Datenkommunikation/Security

IVG Göhringer verhindert Bussystemausfälle

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Mit zu den schwierigsten Aufgaben in der Instandhaltung gehört das Finden von sporadisch auftretenden Fehlern in der Buskommunikation. Sie sind nicht nachvollziehbar und die Messgeräte zeigen Signalpegel, die in Ordnung sind. Trotzdem führen diese Fehler in unregelmäßigen Abständen zum Anlagenstillstand. Der folgende Beitrag zeigt anhand eines praktischen Beispiels, wie sich solche Fehler mit einem kleinen Diagnosemodul finden und anschließend verhindern lassen.

Gerhard Bäurle, Technikjournalist, im Auftrag der IVG Göhringer, Holzgerlingen

Mit Aussagen wie „Die Maschine steigt einmal pro Minute aus“, rufen die Instandhalter von Maschinen und Produktionsanlagen bei IVG Göhringer an, wenn sie an einer Anlage ein unerklärbares Verhalten oder Stillstände vorfinden.

Profibus-Fehler akustisch signalisieren

Im Beispiel erläuterte das Servicepersonal den Experten von IVG den Verdacht, dass eine Belegt-Lichtschranke durch den Profibus gestört wird. Erste Untersuchungen mit dem sogenannten Profibus-Tester ergaben, dass tatsächlich Fehltelegramme auftraten. Allerdings war nicht sofort eine Störquelle identifizierbar. Es sah nicht nach EMV aus, nicht nach Wellenphysik und nicht nach einem Software-Problem. Im nächsten Schritt wurde der Profibus-Quick Tester P-QT 10 mit dem Bussystem verbunden. Mit einer Hupe kann das Diagnosemodul Telegrammfehler akustisch signalisieren, so dass die Fehler dem laufenden Prozess zugeordnet werden können. Jedoch waren hier keine direkten Zusammenhänge erkennbar. Der nächste Schritt ist in solchen Fällen das Abklopfen der Steckverbindungen, sowohl beim Bussystem als auch bei der Stromversorgung. „Dabei stießen wir auf einen Stellantrieb mit 24 Volt Versorgung“, berichtet Hans-Ludwig Göhringer und erläutert weiter: „Wenn man an dem Kabel wackelte, dann wurden Fehltelegramme erzeugt, die die Hupe am Profibus-Quick Tester auch deutlich signalisierte.“ Nach dem Abziehen des 24V-DC-Steckers traten keine Fehltelegramme mehr auf. Die Elektriker vor Ort wechselten nun den 24V-DC-Stecker aus. Die weitere Untersuchung ergab, dass die Sicherung der Antriebe und der Belegt-Lichtschranke im Schaltschrank direkt nebeneinander eingebaut sind. Die Vermutung lag nahe, dass das Funkenfeuer des 24V-DC-Steckers die Sicherung der Beleglichtschranke gestört hatte. Nach dem Auswechseln des Steckers lief die Anlage wieder einwandfrei.

Hätten diese Stillstände verhindert werden können?

Bevor diese Frage sinnvoll beantwortet werden kann, ist ein Blick auf die zwei hauptsächlichen Fehlerarten erforderlich: Verbaufehler und Alterungseffekte.

Zu den Verbaufehlern zählen die Schwachstellen, die auf einer fehlerhaften Planung oder Installation des Bussystems beruhen. Dazu gehören beispielsweise:

  • zu lange Busleitungen
  • Schirm nicht (beidseitig) aufgelegt
  • mehr als 32 Geräte pro Segment
  • ein fehlender Potenzialausgleich

Zur Beseitigung der Verbaufehler wird eine Grundinspektion empfohlen. Die meisten dieser Fehler lassen sich durch eine visuelle Inspektion beziehungsweise Sichtkontrolle feststellen. Dafür hat IVG Göhringer ein softwaregestütztes Verfahren konzipiert. Die darauf basierende IVG-NetApp gibt dem Anwender einen strukturierten und fundierten Prozess vor und unterstützt damit eine systematische Vorgehensweise.

Tablet-gestützte Sichtprüfung

Die App ist für Profibus PA, Interbus und AS-Interface verfügbar und berücksichtigt die Besonderheiten der einzelnen Bussysteme. Sie ist über den Google Playstore kostenfrei erhältlich. Per Tablet und App kann das Anlagenpersonal die geführte Sichtprüfung selbst erledigen und die erkannten Fehler beheben. Optional bietet das Unternehmen als Dienstleistung eine kostenpflichtige Auswertung anhand der erfassten Daten an. Diese umfasst eine detaillierte Auswertung mit ausführlichen Hinweisen und Expertentipps zur Fehlerbeseitigung.

Verschleiß und Alterung

Ab der Inbetriebnahme nagt der sprichwörtliche Zahn der Zeit am Bussystem – Einflüsse verschiedenster Art hinterlassen ihre Spuren in Form von Verschleißeffekten an der Businstallation. Neben der Alterung von Bauteilen wie Kondensatoren wirken über den gesamten Lebenszyklus immer wieder Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen, Kühlmittel, Lösungsmitteldämpfe, Vibrationen und Wechselbiegebelastungen auf die Feldbusinstallation.

Mögliche Alterungseffekte sind:

  • Kontakte: Oxidationen von Kontaktoberfläche
  • Verschmutzung durch Staub, Öl, Kleber, Metallstaub – Kontaktprobleme
  • Kabelbrüche: zum Beispiel im Kabelschlepp brechende Einzeldrähte – der Wellenwiderstand verändert sich
    (springend)
  • Lötstellen: Ausglühen der Lötstellen, kalte Lötstellen durch mechanische Beanspruchung und Temperaturwechselbelastungen
  • EMV: Kondensatoren sind meistens an der Masse angeschlossen. Altern die Kondensatoren, so steigt der EMV Pegel an: Alterungseffekte bei Kondensatoren zum Beispiel Austrocknen von Elektrolyt-Kondensatoren, Stressen der Kondensatoren durch EMV und HF Ströme, lange Stillstandszeiten bei Kondensatoren.
  • EMV: Elektrostatik, beispielsweise bei Temperaturen unter 0 °C
  • Kurzschluss, zum Beispiel durch Metallstaub oder durch mechanische Reibung.
  • Chemikalien/Lösungsmittel: Starke Beanspruchung der Profibus-Kabel
  • Leiterplatten: Whisker-Bildung an Leiterplatten
  • UV-Licht: Versprödung von Kunststoffen
  • Resonanz-Schwingungen
  • Durchfahren des Taupunkts

Um die schleichende Verschlechterung der Übertragungsqualität durch Verschleiß zu erkennen, gibt es verschiedene Ansätze. Manchmal ist von einer jährlichen oder halbjährlichen Inspektion des Bussystems die Rede. Für mechanische Baugruppen wie Getriebe oder Pumpen mag das funktionieren, weil diese einem gleichmäßigen Verschleiß unterliegen. Bei einem Bussystem ist der Verschleiß aber absolut unstetig. Zudem können die Umgebungsbedingungen innerhalb von Minuten wechseln, wenn beispielsweise das Hallentor für eine Anlieferung geöffnet wird. In der Praxis weiß man nie, wann ein günstiger Zeitpunkt für eine Messung nach Wartungsplan ist.

Permanente Busüberwachung

Der Verschleiß eines Bussystems ist weder durch Berechnung noch durch Erfahrungswerte bestimmbar. Eine passende Antwort auf die eingangs gestellten Fragen ist daher „Condition Monitoring“, beziehungsweise „permanente Zustandsüberwachung“.

Feldbussysteme sind prinzipbedingt zuverlässige und fehlertolerante Systeme. Durch spezielle Mechanismen wie die automatische Telegrammwiederholung werden Fehler in einem gewissen Umfang ausgeglichen, ohne dass der Anwender etwas davon merkt. Diese Systematik machen sich die Diagnose-Module des Unternehmens zunutze. Sie werden an einer beliebigen Stelle auf den Feldbus gesteckt und arbeiten dort völlig rückwirkungsfrei. Sie messen keine physikalischen Größen wie Spannungspegel und Signallaufzeiten, sondern zeichnen Fehler auf Protokollebene auf. Konkret erkennen die Module eine Verschlechterung der Buskommunikation durch typische Profibus-Fehler wie Fehltelegramme, Telegramm-Wiederholungen und Diagnosemeldungen. Solche Fehler werden per LED und über einen potenzialfreien Alarmkontakt signalisiert.

Solange die Anzahl der Telegrammwiederholungen nicht überhand nimmt, läuft die Kommunikation ohne Einschränkung weiter. Der potenzialfreie Alarmkontakt der Diagnose-Stecker löst zur Anzeige eines Fehlers eine Warnleuchte oder eine Sirene aus. Zudem ist es möglich, den Alarmkontakt über die übergeordnete Steuerung auszuwerten. Neben dem Diagnose-Modul P-QT 10 für Profibus ist das C-QT 15 für CAN, A-QT 15 für AS-Interface und ESD-QT 16 für das Erkennen elektrostatischer Entladungen verfügbar.

Auswertung per S7-QT Manager

Als Erweiterung ist ein Tool entstanden, das das Prozessabbild auswertet und so den Verursacher automatisch identifiziert. Das geschieht nach dem Prinzip „teile und herrsche“. Dazu ist lediglich ein Funktionsbaustein und ein Datenbaustein in der SPS erforderlich. Das kompakte Diagnose-Modul registriert kritische Zustände und signalisiert diese als Trigger per Schaltausgang an die SPS. Anhand der SPS-Signale ist erkennbar, welche Schaltvorgänge und Bewegungen zum fraglichen Zeitpunkt stattfanden, so dass die Ursache für den kritischen Buszustand ermittelt werden kann. Schnappt die Falle zu, bekommt das Servicepersonal das Fehler-Bild und kann entscheiden, was zu tun ist. Die Rahmendaten werden per Software eingestellt, diese greift über die Programmierschnittstellen auf die Steuerung zu. Entsprechend wird auch das Ergebnis angefragt. Im Fehlerfall kann sich der Anwender das Ausgangsbit und den Schaltvorgang ansehen und hat ganz gezielte Hinweise auf den Verursacher.

Anwender-Workshop

IVG Göhringer hat sich über viele Jahre ein umfassendes Know-how im Bereich der Fehlersuche und Instandhaltung von industriellen Netzwerk- und Feldbusinstallationen erarbeitet. Die Spezialisten werden häufig als Troubleshooter zu Anlagen gerufen, die aufgrund von Bus- oder Netzwerkproblemen ausgefallen sind. Zudem bietet das schwäbische Unternehmen verschiedene Schulungen zur Instandhaltung von Bussystemen und industriellen Netzwerken an – wie auch auf dem Automatisierungstreff 2018 in Böblingen. Passend zum Thema veranstaltet das Unternehmen dort am 12.04.2018 den zweieinhalbstündigen Anwender-Workshop „Wie verhindert man wirksam Feldbusabstürze“. Hans-Ludwig Göhringer beantwortet die Frage, wie plötzliche Stillstände vermeidbar sind. Es wird auch die Frage beantwortet, welche Maßnahmen möglich und notwendig sind, damit der Instandhalter zu einer vorausschauenden Wartungsstrategie kommt, anstatt von einem Feuerwehreinsatz zum nächsten zu eilen. Und das nicht nur vor Ort, sondern auch im Kunden-Service für weltweit installierte Maschinen und Anlagen. eve

www.i-v-g.de

Die Anmeldung zum Anwenderworkshop:
http://hier.pro/6OnM3

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