Netzwerk-Ausfälle vermeiden mithilfe der Profinet-Analyse

Warum Sie für die Profinet-Analyse ein passives Diagnose-Tool verwenden sollten

Profinet-Aufbau mit integriertem Allegro Network Multimeter

Was ist Profinet?

Profinet (Process Field Network) ist der offene Industrial-Ethernet-Standard für die Datenkommunikation in der Automatisierungsindustrie. Es ist für den zyklischen Datenaustausch zwischen der Steuerung (= I/O-Controller) und den Feldgeräten (= I/O-Devices) konzipiert. Dazu verwendet Profinet I/O-Ethernet-basierte Protokolle.

Profinet ist in drei Rollen aufgebaut:

  • I/O-Controller: ist die Steuerung, die die Automatisierungsaufgabe kontrolliert
  • I/O-Devices: Feldgeräte, die vom Controller kontrolliert und gesteuert werden. Die Feldgeräte bestehen aus mehreren Modulen und Submodulen. Die Submodule enthalten Eingangs- und Ausgangssignale zum Prozess.
  • I/O-Supervisor: ist ein Engineering-Werkzeug, um die einzelnen I/O-Devices zu parametrieren und zu diagnostizieren.

 

Profinet-Aufbau mit integriertem Allegro Network Multimeter
Profinet-Aufbau mit integriertem Allegro Network Multimeter

Der Prozess-Ablauf

Der Controller schickt ein Telegramm an die I/O-Devices. Die Signale werden von Switches weitergeleitet, welche gleichzeitig auch eine Hürde darstellen. Vergleichbar ist der Prozess mit einem Kreisverkehr: Wer zuerst kommt, wird auch zuerst verarbeitet. Ist der Kreisverkehr voll, wird das Paket verworfen. Die Datenrate des Transports beträgt 100 MBit/s.

Switches arbeiten im "store and forward"-Modus, in dem die Telegramme erst auf CRC-Fehler überprüft werden, bevor sie weitergeleitet werden. Sind die Telegramme fehlerhaft, werden sie gelöscht. Deshalb kann es bei jedem Switch zu Zeitverzögerungen (Jitter) kommen. Zwischen dem Controller und dem ersten Switch ist der Verkehr am dichtesten. Das kann das Netzwerk zusätzlich belasten.

Daneben wird der Datenaustausch durch größere Pakete wie z.B. vom TCP- oder IP-Verkehr zusätzlich herausgefordert. Deswegen kann es auf Switches bei hohem Verkehrsfluss zu Wartezeiten (Queues) kommen. Ist der Speicher der Switches voll, werden überschüssige Telegramme in der Warteschlange gelöscht. Dies kann zu Paketverlusten und Ausfällen führen. Um mögliche Fehler frühzeitig vorzubeugen, sollte das Netzwerk permanent kontrolliert oder überwacht werden. Dazu eignen sich Netzwerk-Diagnose-Tools. Hierbei gilt, dass ein aktives Diagnose-Tool das Netzwerk zusätzlich belasten kann, weshalb ein passives Tool empfehlenswert ist.

Das Allegro Network Multimeter ermöglicht eine hochgranulare Profinet-Fehlersuche und -Kontrolle. Paketbasierte Analysen und Statistiken sind für Kommunikationsbeziehungen, Top-Talker, Bandbreitenverbrauch, Jitter, Frames, Profinet-Fehler, Alarme uvm. verfügbar.

Der Profinet-Verkehr wird aufgezeichnet und kann in Echtzeit sowohl vom aktuellen als auch vom vergangenen Verkehr betrachtet werden. Dabei können Anomalien wie Jitter oder Fehler durch die Auswahl einer Spitze im Graphen per 'click and drag' vergrößert werden. Das hilft sowohl den Zeitraum für die Fehlersuche einzugrenzen als auch vorgefilterte Pcap-Dateien mit Profinet-Traffic für MAC oder IP zu erhalten, wenn diese benötigt werden.

Mit der Ereignis-Funktion können automatische Meldungen bei Überschreitungen von festgelegten Schwellenwerten für Profinet eingerichtet werden. Eine genaue Anleitung, wie Fehler im Profinet zeitsparend gefunden werden können, gibt es hier.

Warum wird die Profinet-Analyse nicht direkt mit Wireshark gemacht?

Für einen globalen Überblick der sporadischen Fehler eignet sich das Allegro Network Multimeter besser, da es damit möglich ist, sowohl den Live-Verkehr als auch rückwirkende Ergebnisse zu untersuchen.

Wireshark ist ein hilfreiches Tool, wenn die Darstellung jedes einzelnen Pakets und der enthaltenen Protokolle gefordert ist und wenn die Daten einer Anlage über einen kurzen Zeitraum untersucht werden sollen. Ist die Störung aber fünf Stunden (und nicht nur Minuten) her und ist nicht klar, wo diese stattfand, müsste zuerst ein großes Pcap aufgezeichnet und per Hand gefiltert werden. Dieser Prozess geht mit dem Allegro Network Multimeter deutlich schneller. Es bietet eine zeitsparende Analyse mit viel mehr Funktionen.

Mehr Informationen zu den Funktionen des Allegro Network Multimeter finden Sie wie immer im Produkt-Wiki.

Use Case aus dem Video

Produktmanager und Geschäftsführer von Allegro Packets, Klaus Degner, gibt Ihnen im Video einen Einblick über die Profinet-Analyse mit dem Allegro Network Multimeter.

Im Video wird anhand eines Customertrace gezeigt, wie Sie mithilfe von Pcaps Profinet untersuchen können. Im Allegro Network Multimeter unter "Allgemein" kann die Pcap-Analyse geöffnet werden, das Pcap hinein gelegt und analysiert werden. So einfach.

Beim Allegro Network Multimeter im Video wird der Prozess offline gestartet. Der Link wird bei der parallelen Offline-Analyse nicht unterbrochen. Sobald die Analyse gestartet wird, wird sichtbar, dass in den 2,9 Megabyte Datenverkehr vorhanden war. Unter "Applikationen" → "Profinet-Statistiken" können alle Statistiken angezeigt werden.

Profinet ist ein Industrie-Protokoll mit drei Diensten. Es gibt:

  • synchrone Nachrichten, bei denen zeitlich gesteuerte Daten abgerufen werden
  • asynchrone Nachrichten, in der es Messdaten auf Anfrage gibt und
  • Alarmierungen

In den Statistiken des Dashboards kann in die einzelnen Dienste schnell eingesehen werden: Welches Gerät gibt es, wie sind die globalen Statistiken, was passiert im Profinet, welchen Jitter gibt es gerade für diese zyklische Nachrichten usw.?

Bei Installationen wurde oft festgestellt, dass nicht Profinet selbst das Problem darstellt, sondern andere Netzwerkdienste Störungen verursachen. Es gibt die Funktion 'Graphen', um den Profinet-Verkehr im Vergleich zum Gesamtverkehr zu sehen. In den globalen Statistiken können die unterschiedlichen Fehler betrachtet werden. Wie viele Fehler gab es? Wie viele Alarme wurden mit hoher Priorität gesendet? Was war der maximale Jitter? Auf die einzelnen Fragen kann man genauer eingehen und alle Geräte ansehen, die es im Profinet gab und welches wie viel Verkehr hatte. Das funktioniert sowohl für den aktuellen Verkehr als auch rückwirkend. Jedes Zeitintervall kann ausgewählt, der benötigte Zeitraum herangezoomt und als Pcap extrahiert werden.

Fazit

Sowohl die meisten Fehler als auch eine Überlast bei Profinet passieren selten durch Profinet selbst, sondern häufiger durch andere störende Dienste. Eine regelmäßige Kontrolle von Profinet ist mit einem passiven Netzwerkanalyse-Tool unabdingbar, um Produktionsprozesse ohne Verzögerungen zu gewährleisten.

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