Lagebericht zur Kommunikationsqualität in produktionsnahen Netzwerken

Aufgrund der Vorteile, die ethernetbasierte Kommunikation gegenüber klassischen Feldbussen bietet, setzen sich diese Kommunikationstechnologien in der industriellen Automatisierung immer weiter durch. 2018 taucht Industrial Ethernet (ohne Profinet) erstmals in nennenswertem Umfang bei den Mess-Einsätzen auf. Indu-Sol

An welchen Netzwerken gab welche Störungen und Ausfälle? Welche Trends sind längerfristig erkennbar? Eine näherungsweise Antwort auf diese Fragen gibt der Jahresbericht des Thüringer Netzwerk-Dienstleisters Indu-Sol. Der mittelständische Dienstleister ist auf die messtechnische Analyse und objektive Bewertung der Qualität industrieller Datenkommunikation spezialisiert. Zahlreiche produzierende Unternehmen aus allen Industrie-Branchen greifen auf sein Expertenwissen zurück. Mehr als 20 Indu-Sol-Techniker sind das ganze Jahr unterwegs, um Ist-Zustands-Analysen vor Ort durchzuführen. Dabei geht es entweder um regelmäßige, präventive Inspektionsmessungen oder um akute Störungen und deren Ursache, die der Anlagenbetreiber nicht selbst ermitteln konnte.

Große Datenbasis als Trendbarometer

Die Erkenntnisse aus diesen Mess-Einsätzen werden seit nunmehr fünf Jahren in einzelnen Jahresberichten – den sogenannten Vortex-Berichten – zusammengefasst. In diesen fünf Jahren hat Indu-Sol insgesamt 2.761 Einsätze durchgeführt, durchschnittlich 552 pro Jahr. Natürlich sind diese Zahlen des mittelständischen Unternehmens nur ein Bruchteil aller weltweit durchgeführten Service-Einsätze. Aber auch daraus wird ersichtlich, dass – anders als in der IT – in der industriellen Automatisierung das Netzwerk-Monitoring viel zu oft stiefmütterlich behandelt wird oder dass es keines gibt. Dabei zeigen die 18-jährige Erfahrung von Indu-Sol und die Erkenntnisse aus den Vortex-Berichten eindeutig, dass eine vorbeugende Zustandsüberwachung frühzeitig Abnutzungserscheinungen bei Feldbussen und Netzwerken aufdeckt. Würden mehr Unternehmen darauf achten, wären nicht nur die Zahl der Mess-Einsätze deutlich geringer, sondern vor allem die Zahl sogenannter SOS-Einsätze – also Fehlersuchen zur Behebung eines akuten und ungeplanten Maschinen-/Anlagenstillstandes, also ohne Vorwarnung.

Wer lernt, kommt sicher in die Zukunft

In den ausgewerteten Mess-Einsätzen hat Indu-Sol unter anderem Profibus, Profinet, AS-Interface- und CAN-Netzwerke analysiert. Gegenstand der Messungen war nicht nur die qualitative Bewertung der logischen sowie der physikalischen Kommunikationsqualität – auch die elektromagnetisch verträgliche Installation (EMV) der Feldbusse und Netzwerke beeinflusst die Stabilität der Datenkommunikation wesentlich. Welche Trends lassen sich aus den Messungen ableiten?

Noch im Jahr 2015 bestimmte Indu-Sol in 55 % aller Mess-Einsätze die Profibus-Kommunikationsqualität – bis 2019 sank dieser Anteil auf 43 %. Gleichzeitig stieg der Anteil der Profinet-Mess-Einsätze von knapp 28 % in 2015 auf 37 % in 2019. Diese Zunahme liegt natürlich überwiegend an der gestiegenen Verbreitung von Profinet-Netzwerken. So hat sich laut dem Weltverband Profibus & Profinet International (PI) die Zahl der Profinet-Knoten weltweit von 2015 auf 2019 verdoppelt, auf ungefähr 26 Millionen. Vorteilhaft war dabei, dass beim Umstieg auf Profinet die Erfahrungen aus der Profibus-Zeit in vielen Fällen berücksichtigt wurden. Die raue Produktionsumgebung setzt den Automatisierungskomponenten (Kabel, Steckern, Repeatern, …) zu, sodass auch die zuverlässigste Automatisierungstechnik im Lauf der Zeit irgendwann Abnutzungserscheinungen zeigt. Oft sollen oder müssen die Maschinen und Anlagen mehrere Jahrzehnte zuverlässig und möglichst ohne dauernde Wartungsarbeiten funktionieren. Gerade hier gibt es keinen sinnvollen Grund, auf eine permanente Zustandsüberwachung zu verzichten.

Als Lerneffekt bei Neuanlagen mit Profinet-Kommunikation hat sich aus diesen – teils schmerzhaften – Erfahrungen mit Profibus-Anlagen die Lehre durchgesetzt, bereits im Zuge der Inbetriebnahme durch eine Abnahme-Messung mit Protokoll sicherzustellen, dass die Maschine/Anlage mit 100 % Funktionsreserve an den Start geht. Außerdem sorgen entsprechende Überwachungseinrichtungen – Test Access Points (TAPs) beziehungsweise diagnosefähige Switches – für eine automatisierte Zustandskontrolle ab dem ersten Telegramm. Einen Beleg für den Erfolg dieser Maßnahmen liefert ein Blick ins Jahr 2019: Mehr als jeder zweite SOS-Einsatz von Indu-Sol galt einem Profibus-System, nur gut jeder fünfte einem Profinet-Netzwerk.

Wenn die Messtechniker logische Ungereimtheiten in der Profinet-/Industrial Ethernet-Kommunikation untersuchen, zeigen sich mehrheitlich zwei typische Szenarien: Entweder wurden die Netze mit gigabit-fähigen High End-Komponenten ausgestattet, obwohl die ermittelte tatsächliche Netzlast kleiner 1 % ist. Oder es wurden aus Kostengründen unmanaged Switches mit geringen Datenübertragungskapazitäten verbaut, die den vorherrschenden Netzlasten nicht standhalten und keine Diagnosedaten bereitstellen. Indu-Sol

Netzwerkplanung wir wichtiger

Selbst wenn man Profinet-Netzwerke aus der Vortex-Analyse ausklammert, taucht seit zwei Jahren ein nennenswerter Anteil an Mess-Einsätzen in übrigen Industrial Ethernet-Netzwerken auf – ein eindeutiges Indiz für die zunehmende Vernetzung der Maschinen-/Anlagenebene (Operational Technology/OT) mit der Office-Ebene (Information Technology/IT). Der große Charme von Ethernet-basierten Netzwerken besteht unter anderem darin, dass verschiedene Protokolle über die selbe Infrastruktur übertragen werden können. Wer garantiert bei diesem stark wachsenden Datenaufkommen jedoch die rechtzeitige Ankunft zeitkritischer Telegramme zur Maschinen-/Anlagensteuerung? Wer behält die Auslastung des Netzwerks im Blick? Hier liegt der Fokus insbesondere auf den Switches, deren Leistungsmerkmale wesentlich für die Leistung des Netzwerks verantwortlich sind.

Wie viele Datenpakete können die Switches pro Zeiteinheit weiterleiten? Wie viele bei hoher Auslastung zwischenspeichern? Unterstützen sie Funktionen, die Echtzeitkommunikation garantieren (Time-Sensitive Networking/TSN)? Bei zu hoher Auslastung des Netzwerks kann es sonst passieren, dass Telegramme verspätet ankommen (Jitter) oder mangels Speicher- beziehungsweise Verarbeitungskapazitäten der Switches komplett verworfen werden müssen (Discards). Bereits heute und besonders in Zukunft lohnt es sich also im Sinne eines stabilen Maschinen-/Anlagenbetriebs und einer hohen Netzwerkverfügbarkeit, die Automatisierungsstruktur und deren Auslastung gezielt zu planen und die Infrastruktur-Komponenten nach den erforderlichen Leistungsanforderungen auszuwählen.

Potentialausgleich nicht vernachlässigen

Ähnlich wie das Netzwerk selbst entsteht auch der Potentialausgleich noch viel zu oft ungeplant ‚live‘ auf der Baustelle. Dabei ist die elektromagnetisch verträgliche Maschinen-/Anlageninstallation (EMV) nachweislich ein wesentlicher Grundpfeiler für die stabile Datenkommunikation. Wie relevant die EMV-Thematik ist, zeigt der erste Vortex-Bericht von 2015: Obwohl nur bei 5 % aller Mess-Einsätze von Indu-Sol bereits bei der Beauftragung durch den Kunden EMV-Einflüsse als Hauptursache für schlechte Qualität der Datenkommunikation vermutet wurden, stellten diese sich bei mehr 35 % als Hauptursache heraus. Sehr erfreulich: Bis 2019 ging dieser Anteil auf 15 % zurück.

Wesentlicher Grund dafür ist ein Paradigmenwechsel in der Installationspraxis. Statt des langjährig gängigen Verfahrens, die Komponenten sternförmig an einen zentralen Erdungspunkt anzubinden, setzt sich ein eng vermaschter Aufbau des Potentialausgleiches immer mehr durch. Im Frühjahr 2018 veröffentlichte die PI in ihrer Richtlinie ‚Funktionspotentialausgleich und Schirmung von Profibus und Profinet‘ entsprechende Hinweise hierzu; diese sind auf die Bedürfnisse der industriellen Automatisierung zugeschnitten. Außerdem zeigen die Erfahrungen von Indu-Sol, dass beispielsweise auch die Wahl der Leiterseile einen messtechnisch nachweisbaren Effekt auf die EMV-gerechte Installation hat: So sollten die Potentialausgleichsleiter als blanke (nicht isolierte), verzinnte, niederimpedante Litze ausgeführt werden und nicht als isolierte Kupferleiter.

Fazit: Langlebigkeit ist planbar!

Unabhängig davon, ob man die Vision der hochvernetzten Produktion im Sinne von Industrie 4.0 beziehungsweise dem Industrial Internet of Things (IIoT) verfolgt oder bei kleinen Bus- oder Netzwerkstrukturen mit weniger als zehn Teilnehmern pro Segment bleibt: Die Maximierung der Maschinen-/Anlagenverfügbarkeit bei gleichzeitiger Reduktion der Wartungsaufwände auf ein notwendiges Minimum sind in beiden Fällen die obersten Ziele. Die teils jahrzehntelange Erfahrung im Umgang mit verschiedensten Automatisierungstechniken hat viele Erkenntnisse erbracht, wie sie zu erreichen sind: Angefangen von der Festschreibung wichtiger Qualitätskriterien und Anforderungen an Hard- und Software in Richtlinien beziehungsweise technischen Lieferspezifikationen (Lastenheften) der Unternehmen über die gezielte Planung von Netzwerken bis hin zu deren zustandsorientierter Wartung.

Mit der Wahl einer Netzwerkstruktur, die an die individuellen Anforderungen der jeweiligen Automatisierungsanwendung angepasst ist und einer elektromagnetisch verträglichen Installation sind wichtige Voraussetzungen für einen stabilen Betrieb gegeben. Der Einsatz diagnosefähiger Infrastruktur-Komponenten und automatisierter Überwachungseinrichtungen sind als Unterstützung für das Instandhaltungspersonal unabdingbar. Denn neben seinem eigentlichen Job muss der Elektriker heute am besten auch noch Mechaniker und IT-Fachmann in Personalunion sein, denn speziell im IT-Bereich fallen Instandhaltern immer mehr Aufgaben zu – Stichwort Security. Wer in den angesprochenen Bereichen spart, muss über den Lebenszyklus der Feldbusse und Netzwerke hinweg erfahrungsgemäß ein Vielfaches des Ersparten dann wieder für Servicedienstleistungen und Produktionseinbußen infolge ungeplanter Stillstandszeiten ausgeben.