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IEC 62439-3 HSR Y PRP: PROTOCOLOS PARA REDES ETHERNET REDUNDANTES

Introducción

La utilización de redes de comunicación basadas en Ethernet para aplicaciones de control y automatización industrial está cada vez más extendida. El concepto “Real-Time” en automática implica una respuesta a eventos o a señales en un tiempo predecible tras su ocurrencia. Por ejemplo, lazos de control digitales rápidos pueden exigir tiempos de reacción menores que 10 us. Los protocolos “Real-Time Ethernet”, tales como Sercos II y Ethercat, disponen mecanismos para procesamiento de tramas Ethernet “on-the-fly” y sistemas de sincronización avanzados para ofrecer relojes locales precisos de forma que se aseguren los tiempos de respuestas requeridos en topologías de red cerradas. En los sistemas  “Real-Time Ethernet” es común utilizar protocolos de nivel superior (OSI Layer 3 y OSI Layer 4) para establecer canales de comunicación entre dispositivos y para gestionar la red. Sin embargo, técnicamente es deseable intercambiar el grueso de la información en nivel OSI Layer 2 (tramas Ethernet en este caso). De esta forma, el aprovechamiento del ancho de banda es mayor y sobre todo, se puede obtener un comportamiento de la red mucho más determinista gracias a la posibilidad de realizar un procesamiento hardware de tramas.

 

La automatización de sistemas industriales heterogéneos, tales como las Subestaciones Eléctricas, o distribuidos, como las infraestructuras inteligentes de generación y distribución de energía (“Smart Grids”) hace surgir nuevos requisitos que deben ser afrontados mediante protocolos de comunicación adecuadamente diseñados, consensuados y normalizados.

El estándar para Automatización de Subestaciones Eléctricas IEC 61850 usa como elementos básicos de comunicación el modelo de control denominado Generic Object Oriented Substation Events (GOOSE). Este modelo usa directamente mensajes a nivel OSI Layer 2 (Ethernet) y permite asegurar la interoperabilidad entre distintos fabricantes de equipos para el sector.

La utilización directa de mensajes en Layer 2, ofrece importantes ventajas tal y como se ha presentado anteriormente. Sin embargo, se carece de un mecanismo de confirmación de recepción de paquete tal y como los protocolos de nivel superior (eg: TCP/IP) ofrecen.

Esta incertidumbre puede ser más acusada al trasladar el concepto de control distribuido en la generación de energía para “SmartGrids” utilizando infraestructuras de telecomunicaciones ofrecidas por operadores independientes.

En este contexto se ha elaborado el estándar para Redes Ethernet Industriales Fiables, IEC 62439-3, actualmente publicado en su segunda edición. Los dos estándares contemplados en el mismo son Parallel Redundancy Protocol (PRP)  y High-availability Seamless Redundancy (HSR). Ambos ofrecen: tiempo cero de recuperación en caso de fallo en uno de los equipos de la red, cero tramas perdidas y un robusto mecanismo de monitorización y control de la red gestionado de forma automática por todos los nodos.

Estas tres características hacen de estos protocolos perfectos candidatos para su ampliación en la automatización del sistema eléctrico. Pero cabe destacar, que a su vez son excelentes candidatos para ser utilizados como protocolos Layer 2 en diversos sectores tales como transporte, automoción o automatización de plantas.           

 

IEC 62439-3 HSR y PRP

Un equipo para que opere con el protocolo PRP requiere dos puertos  Ethernet. Cada puerto está conectado a dos redes Ethernet independientes y convencionales (LAN A y LAN B en la Figura 1). Los nodos PRP se denominan Dual Attached Nodes (DANs). Los dos puertos envían las tramas Ethernet redundadas por ambas redes, incluyendo la información necesaria para asegurar el adecuado tratamiento de las mismas (número de secuencia, identificadores de redundancia, etc.). En un estado libre de errores,  los nodos destino consumen la primera trama recibida y descartar la
duplicados. En caso de un fallo en una de las redes, se sigue manteniendo la comunicación por la segunda. Las tramas PRP pueden circular por la infraestructura de red Ethernet convencional.

Los equipos identificados como Single Attached Nodes (SANs) en el diagrama son equipos con conexión Ethernet no redundada. Por ejemplo, ordenadores, impresoras, etc. Aunque estos equipos pueden seguir funcionando de la forma habitual, si se desea dotar de redundancia a los mismos, es necesario utilizar un equipo de adaptación denominado RedBox que gestiona los protocolos redundantes. Un equipo SAN conectado a una red LAN con acceso redundante mediante RedBox se denomina Virtual-DAN (VDAN). 

HSR ofrece redundancia enviando los paquetes en las dos direcciones de un anillo Ethernet. Al igual que los equipos PRP, los equipos HSR también deben disponer de dos puertos Ethernet. En este caso, los nodos se denominan  Doubly Attached Bridging Nodes HSR capable (DANHs). Los nodos DANHs además de gestionar la eliminación de tramas redundadas y la emisión de tramas de supervisión, deben realizar el forwarding de las tramas que no sean destinatarios. Cada equipo se convierte en un switch de la red. Los tiempos de latencia fijados en el estándar para la retransmisión de tramas es muy exigente (cut-through, la información específica HSR se sitúa al inicio de la trama Ethernet. Por este motivo,  a diferencia de PRP, las tramas HSR no pueden ser retransmitidas por equipos Ethernet convencionales. HSR puede funcionar en modo Unicast o modo Multicast. En la Figura 2 se representa un transmisión de trama Multicast que retransmitida por todos los puertos Interlink hacia las CPUs de los DANHs.

 

Caso de uso: Automatización de Subestaciones Eléctricas

Tanto HSR como PRP ofrecen mecanismos robustos de redundancia. Sin embargo, su campo de aplicación óptimo es diferente. Por tanto, las implementaciones planteadas combinan ambos.

La interconexión entre PRP y HSR se realiza utilizando los equipos denominados QuadBoxes, siempre por parejas con el fin de evitar los puntos singulares de fallo.

 

Solucion HSR/PRP switch ip de SoCe

La empresa System-on-Chip engineering (SoCe) ha sido pionera a nivel mundial en ofrecer la solución para HSR y PRP en un único dispositivo electrónico listo para ser incorporado en cualquier placa electrónica con CPU dotada de comunicación Ethernet. El IP core HSR/PRP switch implementado en una FPGA de bajo coste de Xilinx (eg. Spartan-6)  ofrece tres puertos de comunicación Ethernet (MII, RMII, GMII o RGMII). Dos de ellos son los puertos redundantes, y el tercero, sirve como conexión a la CPU de la placa (para construir un DAN) o a un switch Ethernet (para construir un RedBox). La lógica implementada en el chip se encarga de toda la gestión de la redundancia (duplicados, filtrado, buffers, supervisión, tablas Proxy, etc.) ofreciendo a la CPU una comunicación Ethernet convencional lo que permite disfrutar de las ventajas ofrecidas por redundancia sin necesidad de realizar modificaciones en el software desarrollado o cargar a la CPU con más protocolos de comunicación. El mismo IP funciona en HSR o PRP mediante la selección en registro de control.

Además de la mencionada configuración básica de tres puertos, el IP puede escalarse a más puertos o incluir: la gestión de prioridades VLAN,  Fast Ethernet o Gigabit Ehternet, IEEE 1588 Transparent Clock e Hybrid Clock. Además, gracias a la utilización de tecnología reconfigurable puede adaptarse a necesidades específicas del cliente. Recientemente se ha presentado la versión del core para el nuevo dispositivo Zynq SoC de Xilinx. Esta plataforma que incluye en el silicio un procesador doble core ARM9 junto sus periféricos y una FPGA de alta capacidad. En este contexto, la conexión Ethernet convencional se realiza internamente del IP al ARM-9.

SoCe, junto con el HSR/PRP switch IP, ofrece un conjunto de soluciones para facilitar la incorporación de estas tecnologías. El módulo NEToem, que en un tamaño de tan solo 50x35mm incorpora una FPGA Spartan-6 LX45, memorias LPDDR y Flash y cuatro phyters Fast Ethernet en rango Industrial de Temperatura. El sistema de desarrollo    NETbox, que incorpora 6 bocas Ethernet, pantalla gráfica OLED y sistema de depuración integrado. La herramienta de análisis EHIZtari. Diseños de referencia y un porfolio de 3 IP cores IEEE 1588 para sincronización de sistemas.

En resumen, HSR y PPR ofrecen una solución fácil de integrar y con interoperabilidad asegurada entre fabricante para redes de comunicación en sistemas críticos. Las soluciones ofrecidas por SoCe combinadas con la flexibilidad y accesibilidad de los dispositivos reconfigurables de Xilinx aseguran un reducido time-to-market de productos con un gran valor añadido.



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