Vortex Report 2017 - deutsch

VORTEX
ABRIDGED INDUSTRIAL NETWORK SUPPORT REPORT
2017
DE

VORWORT
Stabile Industrie-Netzwerke trotz High-Speed-Kommunikation?
Sehr geehrte Kunden,
sehr geehrte Geschäftspartner,
sehr geehrte Interessenten,
stets prall gefüllte Supermarkt-Regale, sehr kurze Paketlieferzeiten,
täglich frische Lebensmittel – eine Selbstverständlichkeit? Tatsächlich
sind diese Dinge vor allem das Ergebnis vieler fleißiger Arbeiter in
Produktion, Verpackung, Planung und Instandhaltung. Parallel dazu
sorgen unter anderem industrielle Netzwerke für effiziente Arbeitsabläufe
dank eines hohen Automatisierungsgrades. Diese Infrastruktur
muss heute aber nicht mehr nur Prozessdaten übertragen; intelligente
Sensoren stellen zusätzlich Temperaturen, Füllstände und weitere Zustandsinformationen
bereit.
Dieser gestiegene Datenbedarf erfordert eine ständige technolo gische
Anpassung: Bot der Interbus-Standard Ende der 1980er Jahre eine Daten-Übertragungsrate
von 500 kBit/s, musste PROFIBUS in den ‘90ern
die „Schallmauer“ von 1 Mbit/s sprengen. Wirkten demgegenüber
die 100 Mbit/s von PROFINET ab 2006 wie ein Quantensprung, wird
Time-Sensitive Networking (TSN) in absehbarer Zeit mehrere Gigabit
pro Sekunde in Echtzeit übertragen.
So verlockend die Vorteile und Chancen dieser hohen Kapazitäten
auch sind, belasten sie doch gleichzeitig in zunehmendem Maße die
Physik. Inwieweit industrielle Netzwerke weltweit bereits „fit“ dafür
sind, welche „Krankheitsfälle“ es gibt und wie es aktuell um die Prävention
steht – diesen Fragen widmet sich der VORTEX-Report 2017.
Die Erkenntnisse stammen aus 646 Messeinsätzen, die von den Technikern
der Firma Indu-Sol zur Bestimmung der Kommunikationsqualität in
industriellen Netzwerken durchgeführt wurden.
Technologieübergreifend zeigt sich, dass aktuelle Potentialausgleichssysteme
den Bedingungen einer vernetzten Industrie und dem steigenden
Einsatz höherfrequenter Leistungselektronik nicht mehr gerecht
werden. Bestehende Normen und Handlungsempfehlungen sind weder
zeitgemäß noch passen sie zur Realität vieler Instandhaltungsbereiche.
Eine Arbeitsgruppe der Nutzerorganisation PROFIBUS & PROFINET
International (PI) wird deshalb im Jahr 2017 eine zeitgemäße Handlungsempfehlung
zum Thema EMV & Potentialausgleich herausgeben.
Lassen Sie uns den technologischen Wandel gemeinsam gestalten! Es
gilt, eigene Lösungen für neue Standards wie TSN in der Automatisierung
zu finden, Security auch im Umfeld einer vernetzten Industrie 4.0
zu gewährleisten und zeitgemäße Potentialausgleichssysteme zu entwickeln.
Ein aktueller Zustandsbericht, wie ihn VORTEX liefert, ist dafür
die passende Basis.
Herzlichst, Ihr
René Heidl,
Geschäftsführer Technik & Support der Indu-Sol GmbH
2

ECKDATEN
Messeinsätze Indu-Sol und Partner im Jahr 2016
Skandinavien
Vereinigtes Königreich
Russland
Benelux
Polen
Frankreich
Slowakei
Spanien
Schweiz
Österreich
Italien
China
Südostasien
Brasilien
Argentinien
2016: 178 Flugstunden
2015: 260 Flugstunden
h
h
2016: 3.849 Fahrtstunden
2015: 3.660 Fahrtstunden
2016: 392.756 Fahrtkilometer
2015: 386.200 Fahrtkilometer
km
Parallel zu den weltweit 646 Messeinsätzen von Indu-Sol in 2016
etabliert sich ein stetig wachsendes Netz aus internationalen
Partnern. Deren Einsatzzahlen (z.B. 33 bei der Wito AG/Schweiz
oder 25 bei Control Specialists/Großbritannien) zeigen deutlich,
dass global ein entsprechender Bedarf vorhanden ist und die Leistungen
auch nachgefragt werden, wenn sie verfügbar sind. Durch
solche lokalen Angebote reduzieren wir nicht nur Reise- und
Einsatzzeiten, sondern erhalten die Freude an Automatisierungslösungen
aus Deutschland.
3

ART DES MESSEINSATZES
Instandhalten statt Instandsetzen: Die Idee des Lieferkonzepts
Betreiber von PROFIBUS-Anlagen, die bereits viele Jahre in Betrieb
sind, müssen immer häufiger schmerzlich erfahren, dass Technik
„altert“ und intensiverer Instandhaltung bedarf, um störungsfrei „in
die Rente“ zu kommen. Der Anteil von PROFIBUS-Fehlersuchen in der
nebenstehenden Grafik ist 2016 erneut gestiegen.
Aus diesen Erfahrungen lernend, werden in neu installierten Netzwerken
immer häufiger Vorkehrungen getroffen, um eine langfristig hohe Kommunikationsqualität
zu sichern. Dabei hat sich eine Kombination aus
Mess- und Diagnose-Produkten mit der zugehörigen messtechnischen
Überprüfung der Kommunikationsqualität im Netzwerk als Paket unter
dem Namen „Lieferkonzept“ in 2016 erstmals in einer Anzahl etabliert,
die ihr ein sichtbares Stück im nebenstehenden „Kuchen“ sichert.
Instandhalter schätzen es, gleich zu Beginn eine Dokumentation des
Ist-Zustands zu haben und von Anfang an auf aktuelle und historische
Zustandsdaten zurückgreifen zu können. Sie gehören zu den 5 %, um
die der Anteil der Fehlersuchen im vergangenen Jahr gegenüber 2015
rückläufig war. Dieser Effekt ist besonders in PROFINET-Netzwerken zu
beobachten, wo die Anzahl der Lieferkonzepte stetig wächst.
Die Einmessung weist dabei die Qualität der Anlagenerrichtung nach,
die Permanente Netzwerküberwachung sorgt für einen langfristig stabilen
Betrieb. 2016 musste etwa jeder zehnte Messeinsatz, der ursprünglich
als Einmessung beauftragt wurde, aufgrund der gefunden Mängel
im Nachhinein als Fehlersuche deklariert werden. Das Gute daran: Durch
die Beseitigung der Mängel im Rahmen der Einmessung arbeitete das
Netzwerk von Anfang an stabil und störungsfrei.
4

DIAGRAMM
Einmessungen, Fehlersuchen und Lieferkonzepte
6 % der Einmessungen
aufgrund von Lieferkonzepten
54 %
Fehlersuchen
46 %
Einmessungen
9 % der Einmessungen
wurden zu Fehlersuchen
Entwicklung Anzahl Lieferkonzepte
in Lastenheften
Entwicklung Anzahl Lieferkonzepte
bei Netzwerkabnahmen
40 400
31 312
30 300
21
20 200
151
10 7
100
67
3
32
1
11
0 0
2012 2013 2014 2015 2016
2012 2013 2014 2015
2016
5

EINSÄTZE
Stabil und sicher von Anfang an, geplant in die „Rente“
Etwa jede zweite Messung der Indu-Sol GmbH im Jahr 2016 wurde
seitens des Kunden zur Überprüfung der Kommunikationsqualität in
einem PROFIBUS-Netzwerk beauftragt. Hierbei handelt es sich in einem
Großteil der Fälle um Fehlersuchen, die durch aufgetretene Störungen
im laufenden Betrieb und infolge von Alterungsprozessen
der eingesetzten Technik erforderlich wurden. Meist wird also nur in
Form sogenannter „SOS-Einsätze“ reagiert, obwohl viele PROFIBUS-
Anlagen noch länger als zehn Jahre betrieben werden sollen (siehe untere
Grafik auf Seite 7). Dies hatten im vergangenen Sommer mehr als
50 % der Teilnehmer einer Umfrage unter Instandhaltern angegeben.
Es erscheint daher paradox, dass die Investitionsbereitschaft vieler
Unternehmen bei Neuanlagen – nicht zuletzt für die Qualitätsprüfung
und -sicherung – in der Regel deutlich größer ist als bei Bestandsanlagen.
Dass diese mit „Flickschusterei“ sicher und geplant in die
„Rente“ kommen, darf bezweifelt werden. Um die verbleibende Betriebsdauer
stressfrei zu gestalten, lässt sich ein System zur Permanenten
Netzwerk überwachung mit dem Ziel der frühzeitigen Warnung vor
dem Ausfall auch in Bestandsanlagen integrieren.
Bei ethernetbasierten Netzwerken ist das Bewusstsein für die Notwendigkeit
einer vorbeugenden Instandhaltung von Beginn an bereits
vorhanden. Daher nimmt bei PROFINET die Anzahl an geplanten
Messeinsätzen zu (für 2016 ein Anstieg auf 32 % gegenüber 27,7 %
in 2015). Allerdings handelt es sich dabei immer seltener um Fehlersuchen
(„SOS-Einsätze“), sondern meist um Qualitätsüberprüfungen
in neu installierten Netzwerken und/oder geplante Wartungsarbeiten.
6

DIAGRAMM
Beauftragungsgründe von Kunden für Messeinsätze durch Indu-Sol
Weitere
Wie lange soll Ihre PROFIBUS-Anlage noch mindestens
betrieben werden?
bis zu 3 Jahre
Einsätze Anteil
318 49 %
205 32 %
bis zu 5 Jahre
39 6 %
bis zu 10 Jahre
32 5 %
länger
Prozent 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Umfrage unter Instandhaltern mit PROFIBUS-Anlagen im Juni 2016 (Quelle: Indu-Sol)
Weitere
26 4%
26 4 %
7

FEHLERURSACHEN
Vernetzte Strukturen, vielfältige Störgrößen
Obwohl die Anzahl und Aggressivität (Frequenzen) der eingesetzten
Leistungselektronik im Automatisierungsbereich steigt und sich die
Empfindlichkeit der eingesetzten elektronischen Geräte gegenüber
elektromagnetischen Einflüssen erhöht, hat sich an den Maßnahmen
zur Erhaltung der EMV-Festigkeit von Maschinen und Anlagen seit
vielen Jahren nichts geändert. Deshalb liegen auch in der diesjährigen
VORTEX-Ausgabe die Hauptgründe für die Beauftragung eines
Messeinsatzes im EMV-Bereich. Diese Erkenntnisse unterstreichen
die Bedeutung einer fachgerechten Planung und Ausführung des
Potential ausgleichssystems, um überhöhte Störströme auf den Schirmen
der Datenleitungen zu vermeiden. Im Jahr 2017 soll deshalb
eine aktualisierte EMV-Handlungsempfehlung der Nutzerorganisation
PROFIBUS & PROFINET International (PI) präsentiert werden.
Des Weiteren sind langsam „sterbende“ Geräte in alternden PROFIBUS-
Anlagen sowie unterschiedliche Soft- und Hardware stände von Teilnehmern
eines PROFINET-Netzwerks nur zwei Gründe dafür, dass
Geräte- und Softwareprobleme die zweithäufigste Fehlerursache in
industriellen Netzwerken sind. Dies unterstreicht die Bedeutung von
Dokumentationen wie Topologie-Pläne und Gerätelisten ebenso wie
die entsprechender Monitoring-Systeme, die derartige Auffälligkeiten
frühzeitig detektieren und warnen, bevor es zu sichtbaren Qualitätsverschlechterungen
kommt.
Generell gilt: Je vernetzter die Strukturen der industriellen Produktionsanlagen,
desto größer ist die Herausforderung an die Instandhaltung,
alle eventuellen Störgrößen auszuschalten.
8

DIAGRAMM
Typische Fehlerquellen bei Messeinsätzen
Sonstiges
Leitungslängenüberschreitung
EMV
Kabel
Software & Geräte
Stecker
Kategorie Typische Fehlerquellen Anteil
EMV
Software & Geräte
Stecker
Kabel
zu hohe Schirmströme; unzureichend ausgeführter oder gar kein Potentialausgleich;
schlechte oder keine Schirmauflage
nicht entstörte oder alte Geräte (defekte Sendegeräte); Firmwareprobleme;
defekte Geräteelektronik
schlecht konfektionierte Stecker/Abschlusswiderstände; falsch angeschlossen;
Fehldesign/konstruktiv schlechte Stecker
Brüche, Biegungen oder sonstige mechanische Beanspruchungen; chemische
Angriffe; Umgebungseinflüsse (Kälte, Wärme, Öl, …)
Leitungslängenüberschreitung (selbsterklärend) 9 %
24 %
20 %
18 %
14 %
Sonstiges
Bedienfehler oder sonstiges „menschliches Versagen“; falsche bzw. ungünstige
Netzwerkstruktur; Stichleitungen; zu hohe Netzwerklast
15 %
9

FAZIT
Netzwerke und Instandhaltung im Wandel: Das erweiterte CMT-Modell
Im VORTEX 2016 wurde das Erfahrungsbasierte Entwicklungsmodell der
Netzwerkinstandhaltung (engl. CMT-Modell) vorgestellt. Seine vorläufige
Fünf-Phasen-Struktur beschreibt die Entwicklung von Umfang, Inhalt und
Frequenz der Wartungsmaßnahmen in industriellen Netzwerken (siehe
Grafik Seite 11 f.). Dieser Prozess lässt sich mithilfe der VORTEX-Auswertungen
sehr schön verfolgen. Viele Firmen verfügen durch die langjährige
Betriebsdauer ihrer Maschinen und Anlagen mittlerweile über einige Erfahrungen
mit den eingesetzten Technologien. Im Vergleich zum VORTEX
2016 erfolgt deshalb im Modell eine leichte Verschiebung des Status quo
(„heute“) nach rechts, hin zu mehr Vorbeugung und Automatisierung bei
der Wartung und Instandhaltung von Anlagen mit Feldbusnetzwerken.
Das CMT-Modell ist jedoch kein geschlossenes System, sondern verändert
sich im gleichen Maße wie die Automatisierungstechnologien selbst. Durch
zunehmende Vernetzung werden industrielle Netzwerke stetig komplexer.
Deshalb stoßen momentane Instandhaltungskonzepte selbst in solchen
Abteilungen an Grenzen, die über weitreichende Ressourcen hinsichtlich
Technik, Personal und Geld verfügen. Neben seinem eigentlichen Job muss
der Elektriker heute am besten auch noch Mechaniker und IT-Fachmann in
Personalunion sein, denn speziell im IT-Bereich fallen Instandhaltern immer
mehr Aufgaben zu. Es sei dabei nur auf das Thema Security verwiesen.
Inwiefern dieser Spagat weiter zu stemmen ist, bleibt abzuwarten. Es gilt
zu prüfen, was die Automatisierungstechnik aus den Erfahrungen der IT
lernen kann. Welchen Einfluss Industrie 4.0, Big Data oder Cloud-Technologien
auf das Operational Technology (OT)-Netzwerk der Zukunft haben,
werden die kommenden VORTEX-Ausgaben analysieren.
10

CMT-MODELL
Erfahrungsbasiertes Entwicklungsmodell der Netzwerkinstandhaltung
Common Maintenance Trend-Modell industrieller Netzwerke (CMT-Modell)
PHASE 0
PHASE 1
PHASE 2
PHASE 3
Geburtsphase
Pionierphase
Toleranzphase
Vorsatzphase
■■
noch keine Bus-Systeme
■■
noch weitgehend analoge
Kommunikation
■■
vorwiegend Relaisschaltungen
und einfache Steuerungen mit
mehreren I/O-Karten im Einsatz
■■
erste Netzwerke entstehen
■■
Technik noch jung, Anwendern
fehlt Erfahrung damit
■■
erste kleinere Netzwerke in den
Maschinen und Anlagen;
reibungsloser Betrieb
■■
Motto „Probieren geht über
Studieren“ weit verbreitet
■■
Inbetriebnahme wird zum
Problemfall
■■
keine Ausfälle oder
offensichtlichen Probleme
■■
keine Instandhaltungsaktivitäten
notwendig
■■
Technologiekenntnisse fehlen
noch
■■
weitgehend reibungsloser
Maschinen-/Anlagenbetrieb,
aber
■■
Verschleiß und Installationsfehler
führen zu ersten Ausfällen
■■
gängige Reaktion auf Störungen:
„Gerätetausch hilft“
■■
Toleranz schwindet
■■
erste Messgeräte halten Einzug
in die Automatisierung
■■
Alterung der Anlage sichtbar
■■
Instandhaltung fordert Qualität
– Planung setzt Forderungen bei
Abnahme um
■■
Kauf von Messgeräten, Vorsatz
regelmäßiger Nutzung
■■
Erkenntnis: „Entwicklung von
Qualitätswerten“ notwendig
■■
Inspektionszyklen zwar festgelegt,
aber nicht eingehalten
■■
erneuter ungeplanter Anlagenstillstand
1993
erste Maschinen/Anlagen
mit Feldbusinstallationen
11

PHASE 4
PHASE 5
PHASE 6
PHASE 7
Handlungsphase
Automatisierungsphase
...phase
■■
Handlungsbedarf ist erkannt
■■
Qualitätsbewusstsein wächst
■■
Betreiber fordern Qualitätsfestlegungen
in Lastenheften
bzw. Liefervorschriften
■■
Messgeräte gewinnen an
Bedeutung
■■
weitere Anlagenstillstände gilt
es zu vermeiden
■■
Netzwerkabnahme ist Standard
■■
planbare, vorbeugende Instandhaltung
durch regelmäßige,
automatisierte Messungen
■■
Permanente
Netzwerküberwachung (PNÜ)
■■
Motto der Instandhaltung:
„Warnung vor dem Ausfall“
■■
■■
■
■■
■■
■■
■■
■■
■■
■■
■■
2015
heute
gefühlte Entwicklung
Ein Großteil der Feldbusanwender befindet
sich heute in diesem „Entwicklungsstadium“.
12

AUSBLICK
Rechtzeitige Übertragung sichern – TSN auf dem Vormarsch
Ethernetbasierte Netzwerke in der industriellen Automatisierung ermöglichen
nicht nur Datenraten von bis zu 100 Mbit/s – speziell PROFINET
erlaubt parallel zum zyklischen auch noch die Übertragung azyklischen
Datenverkehrs (z.B. TCP/IP-Telegramme). Dadurch steigt das Datenaufkommen
im Netzwerk stark an. Die unter dem Namen Industrie 4.0
vielfach prognostizierte totale Vernetzung verstärkt diesen Effekt noch
deutlich. Wie lässt sich unter diesen Bedingungen gewährleisten, dass
die für den Automatisierungsprozess wichtigen Daten weiterhin in der
erforderlichen Zeit übertragen werden?
Dazu arbeitet die IEEE-Arbeitsgruppe Time-Sensitive Networking (TSN)
an Erweiterungen des bestehenden IEEE 802.1 Ethernet-Standards. Diese
bieten verschiedene Mechanismen für die Übertragung zeitkritischer,
steuerungsrelevanter Daten – beispielsweise, indem sie dafür ausreichend
Bandbreite reservieren (Stream reservation). Scheduling und Traffic Shaping
gewährleisten die Koexistenz verschiedener Verkehrsklassen mit unterschiedlichen
Anforderungen an Bandbreite und Zeittreue im gleichen
Netzwerk. Um den Telegrammstau im Netzwerk zu vermeiden, wurde die
Frame Pre-Emption Technologie spezifiziert, die eine Unterbrechung und
spätere Fortsetzung der Frame-Übertragung ermöglicht.
Dank dieser Funktionen und Vorteile wird sich TSN in absehbarer Zeit im
Automatisierungsbereich etablieren und Einfluss auf Netzwerkstrukturen
und die Gestalt des CMT-Modells im VORTEX 2018 haben.
13

Indu-Sol GmbH
Blumenstraße 3
04626 Schmölln
Telefon: +49 (0) 34491 5818-0
Telefax: +49 (0) 34491 5818-99
info@indu-sol.com
www.indu-sol.com
Zertifiziert nach DIN EN ISO 9001:2008
Mehr über Indu-Sol:
Stand 03/2017