VORTEX Report 2020 deutsch

VORTEX
ABRIDGED INDUSTRIAL NETWORK SUPPORT REPORT
2020
DE

VORWORT
PRAXISBERICHT
Passen Aufgaben und Infrastruktur Ihres Netzwerks zusammen?
Abenteuer Messung – viel mehr als Knöpfe drücken und Diagramme prüfen
Sehr geehrte Kunden,
sehr geehrte Geschäftspartner,
sehr geehrte Interessenten,
Bevor das Messgerät angeschlossen und die Ergebnisse auf dem Display oder Laptop geprüft werden können, gibt es für Messingenieure oft
noch eine ganze Menge anderer Dinge zu tun. Hier einige Impressionen von Service-Einsätzen aus 2019, in deren Zuge man sich über digitale
Kommunikationskanäle gern auch mal den Rat erfahrener Kollegen einholt:
selten drängten so viele Innovationen parallel auf den Markt der
Industrie-Automation wie in den letzten Jahren. Das steigende Datenaufkommen
und der wachsende Vernetzungsgrad in Industrienetzen
treiben den technischen Fortschritt voran. So wurde etwa PROFINET
Mitte 2019 mit der neuen Spezifikation V2.4 u. a. für den Gigabit-
Bereich standardisiert. In der Praxis finden sich immer seltener „reine“
PROFINET-Netze, häufig kommunizieren mehrere Protokolle über die
selbe Infrastruktur. Anders ist es auch gar nicht denkbar, bräuchte
man doch sonst drei bis vier parallele Netze mit jeweils sehr geringer
Auslastung. Dieser Trend wiederum ist der Motor für die Entwicklung
von marktfähigen Lösungen für Time-Sensitive Networking (TSN), um
Echtzeit-Datenübertragung trotz höherer Netzlasten zu gewährleisten.
Wie groß der Bedarf an marktfähigen Lösungen in diesen Bereichen
ist, zeigt die aktuellste Ausgabe des jährlichen VORTEX-Berichts. Über
400 Mal wurden die Messingenieure der Indu-Sol GmbH 2019 gerufen,
um die Kommunikation in Maschinen-/Anlagennetzwerken von Unternehmen
aus verschiedensten Industriebereichen messtechnisch zu bewerten.
Zwei wesentliche Ergebnisse: Erstmals waren die bloße Netz-
Symptome, die davon hervorgerufen werden, sind bspw. verworfene
Tele gramme aufgrund zu hoher Netzlast (Discards), oder eine verzögerte
Telegrammankunft beim Empfänger (Jitter) – siehe Seite 8/9.
Diese Praxis-Beobachtungen verdeutlichen, dass es auch in Industrie-
Netzwerken immer wichtiger wird, deren Auslastung zu planen und zu
kennen und die Struktur sowie die Leistungsfähigkeit der Komponenten
entsprechend anzupassen – Leistungsfähigkeit ist planbar!
Indu-Sol verfügt über gut 18 Jahre Erfahrung in der Konzeption und
Diagnose von Netzwerken und industrieller Datenkommunikation.
Mehrere hundert Messeinsätze pro Jahr liefern uns wichtige Erkenntnisse
darüber, wie sich ein dauerhaft stabiler Maschinen-/Anlagenbetrieb
auch bei hoher Vernetzung erreichen lässt. Gern teilen wir diese
mit Ihnen – packen Sie es heute an!
Mit den besten Wünschen für immer ausreichend Bandbreite verbleibt
Ihr René Heidl,
Messtechnik
online
08:14
15:53
„780 PROFINET-Kabel eingemessen,
hier und da waren Adern vertauscht.
Kunde überlegt die Anschaffung neuer
M12-Stecker, da die bisher Verwendeten
schlecht zu konfektionieren sind.“
08:15
Messtechnik
online
„PROFIBUS-Anlage läuft mit 6 Mbit/s
und wurde vor 2 Jahren erweitert
‒ kein passender Topologieplan
vorhanden. Kunde beklagte immer
wieder Anlagenausfälle. [...] In drei
Segmenten hatten Geräte an den
Enden keine aktive Terminierung. [...]
Aufgrund überhöhter Leitungslängen
und zur Fehlereingrenzung wurde
das Netzwerk im Hauptschaltschrank
mittels Repeatern segmentiert. [...]
Umrüstung von sternförmigen auf
vermaschten Potentialausgleich
empfohlen.“
13:48
13:52
19:23
Messtechnik
online
09:26
„An einer Laser-Anlage mussten fast
alle Stecker am Switch neu konfektioniert
werden, da keine Zugentlastung
gegeben war. Auch konnte kein
PROFIBUS-Leitungstest durchgeführt
werden, weil es keine Messstellen
gab. Kunde ist der Meinung, dass ein
verbauter Diagnose-Repeater den
Leitungstest ersetzt.“
09:32
09:41
werkstruktur oder falsch ausgewählte Komponenten in nennenswerter
Geschäftsführer Technik & Support
Häufigkeit eine Ursache für ungeplante Produktionsunterbrechungen.
Indu-Sol GmbH
2
3

EINSATZZAHL & -DAUER
DIAGRAMM
Urvertrauen vs. Kontrolle: Sind Automatisierer „mondsüchtig“?
SOS-Einsätze wie Mondphasen, oder was ohne Netzwerkmonitoring passiert!
„Mondsüchtige“ Menschen stehen zum Wechsel der Mondphasen nachts
auf und verrichten schlafwandelnd entweder gewohnte Dinge oder gehen
Wagnisse ein, die ihnen wach zu riskant scheinen. Betrachtet man
die Entwicklung des Anteils der Messeinsätze von Indu-Sol, bei denen
ein betriebsstörendes Ereignis mit Netzwerkbezug eine sofortige
Überprüfung der Kommunikationsqualität notwendig werden ließ
(„SOS-Einsätze“), könnte man annehmen, auch Teile der Automatisierer
seien mondsüchtig. Trotz immer komplexer werdender Netzwerkstrukturen
und steigendem Datenaufkommen gehen noch immer Maschinen
und Anlagen ohne Netzwerkmonitoring in Betrieb.
Eine automatisierte Überwachung der Datenkommunikationsqualität
sorgt jedoch nicht nur für eine bedarfsorientierte und damit kostengünstige
Instandhaltung. Sie ist vor allem ein wertvolles Frühwarnsystem,
wenn sich die Qualität der Datenkommunikation verschlechtert.
Dadurch können Betreiber bereits frühzeitig und geplant Wartungsmaßnahmen
einleiten, ohne von plötzlichen Ereignissen überrascht
zu werden. Man muss also nicht blind auf die Zuverlässigkeit des
Netzwerks vertrauen und kann die durch die Vermeidung überflüssiger
Instandhaltungsmaßnahmen gewonnene Zeit effektiver nutzen. Dank
der präzisen Monitoring-Daten gleicht die Fehlersuche obendrein nicht
länger einem „Schlafwandeln“.
Die SOS-Einsätze offenbaren immer wieder auch „Alterungs-Effekte“
der Technik. 2019 galt mehr als jeder zweite SOS-Einsatz von Indu-Sol
einem PROFIBUS-Netzwerk (diese sind oft schon deutlich länger als ein
Jahrzehnt in Betrieb), nur gut jeder fünfte einem PROFINET-Netzwerk.
Durch den Einsatz von Netzwerkmonitoring-Systemen konnte der Anteil von
SOS-Einsätzen unter Indu-Sol Bestandskunden nachhaltig gesenkt werden.
SOS
SOS
SOS-Einsatz = Einsatz zur messtechnischen Bestimmung der Datenkommunikationsqualität in einem
Feldbus oder Netzwerk, welcher aufgrund akut eingetretener Ereignisse und damit verbundener
schwerwiegender Beeinträchtigungen des Maschinen-/Anlagenbetriebs „sofort“ notwendig wurde.
SOS
SOS
SOS
Unter den Neukunden von Indu-Sol ist der erste Einsatz immer häufiger ein „SOS“.
Jahr 2015 2016 2017 2018 2019
Indu-Sol Fehlersuchen
gesamt
Davon Nicht-SOS-
Einsätze
399 349 312 239 185
266 201 155 106 62
SOS-Einsätze 133 148 157 133 123
Anteil SOS-Einsätze 33% 42% 50% 56% 66%
4
5

EINSATZVERTEILUNG
DIAGRAMM
Ethernet in der Automatisierung: Mehrwert durch die richtigen Switches
Beauftragungsgründe von Kunden für Messeinsätze durch Indu-Sol
Mehr Bandbreite, flexiblere Topologien, durchgängige Kommunikation
über Netzwerkgrenzen hinweg: Aufgrund der Vorteile, die
ethernetbasierte Kommunikation gegenüber klassischen Feldbussen
bietet, setzen sich diese Technologien in der industriellen Automatisierung
immer weiter durch. 2018 tauchte Industrial Ethernet (ohne
PROFINET, wird separat betrachtet) erstmals in nennenswertem Umfang
in der Liste der Netzwerktypen auf, in denen Indu-Sol Messingenieure
die Kommunikation im Kundenauftrag bewerteten. 2019 rangierte
es bereits auf Platz 3 (siehe rechte Seite) – Tendenz steigend.
Kernelement in der ethernetbasierten Kommunikation sind die Switches.
Je höher die Auslastung eines Netzwerkes ist, umso wichtiger
ist es, die Auslastung der Bandbreite im Blick zu behalten, um etwa
Flaschenhälse frühzeitig diagnostizieren zu können. Indizien dafür
liefern die Portstatistiken – vorausgesetzt, es sind managed Switches
verbaut, die diese bereitstellen.
Je komplexer Netzwerkstrukturen werden, umso wichtiger wird eine
diagnosefähige Infrastruktur. Dieser Aspekt gewinnt insbesondere im
Bereich der Fernwartung an Bedeutung. Werden Wartungsarbeiten
an weit entfernten Standorten notwendig, stellt sich unweigerlich
die Frage, welcher Experte zu entsenden ist: Ein Netzwerktechniker?
Ein Elektriker? Oder vielleicht doch der Mechaniker? Ein Blick auf
die Diagnosedaten im Webinterface der Switches als Entscheidungsgrundlage
kann hier entscheidende Zeit und viel Geld sparen – erst
recht bei den für Ethernet-Netzwerke typischen sporadischen, nicht
reproduzierbaren Ereignissen.
Industrial
Ethernet
Industrial
Ethernet
Weitere
Weitere
2015 2016 2017 2018
2019
55 % 49 % 45 % 43 % 43 %
28% 32 % 36 % 38 % 37 %
0,07 % 0,2 % 0,3 % 4 % 5 %
2 % 4 % 4 % 4 % 4 %
5 % 6 % 7 % 4 % 2 %
5 % 5 % 5 % 3 % 3 %
5 % 4 % 3 % 4 % 6 %
6
7

FEHLERURSACHEN
DIAGRAMM
Der Domino-Effekt der Netzwerkstruktur: Discards und Jitter
Typische Fehlerquellen bei Messeinsätzen
EMV
Um die hohen Datendurchsätze und kürzere Reaktionszeiten, die hochperformante
Automatisierungsprozesse erfordern, zu gewährleisten,
Sonstiges
wurde die Infrastruktur industrieller Netzwerke stetig weiterentwickelt.
Funktionierte PROFIBUS noch mit einem Adernpaar bis maximal 12
Software & Geräte
MBit/s, steigerte PROFINET den höchstmöglichen Datendurchsatz auf
100 MBit/s bei gleichzeitigem Senden und Empfangen (zwei Adernpaare).
Der Umstieg auf Gigabit erfordert dann bereits vier Adernpaare.
Selbst so vermeintlich banale Komponenten wie Kabel beeinflussen
Leitungslängenüberschreitung
also wesentlich die Leistungsfähigkeit des Netzwerks. Dies setzt sich
in den Switches fort. Werden diese Komponenten nicht entsprechend
der Leistungsanforderungen (Datendurchsatz, Speicherkapazitäten,
Kabel
Stecker
...) ausgewählt, kann es zu einer Beeinträchtigung der Datenkommunikation
und damit der Maschinen-/Anlagenfunktion kommen.
In welcher Form dies passieren kann, zeigt sich unter anderem, wenn
man die „Sonstiges“-Kategorie der nebenstehenden Übersicht genauer
betrachtet. Innerhalb dieser Rubrik bilden Jitter (also eine verspä-
Andere 3 %
2019
Stecker 18 %
tete Telegramm-Ankunft) und Discards (verworfene Telegramme aufgrund
von überlasteten Switches) die Hauptursachen. Zwar handelt
es sich hierbei um logische Parameter. Diese werden jedoch von der
Leistungsfähigkeit der Hardware (Switches) und der Netzwerkstruktur
beeinflusst. Letztere hatte innerhalb der „Sonstiges“-Kategorie 2019
Sonstiges
interne Diagnose 4 %
Repeats 7 %
Errors 10 %
Kabel 18 %
EMV 15 %
Software & Geräte 13 %
mit 6% erstmals einen nennenswerten Anteil.
Auf der folgenden Doppelseite finden Sie dazu weiterführende Erklärungen
und eine Einordnung des Phänomens in den Kontext von Netzwerkstrukturen.
Discards 29 %
Jitter 21 %
Errors 23 %
Dispatches 3 %
Leitungslängenüberschreitung 4 %
Sonstiges 32 %
8
9

AUSBLICK
BEISPIELKONFIGURATION
Herausforderung Vernetzung: Alles Gigabit? Getrennte Netze? Weder noch!
Werden die Indu-Sol Messingenieure im Kundenauftrag gerufen, um logische
Ungereimtheiten in der PROFINET-/Industrial Ethernet-Kommunikation
zu untersuchen, zeigen sich mehrheitlich zwei typische Szenarien:
Entweder wurden die Netze mit gigabtifähigen High-End-Komponenten
ausgestattet, obwohl die ermittelte tatsächliche Netzlast < 1% ist. Oder es
wurden aus Kostengründen unmanaged Switches mit geringen Datenübertragungskapazitäten
verbaut, die den vorherrschenden Netzlasten nicht
standhalten und keine Diagnosedaten bereitstellen. Meist findet sich also
eine extreme Über- bzw. Unterdimensionierung. Wie aktuell in der Gesellschaft
scheint es auch hier keine gesunde Mitte mehr zu geben.
Eine sorgfältige Planung der Netzwerkinfrastruktur stellt also dessen benötigte
Leistungsfähigkeit und Verfügbarkeit sicher und sorgt obendrein
dafür, dass die Kosten für die Ausstattung bedarfsgerecht bleiben. Sogenannte
Access Layer Switches (bis 100 MBit/s) sind für die Maschinen-
und Anlagensteuerung (Operational Technology/OT) in der Regel
ausreichend, sofern kein übriger Datenverkehr in diesem Netzwerkteil
herrscht. Produktionsnahe Daten, die nicht direkt für die Prozesssteuerung
benötigt werden, können in einer Zwischenebene verarbeitet werden – der
Industrial IT (IIT). Hier werden meist Distribution Layer Switches benötigt,
welche etwa Gigabit-Datenraten gewährleisten und durch Firewalls/
Routing eine sichere Datenübertragung zwischen den Ebenen ermöglichen.
In der IT-Ebene gewährleisten Core Layer Switches hochredundante Weiterleitungen
und höchste Datenübertragungsraten. Welche Netzwerkstruktur
optimal ist und welches Leistungsprofil die Komponenten erfüllen müssen,
muss jedoch für die jeweiligen Anwendungen einzeln entschieden werden.
So leistungsfähig wie nötig: Bedarfsgerechte Auswahl von Netzwerk-
Infrastrukturkomponenten nach Verwendungszweck
IT
Core Layer
1 Gbit/s
IIT
Distribution Layer
PROFINET-INspektor ® NT
OT
Access Layer
PROmesh P9
PROmesh P20
1 Gbit/s
2x 1 Gbit/s
PROmesh P7X
PROFINET bietet den Vorteil, dass auch azyklische Nicht-PROFINET-Daten
über die selbe Infrastruktur wie PROFINET-Daten übertragen werden
können. Zahlreiche Messungen in der Praxis offenbaren jedoch, dadurch
verursacht, überhöhte Netzlasten und in der Folge verworfene Telegramme
(Discards) oder eine starke Verzögerung bei der Übertragung
SWITCH
PROmesh P28-RL
PROmesh P20
PROmesh P9 PROmesh P9 PROmesh P9
PROmesh P9
10 Gbit/s
2x 1 Gbit/s
zeitkritischer Telegramme (Jitter). In einigen Anwendungen lässt sich
diese Hürde umgehen, indem unterhalb der IT-Ebene eine Zwischenebene
geschaffen wird, in der dieser azyklische Datenverkehr fließt und
die somit die Maschinen-/Anlagenebene (Operational Technology/OT)
entlastet – die Industrial IT (IIT).
PROmesh P20
100 Mbit/s 100 Mbit/s
100 Mbit/s
PROmesh FX
PROmesh FX
10 11

Indu-Sol GmbH
Blumenstraße 3
04626 Schmölln
Telefon: +49 (0) 34491 580-0
Telefax: +49 (0) 34491 580-499
info@indu-sol.com
www.indu-sol.com
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Stand 03/2020