Применение гибридных технологий в промышленных Ethernet-сетях

Опубликовано в номере:
PDF версия
При переводе поддерживающих протокол RSTP устройств на работу в сетях PRP/HSR имели место проблемы совместимости. Однако на сегодня уже разработаны новые решения, позволяющие использовать гибридные технологии сетей RSTP, PRP и HSR. Они позволяют выполнить постепенный и плавный переход большого числа подстанций с большим количеством устройств на работу с сетями HSR без проблем с совместимостью. Благодаря им можно не только оставить в эксплуатации устройства с одним (SAN) и двумя (DAN) сетевыми интерфейсами, но и обеспечить их работу в составе современных автоматизированных объектов и интеллектуальных сетей. Проще говоря, это новое решение продлевает срок службы существующих устройств и откладывает затраты на замену оборудования.

Вопросы резервирования

Внедрение сетей на базе протоколов PRP/HSR призвано обеспечить надежную передачу данных на промышленных объектах. Новые технологии улучшают показатели точности и надежности, а также обеспечивают увеличение производительности коммуникационных сетей подстанции, что способствует их активному внедрению. Тем не менее, чтобы избежать лишних затрат, желательно оставлять в эксплуатации работающие устройства. До настоящего времени большинство решений по переводу существующих устройств на работу в сетях PRP/HSR не оправдывали ожиданий, в том числе с точки зрения экономической эффективности. Поскольку находящиеся в эксплуатации устройства поддерживают протокол RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol — «быстрый протокол разворачивающегося дерева»), контрольные пакеты которого не могут быть правильно обработаны в сетях на базе протоколов PRP/HSR, то традиционным решением является объединение сетей на базе RSTP и на базе PRP/HSR с помощью коммутаторов, которые обеспечивают преобразование между протоколами RSTP и PRP/HSR. Основной недостаток такого подхода — то, что большинство решений содержит собственные «проприетарные» протоколы, которые, в большинстве случаев, становятся причиной возникновения последующих проблем с совместимостью, поскольку в одной сети объединяются множество различных протоколов и устройств от разных производителей.

Сетевое резервирование позволяет избежать ситуаций, когда неисправности в отдельных точках сети могут привести к развитию системных аварий, приводя к отказу сразу всех коммуникационных систем. В настоящее время основным трендом в развитии автоматизации подстанций является сбор и интеграция данных от всех IED (Intelligent Electronic Device — интеллектуальные электронные устройства) и подсистем в единую высоко­производительную и надежную систему управления, которая может выступать в роли платформы для мониторинга устройств сегодня и в роли продвинутых диагностических систем завтра. Производительность системы управления зависит от возможности успешной передачи данных от одного устройства к другому. Поэтому для обеспечения непрерывной работы коммуникационных систем логично использовать сеть с возможностью резервирования.

Особую важность, с точки зрения стандарта МЭК 61850 (редакция 2), имеют решения резервирования, которые позволяют обеспечить «нулевое время» восстановления системы, также известное как «плавное» восстановление, целью которого является нулевая потеря пакетов данных.

 

Протокол RSTP: проблемы и решения

Типовая топология сети PRP/HSR

Рис. 1. Типовая топология сети PRP/HSR

Протокол RSTP является самым популярным из множества имеющихся, поскольку его можно использовать в сети любой топологии, в том числе и смешанной. Тем не менее он имеет ряд недостатков, которые ограничивают его возможности.

Например, определенное число переприемов данных формирует сетевую задержку. Чтобы решить проблему сетевой задержки и не поддающегося контролю времени восстановления, можно ввести ограничение кольцевой топологии RSTP до 40 узлов сети. Для более крупных сетей такое ограничение явно становится большой проблемой. Однако недавно компания Моха предложила собственную технологию — группировку RSTP (RSTP Grouping, подана заявка на патент), которая делает возможным объединение в сети HSR более тысячи устройств RSTP.

Очевидно, что протокол RSTP не подходит для применения на подстанциях, где предъявляются высокие требования к готовности сети и минимальному времени срабатывания. На них нужно использовать принцип резервирования с нулевой потерей пакетов данных. Такими свойствами обладают протоколы PRP или HSR. Хотя эти два протокола предназначаются для использования в различных топологиях сети, в сетях обоих типов — HSR и PRP — применяется один и тот же принцип «активного резервирования» (рис. 1). Принцип состоит в дублировании пакетов данных, которые передаются одновременно и разными путями. Благодаря реализации принципов активного резервирования с нулевым временем реконфигурации в случае отказа коммутатора или канала связи, протоколы HSR и PRP подходят для цифрового обмена данными РЗА (релейной защиты и автоматики), который описывается стандартами МЭК 61850-9-2 и МЭК 61850-8-1.

Создание доступных на сегодня решений по переходу от сетей на базе RSTP к сетям PRP/HSR в большей степени было мотивировано тем фактом, что на энергообъектах невозможно просто вывести из эксплуатации все существующие устройства. Несмотря на доступность методов, позволяющих объединить работу в кольцевых сетях по протоколам RSTP и PRP/HSR, проблемы с совместимостью протоколов мешают перейти на работу с сетями PRP/HSR.

 

Коммутатор PRP/HSR

Недавно Moxa запустила в производство коммутатор PRP/HSR, в котором обеспечивается поддержка стандарта МЭК 62439-3 (редакция 3), что гарантирует возможность перевода IED с поддержкой протокола RSTP в сети PRP/HSR без каких-либо проблем совместимости (рис. 2).

Коммутатор Ethernet PRP/HSR компании Moxa PT-7728-PTP

Рис. 2. Коммутатор Ethernet PRP/HSR компании Moxa

В коммутаторе задействован ряд продвинутых технологий, которые позволяют реализовать резервирование по протоколам PRP и HSR, интеграцию форматов RSTP и HSR и обеспечить синхронизацию и погрешность времени на уровне наносекунд согласно протоколу точного времени (PTP) IEEE 1588v2.

Рис. 3. Схема системы автоматизации подстанции от компании Moxa

Для организации резервирования по протоколу PRP в коммутатор встроен модуль PRP/HSR. Кроме того, благодаря коммутации портов 24+4G это устройство позволяет подключить большое количество устройств типа SAN (Storage Area Network — сеть хранения данных) к параллельным сетям. Благодаря этому выполняется расширение сети PRP при отсутствии дополнительных затрат. Реализация одновременной передачи данных по нескольким маршрутам позволяет коммутатору при возникновении ошибок передачи выполнять переключение на неповрежденные участки с нулевым временем (рис. 3).

Для интеграции протокола RSTP в HSR в коммутаторе применяется простой принцип предотвращения так называемых «широковещательных штормов» — наиболее распространенного явления, возникающего при объединении принципов резервирования PRP/HSR и RSTP, которое приводит к отказу сетей в целом. Такие широковещательные штормы происходят, когда коммутаторы или Redbox (Redundancy Box) не могут распознать управляющие пакеты (BPDU) в протоколах формата RSTP, в результате чего игнорируют их и не пересылают в сеть HSR. Эти пакеты данных накапливаются и непрерывно циркулируют в кольцевой сети RSTP, не достигая при этом своего места назначения. Коммутатор Моха обладает способностью распознавания BPDU-пакетов, которые будут, в свою очередь, перенаправлены в кольцевую топологию HSR. Примечательно, что компания Моха внесла предложение по внесению поправок в документ МЭК 62439-3, заключающееся в том, что с целью обеспечения совместимости оборудования функция распознавания коммутаторами BPDU-пакетов должна стать стандартной функцией этих устройств.

Функция RSTP Grouping коммутатора PRP/HSR позволяет установить множество соединений между сетями RSTP и HSR, что поможет легко перевести крупные группы узлов RSTP на работу в сетях с резервированием по принципу HSR. Протокол точного времени (РТР) IEEE 1588 обеспечивает наносекундную точность синхронизации, что, в свою очередь, помогает выровнять процесс распределения времени для улучшения производительности сетевых приложений. Коммутаторы должны обеспечить синхронизацию времени согласно IEEE 1588v2 в пределах всей системы. Это гарантирует высокую точность данных и оптимизацию производительности для энергообъектов и телекоммуникации.

Кроме того, коммутатор PRP/HSR впервые в мире имеет модульное исполнение для монтажа в стойке, что позволяет пользователям использовать более гибкие решения по размещению оборудования и интеграции в коммуникационные сети. Имеется несколько вариантов возможных сценариев: интеграция большого количества устройств типа SAN в сети PRP/HSR; подключение сетей RSTP к сетям HSR через два отдельных узла; окончательная интеграция полевых устройств на уровне оперативных пунктов управления; возможность добавления дополнительных кольцевых сетей HSR через протокол PRP.

Проверка производительности коммутатора PRP/HSR выполнялась силами UCAIug, некоммерческой организации, направлением деятельности которой является помощь и содействие пользователям и производителям оборудования в реализации стандартов для приложений, работающих в реальном времени. UCAIug провела тестирование совместимости коммутатора PT-7728-PTP в сетях различной архитектуры. Проверка различных сценариев выполнялась с особым упором на проверку правильной работы протоколов обмена данными МЭК 61850 совместно с устройствами различных производителей в формате HSR и PRP, а также в варианте интеграции RSTP в сети HSR. В сценариях также применялись IED и промежуточные системы. В отчете UCAIug сделаны выводы, что коммутатор PT-7728-PTP прошел все испытания, а его производительность была подтверждена. Кроме того, коммутатор PT-7728-PTP и устройство типа Redbox Moxa PT-G503 обеспечивали двойное соединение между сегментами сетей PRP/HSR и RSTP.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *