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Fehlersuche im Industrial Ethernet

Messtechnik nicht blind vertrauen

Das industrielle Netzwerk sorgt für die zuverlässige Kommunikation von Maschinen und Anlagen. Obwohl Industrial Ethernet-Netzwerke prinzipbedingt robust sind, kommt es auch hier gelegentlich zu Fehlern. Diese lassen sich mit spezieller Messtechnik aufspüren, die Werte nicht verfälschen darf. Was selbstverständlich klingen mag, ist es in der Praxis nicht. Der messtechnische Dienstleister IVG Göhringer fand heraus, dass viele Messstellen nicht ‚passiv‘ in der Leitung hängen.

Messtechnik nicht blind vertrauen

Bild: I-V-G Göhringer

Im Vergleich zu seriellen Feldbussen liegt der Vorteil von ethernetbasierten Systemen auf der Hand: Einfacheres Engineering, höhere Datenraten, skalierbare Echtzeitfähigkeit sowie mehr Möglichkeiten bei der Netzwerkarchitektur. Aufgrund der Verwendung der Ethernettechnologie sind IP-basierte industrielle Netzwerke prinzipbedingt sehr robust gegenüber Störeinflüssen. Dennoch kann es auch hier zu unerwarteten Ausfällen kommen. Im Gegensatz zum klassischen Feldbus gibt es bei den Punkt-zu-Punkt verkabelten Ethernetnetzwerken keine Möglichkeit, an einer beliebigen Stelle des Netzwerks einfach ein Diagnosegerät aufzuschalten. Die Ethernetleitung kann nicht aufgetrennt werden, um ein Messgerät einzuschleifen. Das würde sofort zum Abbruch der Kommunikation und damit zum Anlagenstillstand führen. Zudem sind nicht alle Telegramme an jeder beliebigen Stelle im Netzwerk messbar. Switches senden die Datenpakete nur dezidiert an den tatsächlichen Empfänger, das erschwert die Fehlersuche.

TAPs als Messstellen

Um dennoch messen zu können, werden sogenannte Test-Access-Points (TAP) als Messstelle in das Netzwerk integriert. An den zur Netzwerkanalyse wichtigen Stellen installiert, sollen diese TAPs dafür sorgen, dass man den Datenverkehr im laufenden Betrieb aufzeichnen und analysieren kann. Sie werden meistens, wie in den Richtlinien zu Profinet vorgeschrieben, unmittelbar am Controller installiert. Der Ethernetverkehr 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 PCs schützen. Innerhalb eines Profinetkabels dürfen bis zu zwei Steckstellen vorhanden sein. Neuere Kabelzertifizierer erkennen die Steckstellen per TDR-Messung (Zeitbereichsreflektometrie), 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. Der messtechnische Dienstleister und Schulungsanbieter hat sich auf die Fehlersuche und Instandhaltung von industriellen Netzwerk- und Feldbusinstallationen spezialisiert. Neben der Dienstleistung als Troubleshooter bietet das schwäbische Unternehmen verschiedene Schulungen zur Instandhaltung von Bussystemen und industriellen Netzwerken an – auch während des Automatisierungstreffs 2018 in Böblingen.

Überraschende Messergebnisse

Wie oben geschrieben, werden an den Stellen, die für eine Netzwerkanalyse wichtig erscheinen, die TAPs eingesetzt. Sie sollen dafür sorgen, dass man einfach und ohne Unterbrechung der Kommunikation den Datenverkehr aufzeichnen und analysieren kann. „Im Zuge verschiedener Messeinsätze sind wir mit einigen dieser Geräte in Kontakt gekommen und haben immer wieder erstaunt auf unsere Messergebnisse geblickt“, berichtet Hans-Ludwig Göhringer aus seinen Troubleshooting-Einsätzen und fährt fort: „Nach einer gewissen Zeit war uns klar, dass wir uns die ‚passiven‘ Eigenschaften der Messstellen genauer anschauen müssen“. Daraufhin wurden die Messstellen und Geräte verschiedener Anbieter mittels eines Kabelzertifizierers getestet. Dazu wurden jeweils vor und nach dem Probanden zwei Meter Profinet-Kabel angeschlossen und dann anhand ihrer Spezifikation durchgemessen. Die Überlegung war, dass die Geräte mit und ohne Spannung vollkommen rückwirkungsfrei arbeiten müssen. „Was wir da gefunden haben, hat uns sehr erstaunt. Da wurden Geräte zur Diagnose eingebaut, die selber Fehler im Datenverkehr verursachen“, schildert Hans-Ludwig Göhringer. Vielen Messstellen für Diagnosetools, die sensibelsten Stellen im gesamten Netzwerk überhaupt, erfüllten die Eigenschaft ‚passiv‘ gar nicht. Die eigene Messstelle BS-0130 des Messdienstleisters verursachte hingegen keine Kurzschlüsse und damit auch keine Resonanzen.

Nicht rückwirkungsfrei

Die Auffälligkeiten diverser Geräte untersuchte IVG näher. An verschiedenen Probanden wurde mit dem Kabelzertifizierer ein Kurzschluss zwischen den Datenleitungen festgestellt. Der Kurzschluss alleine ist schon problematisch, aber es gab 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, kann der Fehler weg sein oder stärker in Erscheinung treten. In manchen Fällen kann sogar ein Kabel außerhalb der Norm zu einem funktionierenden Netzwerk führen. Göhringer rät Anwendern, die schon unerklärliche Messergebnisse hatten, den TAP austauschen.

Kein blindes Vertrauen

Auf jeden Fall sollten sich Anwender informieren, bevor sie in Messtechnik für ihre industriellen Netzwerke investieren. Im schlimmsten Fall fügt fehlerhafte Messhardware dem Netz eine Schwachstelle hinzu, statt bei der Fehlersuche zu helfen. Die Tests des Dienstleisters zeigen aber auch, dass Messgeräten nicht blind vertraut werden sollte. Am Ende ist doch Sachverstand der Anwender erforderlich – den IVG Göhringer in seinen Schulungen vermitteln will.


Workshop ´Physikalische Prüfkriterien´

In dem dreieinhalbstündigen Praxis-Workshop stehen auf dem diesjährigen Automatisierungstreff wesentliche physikalische Prüfkriterien für Profinet-Abnahmemessungen auf dem Lehrplan – speziell für die Ersteller von Lastenheften, Konstrukteure, Inbetriebnehmer und Instandhalter. Im Mittelpunkt steht die Bewertung der elektromagnetischen Verträglichkeit, die in der täglichen Praxis häufig Störungen in der Datenübertragung verursachen. Informationen zu physikalischen Grundlagen, zur Erdung, zu Schirmströmen und Störpegeln auf der Versorgung ergänzen den Workshop. Details finden sich auf der Website: zum Automatisierungstreff 2018
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Messtechnik nicht blind vertrauen
Bild: I-V-G Göhringer



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