29.10.2015

Anwendergerechte Redundanz und Diagnose in Produktionsnetzen

Nachhaltige Sicherstellung einer hohen Verfügbarkeit

Die Advanced Managed Switches der Baureihe FL Switch 7000 von Phoenix Contact unterstützen jetzt auch HMI-Faceplates. Auf diese Weise können Bediensysteme ohne Programmieraufwand auf wichtige Diagnose-Informationen des Netzwerks zugreifen.

Autoren: Dipl.-Ing. Uwe Nolte, PHOENIX CONTACT Electronics GmbH;
Sascha Peters, PHOENIX CONTACT Electronics GmbH.


Bild 5: Aussagekräftige Netzwerk-Visualisierung mit der Software FL View
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Durch die Einbeziehung der Feld- und Steuerungsebenen ermöglichen Ethernet-basierte Automatisierungsprotokolle eine durchgängige, fabrikweite Vernetzung. Zur Echtzeit-Steuerung diskreter und kontinuierlicher Prozesse sowie der zugehörigen Sicherheits-, Antriebs- und Bewegungsanwendungen erweist sich die Verfügbarkeit der Ethernet-Kommunikation in der Maschine respektive Prozess- oder Arbeitsstation daher als elementar. Der überlagerten Vernetzung kommt aufgrund der hohen informationstechnischen Integration moderner Fertigungsprozesse eine ebenso große Bedeutung zu. Aus diesen Rahmenbedingungen ergeben sich besondere Anforderungen an die Verfügbarkeit der verwendeten Ethernet-Infrastruktur - und das sowohl in der Feldebene als auch für den überlagerten Datenaustausch. Um eine hohe Verfügbarkeit des Netzwerks sicherzustellen, spielen die Nutzung geeigneter Redundanzmechanismen sowie die Bereitstellung anwendergerechter Diagnose- und Monitoring-Funktionen eine wesentliche Rolle.

Einbindung als Supervisor in einen DLR-Ring

Als einfachste Methode zur Umsetzung einer Datenpfad- oder Medienredundanz bietet sich in Ethernet-Netzen der Einsatz einer Ringtopologie an. Sie empfiehlt sich für den Feld- und Steuerungsbereich. Dies, weil die Busstruktur, die aus Steuerungen, E/A-Stationen, Feldgeräten und Switches besteht, einfach durch eine zusätzliche Leitung zu einer Ringtopologie geschlossen werden kann. In Ethernet-Netzen ist eine solche Lösung dann möglich, wenn der redundante Ethernet-Port über einen Redundanzmechanismus blockiert und nur bei einer Ringunterbrechung aktiviert wird. Das Ethernet/IP-Protokoll stellt in der Feldebene den Redundanzmechanismus Device Level Ring (DLR) zur Verfügung, den bereits viele Zwei-Port-Feldgeräte für diesen Standard unterstützen. Die minimale Wiederherstellungszeit von DLR beträgt drei Millisekunden, was eine nahezu stoßfreie Umschaltung erlaubt. Diese kann beispielsweise innerhalb eines Steuerungszyklus oder eines Watchdog-Timeouts erfolgen. Mit den Advanced Managed Switches der Baureihe FL Switch 7000 umfasst das Portfolio von Phoenix Contact Infrastruktur-Komponenten, die direkt in einen DLR-Ring eingebunden werden und dort die Rolle des Supervisors übernehmen können. Der Supervisor überwacht und verwaltet den Ring, indem er Testtelegramme - sogenannte Beacons - aussendet und auswertet sowie bei Bedarf den redundanten Port öffnet. Die Advanced Managed Switches ermitteln dabei kontinuierlich die aktuellen Diagnose-Informationen zum Ring- und Redundanzstatus sowie zur Fehlerlokalisierung.

Diagnose direkt aus dem Ethernet/IP-Steuerungssystem

Die nachhaltige Sicherstellung einer hohen Verfügbarkeit des Netzwerks erfordert neben der Verwendung von Redundanzoptionen auch geeignete Diagnose-Informationen. Sie werden benötigt, um bei Bedarf kurzfristig Wartungsmaßnahmen durch die Service-Techniker veranlassen zu können. Im Fall der Medienredundanz sollte beispielsweise das defekte Kabel schnellstmöglich ersetzt werden, damit es beim Ausfall einer weiteren Strecke nicht zu Einschränkungen des Netzwerks kommt. Ergänzend zum Web und zu SNMP (Simple Network Management Protocol) unterstützen die Advanced Managed Switches ebenfalls das Common Industrial Protocol (CIP) als Anwendungs-Schnittstelle von Ethernet/IP. So ist neben der Konfiguration ebenso die Diagnose der Switches direkt aus dem Ethernet/IP-Steuerungssystem möglich, wenn die Switches über EDS-Files (Electronic Data Sheet) in das Engineering der Steuerung integriert sind. Für den Redundanzmechanismus DLR steht dann beispielsweise in Ethernet/IP ein spezielles Object im Common Industrial Protocol zur Verfügung. Auf diese Weise lässt sich der Zustand des Rings jederzeit individuell durch die Applikation analysieren.

Bereitstellung der Informationen ohne Programmieraufwand

Der Maschinenbediener hat jedoch meist keinen direkten Zugriff auf die Web-Seiten der Switches oder das Steuerungsprogramm. Deshalb sollten die wichtigen Diagnose-Informationen des Netzwerks in den Bediensystemen zugänglich sein. Viele Anwender scheuen allerdings den zusätzlichen Programmieraufwand, der bislang zur Bereitstellung dieser Informationen notwendig war. Für die Advanced Managed Switches bietet Phoenix Contact daher HMI-Faceplates (Human Machine Interface) an, die den Aufwand für die Lieferung der Switch- und Ringdiagnose an die Bedienen- und Beobachten-Geräte erheblich reduzieren. Die vordefinierten Switch-Faceplates setzen auf den CIP-Informationen auf und erlauben eine einfache und schnelle Diagnose in den HMIs, ohne dass dazu eine aufwändige Programmierung in den Steuerungssystemen erforderlich ist. Zu diesem Zweck werden die relevanten Daten für die Darstellung in den Faceplates aufbereitet. Die Steuerung erhält via CIP die Geräteparameter, wie den Link-Status für einzelne Ports oder den Status der redundanten Spannungsversorgung, und kann sie prinzipiell zu Diagnosezwecken nutzen - jedoch nicht im Klartext, sondern als Byte-Information. Mitgelieferte Add-On Instructions (AOI) arbeiten die Binärinformationen für den Menschen verständlich auf. Die Add-On Instruction ist im Engineering logisch mit einem oder mehreren Geräten verknüpft und fragt für diese zyklisch die unterstützten Ethernet/IP-Objekte ab.

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Signalisierung von Veränderungen in den Geräten

So wird auch die Diagnose des vom Switch bereitgestellten Redundanzmechanismus DLR ausgewertet. Dazu ist eine Interpretation des Device Level Ring Objects notwendig, in dem alle erforderlichen Diagnosedaten vorhanden sind. Wurde der Switch nun in die Steuerung integriert und logisch einer AOI zugewiesen, werden Diagnose- und Statusparameter des DLR zyklisch abgefragt. Sollte es im Netzwerk zu einem Fehler - wie einem Kabelbruch oder Kommunikationsverlust - kommen, sieht der Anwender dies in den so genannten Tags (Variablen), die in der Add-On Instruction zur Verfügung gestellt werden. Die Daten aus der Steuerung lassen sich dann über die Switch-Faceplates auf dem PC oder HMI anzeigen. Durch die grafische Visualisierung erkennt der Mitarbeiter wichtige Parameter sofort. Veränderungen wie der Link-Verlust an einem Ethernet-Port, der Ausfall einer Spannungsversorgung oder das Aktivieren des Redundanzmechanismus, werden umgehend detektiert. Im Fehlerfall kann der Anwender also schnell handeln und entsprechende Wartungsmaßnahmen einleiten. Bei der Abbildung des gesamten Steuerungsnetzwerks in einer überlagerten Faceplate-Visualisierung lassen sich Veränderungen eines Geräts signalisieren. Der Bediener gelangt anschließend mit einem Klick auf das Gerätebild zu den Switch-Faceplates mit der detaillierten Diagnose.

Redundanz auf der gesamten Fabrikebene

In größeren Produktionsnetzwerken werden die Steuerungszellen über das universelle Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) redundant angekoppelt. RSTP kann eine vermaschte Topologie mit mehreren Ringen auflösen und lässt sich zudem optimal an eine überlagerte (redundante) Layer-3-Struktur anbinden. Daher bieten die Advanced Managed Switches neben dem DLR-Ring das Rapid Spanning Tree Protocol. Auf diese Weise ist der redundante Anschluss der Zellebene an das überlagerte Netzwerk möglich.

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