Сетевые коммуникации для интеллектуальных электросетей должны обладать высокой степенью надежности и детерминированности. Поскольку такие сети должны быть стойкими к отказам на уровне узла, канала или отдельной точки, для реализации этих сетей группа стандартизации IEC учредила стандарт IEC 62439, подтверждающий степень отказоустойчивости и надежности сети связи. Множество новых решений на базе интеллектуальных сетей, в частности для автоматизированного оборудования передающих и распределительных подстанций, обеспечивает двухточечную связь с помощью совместимых с IEC 61850 интеллектуальных электронных устройств, например промышленных коммутаторов и реле защиты. IEC 61850 через Ethernet быстро становится основным стандартом для построения коммуникационного оборудования подстанций и систем автоматики. Однако стандарт IEC61850 неограничиваетсяприложениями для интеллектуальных сетей, а используется везде, где возможные остановки или простои производства снижают его эффективность. Чтобы обеспечить отказоустойчивые коммуникации, необходимы надежные сетевые топологии сбесшовными параллельнымрезервированиемна базе протокола точного времени (precision time protocol, PTP) длясинхронизациичасов по компьютерной сети. Примерами таких сетей являются автоматизированные системыуправленияпроизводством.

Коммуникационные топологии на базе стандарта IEC 62439

На рисунке 1 представлена схема реализации протокола параллельного резервирования (Parallel Redundancy Protocol, PRP), который описан в разделе 4 стандарта IEC 62439. Предполагается, что две сети являются независимыми с точки зрения возникновения отказов. Узел назначения всегда принимает, по крайней мере, один пакет при условии работы хотя бы одной из двух сетей. Узел назначения должен обнаруживать дублирование пакетов и исключать второй пакет при его появлении, гарантируя доставку только одного пакета с исходным содержимым. Это обеспечивает нулевое время восстановления в случае одиночного отказа, в результате чего исключается потеря кадров. Недостатком протокола PRP является то, что стоимость сети удваивается по сравнению с одиночной сетью без резервирования. Это делает его более дорогим в реализации, чем другие протоколы с резервированием, которые мы рассмотрим далее. На рисунке 2 представлена схема протокола бесшовного резервирования (High-Availability Seamless Redundancy, HSR), который описан в разделе 5 стандарта IEC 62439. Типовой топологией HSR-сети является кольцо. Узел-источник дублирует все отправляемые кадры и пересылает их в пункт назначения с помощью двух разных каналов. Если один из каналов прерывается из-за отказа в канале или узле, кадры обязательно достигают пункта назначения. Конечные узлы имеют два внешних порта Ethernet для подключения к одному кольцу HSR. Они могут также иметь один или более дополнительных Ethernet-портов, чтобы, например, обеспечить доступ к сети для сервисного обслуживания. При пересылке кадров конечный узел отправляет в сеть две копии каждого кадра, по одному в каждом направлении кольца. При приеме кадра узлы соглашаются на прием первой копии и отказываются от приема второй копии, исключая, таким образом, дублирование кадров. Примерами конечных сетевых узлов являются интеллектуальные датчики, видеокамеры и системы автоматики подстанций, объединяющие устройства. RedBox (от Redundancy Box) представляет собой модуль с тремя внешними портами Ethernet: два из них подключены к HSR-кольцу, а третий является обычным Ethernet-портом. Модули RedBox используются для соединения не-HSR узлов и не-HSR сетевых сегментов к HSR-кольцу. Ими могут быть, например, обычные коммутаторы и компьютеры Ethernet. При пересылке кадров в кольцо модуль RedBox дублирует каждый кадр и отправляет две копии в кольцо, каждый в своем направлении. При пересылке кадров из кольца модуль RedBox отправляет первую копию и удаляет ту, которая приходит позже. В настоящее время, вероятно, HSR- кольцо является наиболее эффективным отказоустойчивым методом Ethernet-связи. HSR-сеть, подобно PRP-сети, пересылает резервные пакеты, однако, в отличие от PRP, в кольцевой топологии отсутствует необходимость в дублировании кабелей или коммутаторов. Это делает HSR-кольцо намного более эффективным с экономической точки зрения, чем использование двух локальных сетей PRP. По сравнению с быстрым протоколом связующего дерева (Rapid Spanning Tree Protocol, RSTP), преимуществом HSR является нулевое время восстановления — единичный сетевой отказ в кольце не приведет к потере кадров; время восстановления для протокола RSTP не соответствует требованиям всех приложений.

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Реализация отказоустойчивой сети связи

Как обеспечить выполнение требований всех упомянутых выше стандартов, сохранив гибкость и готовность системы к возможным изменениям, а также избежав недостаточной производительности? Одним из методов является использование ПЛИС в сочетании с ARM-подсистемой и специализированными IP-блоками, отвечающих аппаратным требованиям этих коммуникационных стандартов. Например, СнК Cyclone V от Altera прекрасно подходит для этих приложений. Это устройство содержит одно или два процессорных ядра ARM Cortex-A9, работающих на частоте 800 МГц, и другую аппаратнореализованную периферию, в т.ч. встроенную флэш-память, ОЗУ, кэш-память, порты ввода-вывода общего назначения (GPIO) и порты связи. Коммутирующая матрица ПЛИС обеспечивает интеграцию, повышение производительности и дальнейшую модернизацию. Используя такой подход, нетрудно модернизировать существующий проект или уже установленную систему при изменении протоколов PRP/HSR. Кроме того, можно реализовать коммуникации с резервированием среды передачи в режиме реального времени. Упрощается также поддержка, и расширяются возможности подключения к интерфейсам внешнего ввода-вывода. Например, компания Flexibilis, специализирующаяся на создании коммуникационных систем для решения критически важных задач, разработала IP-ядро ПЛИС, которое интегрируется в конечный продукт без внешнего коммутатора (см. рис. 3). IP-ядро Flexibilis Redundant Switch (FRS) представляет собой трехскоростной (10/100/1000 Мбит/с) Ethernet-коммутатор уровня 2, который поддерживает новые протоколы, обеспечивая бесшовное резервирование для сетей Ethernet. Коммутатор FRS совместим с протоколами HSR и PRP стандарта IEC 62439-3. Коммутатор FRS также поддерживает функционал протокола PTP для синхронизации сетевых часов согласно стандарту IEEE1588v2. Коммутатор FRS специально предназначен для использования в ПЛИС. Ключевой особенностью коммутатора является то, что у него имеется возможность расширения с трех до восьми портов без помощи отдельных модулей RedBox. Все порты обеспечивают полнодуплексную связь 1000 Мбит/с (GMII1) и 10/100 Мбит/с (MII2). Коммутатор поддерживает пересылку пакетов со скоростью среды передачи данных, неблокирующие режимы работы, надежные операции передачи данных с промежуточным хранением и проверкой их целостности, а также обеспечивает совместимость с протоколом PTP в соответствии с IEEE 1588. IP-блок в ПЛИС Altera Cyclone V или СнК Cyclone V оснащен PRP/HSR- коммутатором и другими системными функциями, что позволяет экономить время на разработку и интеграцию, а также снижает риски. Еще одним существенным преимуществом комбинированного решения компаний Altera и Flexibilis является упразднение внешнего коммутатора, поскольку каждый узел HSR поддерживает множество Ethernet-соединений (два — для кольца и одно или более — для дополнительных сервисных портов). FRS — это коммутатор уровня 2, который поддерживает HSR/PRP, что означает наличие двух портов с резервированием и до шести обычных портов Ethernet- коммутаторов. Таким образом, конечный узел/интеллектуальное устройство можно использовать не только в режиме HSR/PRP, но и в режиме работы обычного коммутатора. Другим ключевым требованием для промышленных систем является ремонтопригодность и продолжительный срок службы компонентов, используемых в системе, что выходит за пределы обеспечения надежности и требует решений, гарантирующих долговечность изделия. Возможность переконфигурирования и модернизации системы (либо в процессе производства, либо на стадии разработки) является критически важной, особенно когда соответствующие стандарты претерпевают изменения (к примеру, стандарт IEC 62351). ПЛИС позволяют смягчить эту проблему, обеспечивая масштабирование и переконфигурирование при модернизации решения, которая не ограничивается только изменением программного обеспечения. В настоящее время рынок промышленных и интеллектуальных энергосберегающих систем активно наполняется новыми изделиями. Поддержка коммуникационных стандартов уже не является фактором, определяющим ключевую особенность определенного изделия. Учитывая прогресс в развитии промышленных сетей Ethernet, от исполнительных устройств и платформ требуется поддержка всех основных действующих промышленных стандартов. Даже ключевые компании, которые уже создали собственные решения на базе промышленного Ethernet, сокращают объем работ, связанных с поддержкой своих фирменных систем. Средства связи представляют собой самостоятельный продукт и дополнительно не увеличивают ценностную значимость изделия. Итак, стандарты HSR/PRP можно использовать не только в интеллектуальных электросетях. При разработке новых решений следует в целях повышения отказоустойчивости и надежности систем связи предусматривать возможность реализации стандартов промышленного Ethernet для систем реального времени на базе HSR/PRP.