Normen und ihre Implementierung

Netzwerkredundanz und Interoperabilität in Umspannwerken

| Autor / Redakteur: Jürgen Kern * / Franz Graser

Eigenschaften des IEC 62439-3 PRP Protokolls

PRP ist ein Redundanzprotokoll, das die Ausfallsicherheit eines industriellen Netzwerks erhöht und gewährleistet, ohne zeitliche Verzögerung bei der Behebung eines eventuellen Ausfalls. Besonders bei der Verwendung von Taktsynchronisierung nach IEEE 1588 ist dies von Interesse. Grundsätzlich basiert die Redundanzmethode auf zwei voneinander unabhängigen Netzwerken. Da keine Verbindung zwischen den beiden Netzwerken besteht, sind sie ausfallunabhängig.

Hochverfügbare Netzwerkknoten (IEDs) besitzen jeweils zwei Netzwerkanschlüsse, wobei jeder mit je einem LAN verbunden ist. Entscheidend für das PRP ist, daß immer auf beide Netzwerke parallel gesendet und empfangen wird. Empfangene Informationsduplikate werden abhängig von der eingesetzten Methode entweder akzeptiert oder verworfen. Beim PRP handelt es sich um eine Redundanzlösung auf Layer-2: Auf beiden Netzwerken wird dieselbe MAC-Adresse verwendet, so dass man alle Protokolle für das Netzwerkmanagement ohne Änderungen verwenden kann.

Die PRP-Netzwerkarchitektur

Bild 2: Prinzipielle Architektur eines PRP-Netzwerks
Bild 2: Prinzipielle Architektur eines PRP-Netzwerks (Bild: Kirrmann/Hansson/Müri)

In der prinzipiellen Architektur eines PRP-Netzwerks ist jedes Endgerät (IED) mit zwei Netzwerk-Interfaces ausgestattet, über die es gleichzeitig in beide Netzwerke sendet bzw. daraus empfängt. So ist sichergestellt, dass beim Ausfall einer Komponente eines Netzes sofort und ohne Zeitverzögerung auf die Komponente des anderen Netzes umgeschaltet werden kann. Das garantiert eine hohe Verfügbarkeit des Automatisierungsnetzes, ohne signifikante Ausfallzeiten.

Der Aufbau eines PRP-Netzwerks ist relativ einfach: Die Topologie der beiden Netze ist frei definierbar, allerdings sollten diese und ihr Verzögerungsverhalten bei beiden Netzen etwa gleich sein. Eine besondere Bedeutung kommt den die Netze verbindenden IEDs zu: Sie realisieren die Redundanz. Jedes IED ist mit zwei gleichartigen Netzwerkanschlüssen ausgestattet. Bild 3 zeigt das Prinzip des Protokollstacks.

Bild 3: Die PRP-Methode basiert auf zwei voneinander unabhängigen Netzwerken.
Bild 3: Die PRP-Methode basiert auf zwei voneinander unabhängigen Netzwerken. (Bild: Kirrmann/Hansson/Müri)

Eine Redundanzeinheit zwischen der Link- und der Netzwerkschicht im Protokollstack leitet jeweils die Pakete an die beiden Netzwerkanschlüsse weiter. Zudem fügt sie am Ende der Ethernet-Pakete Informationen hinzu, die es der empfangenden Seite erlaubt, die korrekte Reihenfolge der Pakete wieder herzustellen und redundante Pakete zu erkennen.

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Per Definition muss die Netzwerkschicht Duplikate erkennen und eliminieren können, doch bringt es Entlastung, wenn die Redundanzeinheit dies bereits übernimmt. Die Definition des Ethernet-Protokolls erlaubt das Hinzufügen von Informationen am Ende der Pakete. Somit ist das implementierte Verfahren vollständig kompatibel mit dem Ethernet-Standard.

Ausfall eines Netzwerkelements – kein Problem

Wie erwähnt, verarbeitet ein IED immer Pakete von beiden Netzwerken. Sollte in einem Netzwerk ein Element ausfallen und der Empfang von Paketen nicht mehr möglich sein, werden ausschließlich Pakete des parallelen Netzwerks verwendet. Ist der Ausfall behoben, werden wieder Pakete beider Netzwerke weiterverarbeitet. Ein Protokoll der Ausfälle dient zu Diagnosezwecken. Bild 4 zeigt ein typisches Ausfallszenario.

Bild 4: Situation bei einem Netzwerkausfall
Bild 4: Situation bei einem Netzwerkausfall (Bild: Kirrmann/Hansson/Müri)

PRP ist eine Redundanzmethode, die unabhängig von anderen Standards eingesetzt werden kann. Ursprünglich wurde sie für Automatisierungsnetzwerke entwickelt, die auf Ethernet basieren und eine sehr hohe Verfügbarkeit erfordern. Aufgrund ihrer einfachen Architektur lässt sich PRP jedoch in jedem Industrial Ethernet System implementieren, das dem Ethernet-Standard folgt.

Man kann also handelsübliche Netzwerkkomponenten und -¬protokolle verwenden bzw. weiterverwenden. Somit sind PRP-Netzwerke einfach zu konfigurieren. Die unterbrechungsfreie Umschaltung in Echtzeit ist möglich, weil PRP als ein deterministisches Verfahren definiert ist. Ein nützlicher Nebeneffekt bei der Verwendung eines PRP-Netzwerks ist der Austausch von Netzwerkkomponenten im laufenden Betrieb. Somit eignet sich PRP ideal für den 7x24 Stunden Betrieb und erlaubt dabei die permanente Überwachung der Netzwerktopologie und seiner Redundanz. Die Zwischenschicht (Redundanzeinheit) ist sehr schlank realisiert und dabei völlig transparent für die Applikation, wodurch kein zusätzlichen Anpassungs- bzw. Programmieraufwand notwendig wird.

PRP erfordert für jedes IED zwei Netzwerkanschlüsse mit entsprechenden Treibern. Für Geräte die nicht mit zwei Netzwerkanschlüssen ausgestattet sind, kann durch ein Vorschaltgerät mit zwei Schnittstellen, häufig Red-Box genannt, der Anschluß an die parallelen Netzwerke realisiert werden.

Technische Realisierung des Protokollstacks

NetModule hat in enger Zusammenarbeit mit verschiedenen Anwendern Implementierungen des PRP-Protokolls auf unterschiedlichen Betriebssystemen realisiert. Interoperabilitätstests zwischen VxWorks, Linux und Windows auf PRP-fähiger Hardware zeigten dabei keine Probleme auf.

Die Implementierung des PRP-Protokollstacks besteht aus zwei Teilen, einem generischen Teil, der den Algorithmus enthält, und einem betriebssystemabhängigen Teil. Diese Architektur garantiert eine leichte Portierbarkeit auf weitere Betriebssysteme und eine optimale Interoperabilität der verschiedenen Implementierungen. Zudem entwickelte NetModule eine modular aufgebauten PRP/HSR IP-Core für Implementierungen des Protokollstacks in FPGAs. Die modulare Architektur des IP-Cores erlaubt weitreichende Anpassungen und Erweiterungen und ist vorgesehen für die Integration in kundenspezifische FPGA-Designs.

Topaktuell kommt der IP-Core von NetModule bei einem gemeinsamen Projekt mit Phoenix Contact zum Einsatz: Das Unternehmen entwickelte damit seine PRP-Redundanzmodule RED2000E. Sie wurden auf der HMI 2014 vorgestellt.

Mithilfe des IEC 62439-3 PRP Protokolls ist es möglich, bei IEC 61850 basierten Netzwerken auf einfache Art und Weise Netzwerkredundanz zu gewährleisten und gleichzeitig dem Prinzip der Interoperabilität zu genügen. Verschiedene führende Hersteller von Netzwerkinfrastruktur haben mittlerweile Redundanzlösungen auf Basis des IEC 62439-3 PRP Standards für IEC 61850 basierte Netzwerke entwickelt und auf den Markt gebracht. Weitere werden folgen.

Literaturhinweise:

[1] Hubert Kirrmann, Mats Hansson, Peter Müri: IEC 62439 PRP: Bumpless Recovery for Highly Available, Hard Real-Time Industrial Networks, IEEE Conference on Emerging Technologies & Factory Automation, 2007. [2] Hubert Kirrmann, Peter Rietmann, Steven Kunsman: Standard IEC 61850 – Network Redundancy using 62439, in: PAC World, Fall 2008

* * Jürgen Kern ist Chief Executive Officer (CEO) von NetModule aus Niederwangen/Schweiz.

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