Erweiterte Geräte- und Netzwerkdiagnose mit Profinet

Um eine intelligente Diagnose auf der Kommunikationsebene zu erhalten, haben Experten aus den verschiedenen Firmen Spezifikationen in den Profinet-Standards und -Guidelines beschrieben. Dabei wurde auch auf bewährte Mittel zurückgegriffen. Ein Beispiel sind Diagnosemittel auf Basis von Standard-Ethernet. So können für die Aufzeichnung und Untersuchung des Telegrammverkehrs zwischen verschiedenen Profinet-Teilnehmern Ethernet-Netzwerk-Tools wie Wireshark, angewandt werden. Die Decodierung der Profinet-Frames ist bei Wireshark bereits in der frei verfügbaren Version enthalten, sodass die Bedeutung der Bits und Bytes eines Telegramms direkt erkennbar ist. Während der Entwicklungsphase eines Profinet-Gerätes kann der Entwickler damit eine Untersuchung des Telegrammverkehrs durchführen, um z.B. eine Hochlaufsequenz zu analysieren. Diagnose der Leitung Zur einheitlichen Erfassung und Darstellung der Parametrier- und Diagnose­-informationen einer Profinet-Schnittstelle ist im Standard ein genormtes Objekt definiert. Dessen Eigenschaften und sein aktueller Status sind zentral im Engineering zugänglich, wie z.B. Bezeichnung, Betriebsart, Topologie, Redundanz, IRT-Betrieb und POF (Polymere Optische Faser)-Dämpfung. Die Abbildung in der Firmware und in der GSD (General Station Description) eines Gerätes, aber auch in der Anwendersicht ist ähnlich wie bei einem IO-Modul, sodass ein Entwickler eines Gerätes und das technische Personal bereits vertraute Ansichten zur Diagnose von Schnittstellen vorfindet. Unter Profinet stehen zudem die gleichen Netzwerk-Statistikzähler bereit, wie sie auch Standard-Ethernet-Geräte zur Verfügung stellen. Sie sind in der Standard-MIB2 (Management Information Base) abgelegt, die per SNMP (Simple Network Management Protokoll) ausgelesen werden kann. So können auch Standard-IT-Tools diese Statistikinformationen abholen. Zur Adressierung von Geräten verwendet Profinet Gerätenamen, wie sie aus der IT-Technik bekannt sind. Ein Anwender kann sowohl bei der Projektierung als auch bei der Diagnose mit allgemein verständlichen Namen arbeiten – statt mit Nummern, die erst mit Expertenwissen oder mithilfe des Schaltplanes aufgelöst werden können. So kann der Anwender schnell und einfach auf das betroffene Gerät schließen. Im Übrigen sind auch die Bezeichnungen der Stecker und Ports konsequent vom Engineering über die Gerätebedruckung bis hin zur Diagnosemeldung gleich gestaltet. Topologiesicht für Klarheit Die Topologiesicht steht zusätzlich zur logischen Sicht auf eine IO-Konfiguration zur Verfügung und zeigt entsprechend der realen Verkabelung auf, welches Gerät mit welchem anderen Gerät über welchen Port verbunden ist. In diese Topologiesicht lassen sich zusätzliche Detailinformationen integrieren, z.B. der Stationsname (\’Name of station\‘) oder das Maschinenlayout als Hintergrundbild. Das Abholen der Topologiedaten erfolgt mithilfe des standardisierten SNMP-Protokolls (Simple Network Management Protokoll). So erhält ein Anwender ein Abbild der tatsächlichen Anlagenverkabelung. Anhand dessen kann leicht ein Soll-/Istvergleich erfolgen, um z.B. bei der Inbetriebsetzung Abweichungen von der geplanten Topologie festzustellen. Klartext bei Gerätefehlern Die bei Profibus bewährte Standardisierung der Gerätediagnose wurde mit Profinet verbessert. So setzt Profinet ausschließlich auf einen quittierten Alarmmechanismus. Dabei wird zunächst eine Zusammenfassung aller vorliegenden Fehler übertragen. Gegebenenfalls können zusätzliche Detailinformationen von den Geräten auf Anforderung durch den Controller oder das Engineering abgeholt werden. Geläufige Fehlermeldungen wie ein Drahtbruch sind genormt, sodass die entsprechenden Diagnosetexte unabhängig vom Gerätehersteller sind. Wertstatus für Übertragung Wenig bekannt ist die in den Profinet-Telegrammen integrierte Übertragung von Wertstatus für den Provider- und Consumerstatus. Jedes Ein-/Ausgangssubmodul liefert neben den Datenwerten auch einen Qualitätswert mit, der sich aus dem Zustand des Submoduls und der Kommunikationsstatemachine ergibt. Dieser Wert ist nur eine einfache Good/Bad-Information, steht aber zugleich mit den Daten sowohl in den Devices als auch im Controller zur Verfügung. Dort kann je nach Status der reale Wert oder im Schlechtfall ein definierter Ersatzwert für den Programmablauf oder den Peripherieanschluss verwendet werden. Der oben beschriebene Alarmmechanismus liefert im Bad-Fall eine Detailinformation, um die genaue Ursache für den Anwender transparent zu machen. Standardisierte Diagnosedaten In der Prozessautomatisierung hat sich bereits bei Profibus PA für Prozessgeräte, z.B. für Durchfluss oder Druck, ein Wertstatus für den Prozesswert selber etabliert. Zugleich mit dem Wert stehen dadurch detaillierte Informationen über die Qualität des Wertes (good/uncertain usw.) im Ablaufprogramm zur Verfügung. Für die einfache Profinet IO-Geräte gibt es nun aktuell eine ähnliche Profildefinition, die die genaue Abbildung einer Qualitätsinformation in den übertragenen Daten festlegt. Besonders ist hier die Behandlung von fehlersicheren Signalen definiert, damit herstellerunabhängig eine kanalgenaue Bewertung erfolgen kann. Information vor dem Fehler Auch eine standardisierte vorbeugende Wartung (Preventive Maintenance) ist unter Profinet vorgesehen. Dafür sind zwei zusätzliche Schwellen zwischen OK und Fehler definiert worden, Maintenance required und Maintenance demanded. Je nach Bedeutung und Abstand zum Totalausfall kann eine Gerätefunktion diese neuen Alarme setzen. Eine erste Umsetzung ist die POF-Diagnose (Polymer Optic Fiber Diagnosis). Die Transceiver einer POF-Schnittstelle erkennen eine erhöhte Dämpfung des Lichtsignals noch bevor ein Ausfall eintritt. Je nach gemessener Systemreserve setzt ein Gerät den Maintancealarm auf required oder demanded. Dem Anwender steht damit noch vor einem Totalausfall eine Information für eine vorbeugende Wartung zur Verfügung. Gestufte Alarmierung Selbstverständlich müssen Diagnoseinformationen schnell und detailliert von einem Device zum Controller übertragen werden. Damit aber bei Mehrfachfehlern die Systemressourcen des zentralen Controllers sowohl in der Rechenleistung aber auch in der Datenablage nicht überlastet werden, definiert Profinet einen gestuften Ablauf. Eine einfache Übersichtsdiagnose wird per Alarm gesandt, der nächste Alarm darf erst nach einer Quittierung durch den Controller versandt werden. Detailinformationen zu den gemeldeten Fehlern sind nicht in den Alarm gepackt, sondern stehen über den schon für azyklische Daten benutzten Read-Record Dienst zur Verfügung. Diese können bei Bedarf und zur passenden Zeit z.B. für eine Anzeige an einen HMI abgerufen werden. Diese Diagnoseobjekte in den Devices lassen sich auch von anderen Tools abrufen. Kaskadierte Diagnose Der freie Zugriff auf Diagnosedaten ist die Grundlage für das Lösungskonzept bei kaskadierten Anlagen. In größeren Anlagen wie Fertigungszellen im Bodyshop einer Automobilfertigung steuern lokale Einheiten unterlagerte IO-Stationen. Auftretende Fehler müssen von der lokalen Steuerung erfasst und im Ablauf dieser Einheit berücksichtigt werden. Der Betreiber dieser Anlage will aber an einer zentralen Stelle alle Fehler auch von den unterschiedlichen Substationen schnell und einfach erkennen. Bisher definierte ein Anlagenbauer dazu eigene Übergabeschnittstellen für die Diagnoseereignisse. Durch die nun verfügbare Standardisierung ist ein einheitlicher Weg definiert, sodass herstellerunabhängige und wieder verwendbare Lösungen möglich sind. Wenn ein Fehler in einem Subsystem anliegt, so meldet die lokale Steuerung über die I-Deviceschnittstelle (Intelligentes Device) einen definierten Sammelfehler-Diagnosealarm, der die Adresse des unterlagerten fehlerhaften Devices enthält. Die Detailinformationen sind nicht enthalten, da sowohl bei einem Mehrfachfehler in der Anlage die zentrale Steuerung überlastet werden könnte als auch eine Entscheidung über die notwendige Detailtiefe bei der zentralen Steuerung bzw. Anzeige liegen sollte. Mit dieser Adressinformation kann nun ein zentrales Tool auf die standardisierte Diagnose in den Device aufgrund der durchgängigen Profinet-Kommunikation zugreifen, anzeigen, auswerten oder in Meldearchiven eintragen. Fazit Das Beispiel der kaskadierten Diagnose zeigt, dass sich durch die grundlegende Architektur von Profinet und der Zugriffsmöglichkeiten auf die Diagnose zukünftige Anforderungen der Anwender einfach lösen lassen. SPS IPC Drives: Halle 2, Stand 201