Die traditionelle Struktur von Automatisierungssystemen wie beispielsweise in der Energiewirtschaft und dort in Umspannstationen, ist eine festverdrahtete End-to-End-Vernetzungstopologie. Diese sorgt dafür, dass die gesamte Kommunikation in Echtzeit vonstattengeht und kurze Reaktionszeiten sichergestellt sind. Sofern die Netzwerk-Kommunikation jedoch auf ein Ethernet-basiertes Netzwerk aufgerüstet wird, sind alle Infrastruktur-Ge­räte, wie Switches und Router, ins Netzwerk eingebunden. Daraus resultiert eine potenzielle Netzwerk-Kommunikationslatenz aufgrund von wechselnden Topologien. Datenverkehrsstau oder schlechte Priorisierung von Paket-Warteschlangen sind weitere Probleme. In betriebskritischen oder zeitsensiblen Anwendungen jedoch können selbst Netzwerk-Unterbrechungen im Milli­sekunden-Bereich nicht toleriert werden, da sie den Systembetrieb stark ­beeinträchtigen beziehungsweise die Sicherheit des Personals vor Ort ge­fährden.

Der IEC-62439-Standard schreibt vor, dass die Zeit, welche die Anlage zur Wiederherstellung benötigt, bevor Notfallmaßnahmen einsetzen (wie die Notabschaltung oder der Sicherheitsmodus), weniger als 10 Millisekunden betragen muss. IEC 61850 Edition 2 besagt außerdem, dass die Kommunikationsredundanz-Zeiten von Protokollen wie GOOSE und SMV in den Automatisierungssystemen von Umspannstationen unterbrechungsfrei (null Switch-over Zeit) sein müssen.

Die Protokolle PRP (Parallel Redundancy Protocol) und HSR (High-availability Seamless Redundancy), die in der IEC 62439-3 beschrieben werden, sind zwei Technologien, die die Verfügbarkeit des Systems selbst bei einzeln ­auftretenden Fehlern (Single Point of Failure) garantieren.

Was ist PRP / HSR?

Der PT-G503 ist eine IEC-62439-3-konforme ­Redundanz-Box (RedBox), die über eine Coupling & QuadBox verfügt.

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PRP erzielt Netzwerk-Redundanz durch die Paket-Duplizierung über zwei voneinander un­abhängige Netzwerk-Segmente, die parallel betrieben werden. HSR hingegen wurde vorrangig für Ringtopologien entwickelt. Auf Basis dieser beiden Redundanzprotokolle kann eine Redundancy Box (RedBox) non-HSR- oder non-PRP-Endgeräte, die an HSR- oder PRP-Netzwerke angebunden sind, schnell und ohne Umschalt-Zeitverlust einbinden. Betriebskritische Kommunikationsanwendungen in der Automatisierung können von diesen Redundanztechnologien profitieren, da sie die Netzwerk-Zuverlässigkeit gewährleisten. Doch dabei gibt es einige Herausforderungen zu meistern:

1. Überwachung und Fehlersuche/-behebung

Netzwerke nutzen üblicherweise MAC- und IP-Adressen als Steuereinheiten, die das Netzwerk sowie verschiedene Netzwerkgeräte steuern. PRP/HSR ist jedoch eine sehr neue Technologie, die Datenpakete auf Link-Ebene dupliziert, indem sie die gleiche MAC-Adresse nutzt und dabei sicherstellt, dass diese Pakete auch bei Kommunikationsproblemen beim Client empfangen werden können. Das aktuelle Netzwerk-Management kann allerdings nicht feststellen, ob das Paket dupliziert wurde. Daher sieht der Anwender nicht, ob beide Pakete empfangen wurden. Diese Information würde jedoch wichtige Erkenntnisse über die Qualität des Links und den Zustand des redundanten Netzwerks liefern.

Weil Systemadministratoren den Echtzeit-Status des redundanten Netzwerks nicht ermitteln können, ist es schwieriger, PRP-/HSR-Netzwerke zu steuern und zu überwachen. Die Fehlersuche und -behebung redundanter Pfade wird ebenfalls zu einer großen Herausforderung, weil die fehlerhafte Stelle im Netzwerk unbekannt ist.

2. Nicht vereinheitlichte Schnittstellen

Manufacturing Messaging Specification (MMS) ist in der Kommunikation IEC-61850-konformer Systeme das wichtigste Protokoll für die Steuerung und den Datentransfer. Da jedoch ­immer mehr nicht IEC-61850-kon­forme Netzwerk-Geräte in den IEC-61850-Systemen eingesetzt werden, sind auch solche Geräte, auf denen MMS nicht läuft – wie Industrial Ethernet Switches und Embedded-Computer – für die Kommunikation und Steuerung interessant geworden. Im Gegensatz zu IEC-61850-Geräten ist das ­derzeit für die Verwaltung von IT-Ausstattung eingesetzte Simple Network Management Protocol (SNMP) ein deutlich von MMS abgegrenztes Protokoll, das auf einer komplett anderen logischen Struktur basiert. Da PRP-/HSR-Geräte Supervision Frame für die Gerätesteuerung nutzen, ist es schwierig, beide Systeme in die Steuerung und Überwachung zu integrieren.

Die Tatsache, dass es verschiedene Geräte- und Netzwerk-Management-Protokolle gibt – MMS für IEC-61850-Steuergeräte und SNMP für IT- oder Netzwerkgeräte –, führt dazu, dass die Central Management Suite, wie beispielsweise Power-Scada, Steuer- und Netzwerkgeräte nicht gleichzeitig zentral verwalten kann. Aufgrund der Tatsache, dass die meisten auf dem Markt erhältlichen Power-Scada Software Suites nur mit MMS, aber nicht mit SNMP oder Supervision Frame kompatibel sind, macht die Netzwerk-Verwaltung mit einem einzelnen Power-Scada-System unmöglich; denn die Netzwerkgeräte sind im Power-Scada nicht zu sehen. In Konsequenz bedeutet dass, dass die Netzbetreiber möglicherweise nicht in der Lage sind, Systeme mithilfe der Informationen aus dem Power-Scada effizient zu koordinieren und Ausfälle zu verhindern.