Wysoka dostępność komunikacji z zenon

Wysoka dostępność ma kluczowe znaczenie w sektorze zasilania elektrycznego. Zapewnia ciągły przepływ informacji i bezpieczne działanie sprzętu. Sieć komunikacyjna musi kontynuować pracę nawet w przypadku awarii jednego z elementów sprzętowych lub też, gdy trzeba go wyłączyć na potrzeby konserwacji. Aby zapewnić wysoką dostępność, często stosowana jest redundantna architektura z kilkoma serwerami systemu kontroli nadzorczej i pozyskiwania danych (SCADA) z wieloma interfejsami komunikacyjnymi Ethernet.

Platforma programowa jak zenon oferuje rozbudowane funkcje do redundantnych operacji . Serwer główny i serwer standby są stale synchronizowane i utrzymują redundantne połączenie z powiązanymi urządzeniami. W przypadku niekontrolowanej awarii serwera głównego, serwer standby przejmuje procesy bez utraty danych. Obsługiwane są także scenariusze prewencyjne. „Rated Redundancy” w oprogramowaniu zenon umożliwia obserwowanie określonych wskaźników w systemie. Jeżeli dowolna wartość zacznie zbliżać się do krytycznego stanu, możliwe jest automatyczne wyzwolenie kontrolowanego przełączenia. Może to pomóc w złagodzeniu, a nawet uniknięciu krytycznych stanów systemu.

Obecnie prowadzone są dyskusje nad szeregiem standardowych protokołów w kontekście automatyzacji i rozwiązań sterujących w sektorze energetyki. Ze względu na łatwość wdrażania w mniejszych obiektach często używano — i wciąż można ją znaleźć — magistrali MODBUS do lokalnego i zdalnego monitorowania oraz sterowania. Ze względu na uniwersalną strukturę, w mniejszych instalacjach można także znaleźć OPC UA. Obecnie jednak w większości zastosowań i modernizacji wykorzystuje się DNP3, IEC 60870 lub IEC 61850 lub protokoły do nich zbliżone. Te protokoły zostały opracowane specjalnie z myślą o zastosowaniu w środowiskach energetycznych o krytycznym znaczeniu. Dlatego, jak również ze względu na dostarczanie odpowiednich modeli danych i usług wymiany danych dla aplikacji, one również wykorzystują dobrze sprawdzone mechanizmy obsługi.

Na przykład, protokół DNP3 został specjalnie stworzony do pracy w zdalnych obszarach o niskiej przepustowości, a nawet ze zrywającymi się połączeniami. Spójny „handshake” między modułem master DNP3, a stacją zdalną DNP3 zapewnia prawidłowe przesyłanie zestawu zdarzeń do modułu głównego. Tylko wtedy transakcja jest uznawana za udaną przez obu partnerów komunikacji, a stacja zdalna może opróżnić swój lokalny bufor wysyłania. Co ważne, ten protokół zapewnia bardzo ekonomiczne wykorzystanie zasobów sieciowych i zachowuje sprawność nawet przy ograniczonej przepustowości łącza.

Powyższy przykład pokazuje, że takie protokoły komunikacyjne jak DNP3, IEC 60870 lub IEC 61850 mogą być wykorzystywane do przekazywania bieżącego statusu komunikacji. W systemie SCADA ważna jest świadomość, czy łącze danych lub jakość danych są słabe, czy komunikacja została utracona lub też, czy urządzenie nie działa zgodnie z oczekiwaniami.

Model OSI (Open Systems Interconnection model) określa funkcje komunikacyjne w obrębie stosu protokołów. Protokół jako całość jest rozkładany na różne warstwy funkcjonalne, począwszy od konfiguracji fizycznej (warstwa 1) i kończąc na właściwej funkcji aplikacji (warstwa 7). Warstwy pośrednie odpowiadają za adresowanie i kierowanie poszczególnych telegramów, a także za powiązanie zestawu komunikatów w kontekście bieżącej sesji komunikacyjnej. Stos TCP/IP, bazujący na topologii Ethernet, jest jednym z najpopularniejszych rozwiązań, ponieważ jest regularnie wykorzystywany przez klasyczne aplikacje internetowe.

Pod względem warstw protokołu, które odpowiadają za „prowadzenie” telegramów przez różne sekcje sieci komunikacyjnej, istnieje przestrzeń do ulepszeń w związku z elastycznością wymiany danych. Zawsze, gdy występuje wiele możliwych ścieżek między nadawcą i odbiorcą, przerwanie użytej ścieżki jest kompensowane przez wykorzystanie alternatywnej ścieżki. Istnieje wiele technik umożliwiających radzenie sobie z tym problemem. Na przykład, protokół RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) jest w stanie szybko określić nową ścieżkę przez sieć. W przypadku usterki konkretnej ścieżki szybko udostępniany jest kanał alternatywny. Z kolei protokoły PRP (Parallel Redundancy Protocol) i HSR (High-availability Seamless Redundancy) bazują na koncepcji dwukrotnego przesyłania telegramu przez sieć. Telegramy przechodzą przez różne ścieżki fizyczne. Nawet w przypadku przerwania jednej z nich telegram zawsze dociera do miejsca docelowego przez drugą ścieżkę.

Te rozwiązania są wykorzystywane w standardowych protokołach do zastosowań w sektorze energii. Standard IEC 61850 w szczególności odnosi się do protokołów PRP i HSR, aby wzmocnić bezpieczeństwo i trwałość komunikacji.

Standard IEC 61850, systemy komunikacyjne i systemy do automatyzacji zakładów energetycznych, określają standardowe metody komunikacji dla inteligentnych urządzeń elektronicznych (IED), które są połączone przez sieć Ethernet w podstacjach elektrycznych. Norma ta jest częścią architektury referencyjnej dla systemów elektroenergetycznych opracowanej przez Komitet Techniczny 57 Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC).

Dla różnych usług komunikacyjnych, w tym komunikacji klient/serwer opartej na protokole Manufacturing Messaging Specification (MMS), standard określa protokół Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) do szybkiego przesyłania danych przez sieć i protokół Sampled Values (SV) do szybkiego przekazywania wartości numerycznych w sieci. 

Protokoły działają w podstacjach sieci LAN lub w sieciach TCP/IP z przełączanym szybkim interfejsem Ethernet, aby zapewnić niezbędne czasy reakcji dla systemów zabezpieczeń. Standard obejmuje model Ethernet Open System Interconnection (OSI), protokoły redundancyjne Layer 2, High-availability Seamless Redundancy (HSR) oraz Parallel Redundancy Protocol (PRP).

Ważnym czynnikiem dostępności jest czas wymagany do przywrócenia sprawności po awarii lub przejściu urządzenia w tryb offline z dowolnej przyczyny. Aby redundantna architektura mogła zapewniać poziom dostępności niezbędny dla podstacji elektrycznych, czas przywracania operacji musi być minimalny. Czasy przywracania sieci dla różnych funkcji podstacji, określony przez Grupę Roboczą 10 Komitetu Technicznego 57 IEC wynosi od 100 milisekund (ms) do 0 ms i jest określany płynnym przejściem.

Nawet jeśli głównym celem jest osiągnięcie trwałej komunikacja, rozwiązanie automatyzacyjne musi być zawsze gotowe na pokonanie sytuacji, w których przesył danych jest niewłaściwy lub dojdzie do utraty połączenia. W takich sytuacjach istotne jest wykrywanie wszelkich błędów w architekturze komunikacyjnej i odpowiednie reagowanie.

Oprogramowanie zenon zawiera liczne funkcje pomagające w wykrywaniu usterek komunikacji oraz podejmowaniu środków zapobiegających ich negatywnym skutkom. Sterowniki protokołów w zenon mogą być monitorowane odpowiednio do informacji operacyjnych, takich jak statystyki komunikacji i stany połączeń. Każda zmienna może być monitorowana pod kątem poprawności i stanu na podstawie specyficznych informacji o jej statusie. Na tej podstawie można wykryć anomalie lub zakłócenia. W reakcji na to, personel serwisowy może być informowany za pomocą alarmów lub komunikatów. W poważnych przypadkach możliwe jest także przełączenie procesu w bezpieczny stan.

Oprogramowanie zenon oferuje również natywne funkcje do zasilania informacją punktów danych z różnych źródeł wartości. Zawsze, gdy główne źródło (sterownik) stanie się niewiarygodne, system może przełączyć się automatycznie na alternatywne źródło danych. Może to pomóc w utrzymaniu komunikacji bez przerwy, jeśli drugie źródło danych przekaże odpowiednie wartości. W innym przypadku alternatywne źródło danych może wspomóc kontynuowanie pracy w bezpiecznym stanie produkcyjnym. Decyzja o przełączeniu na alternatywne źródło danych jest przetwarzana przez konfigurowalny algorytm.

Dysponując redundantnym układem obejmującym serwer główny i standby, można korzystać z cennych opcji w przypadku awarii komunikacji. Tryb Rated Redundancy w oprogramowaniu zenon umożliwia ciągłą ocenę „sprawności” bieżącego serwera i serwera standby. Tutaj także można skonfigurować algorytm na postawie różnych wartości i wskaźników pozyskiwanych z platformy systemowej (PC/serwer) lub sterowników. Jeżeli wystąpią jakiekolwiek słabe połączenia z bieżącym serwerem głównym, wciąż możliwe jest skorzystanie z serwera standby. System może wówczas zdecydować o przeprowadzeniu płynnego przejścia na serwer standby. Gdy ten serwer realizuje proces, możliwe jest zbadanie i usunięcie usterek serwera głównego.

Standardy protokołów są bardzo przydatne w dziedzinie automatyzacji energii, nie tylko ze względu na stymulowanie funkcjonalnej innowacji i współpracy między rożnymi urządzeniami a dostawcami. W kontekście trwałej łączności sieciowej, wnoszą one dokładny opis tego, jak powinny zachowywać się konkretne urządzenia końcowe w określonych warunkach. Wszystkie transakcje i stany są jasno zdefiniowane, co pozwala na obserwowanie specyficznych połączeń. Zgodność z konkretnymi standardami, jak DNP3, IEC 60870 lub IEC 61850, jest zatem ważnym warunkiem dla dobrze zarządzanego rozwiązania komunikacyjnego. zenon oferuje obszerne wsparcie tych protokołów. Jego wykorzystanie w różnych zastosowaniach pozwoliło na wprowadzenie licznych ulepszeń. Firma COPA-DATA współpracuje ściśle przy wszystkich powiązanych działaniach w ramach standaryzacji. Sterownik klienta IEC 61850 w oprogramowaniu zenon posiada na przykład certyfikat Edition 2.0 wydany przez TÜV SÜD. Potwierdza to niezawodne działanie sterownika i obsługę funkcji aktualizacji.

Innym ważnym czynnikiem jest cyberbezpieczeństwo. W pierwszej linii stosowane są takie środki jak uwierzytelnianie i szyfrowanie, aby uniemożliwić intruzom narażenie na szwank sieci komunikacyjnej i zakłócenia jej pracy. Innym efektem tych działań jest kontrolowanie integralności danych, sekwencji transakcji i wiarygodności jednostek komunikacyjnych. Na przykład, standard IEC 62351-3 określa wymogi w zakresie bezpieczeństwa między urządzeniami końcowymi dla połączeń bazujących na TCP/IP przez TLS (Transport Layer Security). Z kolei TLS wykorzystuje różne metody kryptograficzne do wymiany kluczy, uwierzytelniania, szyfrowania lub haszowania. Te metody umożliwiają również dokładne sprawdzenie integralności całej komunikacji oraz zapewnienie jej prawidłowego działania. Mechanizmy bezpieczeństwa przyczyniają się do bezpiecznej komunikacji w ramach całego rozwiązania.