Che cos’è il Parallel Redundancy Protocol e perché è importante per i sistemi SCADA delle sottostazioni?

• Il Parallel Redundancy Protocol garantisce un failover istantaneo inviando contemporaneamente i dati duplicati attraverso due reti separate. Se una rete si guasta, i dati sono già arrivati attraverso l’altra. Non vi è alcun ritardo nel ripristino.

• Non tutti i metodi di ridondanza sono uguali. L’RSTP, l’alternativa più comune, impiega centinaia di millisecondi per il ripristino. Per i segnali di protezione GOOSE secondo la norma IEC 61850, tale intervallo è troppo lungo. Il PRP e l’HSR eliminano questa lacuna.

• Il Parallel Redundancy Protocol funziona con switch Ethernet standard e non richiede la sostituzione dell’hardware di rete esistente. Ciò lo rende pratico sia per le nuove installazioni che per gli aggiornamenti di impianti esistenti.

• zenon supporta il PRP per MMS Client e la comunicazione GOOSE, consentendo una comunicazione ridondante per i percorsi dati critici in un sistema SCADA di sottostazione.

Un’interruzione delle comunicazioni durante un guasto alla rete può impedire ai segnali di protezione di raggiungere la loro destinazione, trasformando un evento gestibile in un incidente grave. L’alta disponibilità nel sistema SCADA delle sottostazioni è quindi un requisito di sicurezza. Essa si ottiene combinando architetture server ridondanti con protocolli di ridondanza di rete che garantiscono il mantenimento del controllo in caso di guasto di un singolo componente.

Nel settore dell’energia elettrica, un guasto alla rete di comunicazione non è un semplice inconveniente. Si tratta di un rischio per la sicurezza e l’affidabilità. Il sistema SCADA deve mantenere una visibilità e un controllo continui sulle apparecchiature della sottostazione, anche in caso di guasto di uno switch di rete, di danneggiamento di un cavo o di messa fuori servizio di un’apparecchiatura per manutenzione.

I protocolli di comunicazione utilizzati negli ambienti energetici sono progettati tenendo conto dell’affidabilità. Il protocollo DNP3 è stato sviluppato specificamente per la comunicazione remota su collegamenti a bassa larghezza di banda o soggetti a interruzioni, utilizzando segnalazioni basate sugli eventi e sondaggi di integrità per garantire la trasmissione dei dati. La norma IEC 60870-5-101/104 offre una robustezza simile per le applicazioni di telecontrollo. La norma IEC 61850, ampiamente adottata per l’automazione delle sottostazioni, definisce servizi di comunicazione ad alta velocità per la protezione e il controllo. Questi protocolli incorporano meccanismi per rilevare e gestire i problemi di comunicazione all’interno dello stesso scambio di dati.

Tuttavia, l’affidabilità a livello di protocollo da sola non può compensare un guasto di rete. Se il percorso di rete fisico o logico tra i dispositivi si interrompe, i dati dell’applicazione non possono fluire, indipendentemente da quanto sia robusto il protocollo. È qui che la ridondanza di rete diventa essenziale. Una sottostazione deve essere in grado di resistere al guasto di qualsiasi singolo componente di rete – uno switch, un cavo o un’interfaccia – senza interruzioni delle funzioni di protezione o controllo.

Per raggiungere questo obiettivo, le aziende di servizi pubblici implementano architetture ridondanti: più server SCADA, più interfacce di comunicazione Ethernet e percorsi di rete in grado di resistere ai guasti dei singoli componenti. zenon supporta questo approccio attraverso il funzionamento sincronizzato del server primario e di quello di riserva. I server primario e di riserva mantengono una connessione ridondante con tutti i dispositivi collegati. Se il server primario si guasta, quello di riserva subentra senza perdita di dati. zenon supporta anche una modalità preventiva denominata “Rated Redundancy”, in cui il sistema monitora metriche specifiche e può attivare un passaggio controllato al server di riserva prima che si raggiunga uno stato critico.

I server ridondanti risolvono una parte del problema della disponibilità. L’altra parte è rappresentata dalla rete stessa. Se il percorso di comunicazione tra il server SCADA e i dispositivi della sottostazione si interrompe, la sola ridondanza dei server non è sufficiente. È qui che entrano in gioco i protocolli di ridondanza di rete.

Le reti delle sottostazioni utilizzano in genere uno dei tre protocolli di ridondanza: RSTP, PRP o HSR. L’RSTP riconfigura la rete dopo un guasto, ripristinando il funzionamento in poche centinaia di millisecondi. Sia il PRP che l’HSR garantiscono un failover istantaneo inviando contemporaneamente frame di dati duplicati attraverso percorsi separati, assicurando che non vi sia alcuna perdita di dati durante un guasto di rete.

Nell’ambito dell’automazione delle sottostazioni si parla comunemente di tre metodi di ridondanza:

• L’RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) crea una struttura ad albero logica che coinvolge tutti gli switch. Quando viene rilevato un guasto, la rete si riconfigura per utilizzare un percorso di backup. Il ripristino avviene in genere entro poche centinaia di millisecondi. Per molte applicazioni industriali, ciò è sufficiente. Per i segnali di protezione delle sottostazioni che viaggiano tramite GOOSE secondo la norma IEC 61850, potrebbe non esserlo. I messaggi GOOSE devono arrivare entro pochi millisecondi per coordinare le funzioni di protezione quali lo sgancio e l’interblocco. L’RSTP può anche essere utilizzato in combinazione con l’aggregazione di collegamenti per migliorare le prestazioni, ma non raggiunge il comportamento a tempo di ripristino pari a zero previsto per le funzioni più critiche.

• Il PRP (Parallel Redundancy Protocol) adotta un approccio diverso. Anziché attendere che si verifichi un guasto per poi procedere alla riconfigurazione, il PRP impedisce che il guasto abbia alcun effetto. Lo fa duplicando ogni frame di dati e inviandolo simultaneamente attraverso due reti completamente indipendenti.

• L’HSR (High-availability Seamless Redundancy) raggiunge lo stesso failover a tempo zero del PRP, ma utilizza una topologia ad anello anziché due reti parallele. I dati vengono inviati in entrambe le direzioni lungo l’anello. Se l’anello si interrompe in qualsiasi punto, i dati raggiungono comunque la loro destinazione dall’altra direzione. L’HSR richiede che i dispositivi siano collegati in una configurazione ad anello ed è meno flessibile del PRP in termini di progettazione della rete.

Un dispositivo compatibile con PRP dispone di due porte di rete, ciascuna collegata a una rete separata. Quando è necessario inviare dati, il dispositivo trasmette frame identici attraverso entrambe le porte contemporaneamente. Il dispositivo ricevente accetta il primo frame in arrivo e scarta il duplicato. Se una rete si guasta completamente, i dati arrivano comunque attraverso l’altra. Non vi è alcun passaggio da una rete all’altra, nessun ritardo di riconfigurazione e nessuna perdita di dati.

Il Parallel Redundancy Protocol non richiede switch speciali. Le due reti possono utilizzare switch Ethernet standard ed essere strutturate in modo identico o diverso. I dispositivi con una singola porta di rete possono essere collegati tramite un Redundancy Box (RedBox) che fornisce l’accesso a entrambe le reti. Ciò rende il PRP pratico da implementare sia nelle nuove installazioni che negli aggiornamenti di impianti esistenti.

È possibile soddisfare i requisiti della norma IEC 61850 utilizzando una combinazione di RSTP e aggregazione di collegamenti a un costo inferiore. Tuttavia, quando si eseguono funzioni critiche su un sistema SCADA, è ampiamente raccomandato l’uso di PRP o HSR per ottenere i tempi di failover di rete richiesti. Il PRP, grazie all’utilizzo di due reti separate e indipendenti, offre vantaggi operativi in termini di manutenzione ed è ampiamente preferito per soluzioni che richiedono un’elevata disponibilità

Lo standrd  IEC 61850 definisce i servizi di comunicazione ad alta velocità per l'automazione delle sottostazioni, compreso il sistema di messaggistica GOOSE, i cui messaggi devono pervenire nell'arco di pochi millisecondi. Per soddisfare tali requisiti, la norma fa riferimento ai protocolli PRP e HSR come protocolli di ridondanza. La capacità del PRP di utilizzare switch Ethernet standard e di supportare progetti di rete indipendenti lo rende una scelta ampiamente adottata per i sistemi SCADA delle sottostazioni.

Lo standard IEC 61850 stabilisce i metodi di comunicazione per i dispositivi elettronici intelligenti (IED) nelle sottostazioni elettriche. Esso definisce servizi quali MMS per la comunicazione client/server, GOOSE per la messaggistica di protezione ad alta velocità e Sampled Values per la trasmissione di misurazioni digitalizzate. Questi protocolli funzionano su reti Ethernet commutate ad alta velocità per soddisfare i requisiti di tempo di risposta dei sistemi di protezione.

Lo standard fa riferimento a PRP e HSR come protocolli di ridondanza per migliorare la resilienza della comunicazione. Ciò è dettato dalla necessità di tempi di ripristino praticamente pari a zero per le funzioni di protezione critiche. I messaggi GOOSE secondo la norma IEC 61850 devono raggiungere la loro destinazione in pochi millisecondi. Un tempo di ripristino della rete misurato in centinaia di millisecondi, come nel caso dell’RSTP, comporta il rischio che i segnali di protezione vadano persi durante tale intervallo. PRP e HSR eliminano completamente l’intervallo di ripristino.

Per le applicazioni SCADA delle sottostazioni, la capacità del Parallel Redundancy Protocol di funzionare con switch Ethernet standard, il suo supporto alla progettazione di reti indipendenti e la sua flessibilità nell’integrazione di dispositivi esistenti a porta singola ne fanno una scelta ampiamente adottata. Consente di intervenire su una rete per la manutenzione mentre l’altra continua a trasportare tutto il traffico senza interruzioni.

La piattaforma software zenon supporta sistemi SCADA ad alta disponibilità combinando la ridondanza di rete PRP con la ridondanza dei server, il monitoraggio delle comunicazioni e il passaggio a fonti di dati alternative. Questo approccio integrato garantisce che i percorsi di comunicazione critici rimangano operativi in caso di guasti di rete, mentre le funzionalità di monitoraggio e commutazione automatizzate contribuiscono a prevenire le interruzioni prima che si verifichino.

zenon supporta il PRP in tutti i suoi servizi di comunicazione basati su Ethernet, quali IEC 61850, compreso MMS Client per l’acquisizione dei dati, MMS Server per la fornitura dei dati e GOOSE per la segnalazione di protezione. Ciò significa che i percorsi di comunicazione critici tra il sistema SCADA e i dispositivi della sottostazione continuano a funzionare anche in caso di guasto di un componente di rete. L’operatore non nota alcun cambiamento nel comportamento del sistema. È possibile analizzare e riparare il guasto mentre la sottostazione rimane pienamente operativa.

Oltre alla ridondanza a livello di rete, zenon offre funzionalità aggiuntive per garantire la disponibilità:

• Ridondanza dei server. zenon supporta il funzionamento sincronizzato di server primario e di riserva con ridondanza in hot standby. Se il server primario si guasta, quello di riserva subentra senza perdita di dati. La modalità “Ridondanza nominale” monitora continuamente lo stato di salute del sistema e può attivare un passaggio preventivo prima che si raggiunga una condizione critica.

• Monitoraggio della comunicazione. I driver di protocollo di zenon forniscono statistiche sullo stato delle connessioni e sulla qualità dei dati. Quando la comunicazione si deteriora, il sistema può avvisare il personale di manutenzione, attivare allarmi o passare automaticamente a fonti di dati alternative. Ciò consente alle aziende di servizi pubblici di indagare e risolvere i problemi di comunicazione durante il normale funzionamento.

• Fonti di dati alternative. zenon include una funzione nativa per l’alimentazione dei punti dati da più fonti. Se una fonte di dati primaria diventa inaffidabile, il sistema può passare automaticamente a una fonte alternativa secondo un algoritmo configurabile, contribuendo a mantenere la continuità operativa.

• Conformità e sicurezza. Il driver client IEC 61850 di zenon è certificato alla versione 2.0 da TÜV SÜD, a conferma del funzionamento affidabile con le attuali funzionalità del protocollo. Per quanto riguarda la sicurezza informatica, zenon supporta la crittografia TLS secondo la norma IEC 62351-3. Meccanismi di sicurezza quali la crittografia e l’autenticazione contribuiscono inoltre all’affidabilità della comunicazione, verificando l’integrità dei dati e l’autenticità delle entità comunicanti.

Il Simple Network Management Protocol (SNMP) offre visibilità sullo stato di salute dei dispositivi di rete quali switch, router e firewall. Consente agli operatori di verificare se i dispositivi funzionano correttamente, quali porte sono in uso e se si sono verificati errori.

zenon include un driver SNMP e può fungere da gestore SNMP, raccogliendo dati dai dispositivi di rete e visualizzandoli come variabili all’interno del sistema SCADA. Questi dati possono essere rappresentati in grafici di processo, valutati in report o archiviati. zenon può inoltre attivare allarmi sulla base dei dati SNMP e intervenire automaticamente se configurato a tale scopo.

Inoltre, zenon può fungere da agente SNMP, inviando informazioni sullo stato operativo a un gestore SNMP di livello superiore tramite lo zenon Process Gateway. Ciò consente a un sistema sovraordinato di monitorare lo stato operativo dello stesso zenon, ad esempio quando zenon viene utilizzato come sistema di controllo in una sottostazione non presidiata.

Lo SNMP integra il Parallel Redundancy Protocol e altre misure di ridondanza fornendo il livello di monitoraggio che rileva i problemi prima che causino guasti. Mentre il PRP garantisce la sopravvivenza della rete in caso di guasto, lo SNMP aiuta i team operativi a identificare i componenti compromessi e a intervenire in modo proattivo.