Geprüfte Installation für sichere Kommunikation: Netzwerkcheck für Profinet

Die für die Bewertung eines Netzwerkes wichtigen Messgrößen sind in der internationalen Norm ISO/IEC11801 bzw. in der europäischen Norm EN50173 beschrieben. Dort sind auch die erforderlichen Grenzwerte festgelegt. Mithilfe dieser Grenzwerte soll eine zuverlässige Kommunikation unterschiedlicher Applikationen in einem dienstneutralem Netzwerk sichergestellt werden. Netzwerküberprüfung wählen Wenn die Installation eines Ethernet-basierten Netzwerks überprüft werden soll, gibt es drei Wege, um die Installation auf ihre Funktionsfähigkeit hin zu überprüfen: – Verifizierung der Installation – Qualifizierung der Installation – Zertifizierung der Installation Bei der Verifizierung wird die Installation mit einem einfachen Messgerät auf Verdrahtungsfehler überprüft. Somit kann die grundsätzliche Funktion der Installation sichergestellt werden. Bei der Qualifizierung wird überprüft, ob die geplante Applikation – z.B. ein 100MBit/s-Ethernet – über das installierte Netzwerk betrieben werden kann. Hierzu gibt es ebenfalls einfache Werkzeuge, die das Netzwerk überprüfen und mittels Lasttests für die geplante Applikation qualifizieren. Bei der Zertifizierung werden mit einem speziellen Messgerät die für eine dienstneutrale Verkabelung festgelegten Normwerte nachgemessen. Durch die Zertifizierung der Verkabelung wird sichergestellt, dass die Verkabelung für unterschiedliche Applikationen wie z.B. Ethernet, und ISDN genutzt werden kann. Je nach Anspruch bzw. Applikationsanforderungen muss der Anwender entscheiden, welche Art der Netzwerküberprüfung (Verdrahtungsfehler, Applikation, Norm) er für seine Anlage wünscht. Normative Festlegungen Entscheidet sich der Anwender nun neben den applikationsspezifischen Prüfungen für eine Netzwerkzertifizierung, so muss das Netzwerk mit einem handelsüblichen Leitungsanalysator bewertet werden. Hierzu werden für den Messvorgang die entsprechenden Norm­grenzwerte und die Messmethode eingestellt. Je nach Installationsart gibt es zwei unterschiedliche Messverfahren: – Permanent-Link-Messung – Channel-Messung Bei der Permanent-Link-Messung werden die fest installierten Leitungen inklusive Anschlussdosen überprüft. In einem Bürogebäude z.B. die Verbindungen der Bodenanschlussdosen zum Verteilerfeld im Netzwerkraum. Bei dieser Überprüfung werden Anschlussleitungen (Patch-Leitungen) nicht in die Messung einbezogen. Durch die Werkskalib­rierung des Messgerätes wird erreicht, dass bei der Einstellung \’Permanent-Link-Messung\‘ die Messleitungen des Messgerätes nicht mitgemessen werden. Bei der Channel-Messung werden im Gegensatz zur Permanent-Link-Messung die anwendungsspezifischen Anschlussleitungen mitgemessen. Es wird also der gesamte Übermittlungskanal vom Endgerät bis zum Anschlusspunkt am Verteiler-Switch überprüft. Die Channel-Messung wird auch für Installationen in der Industrie genutzt, bei der es vorwiegend Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen zwei Endgeräten gibt. Eine aufwändige Patch-Technik wird in Industrieapplikationen nur in Sonderfällen eingesetzt, wenn ein An- oder Abstecken eines Endgerätes notwendig ist. Aus Kostengründen wird meistens auf Patch-Technik verzichtet. Messgerätefunktionen nutzen Sollen vor Inbetriebnahme einer Anlage die Kupferleitungen eines Ethernet-basierten Kommunikationsnetzes wie bei einem Profinet-Netzwerk zertifiziert werden, so sind am verwendeten Messgerät folgende Grundeinstellungen vorzunehmen: – Profinet-Netzwerk: basiert auf den Anforderungen nach ISO/IEC11801/EN50173, zweite Ausgabe, Klasse D – Leitungstyp: vieradrig, paarverdrillt, bei Profinet (FTP oder STP) Viele Messgeräte haben die Grundeinstellung für die Profinet-Messungen anwenderfreundlich in einem Menü zusammengefasst, die der Anwender einfach auswählen kann. Wenn im Messgerät kein entsprechendes Profinet-Profil einstellbar ist, so ist zusätzlich bei einer Punkt-zu-Punkt-Verkabelung (keine Verwendung von Patch-Technik) die Channel-Messung auszuwählen. Hinzu kommt die Einstellung des NVP-Wertes (Nominal Velocity of Propagation, verzögerte Signallaufzeit gegenüber der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum) zur Bestimmung der Länge der eingesetzten Leitung. Hier werden bei vielen Messgeräten in einem Leitungsmenü herstellerspezifisch die NVP-Werte angegeben. Ist die verwendete Leitung im Menü nicht enthalten, so muss der NVP-Wert der Leitung aus dem Datenblatt eingegeben werden. Da sich Profinet in vielen Industrieanlagen immer mehr durchsetzt, werden von vielen Messgeräteherstellern entsprechende Profile angeboten, um die Messgeräte möglichst einfach mit den notwendigen Grundparametern zu versorgen. Wurden am Messgerät die für Profinet notwendigen Parameter eingestellt, kann es auch schon los gehen. Die meisten Messgeräte sind zweiteilig aufgebaut, sodass jeweils ein Teil des Messgerätes an den beiden Enden der Leitung angeschlossen wird. Somit ist sichergestellt, dass die Leitung von beiden Seiten bewertet werden kann. Nachdem nun der meist automatisch ablaufende Messprozess gestartet wurde, gibt das Messgerät nach kurzer Zeit die Meldung \’Pass\‘ oder \’Fail\‘ aus. Im Fall \’Pass\‘ werden von den Anwendern die zum Teil sehr ausführlichen Messprotokolle meist nicht weiter beachtet. Es wird jedoch empfohlen, diese Protokolle zur Dokumentation der Anlage zu archivieren. Bei \’Fail\‘ als Messergebnis ist die richtige Interpretation der Messergebnisse gefordert. Die meisten Messgeräte erstellen dazu ein ausführliches Messprotokoll, das aus einer Auflistung der entsprechenden Messgrößen besteht, die mit einem Diagramm visualisiert werden. Hierdurch ist leicht zu erkennen, welcher der Normgrenzwerte überschritten wurde. Um nun aber die Ursache für das angezeigte Problem zu finden, ist es wichtig, die Normgrenzwerte richtig bewerten und interpretieren zu können. Bei einer Bewertung von Kupferleitungen werden u.a. folgende Messwerte angegeben: – Aufgelegte Adern (Wire Map) – Einfügedämpfung (Insertion Loss) – Nahnebensprechen (Next) – ACR (Attenuation to Crosstalk Ratio) – Rückflussdämpfung (Return Loss) Welche Informationen kann nun der Anwender aus diesen Werten heraus lesen, um das Problem in seiner Installation zu finden und entsprechend zu beheben? Einfügedämpfung Mit der Einfügedämpfung (Insertion Loss) wird die Signalabschwächung bewertet, über den gesamten Weg vom Anfang bis zum Ende der Leitung. Damit soll bewertet werden, ob die festgelegten Grenzwerte für die Datensignale eingehalten werden und die Partnerstation die Signale auch eindeutig erkennen kann. Legt die Messung Probleme bei der Einfügedämpfung offen, können eine zu lange Leitung oder schlechte Steckeranschlüsse die Ursache dafür sein. Verdrahtungsplan (Wire Map) Mithilfe der Wire Map lassen sich Verdrahtungsfehler aufdecken. Es werden vertauschte Drähte, Verbindungen ohne Durchgang oder ein nicht aufgelegter Schirm angezeigt. Diese einfachen Fehler sind aber oftmals die Ursache für bestehende Kommunikationsprobleme. Neben der Wire Map werden auch noch die Länge der gemessenen Leitung, die Signallaufzeit und die Dämpfung der Leitung ermittelt. Nahnebensprechdämpfung Der Nahnebensprech-Wert (Next) ist ein Maß für die Unterdrückung von Störungen zwischen zwei nebeneinander liegenden Adernpaaren am Anfang bzw. am Ende einer Datenleitung. Das Übersprechen kann eine Störung der Datensignale bewirken und tritt häufig dann auf, wenn in einem Adernpaar das Sendesignal und im benachbarten das Empfangssignal übertragen wird. Ursachen für Next-Überschreitungen kann eine schlechte Installation am Anschlusspunkt sein, wie z.B. dass die Verdrillung der Adernpaare zu weit geöffnet wurde oder dass Verseilungsfehler bei der Herstellung der Leitung aufgetreten sind. Attenuation To Crosstalk Ratio Das Dämpfungs-Nebensprech-Verhältnis ist das Verhältnis aus Nahnebensprechen (Next) zur Leitungsdämpfung. Wenn das Übersprechen zu groß ist und gleichzeitig eine hohe Dämpfung vorhanden ist, so ist das verwertbare Nutzsignal zu gering. Der Attenuation To Crosstalk Ratio (ACR)-Wert drückt die Qualität einer Leitung aus. Je höher der Wert, umso höher ist die Qualität der Leitung. Rückflussdämpfung Die Rückflussdämpfung (Return Loss) gibt Auskunft über die Qualität der Leitung. Je höher die Rückflussdämpfung ist, desto größer ist die Qualität der Leitung. Weist eine Leitung inhomogene Strukturen auf, so kann es zu einer Reflektion der Signale an dieser Stelle kommen. Inhomogene Strukturen können durch Fertigungsfehler oder durch nicht eingehaltene mechanische Randbedingungen wie unterschrittene Biegeradien auftreten. Sichere Installation als Basis Da bei industriellen Netzwerken eine sichere und zuverlässige Kommunikation wichtig ist, muss bei der Installation der passiven Komponenten eines Netzwerkes mit großer Sorgfalt gearbeitet werden. Die nachfolgende Überprüfung verschafft dem Anwender eine gewisse Sicherheit, dass die installierten Übertragungswege eine ausreichende Leistungsreserve für die geplante Applikation bieten. Um nach der Installation mit möglichst wenigen Problemen rechnen zu müssen, ist bei der Auswahl des Verkabelungssystems auf ein einfaches Handling zu achten. Hierzu werden beispielsweise von Siemens unterschiedliche FastConnect-Systeme für Kupfer- und Lichtwellenleiter-Netzwerke angeboten, die die Installation eines für die Übertragung von Ethernet/Profinet-geeigneten Netzwerkes vereinfachen. Mit den FastConnect-Systemen von Simatic Net ist die Vor-Ort-Installation eines Profinet-Netzwerkes zu bewerkstelligen. Wurden bei der Kabelverlegung auch die entsprechenden Vorschriften wie z.B. Einziehkräfte oder geringe Biegeradien beachtet, ist die abschließende, teilweise von den Anwendern gewünschte Zertifizierung einer Installation nur noch \’reine Formsache\‘. Nicht nur die passiven Komponenten vermeiden durch ihre einfache Handhabung Installationsfehler, sondern auch die in der Web-Oberfläche zugängliche, portspezifische Leitungsdiagnose der aktiven Netzwerkkomponenten von Simatic Net, ermöglichen eine einfache und schnelle Diagnose der Installation. www.siemens.com