Kommunikationsnetze

Auch der sichere Feldbus ist ein Verschleißteil

15.12.2006 | Autor / Redakteur: Karl-Heinz Richter* / Gerd Kucera

Über das vorhandene Ethernet werden die INspektor-Geräte mit der zentralen Instandhaltungssoftware PROmanage verbunden
Über das vorhandene Ethernet werden die INspektor-Geräte mit der zentralen Instandhaltungssoftware PROmanage verbunden

Es wird immer deutlicher: Kommunikationsbusse arbeiten gar nicht so fehlerfrei, wie man lange Zeit glaubte. Im Gegenteil. Mangelhafte Buskommunikation ist in vielen Fällen die Ursache für Produktionsstillstand. Eine regelmäßige Wartung des Kommunikationsnetzes selbst ist daher für die zuverlässige Fertigung unerlässlich. Aber viele Unternehmen wollen bei den Kosten für das Wartungspersonal immer stärker sparen. Ein unlösbares Dilemma? Nicht unbedingt, meint der Autor, denn es gibt für die zu überwachenden Netzwerke entsprechende Soft- und Hardwarelösungen.

Sensoren und Aktoren werden vor ihrem Einsatz im Netzwerk bis ins Detail geprüft. Nach der Installation des Netzwerkes selbst, wenn zu den eingebauten Komponenten noch zahlreiche Meter Kabel und jede Menge Steckverbinder dazu gekommen sind, begnügen sich die meisten Anwender jedoch mit der einfachen Aussage: „Geht doch!“ Weil bislang keine Norm die Qualitätsprüfung des Gesamtnetzwerkes fordert, wollen sich viele Betreiber die Kosten für eine Untersuchung nach der Installation oder gar eine regelmäßige Wartung lieber sparen. Dieses Verhalten ist allerdings kurzsichtig, bedenkt man, dass der Feldbus das „zentrale Nervensystem“ einer Automatisierungsanlage bildet.

Netzwerkzustände sind qualitativ zu beurteilen

Nachdem die erste Euphorie im Feldbusbereich verklungen ist, schauen einige Anwender mittlerweile genauer hin und stellen fest: 90% der Ausfallursachen von industriellen Datennetzen lassen sich auf mangelnde Qualität des Busses zurückführen. Kein Grund den Feldbus an sich zu verteufeln, doch sollte man sich nicht blauäugig mit einem „geht doch“ zufrieden geben. Nur wer den genauen Zustand seines Feldbusnetzes kennt, kann eingreifen, bevor es zum Ausfall kommt.

Leitungen und Steckverbinder verschleißen im Laufe der Zeit

Zum einen ist es unabdingbar, Projektierungs- und Installationsrichtlinien genau zu befolgen, damit der Bus von Anfang an mit maximaler physikalischer Übertragungsqualität arbeitet. Daneben gilt es zu bedenken, dass Leitungen und Steckverbinder verschleißen. Kühlmittel, Temperatureinflüsse, Feuchtigkeit, Öle, Fette aber auch unzählige Wechselbiegebeanspruchungen der Leitungen in den Schleppketten beispielsweise tragen hierzu bei. Will heißen: Der physikalische Zustand eines Feldbusses verschlechtert sich über die Jahre. Fatalerweise ist der Abnutzungsvorrat beim Feldbus sehr hoch, was bedeutet, dass der Bus auch dann noch funktioniert, wenn weit jenseits der definierten Sollspannung gearbeitet wird. Fatal ist das deshalb, weil viele meinen, ganz auf Wartung verzichten zu können. Doch der Störabstand und damit der Spannungsbereich innerhalb dem der Feldbus zuverlässig arbeitet, ist zwar groß aber keinesfalls unendlich. So wiegt sich mancher in trügerischer Sicherheit. Mit zunehmendem Verschleiß sinkt die physikalische Busqualität irgendwann so stark ab, dass diese Veränderung zu einer Beeinträchtigung des logischen Datenverkehrs führt und es in Folge zu sporadischen Ausfällen kommt. Spätestens hier sollte man entgegenwirken und potentielle Schwachstellen beseitigen.

Die regelmäßige Wartung des Netzwerks erhöht die Betriebssicherheit

Aus Erfahrung wissen die Feldbusspezialisten, dass man den physikalischen Zustand des Kommunikationsnetzes zyklisch alle 12 bis 18 Monate abfragen sollte, um durch Vorsorge eine unterbrechungsfreie Produktion gewährleisten zu können. Mit der zunehmenden Zahl der zu überwachenden Netzwerke und der gleichzeitigen Abnahme an Wartungspersonal wird die Überwachung immer problematischer, betrachtet man nur das zur Verfügung stehende Zeitvolumen.

Die Forderung aus der praktischen Realität liegt also auf der Hand: Die Feldbuswartung muss automatisiert werden. Derzeit arbeiten die Netzwerkspezialisten der Indu-Sol GmbH (Gera) an einer entsprechenden Lösung. Ein Hardwaremodul als dezentraler Busmonitor und einer entsprechenden Software sollen künftig kontinuierlich den logischen Datenverkehr in Feldbussen überwachen und dessen Zustand anzeigen. So lassen sich Rückschlüsse auf den physikalischen Zustand des Netzes machen.

Ein kleines Hardwaremodul analysiert den Datenverkehr und notiert fehlerhafte Ereignisse

Dazu wird das Hardwaremodul namens INspektor in jedes zu überwachende Mastersystem eingebaut, um dort den logischen Datenverkehr kontinuierlich zu überwachen, Fehler zu zählen und als Ereignisse zwischenzuspeichern: zerstörte Telegramme, Telegrammwiederholungen, Diagnosemeldungen des Slaves und sichtbare Veränderungen der Zykluszeiten. Im Ethernet wird zudem noch die Anzahl der Telegrammkollisionen und die Auslastung pro Port beobachtet.

Um das Verhalten im Datenverkehr und somit die auftretenden Fehler richtig beurteilen zu können, werden die Schwellenwerte zur Frühalarmierung des Instandhaltungspersonals erst nach einer gewissen Zeit der Installation des Systems eingestellt. Nur mit dieser Vorarbeit lassen sich Grenzwerte (Alarmstufen) anlagenspezifisch und somit optimal definieren. Die zentrale Instandhaltungssoftware PROmanage, per vorhandenem Ethernet-Netzwerk mit dem Inspektor verbunden, holt sich zyklisch im Minutentakt die Messdaten im SNMP-Format (Simple Network Management Protocol) ab, zeigt sie in verständlichen Diagrammen (Reports) an und informiert den Instandhalter, bevor die logische Busqualität den sicheren Bereich verlässt.

Die Datenhistorie hilft bei der Netzwerkanalyse

Mit der kontinuierlichen Netzwerküberwachung und dem Speichern der ermittelten Daten lässt sich nicht nur jederzeit eine quantitative Aussage über den Zustand einer Anlage machen, es eröffnen sich künftig weitere Möglichkeiten. Bislang war es bei vielen Automatisierern gängige Praxis, den Instandhalter für das Wochenende nur dann zu bestellen, wenn das Netzwerk unter der Woche nicht zuverlässig arbeitete. Wenn man jedoch den genauen Zustand eines Netzes gar nicht kennt, wer garantiert dann, dass der Feldbus am Freitag nicht gerade noch so funktioniert hat und es montags zu Ausfällen kommt? Mit der kontinuierlichen Überwachung sieht man genau, wann sich die Kommunikationsqualität dem Ausfallbereich nähert und kann rechtzeitig mit einer Wartung entgegenwirken.

Eine Langzeitsicherung hat noch weitere Vorteile

Daneben bringt die Speicherung der Daten weitere Vorteile: Erstmals kann man nun den Zustand eines Netzes über einen längeren Zeitraum beobachten und beispielsweise Vergleiche mit dem Vortag, -monat oder -jahr anstellen. Und man könnte mit diesen Informationen klären, warum Feldbusse in verschiedenen Werksbereichen unterschiedlich schnell altern. Daraus lässt sich unter Umständen schließen, welche Umgebungsbedingungen an der schnelleren Alterung schuld sind. Es entstehen wichtige Erkenntnisse zum Verhalten eines Netzwerkes bezogen auf deren Kommunikationsstabilität unter Einfluss der Störgrößen Umwelt und Bauteilalterung in Bezug auf die Zeit. Diese Forschungsergebnisse dürften nicht nur für die Instandhaltungsplaner, sondern auch für die Gerätehersteller und deren Entwickler von großem Vorteil sein.

Damit sich die automatisierte Feldbusdiagnose unter dem Begriff „Permanente Netzwerküberwachung“ möglichst flexibel einsetzten lässt, wurde bei der Schnittstelle zwischen INspektor und Software bewusst Wert auf Standards gelegt. Die gemessenen Daten werden per SNMP an die Leitsoftware PROmanage, weitergegeben. Soll in der gleichen Maschine zum Beispiel noch einen Temperaturwächter mit SNMP-Anschluss installiert werden, so lassen sich diese Messdaten relativ einfach in ein und derselben Software anzeigen, bewerten und wenn notwendig Alarmstufen realisieren.

Die kontinuierliche Netzwerküberwachung läuft als Testinstallation in der Kfz-Industrie

Aber auch der umgekehrte Fall ist denkbar: Wenn eine Visualisierungssoftware bereits vorhanden ist, dann lassen sich dort die Messdaten des INspektors einfach integrieren und anzeigen. So kann der Anwender je nach Bedarf die benötigten Module kaufen und muss sich nicht mit mehreren Installationen von Visualisierungssoftware herumschlagen. Der für diesen Fall zur Integration notwendige MIB-Pfad (Management Information Base) wird dann von Indu-Sol zur Verfügung gestellt.

Derzeit ist das Projekt der kontinuierlichen Netzwerküberwachung in der praktischen Forschungs- und Entwicklungsphase. Ein Vormodell läuft in einer Testanwendung. Auf SPS/IPC/DRIVES 2006 zeigte Indu-Sol einen Prototyp des INspektors für den Profibus; zur Hannover Messe 2007 sollen diese Inspektoren dann in Serie lieferbar sein. Versionen für den ASi und CAN sowie die endgültige Softwareversion von „PROmanage“ sind bis Ende 2007 geplant.

Warum der Feldbus ein Verschleißteil ist

Seitens der Anwenderschaft wird der kontinuierlichen Inspektion von Bussystemen (laufende Wartung und Instandhaltung) zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Nicht selten ist der Betreiber der Meinung: „Ein gemäß den Richtlinien aufgebauter Bus wird nicht ausfallen. Alterungsbedingten Verschleiß gibt es nicht.

Doch in der Praxiszeigt sich ein anderes Bild. Bei Verlegung des Buskabels in der Schleppkette beispielsweise kann durch starke Wechselbiegebeanspruchung Aderbruch erfolgen. Weil nun die Maschine mechanische Energie gespeichert hat, fügen sich die Aderteile in der nächsten Maschinenbewegung wieder zusammen und nach kurzem Aussetzer läuft die Maschine ordnungsgemäß weiter (Wackelkontakt).

Doch die „rote Warnleuchte“ erweckt beim Anwender den Eindruck als sei das betreffende Busmodul schadhaft.

Und im Laufe der Zeit verliert außerdem der Kabelmantel seinen Weichmacher. Hierbei ändert sich langsam der Abstand zu den einzelnen Leitungen untereinander und zum Schirm, was eine elektrische Kapazitätsänderung mit sich bringt. Das hat Einfluss auf die Signalqualität, die der angeschlossenen Elektronik irgendwann nicht mehr ausreicht. Auch Busklemmen sind Verschleißteile. Ein Bus mit 32 Teilnehmern hat bei 6 Klemmen pro Teilnehmer 192 potenzielle Fehlerstellen. Sender- und Empfängerbausteine bestehen aus hochintegrierter und sensibler Elektronik. Sie altert (verschleißt) umso schneller, je höher ihre Umgebungstemperatur ist (auch dann, wenn sie für diese Temperatur spezifiziert wurde).

Erfahrene Praktiker empfehlen deshalb nach der grundlegenden ersten Einmessung diese ermittelten Werte periodisch mit nachfolgenden Messungen zu vergleichen.Damit erhält man eine klare Aussage über die Qualität der Kommunikationsparameter und beugt so fehlerhaften Telegrammen auf dem Bus und einem plötzlichen Maschinenausfall vor.

Indu-SolTel. +49(0)365 7349290

*Karl-Heinz Richter ist geschäftsführender Gesellschafter der Indu-Sol GmbH, Gera.

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