Unterbrechungen der Kommunikation können in industriellen Anlagen große wirtschaftliche Schäden hervorrufen. Um sich davor zu schützen, kommen so genannte Redundanzverfahren zum Einsatz. Je höher die Gefahren für das Personal und der wirtschaftliche Schaden bei Anlagenstillstand sind, desto eher lohnt sich der Einsatz eines hochverfügbaren Systems.

In der Vergangenheit setzten Anlagenbauer hier weitestgehend auf nicht stoßfreie Lösungen, das heißt Verfahren, die bei einem Ausfall des Kommunikationsnetzes eine gewisse Rekonfigurationszeit benötigen, um auf den redundanten Pfad umzuschalten. Die Rekonfigurationszeiten dieser Lösungen – zum Beispiel das Media Redundancy Protocol (MRP) oder das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) – liegen im Bereich von 200 bis 500 ms. Bei einem stoßfreien Verfahren ist dies anders: Es erhält den Datenfluss ohne Rekonfigurationszeit aufrecht.

Eines dieser Verfahren, die im IEC-Standard 62439-3 festgelegt wurden, ist das Parallel Redundancy Protocol – kurz PRP. Konkret handelt es sich dabei um ein Redundanzprotokoll für Ethernet-Netzwerke, welches auf dem Layer 2 arbeitet und somit für darüber liegende Protokolle transparent ist. Das Parallel Redundancy Protocol setzt die Nutzung zweier paralleler und voneinander unabhängiger Netzwerke – LAN A und LAN B – voraus. Endgeräte, die dieses Verfahren einsetzen, werden über zwei Ports einer Schnittstelle des Gerätes an die beiden Netzwerke angebunden. Die Ports treten mit derselben MAC- und IP-Adresse in den unterschiedlichen Netzwerken auf.

Beim Sendevorgang wird jedes zu sendende Telegramm dupliziert. Die Duplikate erhalten eine Kennung und werden getrennt auf den beiden redundanten Netzwerken an den Kommunikationspartner geschickt. Dies setzt natürlich voraus, dass der Kommunikationspartner ebenfalls das PRP-Verfahren einsetzt. Die Kennung enthält unter anderem eine Sequenznummer, um das eigentliche Paket zu kennzeichnen.

Entsprechend erhält der Partner beim Empfang über die beiden Ports die duplizierten Pakete. Anhand der Sequenznummer kann der Empfänger feststellen, ob das Paket erstmalig ankommt. Ist dies der Fall, wird es an den Adressaten weitergegeben und die Paketinformationen in einer internen Tabelle gespeichert. Ist es das redundante Paket, dann wird dies anhand der Tabelle erkannt und verworfen. Somit wird immer das schnellste Paket weitergereicht, unabhängig von welchem Netzwerk es kommt. Pakete ohne Kennung behandelt der Empfänger als normales Ethernet-Paket und reicht es an den Adressaten weiter. Somit ist bei Ausfall eines Kommunikationsnetzes sichergestellt, dass über das redundante Netz die Kommunikation weiterläuft – und zwar ohne Zeit- und Paketverluste.

Anforderungen an die Netzwerk-Topologie

Das eigentliche PRP-Verfahren findet in den Knoten statt, das heißt in den Endgeräten. Ein solches Gerät wird im Standard als Double Attached Node (DAN) bezeichnet. Ein Endgerät, welches nicht PRP-fähig ist, hat im Standard die Bezeichnung Single Attached Node (SAN). Das Verfahren ist somit unabhängig von der Netzwerk-Topologie. Mit anderen Worten: LAN A kann einen völlig anderen Netzaufbau als LAN B haben. Während beispielsweise auf dem ersten LAN eine Ringtopologie mit MRP vernetzt ist, kann auf dem zweiten LAN eine Baumstruktur aufgebaut und zusätzlich mit dem Redundanzprotokoll RSTP gesichert sein.

Beispiel einer Netztopologie mit dem Parallel Redundancy Protocol (PRP): Die Kommunikationspartner sind jeweils über zwei Netz­werke miteinander verbunden. Die duplizierten Datenpakete werden zeitgleich über beide Netze gesendet.

© Siemens

Wichtig für die korrekte Funktionsweise des Protokolls ist, dass zwischen den Netzwerken keine direkte Verbindung besteht. SANs können dabei ebenfalls an die Netze angeschlossen werden. Dabei ist zu beachten, dass SANs aus LAN A nur mit anderen Partnern in LAN A kommunizieren können und SANs aus LAN B in gleicher Weise nur mit Partnern in LAN B. Ist eine Kommunikation in beide Netzwerke gewünscht, ist ein DAN (Double Attached Node) dazwischen zu schalten, der das SAN mit beiden Netzen verbindet. Ein solcher DAN wird dann als Redundancy Box (RedBox) bezeichnet.

Nutzen Endgeräte die PRP-Funktion, kann die maximale Ethernet-Paketlänge durchaus überschritten werden, da die Kennung zusätzliche sechs Bytes zum Paket hin-zufügt. Dies bedingt, dass alle Netzwerk-Komponenten so genannte Oversized Frames unterstützen, das heißt Paketlängen von mehr als 1522 Bytes.

Mit paralleler Redundanz bis in die PLC-Station

Bisher musste eine PLC-Station (SAN) über eine sogenannte „RedBox“ (DAN), zum Beispiel einen Industrial Ethernet Switch, PRP-fähig gemacht werden. Die Strecke zwischen der PLC-Station und der RedBox war somit nicht redundant gesichert. Diese Redundanzlücke hat Siemens nun mit dem Kommunikationsprozessor CP 443-1 RNA geschlossen. Er hat das PRP-Protokoll bereits standardmäßig implementiert und bringt es somit bis in die PLC-Station.