Datenleitungen in Produktionsumgebungen im Fokus So machen Sie den Verschleiß des Netzwerks sichtbar

Datenleitungen von Maschinen- und Anlagennetzwerken samt Kabel und Stecker haben eine begrenzte Haltbarkeit – sie sind Erschütterungen und Wechselbiegebeanspruchungen ausgesetzt, Oxidation und Korrosion, und entsprechend altern sie. Intelligente managed Switches erlauben es, den physikalischen Zustand von Datenleitungen zu digitalisieren und damit sichtbar zu machen.

Unternehmen haben die Verfügbarkeit ihrer Anlagen und Maschinen in der Regel im Blick, schließlich wirkt sie sich auf Produktion, Produktivität und Umsatz aus. Vorzeitiger Verschleiß wird mit Instandhaltungsansätzen wie Predictive Maintenance erkannt – das Ziel: unerwartete Stillstände und die damit verbundenen Kosten zu vermeiden.

Das Bewusstsein von mechanischem Verschleiß, etwa von Motoren oder Pumpen, ist also vorhanden. Nicht aber, wenn es um die Netzwerkinfrastruktur geht. Denn auch Datenleitungen und Steckverbindungen altern. Sie sind mechanischen Belastungen wie Biegebeanspruchung oder Torsion, etwa bei Fahrwegen oder in der Robotertechnik, ausgesetzt; an den Steckverbindungen treten Oxidation und Korrosion auf. Die Umweltfaktoren der Produktion gehen auch am Netzwerk nicht spurlos vorbei. Das Problem: Der Prozess ist schleichend und das Augenmerk liegt nicht darauf.

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 dann bereits entstanden. Da der Fakt als solcher bekannt ist, werden im Sinne einer vorbeugenden Instandhaltung (Preventive Maintenance) die Leitungen in gewissen Intervallen einem laufzeitabhängigen Tausch 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 vielleicht 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, wohin 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 aber auch Informationen zu Umweltgrößen (z.B. Temperatur), zur Leitung, Kabelgüte und EMV-Belastung (Schirmströme) 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 Switches, 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 (Discard) 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, grafisch 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 Potentialausgleichströmen belastet, die in die Geräte gelangen können. Diese 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 der 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 Switches 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 Ursachen ermittelt werden: Kommunikationsereignisse werden gespeichert, grafisch in Balkendiagrammen visualisiert und ihr Qualitätswert abgebildet. Zum Vergleich kann ein Soll-Ist-Wert darübergelegt werden, sodass dann die Performance jeder Leitung darstellbar wird.

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

Die Netzwerkinfrastruktur muss in den Fokus rücken, wenn der Ausfall von Datenleitungen verhindert werden soll. Das zentrale Tool dabei stellen managed Switches dar. Sie können mehr leisten als Daten zu übertragen – nämlich Netzwerk-Monitoring und Diagnosefunktionen übernehmen.

Damit sind sie in der Lage, den mechanischen Verschleiß von Datenleitungen anzuzeigen – und darüber hinaus unerwartete Ereignisse im Netzwerk abzubilden und Schirmströme zu überwachen. Managed Switches erlauben also einen umfassenden Überblick über den Zustand des Netzwerks und damit eine ganzheitliche Predictive Maintenance.

Über den Autor

Karl-Heinz Richter ist Geschäftsführer der Indu-Sol GmbH.

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