Netzwerke und Feldbussysteme ziehen sich als kommunikationstechnisches Rückgrat durch viele Maschinen und Anlagen. Mit zunehmendem Alter machen sich sporadisch auftretende Fehler in der Kommunikation bemerkbar. Sie zu finden, ist eine der schwierigsten Aufgaben in der Instandhaltung. Obwohl die Messegeräte einwandfreie Signalpegel zeigen, führen solche Fehler in unregelmäßigen Abständen zum Anlagenstillstand. Welche Wartungsstrategie macht also Sinn?

„Die Anlage geht immer wieder auf Störung, wir können aber keinen Fehler finden“, mit dieser Aussage rufen die Instandhalter von Maschinen und Produktionsanlagen bei IVG Göhringer an, wenn sie einen Stillstand oder ein anderes unerklärbares Verhalten bemerken. IVG Göhringer hat sich über viele Jahre Know-how im Bereich der Fehlersuche und Instandhaltung von industriellen Netzwerk- und Feldbusinstallationen erarbeitet.
Vor Ort angekommen, erläuterte das Servicepersonal den Experten von IVG die Situation an der Anlage: „Mehrmals pro Stunde geht die Anlage wegen Fehler in der Kommunikation auf Störung“. Erste Untersuchungen mit dem Profibus-Tester ergaben keine Auffälligkeiten. Im nächsten Schritt wurde der Profibus-Quick-Tester P-QT 10 mit dem Bussystem verbunden. Das Diagnosemodul kann Telegrammfehler mit einer Hupe akustisch signalisieren. Die Fehler können so dem laufenden Prozess zugeordnet werden. „Damit haben wir relativ schnell festgestellt, dass immer kurz nach dem Schalten eines Schützes die Hupe des Quick Testers ertönte“, erklärt Hans-Ludwig Göhringer. „Nachdem wir alle Steckverbindungen des Bussystems überprüft hatten, ohne einen Fehler zu finden, haben wir unser Oszilloskop angeschlossen – und relativ schnell eine EMV-Einkopplung entdeckt. Letztendlich stellte sich heraus, dass die Kontakte des Schützes abgebrannt waren. Die beim Schalten entstehenden Funken und die damit verbundenen Spannungsspitzen führten zu elektromagnetischen Störungen. Nach dem Austausch des Schützes lief die Anlagen ohne Störung.“

Stillstände verhindern

Ab der Inbetriebnahme nagt der sprichwörtliche Zahn der Zeit am Bussystem – Einflüsse verschiedener 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.
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 allerdings ist der Verschleiß absolut unstetig. Zudem können sich Umgebungsbedingungen innerhalb von Minuten ändern, 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, das heißt die 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 von IVG Göhringer 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 überhandnimmt, 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.

Automatische Erkennung des Störers

Der Quick Tester ist in der eingangs erwähnten Anlage verblieben. Zudem wurde der potentialfreie Ausgang des Diagnosemoduls mit der SPS der Anlage verbunden. Zusammen mit dem S7-QT-Manager erfolgt nun eine automatisierte Überwachung der Buskommunikation. Im Moment der Störung wird das Prozessabbild auswertet und so der 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.

Permanente Überwachung vermeidet Stillstände

Aus dem geschilderten Beispiel lassen sich zwei Schlüsse ziehen. Erstens muss nicht immer ein Defekt am Bussystem selbst für eine Störung verantwortlich sein. Die Störung kann auch von anderen Komponenten der Anlage kommen – wie hier aus einer gealterten Energieversorgung. Zweitens hätten die Stillstände durch eine permanente Busüberwachung tatsächlich vermieden werden können. Die SPS hätte die Fehltelegramme mit Hilfe des Profibus Quicktester registrieren und melden können, bevor es zu einem Ausfall gekommen wäre.