监控磨损并在早期发现损坏
12.09.2022
Datenleitungen dauerhaft in der Produktion überwachen
Nicht nur Motoren und Pumpen sind in Produktionsanlagen dem Verschleiß unterworfen, sondern auch die Datenleitungen der Maschinen- und Anlagennetzwerke einschließlich der Kabel und Stecker. Dauernde Wechselbiegebeanspruchungen, Erschütterungen sowie Oxidation und Korrosion lassen der Alterung und dem Verschleiß ungehinderten Lauf. Doch während der mechanische Verschleiß mit den Sinnesorganen analog wahrnehmbar ist, macht sich der Verschleiß einer Datenleitung erst im Extremfall bemerkbar: dem Ausfall. Um dem entgegenzuwirken, sind intelligente managed Switches vonnöten, mit denen der physikalische Zustand der Datenleitung digitalisiert und somit sichtbar wird.
Die Frage nach der Verfügbarkeit und das Wissen um die Anlagen und ihren Zustand im Unternehmen wirkt sich direkt auf Produktion und Produktivität aus. Mit Instandhaltungsansätzen wie Predictive Maintenance können vorzeitiger Verschleiß erkannt und unerwartete Stillstände mit den damit verbundenen Kosten reduziert werden. Das Bewusstsein, dass ein mechanisches Element wie ein Motor verschleißen kann, ist gang und gäbe, aber es fehlt, wenn es um das Netzwerk geht: Denn auch die Netzwerkinfrastruktur mit Datenleitungen und Steckverbindungen ist den Umweltfaktoren in der Produktion ausgesetzt. Oxidation und Korrosion an den Steckverbindungen sind meist die Folge. Hinzu kommen die mechanischen Belastungen wie Biegebeanspruchung oder Torsion, etwa bei Fahrwegen oder in der Robotertechnik. Leitungen und Strukturkomponenten sind damit dem Verschleiß unterworfen und altern – ein schleichender Prozess, der nicht sofort augenscheinlich wird.
Der aktuelle VORTEX – Bericht (Auswertung von Serviceeinsätzen an Maschinen und Anlagennetzwerken) zeigt deutlich, dass den Datenleitungen zu wenig Aufmerksamkeit im laufenden Betrieb einer Anlage geschenkt wird. Bis zur Inbetriebnahme werden die Leitungen als Komponente betrachtet und aufwändige Prüfprotokolle und Zertifizierungsnachweise nach CAT erstellt. Sämtliche Prüfungen betreffen allerdings nur das Kabel, aber nicht das Zusammenwirken von Kabel und Buchse. Außerdem sind diese Tests „offline“ und sagen nichts darüber aus, wie es um die Leitungsqualität in Funktion der Anlage bestellt ist. Ganz davon zu schweigen, wie es um den Abnutzungsgrad oder die Störreserve steht.
Im Umkehrschluss sind die vielen Datenleitungen in Maschinen und Anlagen als verschleißbehaftete Komponente zu betrachten und als solche in das Wartungs- und Instandhaltungskonzept einzuordnen. Die Materialkosten sind zwar verschwindend klein, aber die Folgen beim Ausfall kaum abzuschätzen. Somit stellen die Datenleitungen ein Asset dar, welches es durch ein entsprechendes Condition Monitoring zu schützen und zu bewahren gilt.
Predictive Maintenance mit managed Switches
Allein eine ausfallorientierte Instandhaltung und damit der Austausch defekter Teile greift hier zu kurz – der Schaden ist entstanden. Da der Fakt als solcher bekannt ist, werden im Sinne einer vorbeugenden Instandhaltung (Preventive Maintenance) die Leitungen einem laufzeitabhängigen Tausch in gewissen Intervallen unterzogen. Dies vermeidet Ausfälle und scheint sich zum Standard zu entwickeln. In Anbetracht der ständig sinkenden Ressourcen von Material und Personal ist diese Strategie aber nicht länger durchzuhalten und sehr kostenintensiv. Und es bleibt die Frage unbeantwortet, ob die Leitungen überhaupt hätten ausgetauscht werden müssen oder ob ein früherer Zeitpunkt sogar besser gewesen wäre. Ein Schlüssel für die Instandhaltung des Netzwerks stellt deswegen im Sinne von Predictive Maintenance der zustandsorientierte Tausch der Datenleitung auf Basis verfügbarer Daten in Form von Qualitätsparametern dar.
Dies gelingt mit intelligenten managed Switches. Sie sind die zentrale Stelle in Anlagen mit hoher Automatisierung und ethernetbasierter Echtzeitkommunikation. Managed Switches bringen eine Grundintelligenz mit: Sie steuern, wo und auf welchem Port die Information gesendet werden soll. Sie erkennen die Nachbarn, überwachen die Arbeitsgeschwindigkeit an den Ports, kontrollieren Auslastung und Verfügbarkeit und prüfen, ob es zu Discards (verworfene Telegramme) kommt. Neben diesen Informationen zum Datentransport kann ein managed Switch mit intelligenter integrierter Sensorik auch Informationen zu Umweltgrößen (z.B. Temperatur), zur Leitung, Kabelgüte und EMV-Belastung (Schirmstöme) digital erfassen und damit wichtige Informationen als nutzbaren Mehrwert an die Instandhaltung bzw. das zentrale Instandhaltungstool liefern. Damit wird der Zustand des Netzwerkes in seiner Gesamtheit abgebildet und lässt zu jeder Zeit eine verbindliche Aussage über Sicherheit, Zuverlässigkeit und Stabilität zu.
Managed Switches machen den Netzwerkzustand sichtbar
Neben dem Verschleiß von außen kommt es auch zu Ereignissen im Inneren der Switche, die sporadisch, nicht steuerbar und nicht reproduzierbar sind, sich aber auf das Netzwerk auswirken und die Kommunikation stören. So können Ereignisse der azyklischen Datenkommunikation zu Lastspitzen und somit zum Überlaufen (Discards) der internen Speicher führen, was ohne Monitoring niemand wahrnimmt. Zwar wirkt sich das nicht immer direkt auf die Funktion der Maschinen aus, die Ereignisse sind aber Vorboten für morgen. Überlastete Switchports haben einen Grund: Eventuell entspricht die Leistungsklasse des Switches nicht der erforderlichen Bandbreite. Unternehmen müssen dann handeln, Switches austauschen oder die Applikation zeitlich steuern oder begrenzen. Diesen Ereignissen kann aber unter normalen Umständen nicht nachgegangen werden, da keine Diagnostik vorhanden ist. Es wird mit einem Aus- und Anschalten reagiert, aber die Ursache der Fehler bleibt im Dunkeln. Eine zentrale Monitoring-Software, mit deren Hilfe der Zustand jedes einzelnen Switchports permanent ausgelesen (z.B über SNMP-Protokoll), analysiert, graphisch aufbereitet und webbasiert dargestellt wird, ermöglicht eine dauerhafte Überwachung von Kommunikationsqualität und Netzwerkzustand. Veränderungen und Auffälligkeiten werden damit sofort sichtbar und die einfache Anzeige in den typischen Ampelfarben weist den Instandhalter zielführend auf die mögliche Schwachstelle hin.
Ein weiterer Faktor ist die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV): Schirme schützen Datenleitungen vor magnetischen Einflüssen, sie werden aber immer wieder mit Potenzialausgleich-Strömen belastest, die in die Geräte gelangen können. Sie führen zu Störungen und Unregelmäßigkeiten im Datenverkehr und können die elektronischen Geräte im Steuerungssystem der Maschinen beschädigen bzw. zerstören. Diese Störquellen gilt es auszumachen und frühzeitig zu erkennen, um Gegenmaßnahmen (Verbesserung / Optimierung des Potentialausgleiches) durchzuführen. Eine ausgeklügelte Messschaltung kann das aktuelle Schirmstromniveau überwachen und bei einer Überschreitung die Werte den Frequenzverlauf speichern. Es wird intern zum Ereignis (z.B. Spannungsspitze) ein Snapshot im internen Ereignisspeicher angelegt. So werden Ereignisse erfasst und stehen permanent für die Analyse zur Verfügung, die Ursachen und Zusammenhänge für EMV-Störungen werden nachvollziehbar. Übersteigt der Ableitstrom vordefinierte Schwellwerte, erfolgt eine Warnung.
Außerdem warnt das Alarmmanagement der Switche vor einer Überschreitung der Gerätetemperatur - und somit der Temperatur im Schaltschrank - und überwacht die Konstanz der 24V-Versorgungsspannung. Nicht zuletzt tragen die vorgenannten Funktionalitäten eines intelligenten managed Switches erheblich zur Sicherheit bei, denn der erste Schritt von Netzwerk-Security beginnt mit dem Wissen um den Zustand des Netzwerkes.
Die Vorteile der Netzwerküberwachung
Die Netzwerkmonitoring- und Diagnosefunktionen der managed Switches erlauben damit den lückenlosen Überblick über Anlagen und Netzwerkabschnitte. Plötzliche, nicht reproduzierbare Ereignisse können nachverfolgt und die Ursache ermittelt werden: Kommunikationsereignisse werden gespeichert, grafisch in Balkendiagrammen visualisiert und ihr Qualitätswert abgebildet. Zum Vergleich kann ein Soll-Ist-Wert darüber gelegt werden. Die Performance jeder Leitung kann so dargestellt werden: Eine integrierte Weboberfläche erlaubt ohne zusätzliche Software den vollen Zugriff auf die Monitoring- und Diagnosedaten. Wird eine Auffälligkeit bemerkt, liegen bereits erste Daten vor – ohne manuellen Messaufwand. Die Daten aus dem Netzwerk können in die vorhandenen Instandhaltungstools eingebunden oder über eine leistungsstarke Software analysiert werden. Damit haben Unternehmen ein Tool an der Hand, um ihre Instandhaltungsansätze auf das Netzwerk auszuweiten.
Fazit
Managed Switches dienen nicht allein der Datenübertragung in Produktionsstätten. Sie können auch Netzwerk-Monitoring und Diagnosefunktionen leisten. Das geht über das Sichtbarmachen unerwarteter Ereignisse oder der Analyse von Schirmströmen hinaus: Auch der mechanische Verschleiß der Datenleitungen lässt sich mit managed Switches abbilden. Sie bieten damit einen vollumfänglichen Überblick über den Zustand des Netzwerks und sind eine Schlüsselkomponente für eine umfassende Predictive Maintenance.
Autor: Karl-Heinz Richter, Geschäftsführer der Indu-Sol GmbH
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