Industriekommunikation Profinet lernt vom Profibus

Profinet etabliert sich immer mehr zum Kommunikationsstandard für Industrial-Ethernet-Anwendungen.Generell ist es eine sinnvolle Ergänzung zur PC-basierten Automatisierungstechnik und ermöglicht eine einfache vertikale Integration von der Feldebene bis hin zur Unternehmensebene. Doch warnen Experten für die Netzwerkkommunikation davor, allzu arglos an das Thema heranzugehen.

Eine der wesentlichen Lehren, die sich aus jahrelangem Einsatz von Profibus in der Fabrikautomatisierung ziehen lässt, ist, dass die reine Netzwerkfunktion noch längst keine Aussage über die Qualität einer Kommunikation macht. Sprich, nur weil man momentan weiß, dass die Kommunikation funktioniert, lässt sich noch lange nicht sagen, wie gut sie läuft und welche Störungen sie verkraften kann.

Während beim Profibus die Probleme im Wesentlichen physikalische Ursachen haben, sollte im Profinet durch die Möglichkeit der Übertragung von unterschiedlichen Protokollen innerhalb eines Netzwerkes dem realen »Lastspektrum« besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Zwar scheint im Profinet, verglichen mit dem Profibus, die Menge der zu übertragenden Daten und die Übertragungsgeschwindigkeit nahezu unbegrenzt.

Im Gegensatz zum Profibus ist jedoch die Kommunikationslast nicht konstant, was die Vorhersagbarkeit von zuverlässiger Kommunikation erschwert. Es sind vorab also die nötigen Lastreserven einzuplanen, und die Netzwerkstruktur muss gut durchdacht sein. Ähnlich wie man im Straßenverkehr Schwertransporte möglichst nicht über Landstraßen oder zu Hauptverkehrszeiten losschickt, ist es im Profinet wichtig, die Kommunikationswege entsprechend der Last auszulegen beziehungsweise zu planen. Beispielsweise sollte eine Überwachungskamera möglichst direkt mit dem Visualisierungssystem verbunden oder, um im Bild zu bleiben, nicht per Durchfahrt durch diverse Ortschaften geleitet werden.

Ein weiteres Stichwort in der Planung lautet Linientiefe (Kaskadierung von I/O-Geräten). Hierbei gilt es vorab zu klären, ob die Linientiefe zur Anwendung passt, wenn eine bestimmte Aktualisierungsrate vorgegeben ist (Bild 1). Linientiefe bedeutet auf das Bild des Straßenverkehrs übertragen, wie viele Ampeln beziehungsweise Ampelübergänge (Switches) auf dem Weg zum Ziel zu passieren sind.

Eine gute Planung ist das eine. Noch wichtiger ist zu wissen, wie diese sich in der Praxis widerspiegelt. Zwei generelle Ursachen führen in der Regel dazu, dass Theorie und Praxis nicht übereinstimmen. Erstens hält man sich bei der Umsetzung oft nicht exakt an die Planung. Hier können Messungen dazu beitragen, Planungsdaten zu kontrollieren. Zweitens ist es bei komplexen Anlagen in der Planungsphase oft nicht möglich, alle Eventualitäten zu berücksichtigen, und dem Ausführenden werden bewusst gewisse Freiheiten in der Netzwerkauslegung (Installation) eingeräumt.

Messen im realen Betrieb

Hier kann die Messung in realen Betrieb dabei helfen, Einstellungen oder auch die Kommunikationswege zu optimieren. Will man Theorie und Praxis zusammenbringen, ist das nur mit zuverlässigen Messergebnissen möglich, etwa mit einer Netzwerküberwachung unter Produktionsbedingungen über einen längeren Zeitraum von zum Beispiel vierzehn Arbeitstagen.

Wer also die Qualität der Kommunikation nicht an der Zustands-LED der Steuerung oder an der Anzahl der Ausfälle beurteilen will, braucht vor allem eins: eindeutige und nachvollziehbare Qualitätskriterien. In der Praxis des Netzwerkdienstleisters Indu-Sol haben sich für Profinet drei Netzzustandsgrößen herauskristallisiert, die sich durchaus als allgemeingültige Qualitätskriterien in der Profinet-Kommunikation durchsetzen könnten (Bild 2): der Telegramm-Jitter, die Anzahl ausgefallener Telegramme und das Lastspektrum (beispielsweise das Verhältnis von Profinet zu TCP/IP.

Der Jitter ist ein Maß für die Abweichung von der Aktualisierungsrate. Das zweite Kriterium, das Erkennen ausgefallener Telegramme, ist beim Profibus ähnlich dem »Retry Limit« zu sehen. Wichtiger Unterschied ist aber, dass Profibus die Telegramme wiederholt und Profinet bis zu drei fehlende Telegrammpakete toleriert, ohne dass es äußerlich für den Betreiber sichtbar wird.

Das dritte Profinet-Kriterium, die allgemeine Bus-Last oder der Traffic, umfasst die Summe des gesamten zyklischen und azyklischen Datenverkehrs. Auch hier kann ein Vergleich aus dem Straßenverkehr zum Verständnis dienen. Beim Profi-bus fährt immer nur ein Auto des Typs »Pkw« von A nach B oder umgekehrt. Beim Profinet haben wir neben dem Pkw-Verkehr auch Lkws oder Motorräder, die auf der gleichen Straße fahren.

Im Sinne der Bewertung ist es jetzt wichtig zu wissen, in welchem prozentualen Verhältnis die jeweiligen Teilnehmer zueinander in die Verkehrslast eingehen. Ein Richtwert für das Lastspektrum ist ein Verhältnis von 100:1, auf hundert Profinet-Telegramme sollte beispielsweise maximal ein Ethernet-Telegramm übertragen werden.

Leitungen einmessen war gestern

Weiterhin gilt es in einer durchdachten Netzwerkplanung vorab zu überlegen, welche Lasten wann auftreten können und wie sie sich zu einer guten Gesamtauslastung des Netzes sinnvoll verteilen lassen. Als Erfahrungswert gilt, dass sich mit einer maximalen Bus-Last von 20 Prozent eine Netzwerkkommunikation ohne überraschende Kommunikationsausfälle auf jeden Fall sicherstellen lässt.

Um beim Profibus die Kommunikationszuverlässigkeit von vornherein sicherzustellen, überprüft man üblicherweise zuerst die physikalische Leitungsqualität. Das ist auch wichtig, hängen beim Profibus an einer Leitung oft bis zu 30 Teilnehmer. Im Profinet, wo auf 30 Teilnehmer 30 Leitungen kommen, ist dieses Vorgehen nicht nur aufwändig und teuer, sondern birgt auch die Gefahr, dass durch das An- und Abstechen in die Installation aktiv eingegriffen wird und somit neue Fehlerquellen nicht auszuschließen sind.

Die Ansichten zum Sinn eines Leitungstestes im Profinet sind geteilt. Aus den bisherigen Erfahrungen von Indu-Sol kann man bei einem ordnungsgemäß durchgeführten Online-Test auf den Leitungstest als Abnahmekriterium im Profinet verzichten. Sind nämlich im Online-Test alle drei der genannten Qualitätskriterien erfüllt, ist davon ausgehen, dass die Leitungsqualität stimmt. Umgekehrt werden anhand von Abweichungen der Qualitätsparameter Fehler in Leitungen ohnehin sichtbar.

Durch den Einsatz eines Diagnosetools wie dem »Profinet-INspektor« (Kasten »Analyse und Diagnose«), der eben diese drei Kriterien für die Beurteilung der Kommunikationsqualität zu Grunde legt, kann auf aufwändige und teure Offline-Kabeltests im Sinne der Abnahme verzichtet werden (Bild 3). Darüber hinaus hat der Online-Check mit dem Profinet-INspektor den Vorteil, dass er alle Abnormitäten mittels der webbasierten Visualisierung aufzeichnet und mit Zeitstempel und realer Werteangabe übersichtlich darstellt. Das erleichtert die Analyse, welches Problem wodurch verursacht wurde.

Analyse und Diagnose
Der als intelligente Messstelle entwickelte Profinet-INspektor (siehe Bild 3) erfüllt sowohl die Aufgaben eines Mess- und Analysewerkzeuges zur Inbetriebnahme als auch die Anforderungen einer permanenten Netzwerküberwachung. Das Diagnosetool ist ein stiller Beobachter in Ethernet- und Profinet-Netzwerken, das zu Ereignissen im Netzwerk punktgenau einen Snapshot anlegt, z.B. zu Auslastung, Geschwindigkeit, Datendurchsatz, Telegramm-Jitter, Telegrammwiederholungen, Fehlertelegrammen, Gerätediagnosen und Geräteausfällen. Durch die Datenspeicherung im Gerät lassen sich Ereignisse auf dem Bus auch später noch nachvollziehen und bewerten (dank SD-Karte stehen die Daten auch noch nach einem eventuellen Stromausfall zur Verfügung). Mit einem im Gerät integrierten Webserver kann der Netzwerkzustand ohne weitere Software auf jedem PC mittels eines Internetbrowsers angezeigt werden (Bild 4).

So lassen sich Netze nicht nur von vornherein sinnvoll planen, sondern es lässt sich auch langfristig eine zuverlässige Kommunikation sicherstellen. Dazu bietet es sich an, den INspektor auch nach den Inbetriebnahme-Messungen, also während der gesamten Anlagenlaufzeit, quasi als Langzeit-EKG der Anlage, zu nutzen. Alle Änderungen, vor allem auch überraschende, die durch azyklisch auftretende Datenmengen verursacht werden, lassen sich so jederzeit sicher aufspüren und Kommunikationsprobleme vermeiden.

Es wäre natürlich wünschenswert, wenn Anlagenbetreiber die genannten Kriterien als Qualitätsmerkmale in ihren Liefervorschriften beziehungsweise als Abnahme- und Prüfkriterien festschreiben. Denn letzten Endes lässt sich nur mit klar messbaren Forderungen eine langfristig zuverlässige Profi-net-Kommunikation ohne überraschende Ausfälle oder teure Anlagenstillstände sicherstellen. Die vorhandenen Überwachungs- und Prüfmöglichkeiten einschließlich der integrierten Netzwerkdiagnosen sind heute zu jeder Zeit über den realen Netzwerkzustand aussagekräftig (Bild 4).

Über die Autorinnen:

Melanie Fiedler arbeitet im Vertrieb bei Indu-Sol, Nora Crocoll schreibt für das Redaktonsbüro Stutensee.