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PROFINET Forum – mit Wissen und Vorsorge störungsfrei in die Rente

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Nico Steinmetzger PROFINET und TCP/IP Netzwerke mischen/verbinden
Einer der größten Vorteile von PROFINET, der die Anwendung im industriellen Umfeld begünstigt, ist die Möglichkeit, verschiedene Protokollarten ins Netzwerk zu integrieren. Dank der Ethernet-Technologie ist PROFINET komplett kompatibel zu vorhandenen Ethernet-Standards aus der IT-Welt. Somit können nicht nur klassische PROFINET-Geräte, sondern auch ohne Weiteres Server, Kameras, Drucker oder PC`s in ein PROFINET/Ethernet-Netzwerk integriert werden. Neben dem Thema Sicherheit - ich empfehle, jedes Ethernet-Netzwerk mit einer Firewall/Gateway zum Schutz vor beispielsweise Fremdzugriffen über das Internet oder virus-infizierten USB Sticks vom Büro-Ethernet zu trennen – sollte hier besonderes Augenmerk auf die Netzlast (siehe Beitrag vom 12.11.2015) und das Lastverhältnis gelegt werden.
Eine ungünstige Mischung aus PROFINET und TCP/IP-Verkehr kann neben hohen Netzlasten auch Probleme in der PROFINET Kommunikation verursachen, da TCP/IP-Telegramme meist deutlich umfänglicher sind als PROFINET-Telegramme. Sie brauchen dann erheblich länger für den Weg durch das Netzwerk und können zu einem „Stau“ des Datenverkehrs führen. Das ist in etwa so, als ob an der Grenze ein 40-Tonner (TCP/IP) und danach ein PKW (PROFINET) kontrolliert werden müssen. Der 40-Tonner umfasst deutlich mehr Last als der PKW – Letzterer muss also lange warten. Die Folge des „wartenden“ PROFINET-Telegramms ist ein erhöhter Telegrammjitter, welcher wiederum zu Anlagenausfällen führen kann. Wenn es sich nicht vermeiden lässt und größerer TCP/IP Verkehr durch das Netzwerk geleitet werden muss, sollte man daher einen möglichst kurzen Weg dafür wählen (siehe Abbildung; Quelle Planungsrichtlinie der PI, Seite 120-121) oder eine „Umgehungsstraße“ für die 40-Tonner bauen. Das wird durch eine extra Linie zu allen azyklischen Teilnehmern im Ethernet erreicht.
Die Erfahrungen meiner Kollegen und mir haben gezeigt, dass das Lastverhältnis PROFINET zu TCP/IP 100 zu 1 oder besser sein sollte um Stau im Netzwerk zu vermeiden.
Jens Rabold Streitthema Netzlast – nicht alles, was geht, ist auch gut…
Die Netzlast gibt an, zu wieviel Prozent die Datenleitungen im PROFINET, die theoretisch bis zu 100 Mbit/Sekunde übertragen können, ausgelastet sind. Sie ist einer der meist diskutierten Parameter in der PROFINET-Welt. Die Hersteller, insbesondere die Komponenten-"Verkäufer", werben mit dem Versprechen, dass 100% Netzwerklast im PROFINET kein Problem sind.
In der Theorie mag das so sein, die Praxis sieht jedoch anders aus. Bei der Zertifizierung der PROFINET-Geräte wird je nach Netload Class ein Teilnehmer mit 1% oder 5% Dauerlast getestet und muss ohne Probleme funktionieren. Aber bei höherer Last könnte das Gerät den Dienst schon aufgeben. Zusätzlich sollte man bei der Netzlast noch Luft nach oben lassen, beispielsweise für den Fall, dass die Anlage mal erweitert wird. Meine Erfahrungen und auch die Empfehlung der PI geben einen Wert von höchstens 20% vor.
Bei Werten von 20-50% wird eine Überprüfung der geplanten Netzlast empfohlen, z.B. ob die Aktualisierungsrate erhöht werden kann, und bei Werten über 50% sollten Maßnahmen zur Reduzierung der Netzwerklast getroffen werden. Welche das sein können, werden wir in den nächsten Beiträgen noch eingehender betrachten.
Um die Diagnose so präzise und effizient wie möglich zu gestalten, empfehle ich, die Entwicklung der Netzlast im Zeitverlauf im Auge zu behalten, beispielsweise um kurzzeitigen Lastspitzen auf die Spur zu kommen – hierauf reagieren PROFINET-Geräte erfahrungsgemäß mitunter sehr empfindlich. Die Abbildung zeigt ein solches Netzlastdiagramm des PROFINET-Inspektor® NT, mit dem sich die Netzlast millisekundengenau überwachen und übersichtlich darstellen lässt.
Nico Steinmetzger Diagnose im PROFINET: Aktiv oder Passiv?
Wer den „Gesundheitszustand“ seiner Teilnehmer und seines Netzwerks kennen will, steht vor der Frage: aktive oder passive Diagnose? Die aktive Diagnose dient zur Ermittlung wichtiger, systembeschreibender Parameter des Netzwerks wie IP-/ MAC-Adressen, Software-/Hardware-Stände, Portstatistiken/Portfehler (z.B. CRC-Telegrammfehler) oder die Topologie, die nur aktiv ermittelt werden kann (vgl. Beitrag vom 06.10.2015). Steckt man sich jedoch beispielsweise mit einem Laptop auf, ist dieser ein zusätzlicher Teilnehmer im Netzwerk. An welchem Port bzw. an welcher Position im Netzwerk gemessen wird, ist dabei egal. Wichtig ist, dass man alle Geräte erreichen kann. Um die Informationen zu erhalten, werden häufig Broadcast Telegramme („Anfragen“ an alle Teilnehmer) verwendet. Dadurch entsteht allerdings mitunter eine relativ hohe Netzwerklast (laut der aktuellen PROFINET Inbetriebnahmerichtlinie der PI, S. 97, sollte diese nicht über 20 % liegen). Außerdem erhält man hierdurch keine Informationen zu Jitter, Telegrammlücken oder anderen Kommunikationsfehlern. Dies leistet die passive Diagnose. Hier wird nur „mitgehört“ und nicht aktiv gesendet. Vorteil: Das Diagnosetool ist selbst keine potenzielle Fehlerquelle. Mit seiner Hilfe kann man nun die Kommunikationsqualität bestimmen. Wichtigster Wert ist hierbei der Telegrammjitter, der angibt, wie groß die zeitliche Abweichung der Telegramme vom geplanten „Ankunftszeitpunkt“ ist. Ich empfehle aus meiner beruflichen Erfahrung heraus einen Jitter von maximal 50 %, da sonst Teilnehmerausfälle drohen. Anders als bei der aktiven Diagnose macht die Position des Messtools hier einen Unterschied im Ergebnis: Für eine optimale Diagnose sollte das Gerät zwischen der SPS und dem ersten Switch bzw. I/O-Gerät im Netzwerk sitzen, da sich über diese sogenannte Backbone-Verbindung 100% des Telegrammverkehrs zwischen SPS und dem Feld erfassen lassen. Einzig Querkommunikation ohne Beteiligung der SPS wird nicht erfasst. Im Zusammenspiel von aktiver und passiver Diagnose ergibt sich somit ein nahezu vollständiges Bild vom Netzwerk. Dann ist die Chance am größten, möglichen Schwachstellen auf die Spur zu kommen und herauszufinden, wo sich die Fehlerquelle im Netzwerk befindet.
Only visible to XING members Gruß in die Runde - kurze Vorstellung
herzlichen Glückwunsch an die Moderatoren zur Gründung dieser Gruppe. Ich halte das für eine gute Idee:
Als sowohl quasi Informatiker als auch quasi Automatisierungstechniker habe ich mich in den vergangenen Jahren fast ausschließlich mit Industrial Ethernet beschäftigt, speziell mit der Anbindung von SPS an die herkömmliche IT-Infrastruktur. Ein absolut spannendes Feld, denn es geht auch ohne TIA und OPC. Mich interessieren vor allem Themen wie ProDave / LibNoDave.
Und vielleicht kann ich mit meinen Kenntnissen und Erfahrungen auch etwas beitragen für die Gruppe. Ich hoffe und wünsche für die Gruppe, dass sie rasch wachsen möge und interessante Diskussionen entstehen.
Andy Carius Warum brauche ich eine extra Messstelle im PROFINET?
Prinzipiell ist es möglich auf eine separate Messstelle im PROFINET zu verzichten und den Spiegelport eines Switches zu nutzen.
Das hat jedoch einige, entscheidente Nachteile: Bei hohen Datenraten wird der Switch durch den Spiegelport stark belastet. An einem Spiegelport müssen zwei 100MBit/s Ports auf einen 100MBit/s Port gespiegelt werden. Damit ist klar, dass bei einer Auslastungsspitze oder im Fehlerfall Telegramme verloren gehen. Die Hauptaufgabe des Switches ist es Telegramme weiterzuleiten, das Spiegeln von Ports ist nur eine Nebenaufgabe. Damit ist klar, dass man sich nicht auf einen Spiegelport verlassen kann und sollte.
Aus diesem Grund ist ein fest eingebauter Netzwerkzugang in Form eines TAPs zwischen PROFINET-Controller und erstem Switch sinnvoll. Nichts ist schlimmer, als dass man zur Diagnose der Anlage erst die Produktion unterbrechen muss, um einen Netzwerkzugang zu installieren.

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