Praxiswissen

Anwendungsfälle des Test Access Point TAP-2100

Prüfen von Ethernet basierten Kommunikationsnetzen in der Automatisierungstechnik.

Die Diagnose von Kommunikationsnetzen in der Automatisierungstechnik ist unabdingbar für die Inbetriebnahme, den Betrieb und die Fehlersuche. Anhand zweier Szenarien wird gezeigt, wie der Einsatz des Test Access Point KUNBUS-TAP 2100 die kritischen Parameter Delay, Jitter und CRC-Fehler erfasst und dem Anwender zur Verfügung stellt.

Bei der Inbetriebnahme oder während des Betriebs von komplexen Automatisierungssystemen spielt die Datenkommunikation eine tragende Rolle. Sie ist das Netzwerk, dass für den Fluss von asynchronen Statusinformationen zum Bediener und dessen steuerenden Eingriff sorgt, aber auch mit zyklischen Daten das Gesamtsystem mit allen notwendigen Informationen versorgt. Dies sind unter anderem Positionsdaten, Messwerte und automatisierte Steuerungsbefehle.

Die Datenkommunikation entspricht quasi den Nervenbahnen eines "Organismus'". Treten in der Datenkommunikation Fehler auf, gerät das Gesamtsystem in einen fehlerhaften oder gar kritischen Zustand. Der Anwender steht dann meistens vor dem Problem der schnellen Fehlereingrenzung. Liegt der Fehler auf dem Kabel oder in einem Modul? Produziert eine Kommunikationsschnittstelle fehlerhafte Daten? Liegt der Fehler in der Hard- oder Software? Die Suche nach diesen Fehlern kann sehr kostenintensiv sein, da Stillstandzeiten von Anlagen oder Anlagenteile den Umsatz eines Unternehmens direkt negativ beeinflussen. Zudem können Folgefehler weitere Beschädigungen an Maschinen oder Personenschäden verursachen.

Um dies zu verhindern setzt man in der Praxis unter anderem sogenannte Test Access Points (TAP) ein, an die ein Datenlogger angeschlossen werden kann. Diese Geräte sind im Prinzip eine Art "Highend HUB" mit denen man im Fullduplex-Betrieb auch fehlerhafte Datenframes auslesen und übertragen kann, ohne dabei die Kommunikation zwischen den Netzwerkteilnehmern zu beeinflussen.

Der KUNBUS-TAP 2100 wurde genau für diese Anwendungen entwickelt. Dabei ist es unerheblich ob die Datenkommunikation über EtherCAT, PROFINET, Ethernet/IP oder ähnliche Protokolle geschieht. Der Sniffer verarbeitet alle Ethernet-basierten Protokolle. Nachfolgend wollen wir zwei verschiedene Einsatzmöglichkeiten aus der Praxis aufzeigen.

Fall 1: Auslesen von Frames

Zur Überprüfung der Datenkommunikation zwischen einer Steuerung (SPS) und einem IO-Modul kann man den Sniffer einfach zwischen beide Geräte hängen. Dies geschieht mittels zweier 100 Mbit/s Ethernet Anschlüsse in Form von RJ45 Buchsen. Eine Inbetriebnahmeprozedur des Sniffers ist nicht notwendig, da er bereits nach dem Einschalten in den Funktionsmodus übergeht. Die zueinander gehörenden Input und Output RJ45-Buchsen sind horizontal angeordnet. Die Activity-LED zeigen den Datenverkehr an und dienen somit als Funktionskontrolle. Der linke Port ist dabei als Eingang, der rechte als Ausgang geschaltet.

Anwendungsbeispiel Test Access Point EDS 2100

Der Sniffer liest nun während des Betriebs alle Frames mit und zwar ohne interne Verzögerung (0-delay) der Nutzdaten. Dies wird dadurch realisiert, dass die Daten lediglich "mithorcht" und nicht aus dem Übertragungsstrom entnommen und dann wieder eingespeist werden.

Die kopierten Frames werden zusätzlich mit einem 20 Bytes langem Trailer versehen, der unter anderem einen hochpräzisen Zeitstempel mit einer Auflösung von 1ns enthält. Desweiteren werden die Informationen zum verwendeten Port und der Datenintegrität mitgeführt.

Die kopierten Daten aller vier vorhandenen Ports werden über eine 1Gbit/s Ethernet Schnittstelle dem Anwender bereitgestellt. Der Betrieb an einer 100 Mbit/s Schnittstelle ist nicht möglich. Mittels einer Netzwerk Monitor Software, wie zum Beispiel Wireshark, können dann die einzelnen Datensätze und Frames zur Diagnose ausgewertet werden.

Ein speziell entwickeltes und frei verfügbares Wireshark Plugin ermöglicht dabei die einfache Auswertung der 20 Bytes langen Zusatzinformationen. Da auch die Pakete mit CRC-Fehler vollständig (inkl. CRC Feld) übermittelt werden, kann der Anwender eine umfangreiche Diagnose durchführen. Ein Beispiel für eine solche Auswertung findet sich nachfolgend.

Wireshark Screenshot

Das Ergebnis dieser Auswertung ist Basis für die Fehlereingrenzung und Beseitigung desselben. Das Auslesen von Frames ist aber nur eine Möglichkeit, um ein Ethernet basierendes Netzwerk zu diagnostizieren. In unserem zweiten Fall kümmern wir uns um Zeitverzögerungen und Jitter.

Fall 2: Messen von Delay und Jitter

Befinden sich in einer Kommunikationslinie mehrere Einheiten, so ist eine Aussage zur Qualität des Zeitverhaltens äußerst wichtig. Gerade beim Zusammenspiel mehrerer Slaves an einem Master spielt dies eine große Rolle.

Auf der Grafik erkennt man einen Laboraufbau mit einer Linie von drei KUNBUS-COM Ethernet/IP Kommunikationsschnittstellen deren Zeitverhalten mittels des KUNBUS-TAP 2100 überprüft wird. Die KUNBUS-COM Kommunikationsmodule sind in Reihe geschaltet und simulieren in diesem Fall eine Kette von IO-Modulen. Dies können in der Realität beliebige Sensoren oder Aktoren sein. An den Kommunikationsmodulen werden im Anwendungsfall digitale Daten der IO's über eine interne Modbus-RTU Schnittstelle auf die Ethernet/IP Kommunikation aufgeschaltet. Die Applikation ist dabei vom Ethernet-Bus bis zu 1,5kV galvanisch getrennt. Alternativ wäre es bei diesen Kommunikationsmodulen auch möglich, direkt Daten aus Schieberegistern (SPI) oder über eine Dual Port RAM-Schnittstelle an das Ethernet/IP Netzwerk zu übermitteln. Die Kommunikationsmodule besitzen jeweils zwei Ports, die wir für den Aufbau der Linienstruktur verwenden.

Test Access Point Anwendungsbeispiel KUNBUS

Die Leitung zwischen Steuerung und dem ersten IO-Modul wird aufgetrennt und zum Sniffer (Buchse 1) geführt. Der Sniffer kopiert die Daten die aus der Steuerung kommen und führt sie über die 1Gbit/s Ethernet Schnittstelle einem Auswerte-PC zu.

Auf diesem PC muss eine Netzwerkanalyse Tool wie zum Beispiel Wireshark installiert sein. Somit haben wir den ersten Referenzpunkt direkt am Ausgang der Steuerung beziehungsweise SPS festgelegt. Der nächste Abgreifpunkt kann dann zum Beispiel eines der Nächsten oder auch letzte IO-Modul sein. Auch dort wird die Leitung aufgetrennt und durch den KUNBUS-TAP 2100 (Buchse 2) geführt. Mit dieser Vorgehensweise können also sowohl Teilabschnitte als auch die kompletten Linienstruktur diagnostiziert werden. Da der KUNBUS-TAP 2100 über zwei unabhängige Test Access Ports verfügt, ist es nun möglich, die beiden abgegriffenen Telegramme miteinander zu vergleichen. Jeder Datensatz ist dabei einem Port zugewiesen.

In der Praxis könnte man somit gleichzeitig auch zwei verschiedene Netzwerke mitschneiden. Wir beschränken uns in diesem Fall auf eine Vergleichsmessung innerhalb einer Übertragungskette.

Wir wollen die Qualität der Datenübertragung prüfen. Delay, auch Latenzzeit oder Latenz genannt, ist in der Kommunikation das Zeitintervall, um das ein Ereignis verzögert wird. Sie wird durch interne Verarbeitung der Pakete innerhalb von Geräten verursacht, aber auch durch Bandbreitenbegrenzung oder durch Kabel beziehungsweise Kabellängen beeinflusst. Delay kann zu Datenverlusten führen.

Durch den Vergleich der Datensätze und der mitgeführten Zeitstempel ist es nun also leicht möglich das Delay zu bestimmen. Varianz in der Laufzeit von Paketen, z.B. durch Takt-Synchronisierungen oder Schwankungen in der Verarbeitungszeit in Software-Stacks, wird als Jitter bezeichnet. Der Jitter addiert sich mit jedem zusätzlichen Gerät in einer Linie. Insbesondere bei taktsynchroner Übertragung muss der Jitter in einem engbegrenzten Rahmen bleiben, damit das rechtzeitige Eintreffen kritischer Prozessinformationen gewährleistet bleibt.

Im Wireshark Analyse Tool kann nun nach bestimmten Frames gefiltert werden. Anhand der Differenz der Zeitstempel über einen längeren Zeitraum, kann man dann den Jitter bestimmen.

FAZIT: Der KUNBUS-TAP 2100 ermöglicht die einfache Auswertung von Netzwerkdaten um Probleme sowohl im Zeitverhalten (Delay und Jitter) als auch beim Auftreten von Übertragungsfehlern (CRC) zu identifizieren. Dies ist eine große Hilfe für den Anwender im Labor, bei der Inbetriebnahme von Anlagen, bei der Fehlerlokalisierung und der Kontrolle (Verifikation) den daraus resultierenden Abhilfemaßnahmen.

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