18.08.2015 – Kategorie: IT

Industrielle Kommunikation: Mobile Netzwerkdiagnose

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In industriellen Netzen spielt die Fehlersuche vor Ort an der Anlage eine wichtige Rolle. Hier bieten sich durch die Kombination neuer Techniken wie mobile Bediengeräte und NFC (Near Field Communication) interessante Möglichkeiten. Ein Beispiel ist die schnelle Netzwerkdiagnose per Smartphone an NFC-fähigen Industrial Ethernet Switches von Siemens. Von Martin Mehn

Ob Tablet oder Smartphone – mobile Computer sind allgegenwärtig und für viele ein täglicher Gebrauchsgegenstand. Entsprechende Netze basieren auf Funktechniken wie 3G/4G oder WLAN und erlauben Datenraten, die hinter leitungsbasierten Netzen kaum mehr zurückstehen. Mit diesen Geräten bieten sich auch neue Möglichkeiten, den Betrieb dieser Netze selbst sicherer aufrechtzuerhalten – durch mobile Netzwerkdiagnose.

Diagnose per Smartphone

In einer Industrieanlage müssen unterschiedlichste Anlagenteile zusammenspielen, um Verfügbarkeit gewährleisten zu können. Dazu gehört auch das industrielle Netzwerk. Um das Netzwerk robust zu gestalten, baut man bewusst Redundanzen ein. Folgeeffekt ist, dass ein einzelner Fehler – beispielsweise ein Kabelbruch im Netzwerk – nicht zwangläufig die Funktionsfähigkeit der Anlage beeinträchtigt. Da ein weiterer Fehler jedoch zum Stillstand führen könnte, ist es von besonderer Bedeutung zu erkennen, ob sich alle Redundanzen im „fehlertoleranten“ Zustand befinden.
Angenommen, im Netzwerk wird nach einem Kabelfehler ein redundanter Pfad aktiviert. Obwohl die Anlage weiterläuft, wird am Monitoring-System ein entsprechender Fehler angezeigt. Der Netzwerkbetreuer begibt sich zur Anlage und findet in kurzer Zeit die fehlerhafte Komponente, erkennbar an der roten Status-LED.
Er hält sein Smartphone direkt vor den betroffenen Switch und einen Augenblick später öffnet der Internet Browser automatisch die Loginseite des mobilen Webinterfaces der Netzwerkkomponente. Nach Eingabe der Login-Daten hat der Operator Zugriff auf Diagnoseinformationen, deren Darstellung an die jeweilige Größe und Auflösung des mobilen Endgerätes angepasst sind. Wie ist das umsetzbar?

NFC-Tags versus QR-Code

Viele Smartphones und Tablets der aktuellen Generation besitzen bereits einen NFC-Funkchip. „Near Field Communication“ definiert die Kommunikation unter Benutzung unterschiedlicher vorgegebener Funkfrequenzen über eine Distanz von üblicherweise wenigen Zentimetern. Ähnlich der verwandten RFID-Technik (Radio Frequency Identification) werden zum einen Lesegeräte benutzt und zum anderen sogenannte Transponder oder Tags, die die zu lesende Information enthalten.
Neben dem reinen Auslesen von Informationen kann diese Technik zum Beispiel auch zur bargeldlosen Bezahlung, als Fahrkarte oder Zugangskontrolle verwendet werden. In Personalausweisen von Bürgern der Bundesrepublik Deutschland ist diese Technik seit 2011 integriert.
Ein Vorteil der Verwendung von NFC-Tags gegenüber den weiter verbreiteten QR-Codes ist, dass der Benutzer nicht vorab eine Anwendung oder App starten muss. Durch die Aktivierung des NFC-Empfängers kann automatisch die passende App oder bei Bedarf einfach nur der Internet-Browser gestartet werden. Und natürlich kann sich der Inhalt von NFC-Tags dynamisch ändern, was bei QR-Codes unmöglich ist.

NFC-Tags integriert

Industrial Ethernet Switches, die NFC-Tags bereits integriert haben, sind beispielsweise Geräte der Scalance-XM-400-Familie von Siemens. Dieser Tag enthält Informationen für den Zugriff auf den Webserver des Switches.
Bei jeder Konfiguration einer Management-IP-Adresse wird diese im Fall der Scalance-XM-400-Switches  gleichzeitig auch auf den NFC-Tag geschrieben.
Starthilfe per NFC
Zum Start der NFC-Datenübertragung wird das Endgerät direkt an das XM-400-Grundgerät gehalten. Der NFC-Tag im Switch befindet sich hinter der Gerätefront im Bereich des Service-Panels unterhalb der Port-LEDs und ist somit leicht erreichbar.
Per NFC wird die Adresse an das Endgerät übermittelt, die zum Start des WBM (Web-based Management) erforderlich ist, beispielsweise „http://192.168.1.1“.
Die allgemeine Bezeichnung einer solchen Adresse, bestehend aus Zugriffmethode und Ort, ist der „Uniform Ressource Locator“ oder kurz URL. Dieser kann beipielsweise eine FTP- oder HTTP-Ressource bezeichnen. Hier – wie auch bei den meisten Zugriffen auf Internet-Web-Seiten – ist es eine HTTP-Ressource. Um NFC-Tags möglichst einfach und erschwinglich zu halten, besitzen die meisten eine sehr eingeschränkte Speicherkapazität. Üblich sind einige hundert Bytes. Aus diesem Grund wurden kurze Kennungen für spezielle Datentypen definiert. So gibt es Typen, die folgende Strings repräsentieren:
• Typ „1“ als Abkürzung für „http://www.“
• Typ „3“ als Abkürzung für „http://“
• Typ „7“ als Abkürzung für „ftp://anonymous:[email protected]
Diese Definitionen wurden vom NFC-Forum im NFC Data Exchange Format (NDEF) festgelegt.
Nachdem die URL per NFC an das mobile Endgerät übermittelt ist, startet dieses automatisch den Internet-Browser und versucht die entsprechende Webseite zu öffnen.
An dieser Stelle muss sichergestellt sein, dass das Smartphone oder Tablet per WLAN oder LTE (Long Term Evolution) Verbindung mit dem Switch aufnehmen kann. Auch kann es über eine bereits bestehende VPN-Verbindung (VPN – Virtual Private Network) in das Firmennetz eingebunden sein.
Für eine langfristige Datenübertragung ist NFC schlecht geeignet, da es offensichtlich schwierig ist, das Endgerät zu bedienen und gleichzeitig einen Übertragungsabstand von etwa drei Zentimetern einzuhalten. Zudem arbeitet NFC lediglich mit einer Übertragungsrate von etwa 400 kBit/s. Der Web-Server des XM-400-Switch erkennt an der Browser-Information, dass es sich um ein mobiles Gerät handelt und schaltet auf die angepassten Web-Seiten um.
Da die Security-Aspekte des Zugangs zur Netzkomponente auch bei Benutzung dieses Weges eingehalten werden müssen, kommt der Benutzer zuerst auf eine Login-Seite. Nach Eingabe von User-Name und Passwort steht dem Benutzer eine Reihe von Diagnoseseiten zur Verfügung.

Diagnose auf einfachsten Geräten

Fällt die Bildschirmauflösung des mobilen Gerätes unter eine Grenze, bei der selbst die angepasste Darstellung nicht mehr gut lesbar wird, ändert sich nochmals die Anordnung der einzelnen Anzeigefelder. So werden auch auf einfachen mobilen Geräten die Informationen übersichtlich präsentiert. Und selbst ohne NFC-Unterstützung können die mobilen Seiten händisch angewählt werden.
Deuten die Diagnoseanzeigen und Logging-Meldungen darauf hin, dass eine Änderung der aktuellen Konfiguration nötig ist, kann jederzeit zur klassischen WBM-Ansicht gewechselt werden.
Ist der Benutzer in der entsprechenden Rolle angemeldet, kann er direkt mit der Änderung der Konfiguration fortfahren. In der klassischen WBM-Ansicht stehen hierfür über einhundert Seiten für die unterschiedlichsten Aspekte zur Verfügung.

Erhöhung der Verfügbarkeit

Neben den Geräteeigenschaften, die direkt zu einer höheren Verfügbarkeit des Netzwerks und damit der Gesamtanlage führen, beispielsweise eine redundante Spannungseinspeisung, lüfterloser Betrieb oder die Verwendung spezieller Redundanzprotokolle, verkürzen im Fehlerfall auch die einfache Diagnose sowie schnell greifbare Korrekturmöglichkeiten die Stillstandzeiten.
Unterstützt werden diese Möglichkeiten durch die konsequente Einbindung aller Netzwerkkomponenten in ein Monitoring-System wie dem Sinema-Server. Neben der lokalen Speicherung von Meldungen können diese auf diese Weise zentral zum Monitoring-System gesendet werden, wodurch die Korrelation von Meldungen unterschiedlicher Quellen stark vereinfacht wird.jbi

Martin Mehn ist Produktmanager für industrielle Switches bei der Siemens AG in Nürnberg.


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