Como alcançar uma comunicação de alta disponibilidade com a zenon

A alta disponibilidade é crucial em energia elétrica. Ela garante a entrega contínua de energia e a operação segura de equipamentos. A rede de comunicação deve operar mesmo que um equipamento falhe ou precise ser desligado para trabalho de manutenção. Para garantir a alta disponibilidade, uma arquitetura redundante com vários servidores Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA), que têm diversas interfaces de comunicação de Ethernet, costuma ser usada.

Uma plataforma como a zenon fornece funções avançadas para operação redundante. Os servidores primário e em espera são constantemente sincronizados e mantêm conexão redundante com dispositivos relacionados. No caso de falha descontrolada do servidor primário, o servidor em espera assume sem perda de dados. Também há suporte para cenários preventivos. A “redundância nominal” na zenon possibilita observar métricas específicas dentro do sistema. Se algum valor começa a se desviar para um estado crítico, uma troca controlada pode ser acionada de modo automático. Isso pode ajudar a mitigar ou evitar qualquer estado crítico do sistema.

Hoje, vários padrões de protocolo são discutidos no contexto de soluções de automação e controle no domínio de energia. Devido à sua fácil aplicação em instalações menores, o MODBUS costuma ser usado, e ainda pode ser encontrado, para monitoramento e controle focais e remotos. Com um design universal, o OPC UA também pode ser encontrado em algumas instalações. Porém, a maioria das aplicações e iniciativas de reforma utilizam DNP3, IEC 60870 ou IEC 61850 ou protocolos relacionados. Esses protocolos foram especificamente criados para uso em ambientes de energia críticos, portanto, além de fornecerem modelos de dados e serviços de troca de dados adequados para a aplicação, eles também usam mecanismos bem concebidos no back-end.

Por exemplo, o protocolo DNP3 foi projetado para funcionar em áreas remotas com baixa largura de banda ou perdas de conexão. Um handshake consistente entre o mestre DNP3 e a estação remota DNP3 garante o recebimento adequado de um conjunto de eventos pelo mestre. Só depois a transação é considerada ser bem-sucedida pelos parceiros de comunicação e a estação remota descarta o buffer de envio local. Esse protocolo utiliza os recursos de rede de maneira muito econômica e continua funcionando mesmo com largura de banda limitada.

O exemplo acima indica que protocolos de comunicação, como DNP3, IEC 60870 ou IEC 61850, também podem atuar na resolução do status atual da comunicação. Em um sistema SCADA, é crucial saber se um link de dados ou a qualidade dos dados é ruim, se uma conexão foi perdida ou se o comportamento de um dispositivo não é o esperado.

O modelo OSI (modelo de interconexão de sistemas abertos) caracteriza funções de comunicação em uma pilha de protocolo. Um protocolo é dividido em diferentes camadas funcionais, começando com a configuração física (camada 1) e terminando com a função de aplicativo real (camada 7). As camadas intermediárias lidam com o endereçamento e o roteamento de telegramas únicos e como com a associação de um conjunto de mensagens no contexto de uma sessão de comunicação persistente. A pilha TCP/IP, baseada na física de Ethernet, é uma das mais populares, pois é regularmente usada por aplicativos de Internet clássicos.

Em termos das camadas de protocolo responsáveis pela “orientação” de telegramas pelas diferentes seções da rede de comunicação, há espaço para melhoria com relação à resiliência da troca de dados. Sempre que há vários caminhos possíveis entre o remetente e o destinatário, a interrupção do caminho usado pode ser compensada usando um caminho alternativo. Há diferentes técnicas propostas para lidar com esse problema. O RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol), por exemplo, é capaz de determinar rapidamente um novo caminho pela rede. Em casos de falha de um caminho específico, o caminho alternativo é fornecido rapidamente. O PRP (Parallel Redundancy Protocol) e o protocolo HSR (High-availability Seamless Redundancy) são ambos baseados no conceito de enviar um telegrama duas vezes pela rede. Os telegramas vão por diferentes caminhos físicos. Mesmo no caso de uma interrupção de um caminho, o telegrama ainda alcança seu destino por meio do segundo caminho.

Essas medidas são usadas em normas de protocolo para aplicativos de energia. A IEC 61850 faz referência especificamente aos protocolos PRP e HSR e aprimora a resiliência da comunicação.

A norma IEC 61850, Comunicação e Sistemas para Automação de Companhias Elétricas, estabelece os métodos de comunicação padrão para dispositivos eletrônicos inteligentes (IEDs) conectados por uma rede Ethernet em subestações elétricas. A norma faz parte da arquitetura de referência para sistemas de energia elétrica criada pelo Comitê técnico 57 da International Electrotechnical Commission (IEC).

A norma considera vários serviços de comunicação, incluindo comunicação cliente/servidor baseada no protocolo de Especificação de Mensagens de Fabricação (MMS), no protocolo Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) para a rápida transmissão de dados pela rede e o protocolo de valores amostrados (SV) para transmitir rapidamente valores analógicos pela rede. 

Os protocolos rodam em redes LANs ou TCP/IP da subestação com Ethernet comutada rápida para obter os tempos de resposta necessários para sistemas de proteção. A norma inclui o Ethernet Open System Interconnection (OSI), protocolos de redundância de camada 2, redundância contínua de alta disponibilidade (HSR) e protocolo de redundância paralela (PRP).

O tempo que leva para a recuperação de uma falha ou situação em que um equipamento fica offline por qualquer motivo é importante para a disponibilidade. Para a arquitetura redundante oferece a disponibilidade necessária a subestações elétricas, o tempo de recuperação para restaurar a operação deve ser mínimo. Os tempos de recuperação de rede para várias funções de subestações, conforme compilados pelo Grupo de trabalho 10 do Comitê técnico 57 da IEC, vão de 100 ms a 0 ms (bumpless).

Embora a principal meta seja obter um estado de conectividade permanente, uma solução de automação deve estar preparada para lidar com situações em que os dados transmitidos são “ruins” ou a conexão é perdida. Nesses casos, é essencial detectar qualquer problema de funcionamento na arquitetura de comunicação e reagir de acordo.

A zenon tem várias funções para detectar problemas de funcionamento de comunicação e adotar medidas de proteção contra efeitos negativos. Drivers de protocolo na zenon podem ser monitorados conforme informações operacionais, como estatísticas e estados de comunicação. Cada variável pode ser monitorada quanto à validade ou à integridade conforme as informações de status específicas. Assim, podem-se detectar anomalias ou interrupções e a equipe de manutenção pode ser informada por alarmes específicos ou mensagens diretas. Em casos graves, o processo pode ser enviado a um estado seguro.

A zenon tem uma função nativa para alimentar pontos de dados de diferentes fontes de valor. Quando uma fonte de valor primária (driver) não for confiável, o sistema poderá automaticamente mudar para outra fonte de dados. Assim, a operação não é interrompida se a segunda fonte de dados fornece valores equivalentes; caso contrário, uma fonte de dados alternativa pode dar suporte à continuação em um estado de produção seguro. A mudança para uma fonte de dados alternativa é processada por um algoritmo configurável.

Um layout redundante com servidor primário e servidor em espera pode oferecer opções valiosas em casos de perturbações da comunicação. O modo de redundância nominal na zenon permite a avaliação contínua da “adequação” do seu servidor atual e servidor em espera. O algoritmo de avaliação pode ser configurado com base nos diversos valores e métricas que você obtêm da plataforma do sistema (PC/servidor) ou drivers. Se houver conexões fracas com o servidor primário atual, esse problema poderá não estar presente no servidor em espera. Assim, o sistema pode decidir realizar uma troca contínua para o servidor em espera. Embora esse servidor lidere o processo, qualquer problema de funcionamento no servidor primário anterior pode ser investigado e corrigido.

Os padrões de protocolo são muito úteis em automação de energia, especialmente para estimular a inovação funcional e a interoperabilidade entre diferentes dispositivos e fornecedores. Em rede resiliente, contribuem com uma descrição precisa de como pontos de extremidade em particular se comportarão em uma dada situação. Todas as transações e estados são claramente definidos, permitindo observar conexões específicas. Estar em conformidade com normas em particular, como DNP3, IEC 60870 ou IEC 61850 é, portanto, um pré-requisito importante para uma solução de comunicação bem gerenciada. A zenon oferece o suporte abrangente para esses protocolos. Sua utilização em uma variedade de aplicações levou a diversos aprimoramentos. A COPA-DATA acompanha de perto todas as atividades de padronização relacionadas. O driver do cliente IEC 61850 da zenon, por exemplo, tem certificação Edition 2.0 da TÜV SÜD. Isso confirma que ele funcionará de modo confiável e dará suporte para funções atualizadas.

A cibersegurança é outro aspecto crucial. No primeiro caso, medidas como autenticação e criptografia são aplicadas para impedir invasores de comprometer e perturbar a rede de comunicação. Outro efeito de algumas dessas medidas é verificar a integridade dos dados, as sequências de transação e a autenticidade das entidades de comunicação. A norma IEC 62351-3 standard, por exemplo, especifica os requisitos em termos da segurança completa para conexões baseadas em TCP/IP via TLS (Transport Layer Security). Por sua vez, o TLS usa diversos métodos criptográficos para troca de chaves, autenticação, criptografia ou hashing. Esses métodos também permitem verificações detalhadas da integridade da comunicação geral e oferecem uma maneira de garantir que ela ocorra corretamente. Os mecanismos de segurança contribuirão para a comunicação confiável dentro da sua solução geral.