Das verkannte Genie – Wie ein Busmonitor zum entscheidenden Diagnose-Werkzeug werden kann.

Diagnose wird immer wichtiger, will man die Verfügbarkeit von Feldbussystemen weiter erhöhen und die Wartungskosten senken.

Doch welche Instrumente setzt man dazu ein? Das Spektrum der Diagnosewerkzeuge reicht vom Handheld- Tester für die Verkabelung bis zum Asset Monitoring System.

Dass dabei der Busmonitor einen entscheidenden Beitrag leisten kann, zeigt ein neuer Protokollanalysator der Softing AG.

Feldbusse sind zum festen Bestandteil von Maschinen geworden. Längst werden die Daten digital übertragen, Maschinen mit Software-basierten mechatronischen Systeme anstelle von Mechanik, Elektromechanik oder Pneumatik bedient. Informationen, die früher als analoges elektrisches Signal übertragen wurden und dadurch einfach zu prüfen waren, werden als digitale Telegramme in schnellen Datennetzen transportiert.

Durch diese Dezentralisierung der Intelligenz werden auch das Engineering, die Inbetriebnahme und die Wartung von Anlagen komplexer.

Die Kosten hierfür übertreffen mittlerweile die reinen Hardware-Kosten für die Komponenten um ein Vielfaches. Hier eröffnen wirksame Diagnosekonzepte die Möglichkeit, viel Geld zu sparen.

Denn wenn man feldbus-basierte Automatisierungsanlagen regelmäßig überprüft und drohende Komponentenausfälle frühzeitig erkennt, kann man viel dazu beitragen, die Anlagen effizienter zu betreiben.

Betrachten des Busverkehrs

Der Feldbus bildet das zentrale „Nervensystem" verteilter Automatisierungssysteme und ist damit sowohl Gegenstand der Diagnose wie auch Zugangspunkt für die Diagnose. Parallel zur Entwicklung der Feldbusprotokolle und -technologien entstanden auch erste Diagnosewerkzeuge als „Busmonitore", welche das Aufzeichnen und anschließende Betrachten des Busverkehrs ermöglichen.

Primäres Ziel der Diagnose in der Anfangsphase des Feldbuseinsatzes stellt die Verifikation des Protokolls dar. Weiterhin soll sie nach Fehlern bei der Entwicklung von feldbustauglichen Geräten suchen und die Interoperabilität von Geräten verschiedener Hersteller überprüfen.

Deshalb sind diese klassischen Busmonitore protokollorientiert und verlangen vom Anwender detaillierte Kenntnisse des Kommunikationsprotokolls, damit dieser eine korrekte Interpretation des aufgezeichneten Busverkehrs durchführen kann. Mit zunehmender Reife und Verbreitung von Feldbustechnologie tritt dieser Anwendungsfall von Diagnose in den Hintergrund.

Stattdessen besteht Bedarf an unterstützenden Werkzeugen bei der Inbetriebnahme und Wartung von Feldbussen. Das Personal, das diese Arbeiten durchführt, verfügt in der Regel nicht über spezielle Kenntnisse des Kommunikationsprotokolls und erwartet deshalb eine problem- bzw. lösungsorientierte Analyse der Kommunikationsvorgänge.

Diagnose am Bus

Diesen liefert Softing in Form eines Protokollanalysators. Das Unternehmen hat bereits 1990 einen ersten Protokollanalysator für Profibus auf den Markt gebracht, welcher seither an die Evolution des Profibus-Protokolls bis hin zu DP-V2 angepasst wurde.

Weiterhin bietet Softing mit dem Profibus-Tester PB-T3 ein Werkzeug zur Analyse der elektrischen Signalqualität von Profibus-Netzen an.

Neu im Portofolio ist der buscheck-Protokollanalysator für Profibus-Netze: Erbringt einen Diagnosemodus mit, der in übersichtlicher Form den Zustand aller Teilnehmer am Profibus anzeigt.

Damit kann der Benutzer - ohne tiefere Protokollkenntnisse - auf einen Blick erkennen, ob der Profibus „rund läuft" oder ob Probleme vorhanden sind.

Kontinuierliche Online-Diagnose

Dieser Diagnosemodus basiert auf einem Zustandsbeobachter, der kontinuierlich alle Profibus-Telegramme analysiert und daraus Rückschlüsse auf die Kommunikationszustände der Profibus-Teilnehmer zieht. Es wird immer ein kompletter DP-Zyklus ausgewertet.

Damit ist es möglich, den Betriebszustand der Teilnehmer (z. B. „Nutzdatenaustausch") anzuzeigen und auch Fehler im Ablauf von Protokollsequenzen automatisch zu analysieren, wie bspw. ungültige Antworttelegramme (d. h. Antworttelegramme, die nicht zum Aufruftelegramm passen).

Im Diagnosemodus werden alle Busteilnehmer mit ihren Betriebszuständen in einer Baumstruktur im linken Bereich des Bildschirms dargestellt (Abb. 1).

Dabei werden drei Darstellungsebenen unterschieden: Das Bussegment, die in diesem Segment aktiven Master-Geräte und die jedem Master zugeordneten Slaves. Eine Ampelfunktion klassifiziert die Funktion jedes Busteilnehmers.

Grün zeigt den kor rekten operat iven Betrieb an (Betriebszustand „Data Exchange" beim Slave), Gelb weist auf Ausnahmesituationen wie Diagnosen oder Neuparametrierungen hin, Rot bedeutet den Ausfall des Teilnehmers (keine Aktivität).

Durch Anklicken des Bussegments oder eines Busteilnehmers erscheinen in einem zusätzlichen Fenster weitere Informationen.

Die Segmentebene zeigt Informationen, welche das gesamte Bussegment betreffen, wie Baudrate, Anzahl und Länge der Tokenumläufe sowie fehlerhafte Telegramme, die nicht einzelnen Teilnehmern zuordenbar sind.

Weiterhin wird auf Segmentebene eine Matrix mit allen 126 möglichen Teilnehmeradressen angezeigt, in welcher wählbar Statistikwerte für jeden einzelnen Teilnehmer dargestellt werden (Abb. 2). Für jeden Master werden Informationen wie Kommunikationszustand (Stop, Clear, Operate) und Länge des Pollzyklus (zyklisches Abfragen der zugeordneten Slaves) angezeigt.

Viele Informationen pro Slave

Mehr als 50 unterschiedliche Informationen stehen pro Slave zur Verfügung. Dazu gehören bspw. der Kommunikationszustand, die Adresse des zugeordneten Masters, die Ident-Nummer und die Parametrier-, Konfigurations- und Ein-/Ausgabedaten.

Weiterhin stehen statistische Informationen zur Verfügung wie die Anzahl der I/O-Zyklen, Parametrieranläufe, Diagnosemeldungen und Telegrammwiederholungen sowie Fehlerzähler und die real gemessene Station Delay Time. In einem Log-Fenster werden wesentliche Zustandsänderungen eines Slaves wie Parametrierung, Eintritt in den Datenaustausch und Diagnosemeldungen mit Zeitstempel angezeigt.

Darüber hinaus werden für jeden Slave die erste sowie die letzten zwanzig Diagnosen gespeichert und dargestellt. Der Diagnosemodus bietet also ein umfassendes Bild über den aktuellen Zustand und die Historie eines Profibus-DP-Netzes. In der Regel reichen diese Informationen aus, um sich einen Überblick über den Funktionszustand des Profibus-Netzes zu verschaffen.

Auch die für eine Netzoptimierung notwendigen Informationen stehen zur Verfügung. Vergleicht man die Pollzyklusdauer des Masters mit der gesamten Tokenumlaufzeit, dann lässt sich leicht erkennen, ob der DP-Zyklus noch verkürzt werden kann oder ob noch „Luft" für einen zweiten Master vorhanden ist.

Und die Messung der realen Station Delay Time zeigt, ob die Slot-Zeit zu großzügig gewählt wurde. Schließ- l ich lassen die Fehler- zähler und die Zähler für Telegrammwiederholungen auf latente Fehler schließen, noch lange bevor sich diese auf die Funktion der Anlage auswirken können.

Trace-Modus

Wenn die umfangreichen Informationen des Diagnosemodus nicht ausreichen, um einen Fehler im Profibus-Netz aufzuspüren, dann bleibt dem Experten mit Profibus-Protokollwissen noch die Möglichkeit, den Telegrammverkehr aufzuzeichnen und anschließend zu analysieren.

Dieser Trace-Modus, der auch parallel zum Diagnosemodus möglich ist, bietet den Funktionsumfang eines klassischen Busmonitors. Hier sind wiederum zwei Betriebsmodi möglich: Bei der „Sofortaufzeichnung" werden die aufgezeichneten Telegramme im Speicher als Puffer oder Ringpuffer verwaltet, so dass ein schnelles interaktives Arbeiten möglich ist.

Wenn die interessierende Telegrammsequenz dann „eingefangen" wurde, kann sie natürlich auch als Datei abgespeichert werden. Bei der „Langzeitaufnahme" werden die Telegramme fortlaufend in Dateien abgespeichert, um später analysiert zu werden.

Eine Filterung nach Adressen und Diensten ist sowohl bei der Aufzeichnung als auch bei der Anzeige möglich. Ebenso ist ein Starten und Stoppen der Aufzeichnung anhand von Address- und Dienstkriterien möglich (Triggerfunktion).

Die Telegrammdarstellung erfolgt in bewährter Form als Übersicht (ein Telegramm pro Zeile) und zusätzlich in vollständiger Dekodierung (Abb. 3). Die Zeitstempel haben eine Genauigkeit von einer Mikrosekunde, wobei Differenzzeiten auch in Bitzeiten angezeigt werden können.

USB-Interface

Der Anschluss an das Profibus-Netz erfolgt über ein USBInterface, so dass ein mobiler Einsatz mit Laptops möglich ist (Abb. 4).

Die Spannungsversorgung erfolgt über USB, so dass kein separates Netzteil benötigt wird. Ein geringer Strombezug von maximal 200 mA lässt auch längere Messungen bei Akkubetrieb des Laptops zu.

Für den Telegrammempfang wird statt eines gebräuchlichen Profibus-ASICs eine speziell entwickelte Empfängerschaltung eingesetzt, welche präzisere Ergebnisse und detailliertere Fehlerinformationen liefert. Für den direkten Anschluss an Profibus- PA-Netze wird optional eine zweite Schnittstelle für die bei PA verwendete MBP-Busphysik angeboten.

Damit lässt sich der Busverkehr auf beiden Seiten eines PA-Segmentkopplers erfassen und vergleichen.

Fazit

Mit dem buscheck Protokollanalysator für Profibus bietet Softing ein Diagnosewerkzeug an, welches das Inbetriebnahme- und Wartungspersonal bei Fehlersuche, vorbeugender Wartung und Netzoptimierung unterstützt, auf das aber auch der Profibus-Experte in der Entwicklungsabteilung nicht verzichten sollte.

Kontakt:

Dr.-Ing. Hans Endl
Softing AG, Haar bei München
Tel.: 089/45656-0
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