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Labor für industrielle Netzwerke

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Qualitätssicherung in PROFIBUS Netzwerken

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Keine Fehlermeldungen in einem Netzwerk bedeutet nicht, dass auch keine Übertragungsfehler auftreten!

 

Seit mehr als 10 Jahren sind nun PROFIBUS Netzwerke im Einsatz und mehr als 18 Mio. Knoten sind von verschiedenen Herstellern verkauft worden. In der Regel funktionieren diese Systeme auch zuverlässig und geben, einmal in Betrieb genommen, selten zu Störungen oder Klagen Anlass. Nicht zuletzt darum hat sich der PROFIBUS in der Praxis durchgesetzt.

Wenn auf einer PROFIBUS Anlage keine Störung der Übertragung gemeldet wird, geht der Betreiber der Anlage auch davon aus, dass die Datenübertragung auch fehlerfrei funktioniert. Dies ist aus der Sicht der Anwendung auch zweifelsfrei der Fall – aber werden auch die Daten alle immer fehlerfrei übertragen? Wir wollen diese Frage hier etwas genauer betrachten.

 

Das typische Fehlerbild

Bei einem PROFIBUS-DP sendet die Steuerung zyklisch jedem Feldgerät seine Ausgangsdaten und erwartet von diesem Feldgerät seine Eingangdaten. Damit Übertragungsfehler erkannt werden können, wird jedes Zeichen mit einer Parität versehen und das ganze Telegramm erhält noch eine Checksumme. Wird die Übertragung gestört und  ist eine Parität verletzt oder die Checksumme falsch, wird das ganze Telegramm weggeworfen. Die Steuerung inkrementiert einen Fehlerzähler und macht automatisch im nächsten Zyklus einen erneuten Versuch. Solange der Fehlerzähler einen eingestellten Maximalwert – in der Praxis oftmals 3 – nicht überschreitet stellt der Anwender oder das Steuerungsprogramm nicht fest, dass in der Datenübertragung etwas schief gelaufen ist. Der Fehler wird vor der Anwendung versteckt.

Dieses Verstecken der Übertragungsfehler ist in der Praxis absolut richtig, und führt zu stabilen Systemen, die nicht bei jedem kleinen Fehlerchen, das automatisch korrigiert wird, eine Betriebsstörung melden. Wenn diese kleinen Fehlerchen aber gehäuft auftreten, wird die Wahrscheinlichkeit, dass diese sich zu einem grossen Fehler auswachsen immer grösser! Wenn der Fehlerzähler überläuft, wird das entsprechende Feldgerät nämlich von der Steuerung ausser Betrieb genommen. Anschliessend initialisiert die Steuerung das Feldgerät neu. Während dieser Initialisierung kann kein Nutzdatentransfer stattfinden.

In der Praxis haben wir dann das Fehlerbild, dass sporadisch, eventuell nur in bestimmten Betriebszuständen, einzelne Feldgeräte neu initialisiert und somit nur verzögert kommunizieren können.

Die Fehlererkennung erkennt diese Übertragungsfehler nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit. Je mehr Übertragungsfehler auftreten desto grösser ist die Wahrscheinlichkeit, dass einmal ein Übertragungsfehler nicht erkannt wird.

Die möglichen Fehlerursachen

Praktische Statistiken zeigen, dass die Hauptursache der Fehler in der Installation des Kabels liegt. Auch wenn bei einem PROFIBUS Verdrahtung nach RS 485 ein Leiter unterbrochen oder ein Masseschluss vorhanden ist, ist in vielen Fällen eine Kommunikation noch möglich. Ebenso sind ein richtig angeschlossener Schirm und eine saubere Erdung die Voraussetzung für einen  störungsfreien Betrieb. In den Installationsrichtlinien des PROFIBUS werden neben diesen Vorgaben für die Installation auch minimal Distanzen für unterschiedliche Signale angegeben. Die Hauptursache von Störungen ist und bleibt aber der falsche Abschluss und Terminierung der Busleitungen.

Die korrekte Montage des Kabels kann einfach vor der Inbetriebnahme mit einem Kabeltester überprüft werden. Aber wie kann man die Qualität der Installation bei einem laufenden System überprüfen?

Die vorbeugende Fehlerdiagnose

Wir können nun diesen Fehlern vorbeugen, indem wir die Anzahl der Übertragungsfehler in einem funktionierenden PROFIBUS-DP Netzwerk messen und festhalten. Am einfachsten geschieht dies mit einem Diagnosewerkzeug wie z.B. dem ProfiTrace. Der ProfiTrace wird an die USB Schnittstelle eines PCs und den zu analysierenden PROFIBUS angeschlossen (siehe Bild 1) und mit ein paar Mausklicks erkennt man in einem Netzwerk welche Stationen wie viele Telegrammwiederholungen aufweisen. Im Idealfall bleiben diese Zahlen auf Null.

Bild 1: Anschluss des ProfiTrace

Bild 1: Anschluss des ProfiTrace

 

Die mögliche Fehlerursache kann mit der Hilfe eines Oszilloskops näher eingegrenzt werden. Der ProfiTrace liefert einen Trigger für die Signale des entsprechenden Feldgerätes. Aufgrund der Interpretation des aufgezeichneten Signals können mögliche Fehlerursachen eingegrenzt werden.

Wir empfehlen diese Messungen bei der Inbetriebnahme eines PROFIBUS Netzwerkes durchzuführen, um die Qualität der Installation zu überprüfen. In einem späteren Zeitpunkt, bei Erweiterungen oder Unterhaltsarbeiten wird diese Messung wiederholt, um zu überprüfen, ob sich die Qualität der Installation verschlechtert hat. Ein Ansteigen der Fehlerzähler deutet darauf hin, dass die Qualität der Verdrahtung sich verschlechtert hat (Bild2).

 

Bild 2: Fehlerstatistik

Bild 2: Fehlerstatistik

 

Mit der Hilfe eines Diagnosewerkzeuges wie dem ProfiTrace kann man solche Qualitätsunterschiede feststellen, bevor sie sich auf den Nutzdatenverkehr und somit auf die Produktion auswirken, ganz im Sinne einer vorbeugenden Wartung.