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Profinet-Netzwerk­diagnose – mehrere Verfahren nutzen

01  Bei dem oben gezeigten Test-Access-Point (TAP) ohne Kurzschluss ist die Rückflussdämpfung (Return Loss) besser

01  Bei dem oben gezeigten Test-Access-Point (TAP) ohne Kurzschluss ist die Rückflussdämpfung (Return Loss) besser

Zur Diagnose und Analyse von Ethernet-Netzwerken werden verschiedene Messsysteme angeboten. Über Test-Acess-Points (TAP) ist es möglich, diese im laufenden Betrieb und ohne Unterbrechung der Kommunikation in das Netzwerk einzuschleifen. Der Netzwerkexperte IVG Göhringer rät allerdings dazu, sich nicht auf das erstbeste Ergebnis zu verlassen, sondern im Zweifelsfall verschiedene Messverfahren anzuwenden. Am Beispiel eines Profinet-TAP werden die Hintergründe aufgezeigt.

02  Die HDTDR-Messung zeigt beim TAP mit Kurzschluss  um den Faktor fünf höhere Reflexionen

02  Die HDTDR-Messung zeigt beim TAP mit Kurzschluss um den Faktor fünf höhere Reflexionen

03  Deutliche Unterschiede zeigen die verglichenen TAP beim Jitter (Taktschwankung)

03  Deutliche Unterschiede zeigen die verglichenen TAP beim Jitter (Taktschwankung)

Im Gegensatz zu seriellen Feldbussen gibt es bei den Punkt-zu-Punkt-verkabelten Ethernet-Netzwerken keine Möglichkeit, im laufenden Betrieb an einer beliebigen Stelle des Netzwerks einfach ein Diagnosegerät einzuschleifen. So würde die Unterbrechung der Ethernet-Leitung für den ­Anschluss eines Messgeräts zum sofortigen Abbruch der Kommunikation und damit zum Anlagenstillstand führen. Zudem sind nicht alle Telegramme an jeder beliebigen ­Stelle im Netzwerk vorhanden: Switches senden die Datenpakete nur dezidiert an den tatsächlichen Empfänger, was eine ­effektive Fehlersuche erschwert.

Test-Access-Points als Messstellen

Abhilfe bieten hier sogenannte Test-Access-Points (TAP), die als Messstelle im Netzwerk dienen. Sie werden an den Stellen, die für eine Netzwerkanalyse wichtig erscheinen, fest eingebaut. Hier sorgen sie dafür, dass sich der Datenverkehr im laufenden Betrieb einfach und ohne Unterbrechung der Kommunikation aufzeichnen und analysieren lässt. Ihre ­Ins­tallation erfolgt zumeist, wie in den PNO-Richt­linien vorgeschrieben, unmittelbar am Controller. Der Ethernet-Verkehr wird auf die Ports der Messstelle gespiegelt, um den Netzwerkverkehr nicht zu beeinflussen. Der passive TAP soll das Netzwerk vor Störungen durch angeschlossene Diagnose­geräte oder PC schützen. Innerhalb eines Profinet-Kabels dürfen bis zu zwei Steckstellen vorhanden sein. Neuere Kabelzertifizierer erkennen die Steckstellen per TDR-Messung, da an den Steckkontakten minimale Reflexionen auftreten. „Ein Kabelzertifizierer darf die Messstelle nur als Steckstelle erkennen, ansonsten muss sie sich sowohl im bestromten als auch im unbestromten Zustand vollkommen passiv verhalten“, erläutert Hans-Ludwig Göhringer von IVG Göhringer [1]. Sein Unternehmen verfügt über langjähriges Know-how im Bereich der Fehlersuche und Instandhaltung von indus­triellen Netzwerk- und Feldbusinstallationen. Die Spe­zialisten sind häufig als Troubleshooter an Maschinen und Anlagen, die aufgrund von Bus- oder Netzwerkproblemen ausgefallen sind, im Einsatz. Zudem bietet das schwäbische Unternehmen verschiedene Schulungen zur Instandhaltung von Bussystemen und industriellen Netzwerken an.

Telegrammverlust

Immer wieder wird IVG Göhringer zu Anlagen gerufen, in denen es zu Störungen bei der Profinet-Kommunikation gekommen ist – und das Instandhaltungspersonal den Fehler nicht finden kann. „Zwischenzeitlich schauen wir uns die TAP als erstes an, wenn während der Messung Tele­gramme verloren gehen“, berichtet H.-L. Göhringer aus seinem Troubleshooting-Einsatz und fährt fort: „Oft sind TAP-Geräte zur Dia­gnose eingebaut, die selbst Fehler im Datenverkehr verursachen.“

Im Grundsatz müssen die TAP mit und ohne Spannung rückwirkungsfrei arbeiten. Das ist mit einem Kabelzertifizierer schnell nachprüfbar. Dazu werden jeweils vor und nach dem TAP 2 m Profinet-Kabel angeschlossen und dann anhand der Kabelspezifikation des Profinet-Kabels durchgemessen. Dabei zeigt sich immer wieder, dass viele Messstellen die Eigenschaft „passiv“ gar nicht erfüllen.

Messstellen nicht rückwirkungsfrei

In dem beschriebenen Fall wurde mit dem Kabelzertifizierer ein Kurzschluss zwischen den Datenleitungen festgestellt. Der Kurzschluss alleine ist schon problematisch, allerdings gab es auch ein Gerät, bei dem vier unterschiedliche Resonanzfrequenzen ermittelt wurden: jeweils zwei auf der Empfangsleitung des kommenden Ports und zwei auf der Empfangsleitung des abgehenden Ports. Diese können sich unter dem Einfluss der Luftfeuchtigkeit im Feld noch leicht verändern. Wird nun ein Kabel mit einer zufällig ungünstigen Länge eingesetzt, kann es zu einer Schwingung kommen, welche die Kommunikation stört und zum Ausfall führt. Wird das Kabel verlängert oder verkürzt, besteht die Möglichkeit, dass der Fehler entweder verschwunden ist oder stärker in Erscheinung tritt. In manchen Fällen kann ein „schlechteres“ Kabel, welches nicht den normativen Definitionen entspricht, zu einem funktionierenden Netzwerk führen. Jeder Anwender, der schon einmal Messergebnisse erhielt, für die es keine Erklärung gab, sollte jetzt hellhörig werden.

Es gibt auch Messgeräte am Markt, die den Kurzschluss nicht anzeigen. Das führt zu manchen Diskussionen vor Ort. Diese sind jedoch schnell beendet, wenn der TAP getauscht wurde und die Kommunikation ohne Telegrammverlust läuft. Zudem gibt es eine Reihe weiterer Messver­fahren, welche die Folgen des Kurzschlusses im TAP ebenfalls zeigen.

Return loss – Rückflussdämpfung

Bei der Rückflussdämpfung (englisch: „Return loss“) ­handelt es sich um einen Reflexionsfaktor. Er gibt das ­Verhältnis vom eingespeisten zum reflektierten Signal an. Zu Reflexionen können Steckverbindungen, beschädigte Kabel oder fehlerhafte Geräte führen. Werden die reflektierten Signale zu stark, werden sie als Nutzdaten interpretiert. Das führt zu Fehlern in der Netzwerkkommunikation. Bei einem TAP mit Kurzschluss tritt genau diese Situation auf (Bild 1).
Eine weitere Möglichkeit ist die HDTDR-Messung (High Definition Time Domain Reflectometry). Dazu wird ein sehr kurzer Testimpuls auf die Leitung geschickt. Der an einer Schwachstelle reflektierte Teil des Signals wird vom HDTDR-Messgerät an der Einspeisestelle ausgewertet. Im gemessenen Beispiel waren die Reflexionen beim Fehler-TAP um den Faktor fünf stärker als bei der Vergleichsmessung mit dem einwandfreien TAP (Bild 2).

Betrachtung des Jitter

Als Jitter wird die zeitliche Abweichung vom Telegrammtakt bei der Datenkommunikation bezeichnet. Die Angabe ­erfolgt in der Regel in Nanosekunden oder Prozent. Je größer die Abweichung vom Idealzustand ist, desto größer ist das Risiko, dass die Übertragungsqualität unter dem Jitter leidet (Bild 3).

Fazit

Prinzipiell sollten Anwender ihren Messgeräten nie blind vertrauen. Erfahrene Messtechniker raten dazu, im Zweifelsfall immer ein weiteres Messverfahren anzuwenden. Dementsprechend gilt auch hier: Vertrauen ist gut – Kontrolle ist besser.(ih)


Literatur:
[1] IVG Göhringer, Holzgerlingen: i-v-g.de


Gerhard Bäurle ist als Technikjournalist für IVG Göhringer tätig.

Autor:
Gerhard Bäurle ist als Technikjournalist für IVG Göhringer tätig.