Redundanz der Kommunikationswege ist ein großes Thema in der Produktion: Fällt innerhalb einer Kommunikationskette eine Kabelstrecke oder ein aktiver Teilnehmer aus, kann es im Worst Case bis zum Anlagenstillstand kommen. Um dem vorzubeugen, bringt Ethernet bereits von Haus aus Redundanz-Protokolle mit. Diese haben ihre Historie und ihre Existenzberechtigung allerdings in der Office-IT, deren Anforderungen sich grundlegend von den Anforderungen eines produzierenden Umfelds unterscheiden. In Europa sind häufig folgende Protokolle anzutreffen:

• RSTP
• MRP
• TurboRing
• PRP/HSR

Das Protokoll PRP/HSR unterscheidet sich stark davon. Wie in Bild 2 ersichtlich, sind in diesem Fall alle Strecken aktiv, es werden Pakete verdoppelt, und es kommt zu einer Halbierung der Bandbreite. Will beispielsweise Teilnehmer A ein Paket A an den Teilnehmer B schicken, geht dieses Paket A an Switch A. Dieser verdoppelt nun das Paket A und sendet es über einen parallelen Weg an Switch B und Switch C. Diese leiten jeweils ihr Paket A an Switch D weiter. Dieser nimmt beide Pakete A an, gibt aber nur eines davon an Teilnehmer B weiter. Fiele zum Beispiel Strecke 3 aus, würde Switch D das Paket A trotzdem von Switch C erhalten, es an Teilnehmer B zustellen und gleichzeitig über den Redundanzmanager eine Störung der Strecke 3 signalisieren.

Um eine Entscheidungshilfe zu bieten, ist es wichtig, die weiteren Charakteristika zu definieren und für die jeweilige Anwendung zu priorisieren; jene beschreibt die folgende Tabelle:

© Moxa Europe

Wichtigstes Attribut für Redundanzprotokolle ist die Wiederherstellungs- oder Rekonfigurationszeit. Sie bestimmt, wie lange es vom Zeitpunkt der Ortung der ausgefallenen Kommunikationsstrecke bis zur erfolgreichen Herstellung eines neuen Kommunikationsweges dauert.

Nicht ohne Wiederherstellungszeit

Bild 3: Die Protokolle RSTP, PRP und TurboRing weisen sehr unterschiedliche Rekonfigurationszeiten auf. Die Abhängigkeit der einzelnen Teilnehmer zueinander gilt 3_Protokolle RSTP, PRP und TurboRing je nach Applikation zu beachten.

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Konkret lässt sich das anhand von Bild 3 beschreiben. Stellen Sie sich vor, Teilnehmer A und Teilnehmer B sind über ein redundantes Netzwerk miteinander verbunden. Zwischen beiden Teilnehmern sind mehrere Switches eingesetzt. Diese sind als Ring miteinander verbunden. Nun passiert ein Fehler, und ein Kabel auf dem Verbindungsweg wird beschädigt. In diesem Fall ist das Strecke 1. Teilnehmer A hat aber gerade ein Paket an Teilnehmer B geschickt. Aufgrund des Kabelbruchs kann das Paket nun nicht zugestellt werden. A wird keine Empfangsbestätigung bekommen und versucht weiter, das Paket zu schicken. Die Switches erkennen allerdings den Kabelbruch, definieren die betreffende Strecke als fehlerhaft und aktivieren die alternative Strecke 3, welche zuvor geblockt war. Dieser gesamte Vorgang dauert bei den verschiedenen Redundanzprotokollen unterschiedlich lang. Bei einem RSTP-Netzwerk etwa kann der Vorgang bis zu fünf Sekunden dauern. Erst dann wird das Paket zugestellt, Teilnehmer A erhält die Empfangsbestätigung von Teilnehmer B.

Um die Wiederherstellungszeit in Anwendungen adäquat zu nutzen, ist es wichtig, ein Verständnis der Abhängigkeiten der Teilnehmer voneinander zu erzielen sowie die zeitkritische Anforderung zu kennen.

Maximale Teilnehmerzahlen

Das zweite wichtige Attribut von Redundanzprotokollen ist die Anzahl der maximalen Teilnehmer und deren Definition. Dabei hat jede Redundanzart Unterschiede. Im Einzelnen sind das die folgenden:

• RSTP: Bei RSTP sind nur die aktiven RSTP-Netzwerk-Komponenten – wie Switches – Teilnehmer des Redundanz-Netzwerkes. Die regulären Teilnehmer sind nicht Bestandteil des Limits. Nutzt man beispielsweise 25 Switches mit je 16 Teilnehmern, sind das in Summe zwar 425 Netzwerk-Teilnehmer, aber nur 25 davon sind aktive Teilnehmer im RSTP-Netzwerk. 
• MRP: MRP ist ein Redundanzprotokoll, welches vor allem von Profinet-Endgeräten genutzt wird, wie in Bild 4 zu sehen ist. Demnach verfügen viele PN-Controller sowie PN-Geräte standardmäßig über einen integrierten 2-Port-Switch. Über diese Architektur kann ein MRP-Ring mit maximal 50 MRP-Teilnehmern aufgebaut werden. In dieser Betrachtung sind es nun vor allem die Endgeräte, welche in die Berechnung einfließen.
• TurboRing: Für TurboRing V2 gilt die gleiche Berechnung wie für RSTP. Der Unterschied ist nur, dass die maximale Anzahl an Teilnehmern um ein Zehnfaches größer ist. Nun könnte ein redundantes Netzwerk aus 250 Switches mit je 16 Teilnehmern bestehen, und in Summe entspräche das 4250 Teilnehmern.
• PRP/HSR: PRP/HSR hat 512 maximale aktive Teilnehmer im redundanten Netzwerk. Die Funktionsweise von PRP/HSR ähnelt aber stärker einem MRP-Netzwerk, als einem RSTP-Netzwerk. Denn es gibt bei PRP/HSR nicht nur Switches, die mit der Technologie ausgestattet sind. Auch entsprechende Einschubkarten für PCs oder IEDs sind auf dem Markt erhältlich. So ergeben sich bei PRP/HSR trotz des Ringaufbaus die flexibelsten Topologien.

Die mögliche Topologie

Das letzte Attribut der Redundanzprotokolle ist die mögliche Topologie. Jedes der genannten Redundanzprotokolle muss im Ring aufgebaut sein – einzige Ausnahme ist RSTP, das auch als Mesh-Netzwerk aufgebaut sein kann. Daraus resultiert jedoch seine stark schwankende Wiederherstellungszeit von 500 msec bis 5 sec. Ringstrukturen werden vor allem dazu genutzt, die Wiederherstellungszeit zu optimieren.

Design-Empfehlung

Bevor Redundanzprotokolle mehr oder weniger wahllos eingesetzt werden, ist es empfehlenswert, sich zuvor die kritischen Abhängigkeiten innerhalb einer Anlage bewusst zu machen. Als Praxisbeispiel betrachten wir eine Applikation in einer verteilten Anlage. 

Die Produktionsanlage ist über ein Areal von 100 m × 100 m verteilt. Es gibt einen zentralen Schaltschrank mit dem Profinet-Controller sowie 100 weitere Profinet-Geräte verteilt über das Areal in insgesamt 20 kleineren Schaltkästen. Für die Applikation essenziell ist die sehr schnelle Anbindung der Profinet-Geräte und der -Controller. Demnach sind die zu überbrückenden Strecken zwischen dem zentralen Schaltschrank und den 20 kleineren Schaltkästen am wichtigsten. Weshalb? Weil sie am anfälligsten für einen Kabelbruch sind. Das Risiko, dass innerhalb des zentralen Schaltschrankes oder in den kleineren Schaltkästen ein Kabel bricht, ist wesentlich kleiner.

RSTP könnte in der Applikation theoretisch für Redundanz sorgen. Allerdings liegen die regulären Zykluszeiten bei Profinet-Controllern im Bereich von 1 und 50 msec. Eine Wiederherstellungszeit von bis zu 5 sec wäre keine Redundanz, welche die SPS ohne Probleme akzeptieren würde. Stattdessen wäre die Anlage im Stopp und müsste aufwendig wieder in Betrieb genommen werden. Einziger Pluspunkt: Es müsste kein neues Kabel gezogen oder das fehlerhafte Kabel mühsam identifiziert werden.

Bei der Nutzung von MRP entstünde ein ähnliches Problem. Seine Wiederherstellungszeit von unter 200 msec ist zwar viel kürzer als 5 sec, trotzdem aber noch um ein Vielfaches größer, als die Zykluszeit der SPS. Daher würde die Anlage auch in diesem Fall in den Stopp gehen. Ein weiterer Punkt wäre, dass die maximale Anzahl der Teilnehmer weit überschritten wäre, da nur 50 Teilnehmer am Ring teilnehmen können.

TurboRing kann in dieser Applikation für Redundanz sorgen. Es hat die Kapazität für ausreichend Teilnehmer und hätte auch noch für Erweiterungen genügend Reserven. Die Wiederherstellungszeit von unter 20 msec kann sogar dafür sorgen, dass die SPS ungestört weiter in Betrieb sein kann und es nicht zum Produktionsstopp kommt. Allerdings sollte in diesem Fall die Zykluszeiten der Teilnehmer exakt bekannt sein und der mögliche Fehlerfall in Kombination mit der Wiederherstellungszeit getestet werden. Der Vorteil liegt ganz klar in der ununterbrochen weiter produzierenden Anlage. Die fehlerhafte Strecke lässt sich auch nach Produktionsschluss noch reparieren.

PRP/HSR ist technologisch am fortschrittlichsten. Bei einer Wiederherstellungszeit von 0 msec wird in diesem Fall die Anlage ebenfalls weiterlaufen. Auch die maximalen Teilnehmer sind kein Problem. Einziger Haken an der Technologie ist zweifelsohne der Preis. Wenn dieser aber einem Verlust durch Produktionsausfall gegenübergestellt wird, dann ist der Preis unter Umständen gerechtfertigt.

PRP/HSR und TurboRing stechen heraus

PRP/HSR ist den anderen Technologien in Anbetracht der Geschwindigkeit ganz klar überlegen. Genau aus diesem Grund wird die Technologie vor allem in kritischen Infrastrukturen wie der Energieversorgung und -verteilung eingesetzt.

Bei der produzierenden Anlagen- und Maschinen-Infrastruktur ist die Technologie bisher selten eingezogen. Dort kann vor allem TurboRing punkten. Viele der Redundanz-Anforderungen lassen sich damit lösen, ohne eine zu große Investition auszulösen.

Die Firma Moxa nutzt die TurboRing-Technologie in einer Vielzahl ihrer Geräte, wie der EDS-400A-Reihe von Hutschienen-Switches mit Managementfunktionen oder in der IKS-6726/6728-Reihe von 19-Zoll-Switches und der PT-7700-Reihe von IEC-61850-3-Switches für den Einsatz in der Energiewirtschaft.

Autor:
Philipp Jauch ist Strategic Account Manager Industrial Automation bei Moxa.