SPS-Diagnosepuffer um eine Informationsquelle reicher

Wohl fast jeder Maschinenbauer kennt das Szenario bei der Inbetriebnahme: Anstatt mit Loop Checks und Funktionstests die Maschine zu prüfen oder diese starten zu können, kämpft man erst einmal gegen sporadische, nicht reproduzierbare Ereignisse in der PROFINET-Kommunikation. Die Ursachen sind meist nicht klar nachzuvollziehen und auch der SPS-Diagnosepuffer macht hierzu keine klaren Aussagen. Letztlich hilft man sich mit dem sukzessiven Tausch von Steckern, Verbindungsleitungen oder auch der betroffenen Netzwerkkomponenten. Diese Situation nervt, kostet Zeit und ähnelt oft einem „Fischen im Trüben“. Besser wäre es, mit eindeutigen Informationen die Ursachen schnell auffinden und zielgerichtet beseitigen zu können und dann die Möglichkeit zu haben, sich voll auf die Inbetriebnahme zu konzentrieren.

Es ist kein unbekanntes Phänomen, dass Fehler in der Inbetriebnahme auftreten bzw. dabei ans Tageslicht gefördert werden. Dieser Zustand ist normal und lässt sich mittlerweile als Grafik verallgemeinernd darstellen („Badewanneneffekt“ Bild 1). Dass am Anfang die Fehlerhäufigkeit sehr hoch ist, ist kein überraschendes Phänomen weder der Elektrik noch der Mechanik oder des Netzwerkes. Vielmehr ist damit zu rechnen und es sollte ein entsprechender Zeitraum für die Überführung einer Maschine oder Anlage in den Dauerbetrieb eingeplant werden. Bedenklich wird es dann, wenn sich dieser Zeitraum unvorhergesehen verlängert, weil plötzliche und nicht reproduzierbare Effekte in der Steuerung eintreten und kein koordiniertes Vorgehen gewährleistet ist.

 

Oft spielt sich bei der Inbetriebnahme dieses Szenario ab: Nach mechanischer und elektrischer Montage bzw. Installation startet schrittweise die Hard- und Softwareinbetriebnahme und anschließend der Funktionstest. Unangenehm wird es dann, wenn bereits geprüfte Systeme sporadisch Auffälligkeiten aufweisen. So z.B. die PROFINET-Kommunikation – eine eigentlich für den Prozess der Inbetriebnahme zu vernachlässigende Funktionseinheit – meldet sich plötzlich zu „Wort“ und kündigt sporadisch den Dienst. Um schnell Abhilfe zu schaffen, werden die gestörten Teilnehmer, welche in der SPS als ausgefallen gemeldet werden, als defekt erklärt und getauscht. Nicht selten wiederholt sich dieser Zustand mehrere Male, bis man dann den eigentlichen Verursacher beispielsweise in einer defekten Leitung im Backbone ausfindig gemacht hat. In vielen Fällen kommt der Software-Experte jedoch nicht zur Prüfung seiner SPS-Programme, weil immer wieder unerklärliche Störungen im Netzwerk vorkommen. Oft versucht man per Handskizze Ursache auf die Schliche zu kommen (Bild 2a,b). In der Praxis kann diese Recherche schon mal eine ganze Arbeitswoche in Anspruch nehmen kann (Bild 2c).

SPS liefert zu wenige klare Diagnoseinformationen

Üblicherweise überwacht die SPS die PROFINET Applikation. Um den Ursachen für die Geräteausfälle ausfindig zu machen, schaut der Softwareexperte daher in den SPS-Diagnosepuffer, der umfangreiche Informationen liefert. Allerdings kennt der Diagnosepuffer in diesem Zusammenhang nur zwei Zustände: „funktioniert“ oder „funktioniert nicht“ oder wie in Bild 3a dargestellt „grün“ bzw. „rot“. Geht man davon aus, dass es außer dem Spannungsausfall keinen plötzlichen und unvorhersehbaren Ausfall gibt und ein solcher sich irgendwie andeutet, stellt sich die Frage: Wie lässt sich ein Ausfall vorhersagen bzw. genauer eingrenzen oder beschreiben? Um hier aufzuklären, ist ein tieferer Blick in die Kommunikationsbeziehung im PROFINET nötig. Jedes Gerät im Netzwerk benötigt eine gewisse Übertragungszeit zum Übermitteln seiner Informationen (Aktualisierungszeit). Damit die Übertragung sicher funktioniert, sieht die Kommunikation einen zusätzlichen Zeitpuffer (Ansprechüberwachungszeit – Watchdog) vor – in der Regel das Dreifache der Aktualisierungszeit. Gelingt die Datenübertragung auch innerhalb dieses Zeitpuffers nicht, geht die Anlage in den sicheren Zustand – die Kommunikation zum Teilnehmer wird eingestellt. Eine Nachvollziehbarkeit lässt sich durch das Detektieren von Telegrammlücken realisieren, denn jede nicht stattgefundene Übertragung eines Telegramms hinterlässt beim Empfänger eine Telegrammlücke.

 

In der Standardeinstellung der SPS werden bis zu drei Lücken toleriert und im Diagnosepuffer somit nicht berücksichtigt. Im Umkehrschluss heißt es „Alles okay – keine Auffälligkeiten“. Erst mehr als drei Telegrammlücken führen zum Fehlerzustand (Einstellung der Kommunikation zum Teilnehmer). Auslöser ist das Überschreiten vom Watchdog.

 

Wenn man bei der Metapher der Ampel bleiben möchte, wird hier deutlich, dass der gelbe Bereich fehlt (Bild 3b), obwohl es einen Parameter gäbe, um diesen sichtbar zu machen. Denn immer dann, wenn es zu zwei oder gar drei Diagrammlücken kommt, liegt ein Problem der Kommunikation zur betroffenen Netzwerkkomponente nahe. So sind es in der Praxis meist mehrere Teilnehmer, die von diesem Phänomen in unterschiedlicher Häufigkeit betroffen sind. Hätte der SPS-Programmierer oder auch der Service-Techniker diese „Gelb-Information“ ebenfalls in der SPS abrufbereit, könnte gezielt bei sporadischen Netzwerkstörungen eingegriffen werden.

Informationen über Zwischenzustände ermöglichen frühzeitiges Eingreifen

Hier setzt der PROFINET-Agent „Agent blond“ von Indu-Sol an (Bild 4). Er wird als rückwirkungsfreie Messstelle ins Netzwerk integriert, um die Netzwerk-Kommunikation zu überwachen. Karl-Heinz Richter (Bild 5), Geschäftsführer bei Indu-Sol erklärt: „Eine solche Messstelle (TAP) ist bereits in vielen Anlagen verbaut. Unsere Idee war nun, diese Messstelle mit zusätzlicher Intelligenz so zu bestücken, dass Telegrammlücken in der PROFINET Kommunikation Teilnehmerbezogen erkannt werden.“ Diese intelligente Messstelle lässt sich dank einer GSDML-Datei mit den verfügbaren Engineering-Tools wie TIA Portal einfach in der SPS konfigurieren.

 

Mit der Einbindung in die SPS und Nutzung des SPS-Diagnosepuffers wird sichergestellt, dass für den SPS-Programmierer und später den Servicetechniker, einschließlich des künftigen Instandhalters, der gewohnte Meldeweg (Bild 6) unverändert bleibt. Um die Konfiguration in die SPS zu realisieren, liegt dem Produkt eine entsprechende GSDML-Datei und ein Funktionsbaustein zur Generierung von zyklischen Werten bei. Es obliegt jetzt dem SPS-Programmierer, ob er die Informationen nur intern speichert und abrufbar macht, auf dem HMI in Bezug mit einer Topologie darstellt oder ob diese Informationen im Diagnosepuffer abrufbar bleiben. Damit stehen bei der Inbetriebnahme einer Anlage in der gewohnten SPS-Umgebung zusätzliche nützliche Netzwerkinformationen zur Verfügung, mit deren Hilfe man sporadischen Netzwerkfehler ausfindig machen kann. Die Kosten für die Anschaffung fallen kaum ins Gewicht, im Vergleich zu den angenommenen Zeitaufwänden in Bild 2c amortisiert sich der Einsatz meist bereits am Nachmittag des ersten Tages.

Mit gutem Gefühl die Baustelle verlassen

Wer bereits eine Anlage in Betrieb genommen hat, kennt vermutlich auch das mulmige Gefühlt, mit dem man oft eine Baustelle verlässt. Störungen wurden quittiert, traten nicht mehr auf und das Netzwerk schien beim Verlassen der Baustelle zuverlässig zu funktionierten, aber keiner weiß so genau warum. Mit dem Agent Blond kennt man nach Installation den realen Zustand der PROFINET-Kommunikation viel besser und kann sich entspannt anderen Projekten widmen. Sollte es dennoch während der Garantiezeit zu Problemen kommen, die ein Eingreifen erfordern, kann man mit den verfügbaren Daten schneller reagieren. Erlaubt ein Anlagenbetreiber einen sicheren externen Zugriff auf die SPS, lässt sich auch aus der Ferne herausfinden, wo die Probleme liegen und entsprechende Maßnahmen veranlassen bzw. bestens vorbereitet zur Anlage zum Serviceeinsatz fahren.

Für die Zukunft gerüstet

Darüber hinaus können Maschinenbauer mit dem integrierten Agenten ihren Kunden einen wertvollen Zusatznutzen verkaufen, denn während des gesamten Lebenszyklus stellt dieser auch den Instandhaltern der Anlage hilfreiche Informationen über die PROFINET-Qualität zur Verfügung. Ist die intelligente Messstelle erst einmal vorhanden, lassen sich zudem weitere Diagnose-Tools von Indu-Sol einfach integrieren, was in Hinblick auf einen zuverlässigen Anlagebetrieb während ihrer gesamten Laufzeit einen großen Vorteil bietet bzw. die zeitliche Verlängerung des störungsfreien Betriebs (horizontale Linie in Bild 1) ermöglichen kann. Letztlich kommt Digitalisierung nur voran, wenn der Zugang zu Daten organisiert möglich ist. Die Lösungen von Indu-Sol helfen Maschinen- und Anlagenbauern dabei, Struktur in ihr Netzwerk zu bringen. Davon profitiert die Inbetriebnahme ebenso wie der langfristige Betrieb einer Anlage. Richter resümiert: „Wir reden derzeit sehr viel über OT Security und die notwendige Umsetzung des CRA (Cyber Resilience Act). Die Basis aller dieser notwendigen Maßnahmen beginnt mit dem Wissen um das Netzwerk und den dafür notwendigen Applikationen. Hier besteht derzeit ein großes Manko oder in der Umkehr ein enormer Nachholbedarf.“

 

Weitere Informationen:

https://www.indu-sol.com/