Så här skapar du högtillgänglig kommunikation med zenon

Det är viktigt att era kommunikationslösningar fungerar med hög tillgänglighet, även när ni ställs inför enhetsfel och underhållskrav. I branscher med tillverkning hjälper hög tillgänglighet till att undvika nertid och de kostnader som hör ihop med detta och risken att er verksamhet hamnar efter tidsschemat. I elkraftsektorn är högtillgänglig kommunikation avgörande för leverans av en tillförlitlig elkrafttjänst och upprätthållande av säkerheten.

Med hjälp av rätt standarder, protokoll och utrustning går denna högtillgängliga nätverksarkitektur att uppnå. I denna guide diskuterar vi robusta och högtillgängliga kommunikationslösningar med zenon.

Lokal SCADA-systemdesign: Behovet av hög tillgänglighet

Hög tillgänglighet är avgörande i elkraftbranschen. Det säkerställer kontinuerlig leverans av el och säker drift av utrustningen. Kommunikationsnätverket måste kunna fortsätta vara i drift även om någon del av utrustningen går sönder eller måste stängas av för underhållsarbete. För att säkerställa hög tillgänglighet används ofta en redundant arkitektur med flera Övervakningskontroll och dataförvärvsservrar (SCADA) som har flera Ethernet-kommunikationsgränssnitt.

En plattform som zenon tillhandahåller kraftfulla funktioner för redundant drift. Den primära servern och standby-servern synkroniseras konstant och upprätthåller en redundant anslutning till relaterade enheter. Vid fall med ett okontrollerat sammanbrott för den primära servern tar standby-servern över utan några dataförluster. Preventiva scenarier har också stöd. ”Rated Redundancy” i zenon gör det möjligt att observera specifika mätvärden inom systemet. Om något värde närmar sig ett kritiskt tillstånd kan en kontrollerad växling utlösas automatiskt. Detta kan hjälpa till att mildra eller till och med undvika att kritiska systemtillstånd uppnås.

Standardprotokollens viktiga roll

Idag diskuteras ett antal protokollstandarder i kontexten av automatisering och kontrollösningar i energidomänen. På grund av dess enkla tillämplighet i mindre anläggningar användes ofta MODBUS - och den går fortfarande att hitta - för lokal såväl som fjärrövervakning och -styrning. På grund av dess universella design kan även OPC UA hittas i vissa installationer. Men idag förlitar sig merparten av applikationer och ombyggnadsinitiativ på DNP3, IEC 60870 eller IEC 61850, eller på protokoll som är nära besläktade med dem. Dessa protokoll har skapats specifikt för att användas i en uppdragskritisk energimiljö. Förutom att tillhandahålla lämpliga datamodeller och datautbytestjänster till programmet använder de välkomponerade mekanismer i grundsystemet.

Till exempel designades DNP3-protokollet specifikt för att fungera i fjärrområden med dålig bandbredd eller till och med anslutningsförluster. En konsekvent handskakning mellan DNP3-master och DNP3-utstation säkerställer att en uppsättning händelser tas emot ordentligt av mastern. Endast då kommer transaktionen att anses framgångsrik av båda kommunikationsparterna och utstation kasserar sin lokala sändningsbuffert. Detta protokoll använder nätverksresurserna mycket ekonomiskt och förblir funktionellt även med begränsad bandbredd.

Exemplet ovan indikerar att kommunikationsprotokoll som DNP3, IEC 60870 eller IEC 61850 även kan spela en roll i att lösa den aktuella kommunikationsstatusen. I ett SCADA-system är det avgörande att alltid veta om en datalänk eller datakvaliteten är dålig, om en anslutning går förlorad eller om en enhet inte beter sig som förväntat.

OSI-modellen (Open Systems Interconnection) karaktäriserar kommunikationsfunktioner inom en protokollstack. Ett protokoll är som helhet uppdelat i olika funktionslager, som börjar med den fysiska konfigurationen (Lager 1) och avslutas med den faktiska applikationsfunktionen (Lager 7). Lagren mellan dessa hanterar bemötande och dirigering av enskilda telegram, såväl som associationen av en uppsättning meddelanden i sammanhanget av en ihållande kommunikationssession. TCP/IP-stacken, baserad på Ethernet-fysik, är en av de mest populära eftersom den används regelbundet av klassiska internetapplikationer.

När det gäller protokollagren som är ansvariga för ”vägledning” av telegram genom de olika sektionerna av kommunikationsnätverket, finns utrymme för förbättringar med avseende på datautbytets motståndskraft. Närhelst det finns flera möjliga vägar mellan sändare och mottagare kan avbrott för den använda vägen kompenseras genom användning av en alternativ väg istället. Det finns flera tekniker som föreslås för att hantera detta problem. Till exempel kan RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) snabbt avgöra en ny väg genom nätverket. Vid fall med sammanbrott för en specifik väg kan en alternativ väg snabbt tillhandahållas. Protokollen PRP (Parallel Redundancy Protocol) och HSR (High-availability Seamless Redundancy) är båda baserade på konceptet att skicka ett telegram två gånger genom nätverket. Telegrammen går via olika fysiska vägar. Även vid fall med avbrott på en väg så når telegrammet sin destination via den andra vägen.

Dessa åtgärder används i protokollstandarder för energitillämpningar. Standarden IEC 61850 hänvisar specifikt till protokollen PRP och HSR för att förbättra motståndskraften för kommunikation.

RSTP kontra PRP kontra HSR

Vilka redundansprotokoll behöver ni för att åstadkomma nödvändig tillgänglighetsnivå? Är Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) tillräckligt? Eller måste ni tillämpa Parallel Redundancy Protocol (PRP) eller High-availability Seamless Redundancy (HSR)?

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP)

För att skapa redundans måste ni tillhandahålla alternativa vägar för kommunikation mellan käll- och destinationsenheter. Ethernet tillåter inte ringar och loopar eftersom detta skulle svämma över nätverket. På grund av detta måste ni etablera en standardväg och ha möjligheten att växla till en ny väg om ett fel uppstår.

RSTP förhindrar loopar genom att skapa ett logiskt trädnätverk som inkluderar nätverkets alla switchar. Efter ett nätverksfel sker återställningen snabbt, inom några få hundra millisekunder eller ännu snabbare. Denna snabba återställning hjälper till att minimera dataförlusterna och säkerställer att systemet fortsätter att fungera ordentligt.

Parallel Redundancy Protocol (PRP)

PRP tillhandahåller sömlös felöverlämning och behöver bara specifik support på slutenheter. Switcharna i nätverket är Ethernet-switchar av standardsnitt. En slutenhet som använder PRP hänvisas till som en dubbelt ansluten nod för PRP (DAN P). Dessa enheter har en anslutning till de båda oberoende nätverken. De två nätverken kan antingen vara identiska eller variera strukturellt.

En standardenhet som har en enda nätverksport hänvisas till som en enkelt ansluten nod (SAN) och kan ansluta till ett av de två nätverken men inte båda. Alternativt kan en enhet som inte har den nödvändiga kapaciteten att direkt ansluta till de två redundanta nätverken anslutas via en “Redundansbox” (RedBox) som, i sin tur, ansluter till båda nätverken.

Närhelst data måste överföras skickar en PRP-enhet data till nätverket genom de båda portarna samtidigt. De två dataramarna rör sig genom nätverket och upplever vanligen olika fördröjningar när de gör detta. PRP-enheten på mottagarsidan tar bara emot det första datapaketet och avvisar det andra.

High-Availability Seamless Redundancy (HSR)

HSR har huvudsakligen designats för användning i ringtopologier. En dubbelt ansluten nod för HSR (DAN H) använder två nätverksportar för att skapa en ring. Varje nod tar datablocken som adresseras till den från nätverket och vidarebefordrar dem till applikationen. Noderna vidarebefordrar multisända och sända meddelanden till applikationen. För att förhindra att datablocken fortsätter att cirkulera tar noden som först placerade blocket i ringen bort det när det är klart.

Till skillnad från PRP:er kan du inte integrera SAN-noder i HSR-nätverk direkt utan att bryta ringen och använda redundansboxar. Som när PRP och HSR sänder dubbla datablock från båda portarna. På detta sätt överförs data över den väg som är intakt, om en väg skulle blockeras. Detta möjliggör noll växlingstid utan två parallella nätverk. HSR är mindre flexibelt än PRP eftersom det alltid är i struktur av en ring eller sammankopplade ringar. På grund av de dubbla överföringarna är endast halva bandbredden tillgänglig för datatrafik.

Det är möjligt att leva upp till kraven för IEC 61850 med hjälp av en kombination av RSTP och länksammankoppling till en låg kostnad. Men vid körning av viktiga funktioner på ett SCADA-system rekommenderar vi att ni använder PRP eller HSR för att åstadkomma de snabba felöverföringstiderna för nätverket som behövs. PRP tillhandahåller även fördelar som hör samman med underhåll och drift eftersom det använder två separata, oberoende nätverk, vilket gör det användbart för lösningar som kräver hög tillgänglighet.

IEC 61850 standard, kommunikation och system för automatisering av elleverans, etablerar standardkommunikationsmetoder för intelligenta elektroniska enheter (IEDs) som är anslutna via ett Ethernet-nätverk på transformatorstationer. Standarden är en del av referensarkitekturen för elkraftsystem som skapats av Technical Committee 57 i International Electrotechnical Commission (IEC).

Standarden utgör grund för flera kommunikationstjänster, inklusive klient-/serverkommunikation baserad på protokollen Manufacturing Messaging Specification (MMS) och Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) för snabb överföring av data över nätverket och SV-protokollet för snabb överföring av analoga värden över nätverket. 

Protokollen körs på transformatorstationens LAN- eller TCP/IP-nätverk med höghastighetsväxlat Ethernet för att säkerställa att de har nödvändig responstid för skyddssystemen. Standarden inbegriper OSI-modellen (Ethernet Open System Interconnection), redundansprotokoll i Lager 2, HSR och PRP.

En viktig faktor för tillgängligheten är den tid det tar att återställa från ett fel eller när utrustning går offline av någon anledning. För att den redundanta arkitekturen ska tillhandahålla den nödvändiga tillgänglighetsnivån för transformatorstationen måste återställningstiden för att återuppta driften vara minimal. Nätverkens återställningstider för olika funktioner i transformatorstationer, enligt en sammanställning av IEC Technical Committee 57 Working Group 10, sträcker sig från 100 millisekunder (ms) till 0 ms och kallas även för stötfria.

”Upptäck och mildra” när kommunikationen störs

Även om det viktigaste målet är att uppnå ett permanent anslutningstillstånd måste en automatiseringslösning alltid finnas förberedd för att hantera situationer där data som överförs är ”dåliga” eller anslutningen går förlorad. I en sådan situation är det viktigt att upptäcka alla felfunktioner i kommunikationsarkitekturen och reagera i enlighet med detta.

I zenon finns flera funktioner tillgängliga för att hjälpa till att upptäcka kommunikationsfel och vidta skyddande åtgärder mot negativa effekter. Protokolldrivrutiner i zenon kan övervakas i enlighet med driftsinformation, såsom kommunikationsstatistik och anslutningstillstånd. Varje variabel kan övervakas för validitet eller hälsotillstånd baserat på dess specifika statusinformation. Baserat på detta kan anomalier eller avbrott detekteras. Som reaktion på detta kan underhållspersonal informeras via specifika larm eller direktmeddelanden. I svåra fall kan processen skickas till ett säkert tillstånd.

zenon erbjuder även en inbyggd funktion för att mata datapunkter från olika värdekällor. Närhelst en primär värdekälla (en drivrutin) visar sig vara opålitlig kan systemet automatiskt växla till en alternativ datakälla. Detta kan hjälpa till att hålla driften igång om den andra datakällan tillhandahåller motsvarande värden. I annat fall kan en alternativ datakälla stödja kontinuiteten i ett säkert produktionstillstånd. Beslutet att växla till en alternativ datakälla behandlas via en konfigurerbar algoritm.

Att ha en redundant layout med primär server och standby-server kan ge er värdefulla alternativ vid fall med kommunikationsstörningar. Redundansläget i zenon ger er alternativet med kontinuerlig utvärdering av ”konditionen” för er aktuella server och standby-server. Här, återigen, kan utvärderingsalgoritmen konfigureras baserat på de olika värdena och metriken som ni får från systemplattformen (PC/servrar) eller drivrutiner. Om det finns några svaga anslutningar till den aktuella primära servern kanske dessa svagheter inte finns på standby-servern. I detta fall kan systemet besluta att genomföra en sömlös växling till standby-servern. Medan den servern leder processen kan eventuella felfunktioner på den tidigare primära servern utredas och korrigeras.

Övervakning av nätverkets och enheters hälsa med SNMP

SNMP, Simple Network Management Protocol, ger er inblick i och kontroll över ert kommunikationsnätverk. Det gör det möjligt för er att övervaka enheter och nätverksutrustning inom den lokala anläggningen. Med en lösning som zenon kan ni samla in och lagra data om ert nätverk, få aviseringar om problem uppstår och till och med aktivera automatiska justeringar baserade på de data ni samlar in. En SNMP-agent kan t.ex. ge er information om huruvida en enhet fungerar ordentligt, var felen har uppstått, vilka typer av fel som förekommer, vilka portar på en switch som används och vilken temperatur det är på serverns centrala processor (CPU).

De primära funktionerna som SNMP aktiverar inbegriper:

• Övervakning av nätverksenheter
• Fjärrstyrnings och -konfiguration av nätverksenheter
• Upptäckt och rapportering av enhetsfel i kommunikationsnätverket

Dessa funktioner är avgörande för säker och kontinuerlig drift av kommunikationsnätverk och de specifika enheterna i en transformatorstation.

Så här fungerar SNMP med zenon

zenon har en SNMP-drivrutin och kan fungera som en SNMP-hanterare. Denna funktion gör det möjligt för er att övervaka och konfigurera era SNMP-agenter efter behov. zenon visar insamlade data som variabler som ni kan redigera i zenon. Era data kan, till exempel, visas i processgrafik, utvärderas som en del av en rapport eller lagras i ett arkiv.

När zenon agerar som en hanterare kan det även lösa ut larm om, till exempel, det tar emot ett kritiskt värde. Det kan även ingripa automatiskt, baserat på de data det tar emot, för att styra enheter.

zenon kan även fungera som en SNMP-agent. När det fungerar som en av agenterna i ett nätverk skickar zenon data till SNMP-hanteraren med hjälp av zenon Process Gateway. Genom denna process kan en huvudenhet övervaka zenons driftstillstånd. Om, till exempel, zenon används som ett styrsystem i en obemannad transformatorstation kan det agera som en SNMP-agent.

Fördelarna med SNMP

SNMP är ett av de mest använda protokollen för övervakning och hantering av nätverksenheter. Protokollet fungerar tillförlitligt och kräver inte något särskilt avancerad arkitektur. Det förlitar sig, till exempel, inte på IP-nätverksprotokoll som transportmedium. Denna relativa enkelhet gör det enkelt att implementera.

SNMP är dessutom extremt mångsidigt. En stor mängd hårdvara har stöd för det, inklusive routrar, switchar, åtkomstpunkter, gateways, skrivare, skannrar och sakernas internet (IoT). Det kan användas till allt från switchövervakning till hantering av hela nätverk.

SNMP:s modulbaserade konstruktion är en annan fördel. Ni kan enkelt lägga till och ta bort enheter och installera ert nätverk i diverse konfigurationer utan att avbryta era övervaknings- och hanteringsmöjligheter.

Efterlevnad och säkerhet

Protokollstandarder är mycket värdefulla i området för energiautomatisering, inte minst för att stimulera funktionell innovation och driftskompatibilitet mellan olika enheter och leverantörer. I sammanhanget för motståndskraftigt nätverkande bidrar de med en precis beskrivning av hur vissa slutpunkter ska bete sig under specifika omständigheter. Alla transaktioner och tillstånd är tydligt definierade, vilket även möjliggör observation av specifika anslutningar. Att efterleva särskilda standarder som DNP3, IEC 60870 eller IEC 61850 är en viktig förutsättning för en välhanterad kommunikationslösning. zenon erbjuder omfattande support för dessa protokoll. Dess användning i flera olika tillämpningar har resulterat i flera förbättringar. COPA-DATA följer noga upp alla relaterade standardiseringsaktiviteter. till exempel IEC 61850-klientdrivutinen till zenon är Edition 2.0-certifierad av TÜV SÜD. Detta bekräftar att drivrutinen fungerar tillförlitligt och tillhandahåller support för uppdaterade funktioner.

Cybersäkerhet är ett annat viktigt område. Som första skydd tillämpas åtgärder som autentisering och kryptering för att hindra inkräktare att kompromettera kommunikationsnätverket och störa nätverket. En annan effekt dessa åtgärder har är att kontrollera dataintegriteten, transaktionssekvenser och autenticiteten för kommunicerande enheter. Standarden IEC 62351-3 specificerar kraven gällande end-to-end-säkerhet för TCP/IP-baserade anslutningar via TLS (Transport Layer Security). Dessutom använder TLS olika kryptografiska metoder för nyckelutbyte, autentisering, kryptering eller hashning. Dessa metoder möjliggör omfattande kontrollera av den övergripande kommunikationens integritet och erbjuder ett sätt att säkerställa att den fortsätter korrekt. Säkerhetsmekanismer kommer, i allmänhet, att bidra till tillförlitlig kommunikation inom er övergripande lösning.

Att åstadkomma högtillgänglig arkitektur med zenon

zenon från COPA-DATA integrerar SCADA, HMI, rapportering, larm och andra funktioner i en kraftfull mjukvaruplattform. Det möjliggör automatisering, övervakning, styrning och analys av driftsprocesser.

Det inbegriper förenliga och uppdaterade versioner av alla stora energiprotokoll, såsom DNP3, IEC 60870 och IEC 61850 och stöd för PRP. Mjukvaruplattformen zenon har även stöd för ett antal redundansscenarier för relaterade protokolldrivrutiner. Cybersäkerhet, i enlighet med IEC 62351-3, går att uppnå vid användning av dessa protokoll med zenon. Fundamentala funktioner, såsom redundant serverdrift eller villkorlig växling till säkerhetskopieringskällor skyddar lösningen mot instabiliteter i systemmiljön. Via SNMP är det enkelt att övervaka nätverksenheter vid användning av zenon. Alla relevanta signaler och statusvärden finns tillgängliga för er så att ni kan hantera er lösnings infrastruktur på ett tillförlitligt sätt.

Kontakta oss

Med mer än 30 år i branschen förbättrar vi våra produkter kontinuerligt för att säkerställa att de upprätthåller all den logik och de algoritmer som krävs för att åstadkomma den prestanda och funktionalitet som ni behöver. Har ni några frågor om zenon eller hur zenon kan aktivera hög tillgänglighet på er anläggning?