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Bei einem PRP-Netzwerk ist jedes Endgerät (IED) jeweils mit zwei unterschiedlichen und disjunkten Netzwerken verbunden Bild: Hubert Kirrmann, Mats Hansson, Peter Müri, Netmodule
Redundanz

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Weniger Stromausfälle

Text: Jürgen Kern, Netmodule
Das aktuelle Energiewirtschaftsgesetz verpflichtet Betreiber von Versorgungsnetzen dazu „ein sicheres, zuverlässiges und leistungsfähiges Energieversorgungsnetz“ zu betreiben, zu warten und auszubauen. Erneuerbare Energien stellen hinsichtlich Netzstabilität und Verfügbarkeit zusätzliche Herausforderungen an die Netzwerkbetreiber. Dabei können redundante industrielle Ethernet-Netzwerke die Versorgungssicherheit mit elektrischem Strom erhöhen.

Wer kennt das nicht? Plötzlich geht das Licht aus – Stromausfall, nichts geht mehr! Erst jetzt nimmt jeder bewusst wahr, wie abhängig wir von der elektrischen Energieversorgung sind. Entsprechend hoch sind die Erwartungen an die Verfügbarkeit des öffentlichen Stromverteilungsnetzes. Insbesondere den Umspannwerken oder Schaltstationen im Netz kommt dabei eine große Bedeutung zu. Aufgrund der steigenden Komplexität der Netze, Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie dem zunehmenden Kostendruck werden viele Anlagen mit ihren Transformatoren, Schaltanlagen, Mess- und Steuereinrichtungen heute vollautomatisch beziehungsweise von Leitzentralen aus betrieben. Dies erfordert sehr robuste und zuverlässige Kommunikationslösungen.

Ausfallsicherheit verbessern

Ein bewährtes Mittel, um die Ausfallsicherheit zu verbessern, ist Standardisierung, vor allem bei der Steuerung der Anlage. Zu diesem Zweck wurde die Norm IEC 61850 definiert. Sie soll Schutztechnik, Kommunikation und Steuerung von Schaltanlagen auf eine einheitliche Basis stellen und verwendet TCP/IP als Basisübertragungsprotokoll. Mittlerweile hat sich IEC 61850 als Kommunikationsstandard im Markt der Automatisierung von Schaltanlagen weltweit etabliert.

Eine weitere Maßnahme zum Erhöhen der Verfügbarkeit stellen redundante Netzwerklösungen bei der Steuerung der Anlagen dar. Allerdings definiert IEC 61850 keine Redundanzmethode, so dass einige Hersteller proprietäre Lösungen ­entwickelten, die dem übergeordneten Konzept der Interoperabilität von IEC 61850 entgegenstanden. Aus diesem Grund wurde die IEC-Norm 62439 erstellt, die mehrere Redundanzverfahren normiert.

Parallel Redundancy Protocol

Eines davon, das Parallel Redundancy Protocol (PRP) IEC 62439-3, wird im Nachfolgenden näher erläutert. Die ISO-Norm IEC 62439 definiert mehrere Methoden zum Realisieren von hochverfügbaren Netzwerken, die ein Netzwerkplaner in zwei Hauptgruppen unterteilen kann:

  • Ein Verfahren beschreibt die Redundanz im Netzwerk, das heißt es existieren redundante Netzwerkelemente, wie etwa Ringstrukturen mit daran angeschlossenen Endgeräten.

  • Ein anderer Ansatz verfolgt die Redundanz im Endgerät. Hier hat jedes Endgerät mindestens zwei Netzwerkanschlüsse, die an jeweils unabhängige Netzwerke angeschlossen sind.

Das hier beschriebene Parallel Redundancy Protocol (PRP) nach IEC 62439-3 gehört in die Kategorie Redundanz im Endgerät. PRP beruht auf dem parallelen Betrieb zweier identischer lokaler Netzwerke sowie dem verzögerungslosen Umschalten dazwischen bei Ausfall von Endgeräten oder Switches. Damit erfüllt PRP alle harten Echtzeitanforderungen der Sta­tions­automatisierung und gewährleistet so, dass bei einer Unterbrechung kein einziges Datenpaket verloren geht. Eine wichtige Kenngröße beim Wiederherstellungsprozess nach einem Ausfall ist die Zeit, während der das Netzwerk nicht verfügbar ist. Sie sollte möglichst gegen Null gehen.

PRP-Netzwerkarchitektur

Bei einem PRP-Netzwerk ist jedes Endgerät (IED, Intelligent End Device) jeweils mit zwei unterschiedlichen und voneinander unabhängigen Netzwerken verbunden. Jedes End­gerät sendet gleichzeitig in beide Netzwerke oder empfängt ­daraus. Dabei stellt PRP sicher, dass bei einer Unterbrechung in einem Netz ohne Zeitverzögerung auf das andere Netz umgeschaltet werden kann und somit keine Ausfallzeiten in der Verfügbarkeit des Automatisierungsnetzes entstehen. Die Topologie der beiden Netze ist frei wählbar, allerdings sollten sie in etwa das gleiche Verzögerungsverhalten aufweisen.

Eine besondere Rolle kommt den die Netze verbindenden Endgeräten zu: In deren Protokollstack leitet eine zwischen der Link- und Netzwerkschicht angesiedelte Redundanzeinheit die zu übertragenden Ethernet-Pakete jeweils an beide Netzwerkcontroller weiter. Zudem werden am Ende der Pakete Informationen hinzugefügt, die es der empfangenden Seite erlaubt, die korrekte Reihenfolge der Pakete wieder herzustellen, redundante Pakete zu erkennen und zu eliminieren. Das Verfahren ist kompatibel mit dem Ethernet-Standard, da dieser das Hinzufügen von Informationen am Ende der Pakete erlaubt.

Grundidee der PRP-Methode

PRP ist eine Redundanzmethode, die völlig unabhängig von anderen Netzwerk-Standards eingesetzt werden kann, solange der Ethernet-Standard eingehalten wird. Dank seiner einfachen Architektur lässt sich PRP in praktisch jedem Industrial-Ethernet-System implementieren. PRP ist eine Ergänzungslösung für Industrial-Ethernet-Standards, wie etwa EtherNet/IP, Modbus/TCP, welche selbst keine Redundanz unterstützen.

Herkömmliche Netzwerkkomponenten und -protokolle kön­nen weiterhin eingesetzt beziehungsweise ­weiterverwendet werden. Dabei sind PRP-Netzwerke einfach zu konfigurieren. Weil sie auch den Austausch von Komponenten im laufenden Betrieb erlauben, eignen sie sich für den 7x24-Stunden-Betrieb. Durch die schlanke Realisierung der Redundanzeinheit in einer Zwischenschicht ist PRP außerdem völlig transparent für die Applikation und erfordert keinen zusätzlichen Anpassungs- oder Programmieraufwand. Für Geräte, die nicht mit zwei Netzwerkanschlüssen ausgestattet sind, kann durch ein Vorschaltgerät mit zwei Schnittstellen, einer so genannten Redundanz-Box oder Red-Box, der Anschluss an das Redundanznetzwerk erfolgen. Eine IEC-61850-Netzwerktopologie umfasst immer zwei auf dem Ethernet-Standard basierende Busse:

  • Der Stations-Bus verbindet die Feldleitsysteme (IEDs) mit der Stationsüberwachungsebene und überträgt typischerweise Messwerte von der Feldebene beziehungsweise Steuerungsinformationen an die Feldgeräte, also die Sensoren und Aktoren.

  • Der Prozess-Bus verbindet die Feldgeräte mit den Feldleitsystemen.

Möchte ein Netzwerkplaner den Stations-Bus redundant auslegen, benötigt er zwei voneinander unabhängige Ethernet-Netzwerke mit einem möglichst identischen Verzögerungsverhalten. Des Weiteren sind IEDs mit mindestens zwei Netzwerkanschlüssen erforderlich oder pro IED eine Redundanzbox. Voraussetzung auf der Leitebene sind ebenfalls entsprechende Systeme.

Das Implementieren des PRP-Stacks nach IEC 62439 ist unkompliziert. Der Stack besteht aus zwei Teilen: ein generischer Teil mit dem Algorithmus und ein betriebssystemabhängiger Teil mit den Treibern. Diese Architektur garantiert eine leichte Portierbarkeit auf unterschiedliche Betriebssysteme und sorgt für Interoperabilität der verschiedenen Implementierungen. Zurzeit werden Linux, Windows 7 und 8 sowie Vxworks unterstützt.

Vorteile des PRPs

Das Redundanzprotokoll PRP erhöht die Ausfallsicherheit eines industriellen Netzwerks und stellt – ohne zeitliche Verzögerung – die Behebung eines eventuellen Ausfalls sicher. Besonders beim Verwenden von Taktsynchronisierung nach IEEE 1588 ist dies von Interesse. PRP ist mit existierenden Industrial-Ethernet-Lösungen kombinierbar. Grundsätzlich basiert die Redundanzmethode auf zwei voneinander unabhängigen Netzwerken. Da keine Verbindung zwischen den beiden Netzwerken besteht, sind sie Ausfall-disjunkt.

Netzwerkknoten wie zum Beispiel Endgeräte mit dem Bedarf an hoher Netzverfügbarkeit besitzen jeweils zwei Netzwerkanschlüsse, wobei jeder mit je einem der unabhängigen lokalen Netzwerke verbunden ist. Entscheidend bei PRP ist, dass immer auf beide Netzwerke parallel gesendet und empfangen wird. Je nach eingesetzter Methode werden empfangene Informationsduplikate akzeptiert oder verworfen. Beim PRP-Protokoll handelt es sich um eine Redundanzlösung auf Layer-2. Auf beiden Netzwerken kommt dieselbe MAC-Adresse (Media-Access-Control) zum Einsatz, so dass sich hier alle Protokolle für das Netzwerkmanagement ohne Änderungen verwenden lassen.

Redundanznetzwerke

Beim Datenaustausch zwischen Energieanlagen hat sich der Standard IEC 61850 etabliert, insbesondere beim automatischen Betrieb von Umspannwerken und Schaltstationen. Innerhalb der Anlagen finden sich verschiedene Netzwerkstrukturen und Übertragungsprotokolle. Das Redundanzprotokoll IEC 62439-3 PRP ermöglicht – unter Beibehaltung der vorhandenen Strukturen und Protokolle – auf einfache Weise den Aufbau von Redundanznetzwerken, die auch bei Unterbrechung sicherstellen, dass keine Daten verloren gehen.

Das beschriebene Verfahren ist leicht implementierbar und für alle Anwendungen geeignet, wo hohe Netzverfügbarkeit gefordert ist. Seit vielen Jahren ist Netmodule auf diesem Gebiet tätig und bietet IEC 62439-3-PRP-Protokolle für verschiedene Betriebssysteme an sowie ein IP-Core zum Implementieren des Protokollstacks in FPGAs oder SoCs.

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