.
Zusammenfassend bedeutet das, dass den Anwendern von Ethernet in der Automation weder eine einfache Fortschreibung der Diagnosekonzepte aus der klassischen Feldbuswelt noch die Übernahme existierender Tools aus der IT-Welt hilfreiche Unterstützung bieten. Deshalb hat Trebing + Himstedt ein einheitliches praxistaugliches Konzept entwickelt, welches die Vorzüge bestehender Lösungen mit neuen Ideen verbindet und dabei die Anwenderanforderungen in den Mittelpunkt stellt.

Was die Anwender wirklich wollen
Um herauszufinden, was die Anwender wirklich benötigen, hat sich Trebing + Himstedt auf drei grundsätzliche Fragen fokussiert.
1. Was ist das größte Hindernis bei der Nutzung von Diagnose?
„Diagnose ist zu aufwendig und zu komplex. Einfachheit in der Anwendung ist oberstes Gebot. Die Fehlersuche ist für den Betriebs¬elektriker oder Instandhalter in der Regel zu undurchsichtig. Es gibt außerdem zu viele Tools für die diversen Feldbusse und Protokolle.“
2. Worauf können heutige Diagnosekonzepte verzichten?
„Weniger ist mehr! Es ist das einfache Ampelprinzip gefragt und nicht die weitere Spezialisierung und Vertiefung in Details, die die meisten Anwender nicht interessieren.“
3. Wie kann der Nutzen von Diagnose gesteigert werden?
„Das Netzwerk muss sich „selbst“ überwachen und sich nur im Bedarfsfall melden! Dazu muss die Diagnose dann jederzeit einfach und verständlich „abrufbar“ sein, am besten mit einem gezielten Hinweis zur Fehlerbehebung.“

Das Lösungskonzept von Trebing + Himstedt wurde darauf ausgerichtet, in seinen grundlegenden Eigenschaften diesen Kundenanforderungen gerecht zu werden. Das Ergebnis ist ein einheitliches, steuerungs- und herstellerunabhängiges Diagnosekonzept für klassische und Ethernet-basierte Feldbusse bzw. Industrial Ethernet (Bild 1).

Anforderungen erfüllt
Alle wesentlichen Funktionalitäten und Diagnosen werden in der Auswertesoftware übergreifend dargestellt. Nur feldbusspezifische Eigenschaften werden je Netzwerk detailliert bereitgestellt. Der Anwender erhält bereits aufbereitete Informationen und muss nicht auf Protokoll-, Telegramm- oder Signallevel nach Fehlerursachen suchen. Das reduziert die Komplexität von Beginn an.
Da Netzwerke in der Regel parallel eingesetzt werden, sind Anlagen auch schon mal umzubauen und zu erweitern, wodurch sich die Anzahl der Netzwerke verändert. So kommt zum Beispiel zu einer Profibus-Anlage eine Profinet-Anlage neu hinzu, die zusätzlich mit Industrial Ethernet vernetzt wird. Die meisten Anwender befinden sich zudem in der Übergangsphase von Profibus auf Profinet und fahren zweigleisig. Aus diesem Grunde ist das Konzept modular aufgebaut und kann mit unterschiedlichen Ausprägungen umgehen. Damit sich das Netzwerk „selbst melden“ kann, ist eine permanente, netzwerkweite Überwachung grundlegende Voraussetzung. Das Konzept unterstützt darum die Alarmierung per E-Mail.

Diagnosekonzept für alle Netzwerke
Das Diagnosekonzept von Trebing + Himstedt besteht aus zwei Bausteinen, die eine Kombination aus der dezentralen Überwachung über die Netzwerkzugänge TH Link und der zentralen Auswertung über die Diagnosesoftware TH Scope bilden. Dabei stellt TH Scope eine gemeinsame Netzwerkübersicht der Automations-Netzwerke Profibus, Profinet und Industrial Ethernet nach dem Ampelprinzip zur Verfügung (Bild 2). Ein erstes Abbild der Netze ist bereits direkt nach der Installation verfügbar, da alle vorhandenen TH Link automatisch ohne aufwendige Konfiguration oder Engineering erkannt werden.
Sämtliche Funktionalitäten stehen über einen beliebigen Browser zur Verfügung, was die Nutzung von Tablets sowie Smart Phones und den Remotezugriff für Fernwartung ermöglicht (Bild 3). Zudem erleichtert es die Zusammenarbeit mit externen Dienstleistern bei der Fehlersuche. Im Fehlerfall wird eine E-Mail verschickt, die erste Fehlerinformationen enthält und gezielt auf zusätzliche Informationen und Hinweise zur Fehlerbeseitigung im TH Scope verlinkt. Mithilfe von Statistiken zur Qualität der Kommunikation und der Performance, Diagnoselisten, Gerätelogbüchern und Trendanalysen lassen sich Netzteilnehmer, die ein erhöhtes Datenaufkommen oder fehlerhafte Pakete senden, schnell erkennen.
Bei Ethernet verschiebt sich der Schwerpunkt von der physikalischen Fehlersuche zu komplexeren Applikations- und Konfigurationsproblemen. Ein falsch gesteckter Port, falsche Firmwarestände oder Konfiguration sind dabei typische Fehler. Anhand einer Topologie des Netzwerks lässt sich deshalb schnell überprüfen, ob sich alle Geräte auf dem richtigen Port befinden. Ein Vergleich mit abgespeicherten Referenzkonfigurationen und die Generierung von Abnahmeprotokollen für Inbetriebnahmen bzw. Abnahmen sind zusätzlich möglich.

Flexible Informationsbereitstellung
Da eine Dokumentation von Netzwerkinstallation in der Praxis oft nur unzureichend vorliegt und mit hohem Aufwand verbunden ist, stellt der TH Scope per Mausklick eine „permanente Inventur“ zur Verfügung. Dieses bietet eine aktuelle Übersicht zu Netzwerk- und Geräteinformationen, wie Firmwarestand oder Bestellnummer. Das erspart nicht nur Kosten für spezielle Software oder externe Dienstleister, sondern auch Hotline-Calls und Verzögerungen bei Serviceeinsätzen und Anlagenstillständen.
Ein Microsoft Office Export überträgt alle Diagnoseinformationen strukturiert für kundenspezifische Analysen, Auswertungen und Reporte basierend auf vorbereiteten Filtern nach MS Excel. Die Integration in andere Applikationen wie HMI oder Asset Management Systeme ist über OPC möglich.
Der TH Link, der alle Netzwerkinformationen jeweils protokollspezifisch aufbereitet, steht sowohl als Hardwarebaugruppe als auch als reine Softwarelösung für den mobilen Serviceeinsatz über Notebook zur Verfügung. Neben den Profinet-spezifischen Protokollen nutzt er für Profinet- und Industrial-Ethernet-Netze auch alle üblichen Standardprotokolle. Dadurch erkennt er in „gemischten“ Netzen auch Nicht-Profinet-Geräte, wie Drucker, Kameras oder Switche. Gleiches gilt für Profinet-Baugruppen, die reine TCP/IP-Send/Recieve-Funktionen nutzen.

Bessere Diagnose bei intelligenten Baugruppen
Dabei hat sich gezeigt, dass der Einsatz intelligenter Baugruppen große Vorteile bei der Diagnose mit sich bringt, die den Mehrpreis in der Beschaffung mehr als ausgleichen. Für Profibus stehen intelligente Repeater/Koppler, wie der Diagnoserepeater für Profibus DP von Siemens oder der Segmentkoppler SK3 von Pepperl+Fuchs für Profibus PA, bereit. Sie liefern Informationen über die Busphysik, die der TH Link auswertet. Für Profinet/Industrial Ethernet gibt es viele Managed Devices, wie Switches.
Beliebige TH Link sind kombinierbar und die Applikation kann ohne Performanceprobleme sehr groß skaliert werden. Die Diagnoseinformationen werden historisch in einem lokalen Speicher von bis zu 4 000 Meldungen abgelegt. Außerdem stehen über einen integrierten Webserver alle relevanten Echtzeitinformationen direkt über einen Browser zur Verfügung -unabhängig von der Verfügbarkeit des TH Scope. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber ausschließlich zentralen Konzepten auf PC-Basis oder speziellen Netzwerktools.

Erste Erfahrungen der Anwender
Das Diagnosekonzept wurde in enger Abstimmung mit führenden Competence Centern, Automationsherstellern und Endkunden für einen globalen Markt entwickelt und wird 70 % der relevanten Feldbusnetzwerke abdecken. Die Lösung steht heute für die führenden Netzwerke Profibus, Profinet und Industrial Ethernet zur Verfügung; weitere Netzwerke, wie Ethernet IP, sind in Arbeit. Ein begleitender Feldtest brachte wichtiges Feedback hinsichtlich Robustheit, Performance und funktionalen Detailverbesserungen. Dabei haben vor allem die einfache Handhabung, aussagekräftige Informationen ohne Detailüberlastung und das hierarchisch aufgebaute Ampelprinzip die Instandhalter und Inbetriebnehmer begeistert. Dank intuitiver, webbasierter Bedienung und sofortiger Verfügbarkeit der Informationen waren die Kunden positiv überrascht, wenn sie nach wenigen Sekunden ihre Netzwerke sahen. Die erstmalige Transparenz brachte viele Überraschungen ans Tageslicht, die zu ersten Instandhaltungsmaßnahmen führten. Innerhalb kürzester Zeit entschieden sich zahlreiche Kunden verschiedener Branchen für das Diagnosekonzept und sind von einer schnelleren Inbetriebnahme und einer höheren Anlagenverfügbarkeit überzeugt.

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Autor: Steffen Himstedt ist Geschäftsführer der Trebing & Himstedt Prozeßautomation GmbH & Co. KG in Schwerin