Какие ethernet протоколы резервирования поддерживают терминалы
В критически важных системах нельзя допускать прерывания связи даже на миллисекунды, так как этого времени будет достаточно, чтобы серьезно повлиять на работу системы или поставить под угрозу безопасность персонала.
В стандарте МЭК 61850 указано, что на подстанциях не должна присутствовать потеря пакетов типа GOOSE и SMV, то есть при построении избыточных топологий связи необходимо организовывать нулевое время переключения между каналами связи (так называемую «бесшовную связь»). Стандарт МЭК 62439 «Промышленные сети связи. Сети с высокой готовностью к автоматической обработке» диктует, что время восстановления связи на объектах должно быть менее 10 мс.
В части 3 стандарта МЭК 62439 описаны протоколы PRP/HSR, которые гарантируют бесшовную передачу данных и надежность развертываемой сети.
Особенности протокола PRP
PRP (Parallel Redundancy Protocol) – протокол параллельного резервирования. При использовании PRP строятся две независимые сети. Каждый пакет данных дублируется и одновременно передается по обеим сетям. Если до получателя доходят оба пакета, то пакет, который пришел позже, отбрасывается. Это позволяет обеспечить бесшовную передачу данных даже при полном отказе одной из сетей.
- Нулевое время восстановления.
- Две независимые сети с любыми топологиями. Оборудование в сетях А и В может быть любым.
- Оборудование, между которым строятся две сети, должны поддерживать PRP.
В протоколе PRP определены следующие типы устройств:
- DANP (Double Attached Node for PRP) – устройство с двумя независимыми интерфейсами, может напрямую подключаться к двум параллельным сетям, работающим в системе PRP. Кроме того, DANP должны уметь взаимодействовать с дублированными пакетами (создавать и отбрасывать копии пакетов).
- SAN (Single Attached Node) – конечное оборудование с одним сетевым интерфейсом. Для подключения SAN-устройств к PRP-сетям необходимо использовать RedBox.
- RedBox (Redundancy Box) – устройство с двумя независимыми интерфейсами, служит для подключения SAN-устройств к PRP-сетям.
RedBox или DANP перед отправкой данных дублируют и маркируют пакеты. Маркировка осуществляется за счет добавления в конец стандартного Ethernet-фрейма идентификатора RCT (Redundancy Сontrol Trailer)
- Номер кадра в последовательности – 16 бит
- Путь - идентификатор сети, по которой будет передаваться пакет – 4 бита
- Размер поля данных – 12 бит (данные + RCT)
- PRP суффикс – 16 бит (0x88FB)
При получении пакета RedBox или DANP анализируют пакет: номер последовательности и MAC-адрес отправителя. Если эти параметры совпадают с такими же параметрами предыдущих пакетов в течение определенного времени, то пакет будет отброшен. Фреймы из разных сетей будут отличаться только контрольной суммой и идентификатором сети.
У коммутаторов Moxa c поддержкой PRP время ожидания дубликата пакета составляет 10 мс для сетей Gigabit Ethernet и 100 мс для сетей Fast Ethernet.
Принцип работы RSTP
- Выбор root bridge (корневого коммутатора), центрального коммутатора, к которому сходится все дерево RSTP.
- Распределение ролей портов всех коммутаторов:
- Корневой порт (Root port)– порт, который ведет к корневому коммутатору; именно через этот порт будут передаваться данные в сети.
- Назначенный порт (Designated) – порт, который ведет от корневого коммутатора. Через него также передаются данные.
- Дополнительный (Alternate) – резервный корневой порт коммутатора.
- Резервный (Backup) – резервный назначенный порт.
Дополнительный и резервный порты не участвуют в пересылке данных, пока не произойдет обрыв связи. Коммутаторы блокирует передачу данных по этим портам во избежание образования петель.
- Обрыв соединения: в случае обрыва основного канала связи коммутатор начинает передавать данные по резервному пути (по Alternate и Backup портам).
Для обмена информацией между собой коммутаторы используют специальные пакеты - BPDU (Bridge Protocol Data Units)
Особенности протокола RSTP
- Время восстановление более 5 сек
- Рекомендуемый диаметр топологии – 7 устройств.
- Стандартизированный протокол, поддерживаемый управляемыми коммутаторами всех производителей
- В топологии могут принимать участия как управляемые, так и неуправляемые коммутаторы любого производителя (при наличии неуправляемых устройств время восстановления увеличивается)
Протокол Ethernet POWERLINK компании B&R
Протокол Powerlink разработан австрийской компанией B&R в начале 2000-х. Это еще одна реализация протокола реального времени поверх стандарта Ethernet. Спецификация протокола доступна и распространяется свободно.
В технологии Powerlink применяется механизм так называемого смешанного опроса, когда всё взаимодействие между устройствами делится на несколько фаз. Особо критичные данные передаются в изохронной фазе обмена, для которой настраивается требуемое время отклика, остальные данные, будут переданы по мере возможности в асинхронной фазе.
Изначально протокол был реализован поверх физического уровня 100Base-TX, но позже была разработана и гигабитная реализация.
Схематическое представление сети Ethernet POWERLINK с несколькими узлами.В изохронной фазе опрашивающий контроллер последовательно посылает запрос каждому узлу, от которого необходимо получить критичные данные.
Изохронная фаза выполняется, как уже было сказано, с настраиваемым временем цикла. В асинхронной фазе обмена используется стек протокола IP, контроллер запрашивает некритичные данные у всех узлов, которые посылают ответ по мере получения доступа к передаче в сеть. Соотношение времени между изохронной и асинхронной фазами можно настроить вручную.
Протокол Ethernet/IP компании Rockwell Automation
Протокол EtherNet/IP разработан при активном участии американской компании Rockwell Automation в 2000 году. Он использует стек TCP и UDP IP, и расширяет его для применения в промышленной автоматизации. Вторая часть названия, вопреки расхожему мнению, означает не Internet Protocol, а Industrial Protocol. UDP IP использует коммуникационный стек протокола CIP (Common Interface Protocol), который также используется в сетях ControlNet / DeviceNet и реализуется поверх TCP/IP.
Спецификация EtherNet/IP является общедоступной и распространяется бесплатно. Топология сети Ethernet/IP может быть произвольной и включать в себя кольцо, звезду, дерево или шину.
Для синхронизации времени в распределенных системах EtherNet/IP использует протокол CIPsync, который является расширением коммуникационного протокола CIP.
Для упрощения настройки сети EtherNet/IP большинство стандартных устройств автоматики имеют в комплекте заранее определенные конфигурационные файлы.
Реализация протокола FBUS в компании Fastwel
Долго думали, включать ли в этот список российскую компанию Fastwel с ее отечественной реализацией промышленного протокола FBUS, но потом все же решились написать пару абзацев для лучшего понимания реалий импортозамещения.
Существует две физические реализации FBUS. Одна из них — это шина, в которой протокол FBUS работает поверх стандарта RS485. Кроме этого есть реализация FBUS в промышленной сети Ethernet.
FBUS сложно назвать быстродействующим протоколом, время ответа сильно зависит от количества модулей ввода-вывода на шине и от параметров обмена, обычно оно колеблется в пределах 0,5—10 миллисекунд. Один подчиненный узел FBUS может содержать только 64 модуля ввода-вывода. Для полевой шины длина кабеля не может превышать 1 метр, поэтому о распределенных системах речь не идет. Вернее идет, но только при использовании промышленной сети FBUS поверх TCP/IP, что означает увеличение времени опроса в несколько раз. Для подключения модулей могут использоваться удлинители шины, что позволяет удобно расположить модули в шкафу автоматики.
Контроллер Fastwel с подключенными модулями ввода-вывода. Источник: Control Engineering РоссияRSTP Grouping
Самой популярной технологией резервирования сетей Ethernet является RSTP, и многие системы связи уже построены на ее основе. Но данная технология имеет ряд ограничений, в том числе достаточно длительное время восстановления и лимит на количество устройств в сети (Подробнее о протоколе RSTP). Компания Moxa разработала технологию RSTP Grouping, которая позволяет преодолеть эти ограничения, а также построить систему RSTP совместно с технологиями резервирования PRP и HSR.
В классическом варианте сеть RSTP не может быть подключена к кольцу HSR или PRP-подсетям. Стандартное оборудование PRP/HSR не распознаёт служебные пакеты (bpdu) протокола RSTP и не передаёт их в нужные подсети. Пакеты bpdu, не достигая своего получателя, продолжат передаваться по всей RSTP-сети, и этот участок не сможет корректно функционировать.
Специализированные коммутаторы Moxa понимают bpdu-пакеты протокола RSTP и передают их сквозь кольцо HSR или подсети PRP. Кроме того, для преодоления ограничения в количестве устройств в одной сети RSTP Moxa предложила разделять систему на отдельные RSTP-домены. При этом bpdu-пакеты каждой из RSTP-групп передаются сквозь сети HSR/PRP только на порты этой же RSTP группы. Как раз это и позволяет преодолеть ограничение по количеству устройств в RSTP системе.
Применение функции RSTP Grouping в PRP сетях наносит на них некоторые ограничения:
Компания Moxa первая в Мире разработала Redbox с поддержкой всех топологий нулевого резервирования (PTP, HSR, Coupling, Quadbox) – PT-G503-PHR-PTP.
В прошлой публикации мы рассказали о том, как работают шины и протоколы в промышленной автоматизации. В этот раз сфокусируемся на современных рабочих решениях: посмотрим, какие протоколы используются в системах по всему миру. Рассмотрим технологии немецких компаний Beckhoff и Siemens, австрийской B&R, американской Rockwell Automation и русской Fastwel. А также изучим универсальные решения, которые не привязаны к конкретному производителю, такие как EtherCAT и CAN.
В конце статьи будет сравнительная таблица с характеристиками протоколов EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP и ModbusTCP.
Мы не включали в обзор протоколы PRP, HSR, OPC UA и другие, т.к. по ним на Хабре уже есть отличные статьи наших коллег-инженеров, которые занимаются разработкой систем промавтоматики. Например, «Протоколы «бесшовного» резервирования PRP и HSR» и «Шлюзы промышленных протоколов обмена на Linux. Собери сам».
Для начала определим терминологию: Industrial Ethernet = промышленная сеть, Fieldbus = полевая шина. В российской промышленной автоматике случается путаница в терминах, касающихся полевой шины и промышленной сети нижнего уровня. Часто эти термины объединяются в единое расплывчатое понятие «нижний уровень», который именуется и полевой шиной, и шиной нижнего уровня, хотя это может быть и не шина вовсе.
Такая путаница, скорее всего связана с тем, что во многих современных контроллерах соединение модулей ввода-вывода часто реализуется с помощью объединительной панели (англ. backplane) или физической шины. То есть используются некие шинные контакты и соединители, чтобы объединить несколько модулей в единый узел. Но такие узлы, в свою очередь, могут быть соединены между собой как промышленной сетью, так и полевой шиной. В западной терминологии есть четкое разделение: сеть — это сеть, шина — это шина. Первое обозначается термином Industrial Ethernet, второе — Fieldbus. В статье для этих понятий предлагается использоваться термин «промышленная сеть» и термин «полевая шина» соответственно.
Итого: как всё это используется на практике в АСУ ТП
Естественно, видовое разнообразие современных промышленных протоколов передачи данных намного больше, чем мы описали в этой статье. Некоторые привязаны к конкретному производителю, некоторые, напротив, универсальны. При разработке автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП) инженер выбирает оптимальные протоколы, с учетом конкретных задач и ограничений (технических и по бюджету).
Если говорить о распространенности того или иного протокола обмена, то можно привести диаграмму компании HMS Networks AB, которая иллюстрирует доли рынка различных технологий обмена в промышленных сетях.
Источник: HMS Networks ABКак видно на диаграмме, PRONET и PROFIBUS от Siemens занимают лидирующие позиции.
В таблице ниже собраны сводные данные по описанным протоколам обмена. Некоторые параметры, например, производительность выражены абстрактными терминами: высокая /низкая. Числовые эквиваленты можно отыскать в статьях по анализу производительности.
Простой способ резервирования канала Ethernet при помощи коммутаторов от Microchip
В статье описаны варианты реализации резервирования канала при использовании кольцевой топологии, основные ее недостатки и методы борьбы с ними, рассмотрены функции фильтрации пакетов по MAC-адресу источника и по адресу получателя. Также на примере коммутаторов KSZ8863 и KSZ8873 продемонстрирован улучшенный метод резервирования каналов при помощи фильтрации пакетов по MAC-адресу источника.
Введение
Как известно, в отличие от домашних или офисных сетей, построенных по топологии звезды, промышленные сети преимущественно используют топологию кольца. Эта топология сокращает количество необходимой проводки, а также позволяет достаточно просто осуществить резервирование канала. На рис. 1 представлена классическая блок-схема сети с резервированием, построенной по кольцевой топологии на 3‑портовых коммутаторах.Краткое описание коммутаторов KSZ8863 и KSZ8873
Коммутаторы KSZ8863 и KSZ8873 достались компании Microchip в результате приобретения фирмы MIcrel и на данный момент выпускаются без каких-либо изменений. Они поддерживают режимы 10Base-T/100Base-TX и 100Base-FX, имеют два встроенных PHY-трансивера и три MAC-блока.
Особенности коммутаторов:
• низкое энергопотребление;
• режимы управление питанием;
• улучшенная система обработки QoS (включая IPv6);
• фильтрация пакетов по MAC адресу отправителя пакета;
• малогабаритные корпуса: 48‑или 64‑LQFP.В микросхемы KSZ8873/KSZ8863 дополнительно встроены LDO-регуляторы для питания ядра и внутренний генератор, формирующий частоту для интерфейса RMII. Разработчик может выбрать необходимый для его проекта коммутатор: интерфейс (MII/RMII), подключение (витая пара и/или оптоволокно), корпус и температурный диапазон.
Особенности реализации топологии кольца в Ethernet
В отличие от кольцевой сети с маркерным доступом token-ring, бывшей основой в большей части развития спецификации IEEE 802.3, сеть Ethernet запрещено конфигурировать как истинное кольцо. [1]
Любые кольца внутри сети Ethernet приводят к бесконечному дублированию пакетов внутри них, что быстро снижает производительность сети. Тем не менее в кольцевой топологии можно обеспечить резервирование канала, установив устройство управления в разрыв одной из линий между узлами сети.
На данный момент не существует какого-либо единого стандарта, который решал бы вопрос управления пакетами в кольцевой топологии, однако есть различные способы и протоколы для реализации данной задачи, одним из которых является протокол STP — Spanning Tree Protocol. Протоколы STP и Rapid STP (стандарты IEEE 802.1d и 802.1w соответственно) создают некую структуру из коммутаторов сети Ethernet, блокируя дублирующие каналы с целью создания единственного канала между двумя любыми двумя узлами сети [3].
Используя протокол STP, достаточно сложно и дорого осуществить резервирование каналов, так как появится необходимость разрабатывать специализированное ПО и использовать мощности процессора, что нежелательно или невозможно в ряде систем. В таких ситуациях предпочтительно резервирование при помощи кольцевой топологии, требующее минимального управления [3].Фильтрация пакетов по MAC-адресу источника
Сегодня практически в каждом Ethernet-коммутаторе имеется аппаратная функция привязки и перенаправления, отвечающая за сохранение MAC-адреса отправителя и сопоставление его с определенным портом. В совокупности эти данные образуют таблицу переадресации, которая используется коммутатором для определения порта, куда нужно передать пакет данных: коммутатор проверяет, есть ли в таблице переадресации MAC-адрес получателя и, если совпадение найдено, передает пакет на нужный порт. В случае если такого совпадения не найдено,пакет отправляется на все порты, кроме того, с которого он, собственно, пришел.
В данном механизме MAC-адрес источника записывается в таблицу переадресации коммутатора, при этом он не используется для принятия решения о пересылке пакета. Тем не менее, если коммутатор способен фильтровать пакеты, основываясь на MAC-адресе отправителя (вместо MAC-адреса получателя), становится возможным реализовать кольцевую топологию. В этом случае коммутатор принимает и отфильтровывает (уничтожает) любые пакеты, MAC-адрес источника которых совпадает с MAC адресом локального процессорного порта. Как следствие, пакеты всегда уничтожаются по завершении одного полного круга. На рис. 2 проиллюстрирован пример реализации такой сети.К сожалению, большинство Ethernet-коммутаторов не поддерживает фильтрацию по MAC-адресу источника, исключение составляют, например, два семейства 3‑портовых Ethernet-коммутаторов — KSZ8863 и KSZ8873 от Microchip. Эти коммутаторы предоставляют два независимых программируемых MAC-адреса и поддерживают такую фильтрацию. [3], [4], [5]
Резервирование канала при помощи фильтрации пакетов по MAC-адресу источника
Наиболее простой способ обеспечить резервирование канала при помощи механизма фильтрации пакетов по MAC-адресу источника — посылать пакеты, полученные от процессора, в обоих направлениях кольца. В этом случае, даже если по одной из линий пакет не будет доставлен, то будет доставлен по другой. При этом неполадки в одной из линий определяются на стороне получателя пакета, так как вместо двух одинаковых пакетов получен один. На рис. 3 изображен пример реализации резервирования канала.К сожалению, большинство Ethernet-коммутаторов не поддерживает фильтрацию по MAC-адресу источника. Исключение составляют, например, два семейства 3‑портовых Ethernet-коммутаторов — KSZ8863 и KSZ8873 от Microchip. Эти коммутаторы предоставляют два независимых программируемых MAC-адреса и поддерживают такую фильтрацию. [3], [4], [5]
Резервирование канала при помощи фильтрации пакетов по MAC-адресу источника
Наиболее простой способ обеспечить резервирование канала при помощи механизма фильтрации пакетов по MAC-адресу источника — посылать пакеты, полученные от процессора, в обоих направлениях кольца. В этом случае, даже если по одной из линий пакет не будет доставлен, то будет доставлен по другой. При этом неполадки в одной из линий определяются на стороне получателя пакета, так как вместо двух одинаковых пакетов получен один. На рис. 3 изображен пример реализации резервирования канала.На рис. 4а события происходят в такой последовательности:
1. Пакет данных «1» для коммутатора 1 получен коммутатором n на процессорный порт.
2. Коммутатор n пересылает пакет данных через порты 1 и 2.
3. Первый пакет данных приходит на коммутатор 1, порт 1 (по кратчайшему пути).
4. Таблица переадресации записывает соответствие MAC n порту 1.
5. Затем второй пакет данных приходит на коммутатор 1, порт 2.
6. Таблица переадресации записывает соответствие MAC n порту 2.На рис. 4б можно наблюдать следующее:
1. Пакет данных «2» для коммутатора n получен коммутатором 2 на процессорный порт.
2. Коммутатор 2 пересылает пакет данных через порты 1 и 2.
3. Первый пакет данных приходит на коммутатор 1, порт 2 и уничтожается, поскольку определяется как локальный пакет.
4. Второй пакет доходит до коммутатора n и пересылается на процессорный порт 3.
Для гарантированной доставки обоих пакетов (в случае исправного канала данных) необходимо отказаться от таблицы переадресации, что исключит возможность уничтожения пакета как локального. Однако это повлечет дополнительную нагрузку на процессор, поскольку ему придется обрабатывать все входящие пакеты данных, вне зависимости от того, предназначались они ему или нет. В коммутаторах KSZ8863/73 эта проблема решается путем конфигурации таблицы переадресации процессором.Улучшенный метод резервирования каналов при помощи фильтрации пакетов по MAC-адресу источника
Главный недостаток предыдущего метода заключается в том, что все пакеты, предназначенные процессорному порту, дублируются, увеличивая нагрузку на него. Этот метод можно улучшить следующим образом:1. Отключить прием пакетов на 1 или 2 порт коммутатора. В этом случае пакеты будут проходить только в одном направлении, не дублируясь. Следовательно, процессор получит только один пакет данных, нагрузка снизится. Отключенный порт будет использован только в случае ошибки передачи по основному каналу
2. Использовать вывод Link Interrupt коммутатора KSZ8863/73 для детектирования ошибки на линии передачи.
Такой подход требует минимального вмешательства со стороны процессора и обеспечивает очень быстрое время детектирования неисправности и ее устранения, даже в сети с большим количеством узлов. На рис. 5 проиллюстрирован данный механизм, разделенный на два этапа: инициализацию коммутатора и переключение канала.Инициализация коммутатора (рис. 5а):
1. Отключение привязки на портах 1 и 2 каждого коммутатора (Port Control Reg2.0 = 1).
2. Конфигурирование статичной таблицы MAC-адресов для пересылки пакетов, имеющих MAC-адрес получателя, равный MAC процессора на 3‑й порт.
3. Включение функции пересылки пакетов с неизвестным MAC-адресом (Reg14.7 = 1 и Reg14.2-0 = 011).
4. Отключение приема пакетов 2‑м портом (Port 1 Control Reg2.1 = 0).
5. Включение функции Link Interrupt (Reg187.1:0 = 1,1).11.12.2015 Оптимизированная в соответствии МЭК 61850 PRP/HSR архитектура должна обеспечивать масштабируемость для простого изменения функций и расширения возможностей подстанции. Обновление SAN (конечных устройств с одним сетевым интерфейсом) и DAN (конечных устройств с двумя сетевыми интерфейсами) до сети PRP/HSR требует создания эффективного и экономически обоснованного решения, пригодного для построения бесшовной и однородной коммуникационной инфраструктуры, обеспечивающей максимальную доступность системы.
Первые подстанции, построенные в 1920-е годы, представляли собой простые модификации устройств, используемых для мониторинга и управления электрическими системами. В современных сложных автоматизированных подстанциях надежность сети и системы имеет первостепенное значение для обеспечения безопасности работы и высокого качества обслуживания. Одним из методов обеспечения высокой надежности связи является внедрение резервирования сети без зависимости от единой точки отказа. В этой статье мы рассмотрим существующие топологии подстанций и возможные интегральные и масштабируемые методы достижения эффективного резервирования с помощью PRP (протокола параллельного резервирования) и HSR (систем с однородным резервированием).
Основные проблемы
Существующие конечные устройства SAS (системы автоматизации подстанции) выполняют различные коммуникационные функции, т.е. могут действовать в качестве SAN, DAN, DANP (DAN для PRP) и DANH (DAN для HSR). Создание/модернизация инфраструктуры до сети с резервным дублированием PRP/HSR обеспечит плавное внедрение резервирования и сведет к минимуму время простоя системы. Тем не менее, с учетом большого количества устройств связи с самыми разными характеристиками обеспечение взаимной совместимости сетей становится для инженеров SAS серьезной проблемой.
Дорогостоящее развертывание бесшовной сети 1:1
Применение 3-портового управляемого устройства резервирования RedBox — это один из способов интеграции устаревших устройств с сетью PRP/HSR. Подключение конечных устройств к RedBox создает независимый поток трафика, обеспечивающий более высокую надежность SAS. Такой метод идеально подходит для подключения к критическим системам, которое не должно зависеть от других соединений/устройств. Тем не менее, этот тип развертывания не только дорого стоит, но и требует значительных затрат на обслуживание и установку дополнительных стоек/шкафов.
Проблемы совместимости при использовании нескольких решений PRP/HSR
Гибридная сеть PRP/HSR состоит из различных типов оконечных устройств. При выборе идеальных устройств для обеспечения оптимальной работоспособности в ходе модернизации сети инженерам следует учитывать такие факторы как тип корпуса, изоляцию функций и масштабируемость. Тем не менее, без создания комплексной коммуникационной платформы для системы управления операторы подстанции просто получают сеть, состоящую из устройств от различных производителей/поставщиков. Это серьезно осложняет взаимодействие, обслуживание, устранение неисправностей, а также увеличивает общую стоимость владения системой.
Рекомендуемое решение1. Экономичный способ интеграции устаревших устройств с высоконадежной магистральной сетью
Большинство существующих конечных устройств имеют двойные точки доступа к сети и поддерживают протокол резервирования RSTP. При наличии адекватного времени восстановления второго уровня операторы предпочитают использовать экономичный способ интеграции DAN с более надежной магистральной сетью для повышения доступности системы. Интеграция существующих кольцевых сетей в инфраструктуру PRP/HSR с использованием прозрачной технологии RSTP является идеальным решением. При использовании прозрачной технологии RSTP для объединения нескольких DAN в одну бесшовную магистральную сеть необходимо всего три 4-портовых устройства RedBox.
2. Большой выбор вариантов развертывания масштабируемой и высокосовместимой средыРазвертывание резервной системы оказывает непосредственное влияние на сложность и стоимость системы, которые зависят от системных требований и критичности приложений. В условиях ограниченного бюджета при оптимизации доступности системы инженеры должны учитывать требования подстанции. Существующие кольцевые сети/сети устройств должны легко интегрироваться с сетями PRP/HSR, а архитектура системы должна быть масштабируемой в соответствии с потребностями системы.
3-портовое управляемое устройство резервирования RedBox — это идеальный выбор для критических систем связи, изоляции функций и интеграции большого количества DAN с поддержкой RSTP. Коммутаторы PRP/HSR с высокой плотностью портов оснащены модулем связи с возможностью горячей замены. Такая конструкция минимизирует среднее время ремонта и обслуживания SAN, DAN, DANP и DANH. Встроенные модули PRP/HSR позволяют устаревшим устройствам работать с протоколами PRP/HSR и не создают единую точку отказа между RedBox и конечным устройством. Встроенные компьютеры PRP/HSR позволяют создать платформу для визуального управления сетью PRP/HSR.
Существует много методов интеграции существующих и новых платформ с решениями от одного поставщика.
Оборудование Moxa, поддерживающее протоколы PRP/HSRDA-820 – SCADA-сервер с поддержкой протоколов резервирования PRP/HSR
Встраиваемый компьютер DA-820 был специально спроектирован для применения на электрических подстанциях для локальных SCADA, мониторинга среды, видеонаблюдения, преобразования протоколов и приложений резервирования данных.
Серия компьютеров DA-820 работает на процесоррах Intel Quad Core i7-3612QE, обеспечивающим высокую производительность и является первой в мире серией промышленных компьютеров применяемых в качестве сервера управления PRP/HSR протокола. Протокол параллельного резервирования PRP в Ethernet сетях обеспечит мгновенное восстановление связи, без потери времени и пакетов данных.
Преимущества стоечного промышленного компьютера MOXA DA-820:
Минимизация вероятности возникновения ошибок:
- Двойная ориентированность на высокую надёжность - поддержка RAID 0/1/5/10 и технологии PRP/HSR
- Безвентиляторное охлаждение
- Соответствие сертификату ICE 61850-3 (температурный класс C3 и EMC уровень 4)
Ускоренное обнаружение ошибок:
- Мониторинг PRP/HSR и интеллектуальный контроль
- Управление собственным состоянием на основе технологии SNMP
Оптимизация восстановления после ошибок:
- OS Smart Recovery API автоматически восстанавливает систему после сбояКоммутатор МЭК61850 PT-7728 с модулем PRP/HSR
PT-7728 – серия коммутаторов МЭК61850, которая уже хорошо себя зарекомендовала. Для развития популярного решения Moxa разработала модуль с аппаратной поддержкой PRP/HSR.
PT-7728 полностью соответствует требованиям, предъявляемым к системам связи энергетической и транспортной отрасли. По параметрам надежности, резервирования и электромагнитной совместимости оборудование отвечает стандартам:
- МЭК 61850-3, IEEE 1613 – сети и системы связи на энергетических подстанциях.
- NEMA TS2 – системы управления дорожным движением.
- EN50121-4 – железнодорожный транспорт. Электромагнитная совместимость.Коммутатор характеризуется следующими основными особенностями:
- модульное безвентиляторное исполнение;
- поддержка стандартов Fast Ethernet 10/100 и Gigabit Ethernet;
- передача данных по «витой паре» и оптоволокну;
- монтаж в стойку 19”, высота 1U;
- электропитание 24 В (пост.), 48 В (пост.), 110/220 В (пост. или перем.);
- работа в расширенном температурном диапазоне -40 ~ +85 C.
PT-G503-PHR-PTP -3-х портовые управляемые устройства резервирования RedBox стандарта IEC 61850-3/62439-3Устройства резервирования RedBox PRP/HSR серии PT-G503-PHR-PTP соответствуют последним стандартам резервирования, IEC 62439-3 Класс 4 (Parallel Redundancy Protocol, PRP) и IEC 62439-3 Класс 5 (High-availability Seamless Redundancy, HSR). Технологии PRP/HSR обеспечивают высочайшую целостность данных для критически важных приложений и/или систем автоматизации технологических процессов, требующих нулевого времени восстановления при срабатывании функции резервирования.
Устройства также поддерживают протоколы Coupling и QuadBox, с помощью которых кольца HSR могут быть соединены друг с другом для создания более сложных резервируемых топологий. Устройства серии PT-G503-PHR-PTP имеют 3 комбо-порта 10/100/1000BaseT(X) / 100/1000BaseSFP. INTERLINK порт обеспечивает внутреннюю связьс SAN (Singly Attached Node). Другие два порта (LAN A и LAN B) – связь по резервированным протоколам PRP/HSR. Благодаря Ethernet-портам Full Gigabit устройства серии PT-G503-PHR-PTP обеспечивают высокую производительность систем PRP/HSR. Кроме того, устройства серии PT-G503-PHR-PTP обеспечивают аппаратную поддержку протокола IEEE 1588v2 для синхронизации времени в критически важных системах. Устройства имеют резервированные входы питания с изоляцией для подключения источников питания 24/48 В пост.тока или 110/220 В пост./перем.тока.
Особенности
- Соответствует стандартам IEC 61850-3, IEEE 1613 (цифровые подстанции)
- Соответствует стандарту IEC 62439-3 пункт 4 (PRP) и пункт 5 (HSR)
- Поддержка функций PRP/HSR Coupling и QuadBox
- Выделенная Ethernet-консоль для локального доступа
- Встроенный MMS-сервер, соответствующий стандарту IEC 61850-90-4 для интеграции с PowerSCADA
- Аппаратная поддержка стандарта IEEE 1588v2 PTP
- Соответствие требованиям стандарта безопасности NERC CIP
- Изолированные входы питания с функцией резервирования с универсальным диапазоном рабочего напряжения 24/48 В пост.тока или 110/220 В пост./перем.тока
- Диапазон рабочих температур от -40 до 85°CОсобенности протокола PRP
PRP (Parallel Redundancy Protocol) – протокол параллельного резервирования. При использовании PRP строятся две независимые сети. Каждый пакет данных дублируется и одновременно передается по обеим сетям. Если до получателя доходят оба пакета, то пакет, который пришел позже, отбрасывается. Это позволяет обеспечить бесшовную передачу данных даже при полном отказе одной из сетей.
- Нулевое время восстановления.
- Две независимые сети с любыми топологиями. Оборудование в сетях А и В может быть любым.
- Оборудование, между которым строятся две сети, должны поддерживать PRP.
В протоколе PRP определены следующие типы устройств:
- DANP (Double Attached Node for PRP) – устройство с двумя независимыми интерфейсами, может напрямую подключаться к двум параллельным сетям, работающим в системе PRP. Кроме того, DANP должны уметь взаимодействовать с дублированными пакетами (создавать и отбрасывать копии пакетов).
- SAN (Single Attached Node) – конечное оборудование с одним сетевым интерфейсом. Для подключения SAN-устройств к PRP-сетям необходимо использовать RedBox.
- RedBox (Redundancy Box) – устройство с двумя независимыми интерфейсами, служит для подключения SAN-устройств к PRP-сетям.
RedBox или DANP перед отправкой данных дублируют и маркируют пакеты. Маркировка осуществляется за счет добавления в конец стандартного Ethernet-фрейма идентификатора RCT (Redundancy Сontrol Trailer)
- Номер кадра в последовательности – 16 бит
- Путь - идентификатор сети, по которой будет передаваться пакет – 4 бита
- Размер поля данных – 12 бит (данные + RCT)
- PRP суффикс – 16 бит (0x88FB)
При получении пакета RedBox или DANP анализируют пакет: номер последовательности и MAC-адрес отправителя. Если эти параметры совпадают с такими же параметрами предыдущих пакетов в течение определенного времени, то пакет будет отброшен. Фреймы из разных сетей будут отличаться только контрольной суммой и идентификатором сети.
У коммутаторов Moxa c поддержкой PRP время ожидания дубликата пакета составляет 10 мс для сетей Gigabit Ethernet и 100 мс для сетей Fast Ethernet.
Объединение нескольких колец HSR в единую систему
Для масштабирования системы, построенной на кольцах HSR, используют устройства QuadBox.
Данные внутри колец передаются стандартно в двух направлениях. Между кольцами сквозь QuadBox передается только первый пакет, а дубликат отбрасывается.
Введение
Для обеспечения надежности сетей Industrial Ethernet зачастую используют избыточные связи между оборудованием для предотвращения потери данных при обрыве соединений. Такие топологии подвержены возникновению широковещательного шторма из-за образовавшихся петель из лишних соединений. Чтобы подобные отказоустойчивые системы имели возможность корректно функционировать, был создан протокол STP (Spanning Tree Protocol) с временем восстановления 30-50 секунд. Со временем данный протокол был переработан, и появился обновленный стандарт RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol).
Открытые промышленные сети и стандарты PROFIBUS/NET компании Siemens
Немецкий концерн Siemens давно известен своими программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), которые используется по всему миру.
Обмен данными между узлами автоматизированной системы под управлением оборудования Siemens реализуется как по полевой шине, которая называется PROFIBUS, так и в промышленной сети PROFINET.
Шина PROFIBUS использует специальный двужильный кабель с разъемами DB-9. У Siemens он фиолетовый, но мы на практике встречали и другие :). Для связи нескольких узлов разъем может соединять два кабеля. Также в нем есть переключатель для терминального резистора. Терминальный резистор должен быть включен на концевых устройствах сети, таким образом сообщается, что это первое или последнее устройство, а после него уже ничего нет, только мрак и пустота (все rs485 так работают). Если на промежуточном разъеме включить резистор, то следующий за ним участок будет отключен.
Кабель PROFIBUS с соединительными разъемами. Источник: VIPA ControlsAmericaВ сети PROFINET используется аналог витой пары, как правило, с разъемами RJ-45, кабель окрашен в зеленый цвет. Если топология PROFIBUS —шина, то топология сети PROFINET может представлять собой что угодно: хоть кольцо, хоть звезду, хоть дерево, хоть все вместе взятое.
Существуют несколько протоколов обмена по шине PROFIBUS и в сети PROFINET.
- PROFIBUS DP — реализация этого протокола подразумевает связь с удаленными подчиненными устройствами, в случае с PROFINET этому протоколу соответствует протокол PROFINET IO.
- PROFIBUS PA — является по сути тем же PROFIBUS DP, только используется для взрывобезопасных исполнений передачи данных и питания (аналог PROFIBUS DP с другими физическими свойствами). Для PROFINET взрывобезопасного протокола по аналогии с PROFIBUS пока не существует.
- PROFIBUS FMS — предназначен для обмена данными с системами других производителей, которые не могут использовать PROFIBUS DP. Аналогом PROFIBUS FMS в сети PROFINET является протокол PROFINET CBA.
Протокол PROFINET IO делится на несколько классов:
- PROFINET NRT (без реального времени) — используется в приложениях, где временные параметры не критичны. В нем используется протокол передачи данных Ethernet TCP/IP, а также UDP/IP.
- PROFINET RT (реальное время) — тут обмен данными ввода/вывода реализован с помощью фреймов Ethernet, но диагностические данные и данные связи все еще передаются через UDP/IP.
- PROFINET IRT (изохронное реальное время) — этот протокол был разработан специально для приложений управления движением и включает в себя изохронную фазу передачи данных.
Что касается реализации протокола жесткого реального времени PROFINET IRT, то для коммуникаций с удаленными устройствами в нем выделяют два канала обмена: изохронный и асинхронный. Изохронный канал с фиксированной по времени длиной цикла обмена использует тактовую синхронизацию и передает критичные ко времени данные, для передачи используются телеграммы второго уровня. Длительность передачи в изохронном канале не превышает 1 миллисекунду.
В асинхронном канале передаются так называемые real-time-данные, которые тоже адресуются посредством MAC-адреса. Дополнительно передается различная диагностическая и вспомогательная информация уже поверх TCP/IP. Ни real-time-данные, ни тем более другая информация, разумеется, не может прерывать изохронный цикл.
Расширенный набор функций PROFINET IO нужен далеко не для каждой системы промышленной автоматики, поэтому этот протокол масштабируют под конкретный проект, с учетом классов соответствия или классов применения (conformance classes): СС-A, CC-B, CC-CC. Классы соответствия позволяют выбрать полевые устройства и магистральные компоненты с минимально необходимой функциональностью.
Источник: PROFINET university lessonВторой протокол обмена в сети PROFINET — PROFINET CBA — служит для организации промышленной связи между оборудованием различных производителей. Основной производственной единицей в системах СВА является некая сущность, которая называется компонентом. Этот компонент обычно представляет собой совокупность механической, электрической и электронной части устройства или установки, а также соответствующее прикладное программное обеспечение. Для каждого компонента выбирается программный модуль, который содержит полное описание интерфейса данного компонента по требованиям стандарта PROFINET. После чего эти программные модули используются для обмена данными с устройствами.
Особенности протокола HSR
HSR (High-availability Seamless Redundancy) – протокол резервирования кольцевого соединения. HSR используют в кольцевых топологиях. Каждый передаваемый кадр дублируется и передается в обоих направления кольца HSR. Если до получателя доходят оба пакета, то пакет, который пришел позже, отбрасывается. Это позволяет обеспечить бесшовную передачу данных при одиночном обрыве линии связи.
- Нулевое время восстановления.
- Только кольцевые топологии.
- Все оборудование кольца строится только на устройствах, поддерживающих HSR.
В протоколе HSR определены следующие типы устройств:
- DANH (Double Attached Node for HSR) – устройство с двумя независимыми интерфейсами, могут напрямую подключаться в кольцо HSR.
- SAN (Single Attached Node) – конечное оборудование с одним сетевым интерфейсом. Для подключения SAN устройств к кольцу HSR необходимо использовать RedBox.
- RedBox (Redundancy Box) - устройство с двумя независимыми интерфейсами, служит для подключения SAN устройств к кольцу HSR и передает дублированные пакеты в обоих направлениях кольца.
- Quadbox – устройство для объединения нескольких колец HSR в единую систему.
RedBox или DANH перед отправкой данных дублируют и маркируют пакеты. В отличие от протокола PRP, маркировка осуществляется за счет добавления в начало Ethernet фрейма HSR-идентификатора. За счет этого время на обработку пакетов при прохождении их по кольцу уменьшается.
HSR тег состоит из:
- Типа HSR – 16 бит (0x892F)
- Путь – 4 бита. У коммутаторов Moxa путь всегда равен «0000», так как сеть передачи данных одна.
- Номер последовательности – 16 бит
- Размер поля данных – 12 бит (данные + HSR-тег + тип)
Метод обработки пакетов у HSR такой же, как у PRP – анализируется MAC-адрес отправителя и номер последовательности. Каждое HSR-устройство в кольце анализирует все пакеты и отбирает пакеты со своим адресом в качестве получателя и multicast-пакеты. С unicast-пакетами устройство HSR поступает также, как и PRP – отбрасывает одинаковые пакеты, пришедшие в определенный период времени.
У коммутаторов Moxa c поддержкой HSR время ожидания дубликата пакета составляет 10 мс для сетей Gigabit Ethernet и 100 мс для сетей Fast Ethernet.
При получении multicast-пакета анализируется адрес отправителя: если пакет был отправлен этим же HSR устройством (то есть прошел все кольцо), то такой пакет тоже будет отброшен для предотвращения широковещательного шторма.
PRP/HSR Coupling - построение гибкой системы
Чтобы можно было обойти топологические ограничения в технологиях PRP/HSR и построить более сложную резервированную и масштабируемую систему, используют технологию PRP/HSR Coupling.
При переходе кадра из сети PRP в кольцо HSR пограничный RedBox поменяет тег RCT на тег HSR, аналогично - при обратной пересылке кадра (тег HSR будет изменен на тег RCT).
Настройка резервирования по протоколу RSTP
1) Настройка адресации – всем коммутаторам в системе должен быть присвоен свой уникальный IP-адрес из одной подсети.
2) Настройка резервирования – на каждом коммутаторе должно быть включено резервирование по протоколу RSTP, а также выбраны порты, участвующие в дереве RSTP.
Стандарт промышленной сети EtherCAT, разработка компании Beckhoff
Протокол и промышленная сеть EtherCAT — это, пожалуй, один из самых быстродействующих на сегодня способов передачи данных в системах автоматики. Сеть EtherCAT успешно используется в распределенных системах автоматизации, где взаимодействующие узлы разнесены на большое расстояние.
Протокол EtherCAT использует стандартные Ethernet-фреймы для передачи своих телеграмм, поэтому сохраняется совместимость с любым стандартным Ethernet-оборудованием и, по сути, прием и передача данных могут быть организованы на любом Ethernet-контроллере, при наличии соответствующего программного обеспечения.
Спецификация протокола открыта и доступна, но только в рамках ассоциации разработки — EtherCAT Technology Group.
Вот, как работает EtherCAT (зрелище завораживает, как игра Zuma Inca):
Высокая скорость обмена в этом протоколе —а речь может идти о единицах микросекунд— реализована благодаря тому, что разработчики отказались от обмена с помощью телеграмм, посылаемых непосредственно конкретному устройству. Вместо этого в сеть EtherCAT направляется одна телеграмма, адресованная всем устройствам одновременно, каждый из подчиненных узлов сбора и передачи информации (их еще часто называют УСО — устройство связи с объектом) забирает из нее «на лету» те данные, которые предназначались ему, и вставляет в телеграмму данные, который он готов предоставить для обмена. После этого телеграмма отправляется следующему подчиненному узлу, где происходит та же операция. Пройдя все УСО, телеграмма возвращается главному контроллеру, который на основе полученных от подчиненных устройств данных, реализует логику управления, опять же взаимодействуя посредством телеграммы с подчиненными узлами, которые выдают управляющий сигнал на оборудование.
Сеть EtherCAT может иметь любую топологию, но по сути это всегда будет кольцо — из-за использования полнодуплексного режима и двух разъемов Ethernet. Таким образом, телеграмма всегда будет передаваться последовательно каждому устройству на шине.
Кстати, спецификация EtherCAT не содержит ограничений физического уровня 100Base-TX, поэтому реализация протокола возможна на основе гигабитных и оптических линий.
Читайте также: