Älykkään sähköverkon eli smart gridin tietoliikenteen täytyy olla hyvin luotettavaa, hyvin vakaata ja pitkälle determinististä. Verkon pitää kestää solmun (node), fyysisen linkin ja yksittäisten pisteiden kaatuminen. Turvan takaa IEC 62439 -standardi.

Artikkelin kirjoittaja Stefano Zammattio tuli Alteran palvelukseen vuonna 2004. Hän vastaa yhtiön tuotemarkkinoinnista Euroopassa. Stefanon vastuulla on sulautettujen tuotteiden ryhmä ja hän on erikoistunut Nios II -prosessoriin, Alteran SoC-piireihin ja niihin liittyviin työkaluihin. Hänellä on sekä fysiikan että lääketieteen elektroniikan tutkinnot.

Monissa uusissa älykkään sähköverkon (smart grid) toteutuksissa kuten siirtoasemien ja jakelumuuntajien automaatiolaitteissa tietoliikenne on toteutettu IEC 61850 -standardiin pohjaavilla laitteilla, kuten teollisuuskytkimillä ja suojareleillä. IEC 61850 -yhteyksistä yli ethernetin on nopeaa vauhtia tulossa sähkökeskusten ja jakeluasemien automaatiosuunnittelun selkäranka.

IEC 61850 ei ole rajattu vain smart grid -sovelluksiin, vaan se sopii kaikkialle missä tuotanto voi pysähtyä tai linjan pysähtyminen vaikuttaa tuotantoon. Korkean käytettävyyden (high-availability) ja redundanttisen tai rinnakkaisen redundanttisen topologian käyttö yhdessä PTP-kellosynkronoinnin kanssa vaativat hyvin joustavaa tietoliikennettä. Esimerkit löytyvät teollisuus- ja tuotantoautomaation järjestelmistä.

IEC 62439 -standardiin pohjaavat tietoliikennetopologiat

Standardin lauseke 4 määrittelee PRP-protokollan (Parallel Redundancy Protocol), joka on esitetty allaolevassa kuvassa.

Kuva 1 - PRP-verkkotopologia tukiasemineen

Kuvan kaksi verkkoa toimivat toisistaan riippumatta. Päätesolmu (destination node) vastaanottaa aina ainakin yhden datapaketin, kunhan toinen verkoista on toiminnassa. Päätesolmun täytyy havaita pakettien kahdentaminen ja jättää toinen paketti huomiotta, jotta vain yksi samansisältöinen datapaketti pääsee perille. Tämä palauttaa verkon välittömästi toimintaan yksittäisen osan kaatuessa, joten yhtään datakehystä (frame) ei menetetä.

PRP:n huono puoli on se, että yksiosaiseen ei-reduntanttiseen verkkoon verrattuna sen kustannukset ovat kaksinkertaiset. PRP:n käyttöönotto maksaa siis enemmän kuin muiden protokollien.

IEC 64239- standardin lauseke 5 kuvaa korkean käytettävyyden saumatonta redundanssia (HSR, High-Availability Seamless Redundancy), joka on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2 – HSR-verkkotopologia

Tyypillinen HSR-topogia on rengasmallinen. Lähettävä solmu kahdentaa kaikki lähetettävät datakehykset ja lähettää ne kahta eri reittiä pitkin kohteeseensa. Jos jompikumpi poluista katkeaa, joko linkin tai solmun kaatumisen takia, kehykset pääsevät silti loppupäähän. Kohdesolmuissa on kaksi ulkoista Ethernet-porttia HSR-renkaaseen liittymistä varten. Niissä voi olla myös yksi tai kaksi ylimääräistä Ethernet-liitäntää esimerkiksi ylläpitoyhteyttä varten. Datakehyksiä lähettäessään loppusolmu lähettää kaksi kopiota kustakin kehyksestä verkkoon, yhden renkaan molempiin suuntiin. Kun ensimmäinen kehys vastaanotetaan, vain se hyväksytään. Toinen sivuutetaan, joten kopioita kehyksistä ei jää. Esimerkkejä tällaisista loppusolmuista ovat vaikkapa kamerat tai jakeluaseman automaation liitäntäyksiköt.

”RedBox” (reduntanttinen laatikko) on yksikkö, jossa on kolme ulkoista Ethernet-porttia. Kaksi porteista on liitetty HSR-renkaaseen ja yksi on perinteinen Ethernet-liitäntä. Redboxeja käytetään ei-HSR-solmujen ja -verkon osien liittämiseen HSR-renkaaseen. Tämä tarkoittaa esimerkiksi tavallisia Ethernet-kytkimiä ja tietokoneita. Lähettäessän datakehyksiä renkaaseen Redbox kahdentaa jokaisen kehyksen ja lähettää kaksi kopiota niistä renkaaseen, yhden molempiin suuntiin. Lähettäessään renkaasta tulevia kehyksiä edelleen RedBox lähettä vain ensimmäisen kopion ja hävittää myöhemmin saapuvan.

Tällä hetkellä HSR-rengas on todennäköisesti kaikkein tehokkain korkean käytettävyyden Ethernet-rakenne. HSR muistuttaa PRP-protokollaa lähettäessään kahdennettuja paketteja, mutta toisin kuin PRP:ssä, rengastopologiassa ei tarvita kahdennuskaapeleita tai -kytkimiä. Tämän takia HRS-rengas on paljon edullisempi ratkaisu kuin kahden paikallisverkon edellyttävä PRP.

RSTP-protokollaan (Rapid Spanning Tree Protocol) verrattuna HRS:n etuna on välitön palautuminen – yksi verkkovika renkaassa ei johda menetettyihin datakehyksiin. RSTP:n palautumisajat (recovery times) eivät yksinkertaisesti ole hyväksyttäviä kaikissa sovelluksissa.

Korkean käytettävyyden tietoliikenteen toteuttaminen

Kuinka eri standardit tulisi mukauttaa ja ottaa huomioon siten, että verkon muutokset ovat joustavia tulevaisuudessa, eikä suorituskykyyn luoda pullonkauloja? Yksi yksinkertainen ratkaisu on käyttää FPGA-piiriä yhdistettynä ARM-alijärjestelmään siten, että tietoliikennestandardin vaatima laitteisto on toteutettu erillisellä IP-lohkolla.

Esimerkiksi Alteran Cyclone V -järjestelmäpiiri sopii tällaisiin sovelluksiin erittäin hyvin. Piirillä on kaksi ARM Cortex-A9-ydintä, jotka operoivat 800 megahertsin kellotaajuudella. Oheislaitteisiin kuuluvat sulautettu flash, RAM-muistia välimuistit, GPIO-väylät ja tietoliikenneportit. FPGA-matriisi tarjoaa mahdollisuuksia integrointiin, suorituskyvyn kiihdyttämiseen ja päivitettävyyteen.

FPGA:n myötä olemassa olevia suunnitteluja tai jo asennettuja järjestelmiä on helppo kehittää muuttuvien PRP/HSR-protokollastandardien myötä. Ulkoisten I/O-liitäntöjen lisääminen on helposti hallittavissa ja laajennettavissa. Esimerkiksi kriittiseen tietoliikenteeseen keskittynyt Flexibilis on kehittänyt FPGA:lle IP-ytimen, joka voidaan integroida lopputuotteen suunnitteluun ilman ulkoista kytkintä.

Kuva 3 – Flexibilisin kytkin-IP:n käyttäminen

Flexibilisin FRS-kytkin (Flexibilis Redundant Switch) on IP-lohkona integroitava kolminopeuksinen (10Mbps/100Mbps/1Gbps) Ethernet Layer-2 -kytkin, joka tukee uusia protokollia ja tuo Ethernet-verkkoon saumattoman redundanssin. FRS on yhteensopiva HSR- ja PRP-protokollien kanssa. Kytkin sisältää myös IEEE1588v2-määritysten mukaisen kellotoiminnallisuuden. FRS on nimenomaan suunniteltu käytettäviksi FPGA-piireissä.

Kytkimen keskeinen ominaisuus on sen skaalautuvuus kolmesta kahdeksaan porttiin ilman, että tarvitaan erillisiä RedBoxeja. Se toimii kaksisuuntaisesti (full-duplex) 1000 megabittisekunnin GMII1-liitäntään ja 10/100 megabittisekunnin MII2-liitäntään asti kaikissa porteissa. Se tukee esimerkiksi pakettien edelleen lähettämistä linkin fyysisellä nopeudella (wire-speed) ja luotettavaa tallenna-ja-edelleenlähetä -operaatiota dataneheyden tarkistamisen kera. Lisäksi kytkin tukee IEEE1588 PTP-kellomäärityksiä (Precision Time Protocol).

IP-lohko integroi PRP/HSR-kytkimen muihin järjestelmätoimintoihin Alteran Cyclone V -FPGA-piirillä tai Cyclone V -järjestelmäpiirillä. Tämä säästää kehitys- ja integrointityöhön kuluvaa aikaa. Yksi merkittävä lisäetu Altera/Flexibilis-ratkaisussa on ulkoisen kytkimen välttäminen, koska jokainen HSR-solmu tukee useita Ethernet-yhteyksiä (2 renkaalle ja 1 tai useampi ylimääräisille porteille). FRS on kerroksen 2 kytkin, mikä tarkoittaa, että redundantteja portteja on kaksi ja Ethernet-kytkinportteja jopa kuusi. Niinpä päätesolmua voidaan käyttää sekä HSR/PRP-yhteyksiin että standardeihin kytkentöihin.

Tärkeä ominaisuus teollisuuden järjestelmiä suunniteltaessa on ylläpidettävyys ja käytettyjen komponenttien pitkäikäisyys. Ratkaisu pitää toimittaa tuotteen koko elinkaaren ajaksi. Mahdollisuus rekonfiguroida ja päivittää tuotteita (niin tuotannossa kuin tuotekehityksessäkin) on erittäin tärkeä erityisesti, kun tärkeät standardit muuttuvat ja kehittyvät ajan myötä (esim. IEC 62351). FPGA-piirit auttavat ratkaisemaan tätä ongelmaa tuodessaan skaalattavuuden ja uudelleen konfiguroinnin tuotepäivitysten toteutukseen. Kyse on paljon enemmästä kuin yksinkertaisesta ohjelmistomuutoksesta piirillä.

Teollisuudessa ja älykkäässä energiassa on käynnissä suuri komponenttien vakioituminen (commoditization). Jonkin tietoliikennestandardin tukeminen ei enää erottele tuotteita millään tavalla. Teollisuuden Ethernet-ratkaisuissa laitteiden ja alustojen täytyy tukea kaikkia keskeisiä alueella hyödynnettäviä standardeja. Jopa omia Ethernet-ratkaisujaan kehittäneet yritykset ovat vähentämässä panostuksiaan omien ratkaisujesa ylläpitämiseksi. Tietoliikenne on yleisominaisuus, jonka avulla kukaan ei erottaudu kilpailijoistaan.

HSR/PRP-standardeja voidaan käyttää myös muualla teollisuudessa kuin Smart grid -sähköverkossa. Teollisuuden reaaliaikaisten Ethernet-standardien yhdistämista HSR/PRP-prokolliin kannattaa pohtia käytettävyyden ja luotettavuuden takia.