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Redundante Steuerungskonzepte

Doppelt genäht hält besser

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Mit der Integration der Kommunikationsprozessoren der Scalance RNA-Reihe führt Siemens erstmals eine Lösung im Portfolio, um PRP-Funktionalität in die Steuerung zu integrieren. Der Einsatz externer Switches wird somit überflüssig. Bild: Siemens

Höhere Sicherheit durch parallele Netzwerkauslegung

Aber auch das Netzwerk zwischen den Teilnehmern darf nicht ausfallen. Wie erwähnt besteht in vielen Anlagen die Forderung, dass auch im Fehlerfall keine Unterbrechung der Kommunikationswege auftreten darf. Die Kommunikation muss also ’stoßfrei‘ weiter funktionieren. Analog zur Jeansnaht der werden dazu die Kommunikationswege doppelt ausgelegt. Das bedeutet, es werden zwei physikalisch getrennte Netze – LAN ‚A‘ und LAN ‚B‘ – zwischen den Geräten aufgebaut. Der Sender überträgt das Telegramm über zwei unabhängige Schnittstellen gleichzeitig auf beide Netze. Das Redundanzprotokoll des Empfängers sorgt dann dafür, dass nur eines der beiden Telegramme durchgeleitet wird. Wenn nur ein Telegramm ankommt, ‚weiß‘ der Empfänger, dass es auf der anderen Datenleitung zu einem Ausfall kam und kann dieses entsprechend weitermelden. Die Endgeräte in einem Netzwerk müssen dazu allerdings das Parallel Redundancy Protocol (PRP) unterstützen.

PRP ist als allgemein gültiger Standard in der IEC 62439-3 und seit dem Jahr 2012 in der beschriebenen Funktion verfügbar: PRP verwendet zwei unabhängige Netzwerke mit beliebiger Topologie und unterschiedlichen Strukturen. Die Geräte im Netzwerk können das PRP-Protokoll nicht auswerten, nur Sender und Empfänger können die entsprechenden Informationen verarbeiten. Durch die Dopplung der Telegramme im Netz liegt der große Vorteil von PRP in der Nutzung von parallelen Übertragungswegen, um Umschaltzeit im Fehlerfall zu vermeiden. PRP bietet somit die höchstmögliche Verfügbarkeit – solange nicht beide Netzwerke gleichzeitig Ausfälle zeigen. Zur Erfüllung dieser Anforderung nach paralleler Datenübertragung bietet der Münchner Technologiekonzern unter dem Begriff ‚Redundant Network Access‘ (RNA) mehrere Produkte an, die unter anderem auch das PRP-Protokoll unterstützen:

  • Scalance X204 RNA: Ein managed Switch zum Anschluss von bis zu zwei nicht PRP-fähigen Endgeräten oder Netzsegmenten an zwei parallele Netze
  • Scalance X204 RNA EEC mit der gleichen Funktionalität wie Scalance X204 RNA, jedoch zusätzlich der Möglichkeit eines optischen Anschlusses
  • Ruggedcom RS950: Ein robuster Switch zum Anschluss von nicht PRP-fähigen Endgeräten oder Netzsegmenten an zwei parallelen Netzen
  • Simatic Net Softnet-IE RNA: Software zum Anschluss eines PC an zwei parallele Netzwerke mittels PRP-Protokoll
  • Simatic Net CP 443-1 RNA: Ein aktueller Kommunikationsprozessor zur Anbindung einer Simatic-Station S7-400 oder S7-400H an zwei parallele Netzwerke mittels PRP-Protokoll
  • Siprotec-Multifunktionsgeräte konzipiert für den Schutz, die Automatisierung, Messung und Überwachung von Hoch- und Mittelspannungsnetzen. Sie ermöglichen unter anderem eine redundante Datenübertragung im Netzwerk mittels PRP-Protokoll

Anbindung der Steuerung an ein PRP-fähiges Netzwerk

Zusammen mit dem Kommunikationsprozessor können die Steuerungen damit auch direkt an ein paralleles Netzwerk mit Unterstützung des PRP-Protokolls angebunden werden. Die bisherige Lösung des Technologieanbieters sah vor, dass der Steuerung eine sogenannte Redbox – zum Beispiel ein industrietauglicher managed Switch – vorgeschaltet war. Steuerung und Redbox wurden dann mit einer Stichleitung verbunden. Diese Stichleitung konnte nicht redundant ausgelegt werden. Beim Ausfall der Stichleitung wäre damit die Station nicht mehr erreichbar. Mit Einsatz des aktuellen Kommunikationsprozessors CP 443-1 RNA in der Steuerung konnte diese Lücke geschlossen werden: Die Lösung ermöglicht Netzredundanz ohne Rekonfigurationszeit sowie Stationsredundanz mit den standardmäßigen Rekonfigurationszeiten eines H-Systems, die unter 100 Millisekunden liegen.

Redundanz auf kritische Komponenten beschränken

Bei kritischen oder zeitkritischen Prozessen können Anlagenstillstände oder Produktionsausfälle von nur wenigen Stunden bereits hohe Kosten verursachen. Wegen der höheren Investitionskosten bei PRP sollte nur der Teil des Netzwerks redundant ausgelegt werden, der für die Kommunikation bei kritischen Prozessen genutzt wird, also für Anlagenteile, in denen

  • ein Produktionsausfall von wenigen Stunden hohe wirtschaftliche Schäden nach sich ziehen könnte.
  • kritische, zeitaufwendige Prozesse gefahren werden, die nicht unterbrochen werden dürfen
  • das Personal Schaden nehmen könnte, wenn die Automatisierung ausfällt

Auf diese Weise kann der gezielte Einsatz von redundante PRP-System eine wirtschaftliche Lösung für Anlagen darstellen, bei denen Hochverfügbarkeit oder Ausfallsicherheit unabdingbar sind.


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