Comment obtenir une communication à haute disponibilité avec zenon

La haute disponibilité est cruciale dans le secteur de l'énergie électrique. Elle garantit l’approvisionnement continu en énergie et la sécurité de fonctionnement des équipements. Le réseau de communication doit continuer à fonctionner même si une partie de l'équipement tombe en panne ou doit être arrêtée pour des travaux de maintenance. La haute disponibilité est souvent assurée par une architecture redondante avec plusieurs serveurs SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), qui disposent de multiples interfaces de communication Ethernet.

Une plate-forme telle que zenon offre des fonctions puissantes assurant un fonctionnement redondant. Le serveur principal et le serveur de secours sont constamment synchronisés et maintiennent une connexion redondante avec les dispositifs connexes. En cas de panne incontrôlée du serveur primaire, le serveur de secours prend le relais sans perdre de données. Les scénarios préventifs sont également pris en charge. La « redondance évaluée » dans zenon permet d'observer des mesures spécifiques au sein du système. Une commutation contrôlée peut être automatiquement déclenchée lorsqu’une valeur quelconque commence à se diriger vers un état critique. Ceci permet de réduire le risque, voire d’éviter que le système bascule dans un état critique.

Aujourd'hui, un certain nombre de normes de protocole alimentent les discussions sur les solutions d'automatisation et de contrôle dans le domaine de l'énergie. En raison de son utilisation simple dans les petites installations, MODBUS était souvent utilisé (et on le trouve encore) pour la surveillance et le contrôle local et à distance. Grâce à sa conception universelle, OPC UA se retrouve également dans certaines installations. Toutefois, aujourd'hui, la majorité des applications et des initiatives de modernisation reposent sur les normes DNP3, IEC 60870 ou IEC 61850, ou sur des protocoles qui leur sont étroitement liés. Ces protocoles ont été spécifiquement créés pour une application dans un environnement énergétique critique. Par conséquent, en plus de fournir des modèles de données et des services d'échange de données appropriés à l'application, ils utilisent également des mécanismes bien conçus dans le back-end.

Par exemple, le protocole DNP3 a été particulièrement pensé pour fonctionner dans des zones éloignées avec une bande passante limitée et de possibles pertes de connexion. Le système avancé de gestion des échanges entre le Master DNP3 et l'Outstation DNP3 assure que les événements sont correctement reçus par le Master. C'est seulement lorsque la liaison sera considérée comme établie avec succès entre les deux partenaires que l'Outstation enverra ses données bufferisées.
Il est important de noter de nouveau que ce protocole charge très peu le réseau et reste fonctionnel même en cas de bande passante limitée.

L'exemple susmentionné indique que les protocoles de communication comme DNP3, IEC 60870 ou IEC 61850 peuvent également jouer un rôle dans la résolution d’un état de la communication en cours. Au sein d’un système SCADA, il est crucial de savoir à tout moment si une liaison de données ou la qualité des données est mauvaise, si une connexion est perdue ou si un appareil ne se comporte pas comme prévu.

Le modèle OSI (Open Systems Interconnection) définit les fonctions de communication au sein d'une pile de protocoles. Un protocole dans son ensemble se compose de différentes couches fonctionnelles, à commencer par la configuration physique (couche 1) et en se terminant par la fonction d'application proprement dite (couche 7). Les couches intermédiaires s'occupent de l'adressage et du routage de télégrammes individuels, ainsi que de l'association d'un ensemble de messages dans le cadre d'une session de communication persistante. La pile TCP/IP, basée sur l'Ethernet, est l'une des plus populaires, car elle est régulièrement utilisée par les applications Internet classiques.

En ce qui concerne les couches de protocole qui sont responsables du “guidage” des télégrammes à travers les différentes sections du réseau de communication, la résilience de l'échange de données peut être améliorée. Lorsque plusieurs chemins sont possibles entre l'émetteur et le récepteur, la perturbation du chemin utilisé peut être compensée en utilisant un chemin alternatif à la place. Différentes techniques existent pour gérer cette problématique. Le RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol), par exemple, est capable de déterminer rapidement un nouveau chemin à travers le réseau. En cas de dysfonctionnement d'un chemin spécifique, le chemin alternatif est rapidement mis à disposition. Le protocole PRP (Parallel Redundancy Protocol) et le protocole HSR (Highavailability Seamless Redundancy) sont tous deux basés sur le concept d'un double envoi d'un télégramme sur le réseau. Les télégrammes passent par des chemins physiques différents. Même en cas de perturbation d'un chemin, le télégramme atteint toujours sa destination via le deuxième.

Ces mesures sont utilisées au sein des normes de protocole pour les applications énergétiques. La norme CEI 61850 fait spécifiquement référence aux protocoles PRP et HSR pour améliorer la résilience des communications.

La norme IEC 61850, Communication et systèmes pour l'automatisation des services d'électricité, établit des méthodes de communication standard pour les dispositifs électroniques intelligents (IEDs) qui sont connectés via un réseau Ethernet dans les sous-stations électriques. La norme fait partie de l'architecture de référence pour les systèmes d'alimentation électrique créée par le comité technique 57 de la Commission Électrotechnique Internationale (IEC).

La norme prévoit plusieurs services de communication, dont la communication client/serveur basée sur le protocole MMS (Manufacturing Messaging Specification), le protocole GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) pour la transmission rapide de données sur le réseau, et le protocole SV (Sampled Values) pour la transmission rapide de valeurs analogiques sur le réseau. 

Les protocoles fonctionnent sur des réseaux locaux de sous-stations ou des réseaux TCP/IP avec Ethernet commuté à haut débit pour garantir les temps de réponse nécessaires aux systèmes de protection. La norme comprend le modèle Ethernet OSI (Open System Interconnection), les protocoles de redondance de couche 2, la redondance transparente à haute disponibilité (HSR) et le protocole de redondance parallèle (PRP).

Un facteur important de la disponibilité est le temps nécessaire pour se remettre d'une panne ou d'un équipement mis hors service pour une raison quelconque. Afin que l'architecture redondante fournisse le niveau de disponibilité nécessaire aux sous-stations électriques, la durée de rétablissement du fonctionnement doit être minimale. Les durées de rétablissement du réseau pour les diverses fonctions des sous-stations, tels que regroupées par le groupe de travail 10 du comité d'études 57 de la IEC, vont de 100 millisecondes (ms) à 0 ms, durées également appelées « bumpless ».

Même si l'objectif premier est d'atteindre un état de connectivité permanente, une solution d'automatisation doit toujours se tenir prête à maîtriser les situations où les données transmises sont « mauvaises » ou lorsque la connexion est perdue. Dans une telle situation, il est crucial de détecter tout dysfonctionnement dans l'architecture de communication et de réagir en conséquence.

zenon comprend de multiples fonctions qui aident à détecter les dysfonctionnements de communication et à prendre des mesures de protection contre les effets négatifs. Les pilotes de protocole de zenon peuvent être surveillés en fonction d'informations opérationnelles, telles que les statistiques de communication et les états de connexion. Chaque variable peut faire l'objet d'un suivi de validité ou de santé, en fonction des informations spécifiques relatives à son état. Des anomalies ou des interruptions peuvent être détectées sur la base de ces informations. En réaction à cela, le personnel de maintenance peut être informé via des alarmes spécifiques ou des messages directs. Dans les cas plus graves, le processus est basculé dans un état sûr.

zenon propose également une fonction native permettant d'alimenter les points de données à partir de différentes sources de valeur. Lorsqu'une source de valeur primaire (un pilote) s'avère peu fiable, le système peut automatiquement passer à une autre source de données, ce qui peut permettre de continuer à fonctionner sans interruption si la seconde source de données fournit des valeurs équivalentes. Dans le cas contraire, une source de données alternative peut permettre de continuer à fonctionner dans un état de production sûr. La question de passer ou non à une autre source de données est traitée par un algorithme configurable.

Le fait de disposer d'une configuration redondante avec un serveur primaire et un serveur de secours peut vous offrir de précieuses options en cas de perturbations de la communication. Le mode de redondance évaluée de zenon vous offre la possibilité d'évaluer en permanence l’état de disponibilité de votre serveur actuel et de votre serveur de secours. Là encore, l'algorithme d'évaluation peut être configuré en fonction des différentes valeurs et mesures que vous obtenez de la plate-forme système (PC/serveur) ou des pilotes. Si les connexions au serveur principal actuel sont faibles, il se peut que ces faiblesses ne soient pas présentes sur le serveur de secours. Dans ce cas, le système pourrait décider d'effectuer une commutation transparente vers le serveur de secours. Tout dysfonctionnement sur l'ancien serveur primaire peut alors être examiné et corrigé pendant que ce serveur dirige le processus.

Les normes de protocoles sont très précieuses dans le domaine de l'automatisation de l'énergie, notamment pour stimuler l'innovation fonctionnelle et l'interopérabilité entre les différents appareils et fournisseurs. Dans le contexte de la mise en réseau résiliente, elles contribuent à décrire avec précision le comportement de certains points d’extrémité dans des circonstances spécifiques. Toutes les transactions et tous les états sont clairement définis, ce qui permet également d'observer des connexions spécifiques. La conformité à certaines normes particulières telles que DNP3, CEI 60870 ou CEI 61850 constitue donc la condition préalable vitale à une solution de communication bien gérée. zenon offre un support complet pour ces protocoles. Son utilisation dans une variété d'applications a donné lieu à de nombreuses améliorations. COPA-DATA suit de très près toutes les activités de normalisation liées à ces protocoles. Le pilote client CEI 61850 de zenon, par exemple, est certifié Edition 2.0 par l’organisme TÜV SÜD. Ceci confirme le fonctionnement fiable du pilote et que ce dernier prend en charge des fonctions actualisées.

La cybersécurité est un autre aspect essentiel. Dans un premier temps, des mesures telles que l'authentification et le cryptage sont appliquées pour empêcher les intrus de compromettre ou perturber le réseau de communication. Certaines de ces mesures ont également pour effet de contrôler l'intégrité des données, les séquences de transactions et l'authenticité des entités qui communiquent. La norme CEI 62351-3, par exemple, spécifie les exigences en termes de sécurité de bout en bout pour les connexions basées sur TCP/IP via TLS (Transport Layer Security). En retour, TLS utilise diverses méthodes cryptographiques pour l'échange de clés, l'authentification, le cryptage ou le hachage. Ces méthodes permettent également de contrôler de manière approfondie l'intégrité de la communication globale et offrent un moyen de s'assurer qu'elle se déroule correctement. Les mécanismes de sécurité contribueront, en général, à une communication fiable au sein de votre solution globale.