„Das HSR-Verfahren ermöglicht eine stoßfreie Rekonfigurierung des Netzes.“  Michael Kasper

„Das HSR-Verfahren ermöglicht eine stoßfreie Rekonfigurierung des Netzes.“ Michael KasperRedaktion IEE/Renate Schildheuer

Lassen Sie uns mit der Frage nach dem Warum beginnen. Warum brauchen wir ein neues Redundanzprotokoll? Welche Probleme gab es zu lösen?

Bei Redundanzverfahren geht es darum, die Netze nach einem Fehlerfall möglichst schnell wieder zum Laufen zu bekommen – zu rekonfigurieren. Die Redundanzverfahren aus dem Office-Bereich sind für Industrie-Applikationen aber zu langsam. Deswegen haben sich Konfigurationsmechanismen entwickelt – die auch standardisiert sind –, die eine schnellere Rekonfiguration ermöglichen. In der Vergangenheit waren Rekonfigurationszeiten von 200 bis 300 ms die Regel. Aber es gibt Prozesse, die noch schnellere Zeiten brauchen. Und dafür ist das neue Redundanzverfahren, das HSR, das High-Availability-Seamless-Reduncancy-Protokoll, entstanden. Das ermöglicht eine stoßfreie, also praktisch verzögerungsfreie ­Rekonfigurierung des Netzes.

Und wie funktioniert das?

Ethernet kommt ja grundsätzlich von der Linienstruktur. Der Ring ist also eigentlich kein Ring, sondern eine Linie, deren Enden an eine verbindende Komponente angeschlossen werden. Bei bisherigen Redundanzverfahren befand sich an dieser Stelle ein sogenannter Redundanzmanager: Parallel zum normalen Datentelegramm schickt dieser ein Testdiagramm durchs Netz. Kommt das Testdiagramm beim Redundanzmanager wieder an, ist die Linie intakt. Bleibt das Testdiagramm hingegen aus, so ist eine aktive Netzwerkkomponente ausgefallen oder die Leitung unterbrochen. In diesem Fall hat der Redundanzmanager die beiden Enden zusammengeschaltet, sodass die durch die Störung entstandenen Teilsegmente wieder eine Linie werden. Und das hat eine gewisse Zeit gedauert.

„Falls auf dem einen Weg etwas passiert, läuft parallel dazu schon das zweite Telegramm.“  Michael Kasper

„Falls auf dem einen Weg etwas passiert, läuft parallel dazu schon das zweite Telegramm.“ Michael KasperRedaktion IEE/Renate Schildheuer

Beim HSR-Verfahren verdoppeln die Teilnehmer grundsätzlich jedes Telegramm. Die beiden identischen Telegramme werden in beide Richtungen in den Ring geschickt. Bei einer Unterbrechung oder einem Komponentenausfall kommt immer eines der beiden Telegramme beim Empfänger an. Man nutzt also grundsätzlich immer zwei Wege. Wenn auf dem einen Weg etwas passiert, brauche ich nicht erst abwarten, dass das Netz umschaltet, denn auf dem anderen Weg läuft parallel dazu schon das zweite Telegramm. Ist das Netz intakt, filtern die Komponenten das doppelte Telegramm heraus.

Den IEC-Standard, auf dem das HSR-Verfahren basiert, gibt es schon seit 2010. Warum hat die Umsetzung so lange gedauert?

So lange hat das gar nicht gedauert, denn zunächst wurde das PRP, das Parallel Redundancy Protocol im Standard festgelegt. Unser erstes Produkt, das auf dem PRP-Protokoll basiert, haben wir schon im Januar 2012 auf den Markt gebracht. Wir waren bei der Umsetzung des Standards ganz vorne dran. Der PRP-Standard geht aber nicht von einem ringförmigen Netzwerk aus, sondern von wirklich getrennten Netzwerken.

Es ist oft eine Forderung von Kunden, dass er getrennte Netze und Verkabelungen haben will. Zum Beispiel für Leitwarten-­Applikationen, die vollkommen separate Netzwerke brauchen. Die PRP-Endgeräte haben daher zwei Ports und schicken zwei Telegramme in die beiden Netzwerke. Da man mit zwei getrennten Netzwerken arbeitet, ist die Verfügbarkeit höher. So kann man beispielsweise auf einer Seite des Gebäudes das eine Netz aufbauen und auf der anderen Seite das andere.

Wie war dann der Weg von PRP zu HSR?

Die Standardisierung ist vom Aufwand und den Kosten getrieben, die hinter so einem Netz stecken. Deswegen hat man parallel zu PRP nach einem kostengünstigerem Konzept gesucht. Und so ist HSR entstanden. Denn die für PRP erforderlichen getrennten Netzwerke lassen sich aus Kostengründen nicht in allen ­Applikationen umsetzen. Die Idee von HRS war es, die Performance von PRP in nur einem Netzwerk und somit bei geringeren Kosten zu nutzen. Hier hat sich die Ringstruktur angeboten, über die man gedoppelte Telegramme über zwei Wege senden kann – auch ohne doppeltes Netzwerk. Als Komponentenhersteller muss man auch erst einmal schauen, wie sich ein Standard entwickelt. Und dieser Standard, das ­haben wir selber auch bei der Entwicklung gemerkt, der wächst.

Mit HSR werden alle Daten doppelt über den Ring geschickt. Welchen Einfluss hat das auf die Bandbreite oder die Reaktionszeiten?

Ethernet hat verschiedene Geschwindigkeiten – 10-Mbit-, 100-Mbit- oder Gigabit-Ethernet. Wenn ich Bandbreitenprobleme habe, dann kann ich einfach schneller werden. Das HSR-Verfahren ist nicht auf eine Geschwindigkeit festgelegt; man kann verschiedene Geschwindigkeiten nutzen.

Können Anwender gemischte Ringe aufbauen, damit sie nicht von jetzt auf gleich das komplette System umstellen müssen?

„Wenn ich so ein Konzept realisieren will, dann muss ich mich von heute nach morgen bewegen.“ Michael Kasper

„Wenn ich so ein Konzept realisieren will, dann muss ich mich von heute nach morgen bewegen.“ Michael KasperRedaktion IEE/Renate Schildheuer

Wenn man sich die beiden Verfahren anschaut, PRP und HSR, dann ist es so, dass die Intelligenz im Endgerät steckt. Bei PRP habe ich zwei Schnittstellen, um an zwei Netzwerke anzudocken, oder ein Vorschaltgerät, das diese zwei Schnittstellen realisiert. Wenn Anwender ein Netzwerk so aufbauen, können sie Standard-Netzwerkkomponenten nutzen. Der wichtigste Punkt ist, dass die beiden Netze wirklich getrennt sind.

Beim HSR-Verfahren ist es so, dass die Komponenten die Funktionalität ‚Doppeltsenden‘ und ‚Filtern‘ realisieren müssen. Und das können heutige Netzwerkkomponenten nicht. Wenn ich so ein Konzept realisieren will, dann muss ich mich von heute nach morgen bewegen.

Also ist HSR eine Basis, um darauf Echtzeit-fähige Kommunikation aufzubauen?

Es gibt Systeme, die synchrone Antriebe steuern können. Das hat aber nichts mit dem Netzwerk, das darunter liegt, zu tun. In unserem Fall geht es darum, wie schnell ich ein Netzwerk, das einen Fehler hat, wieder in einem Zustand bringe, dass die Kommunikation für diesen schnellen Prozess wieder läuft. Die Echtzeitfähigkeit, die hat damit zu tun, wie schnell Telegramme durch die Netzwerkkomponenten hindurchgehen. Wir nutzen mit HSR auch die schnellste Möglichkeit mit der Cut-Through-Technik Telegramme weiterzuleiten. Auch im Ring haben sie auf der einen Seite einen kurzen Weg zum Teilnehmer und auf der anderen einen langen. Durch das Cut-Through-Switching haben wir die Möglichkeit, Telegramme schnell und ohne große Laufzeiten zum Ziel zu bringen.

Wie läuft die Diagnose ab, wenn im HSR-Netz ein Fehler eintritt?

Wenn ein Fehler auftritt, berührt das den Prozess gar nicht, weil immer zwei Telegramme gesendet werden. Wenn auf der einen Strecke ein Fehler auftritt – Kabel ist unterbrochen, Netzwerkkomponente ist ausgefallen – bekommt das der Prozess gar nicht mit. Das Netzwerk merkt es, weil die Geräte Diagnosemeldungen zum Beispiel zu einem Netzwerk-Managementsystem schicken: ‚Es ist ein Link runtergefallen‘ oder ‚Die Verbindung zum Nachbarn ist ausgefallen‘. Aber der Prozess an sich braucht es gar nicht mitzubekommen, weil er immer den zweiten Weg hat. Denn das zweite Telegramm geht grundsätzlich immer parallel auf dem zweiten Weg zum Ziel.

Der Switch gibt eine Diagnosemeldung an das Netzwerkmanagement. Dann muss der Anwender schauen, ob die Netzwerkkomponente ausgefallen ist – dann muss er austauschen oder das Gerät warten. Aber der Prozess an sich, der nutzt den zweiten Weg, ohne dass er gestört wird.

Der nächste Schritt nach der Diagnose ist die Wartung. Wie sieht die für den Anwender aus? Wie viel muss er neu konfigurieren?

„Für eine Anschlusskomponente haben unsere Geräte sehr viel Funktionalität im Bauch.“ Michael Kasper

„Für eine Anschlusskomponente haben unsere Geräte sehr viel Funktionalität im Bauch.“ Michael KasperRedaktion IEE/Renate Schildheuer

Alles ist steckbar – ob das Spannungsversorgung oder Melde­kontakt ist. Der Anwender muss nur die Schnittstellen wieder richtig verbinden. Der Switch hat zwei Ringports, die die Verbindung in den Ring schalten, und zwei Anschlüsse für Endgeräte oder Teilsegmente. Außerdem hat der Switch auch einen Configuration Plug. Das heißt, alle Konfigurationen, die der Anwender mit der Komponente gemacht hat, kann er auf dem Wechselmedium speichern. Somit kann er die Geräte leicht austauschen.

Insgesamt sind die Geräte soweit voreingestellt, dass der Anwender nicht groß konfigurieren muss. Für eine Anschlusskomponente haben unsere Geräte sehr viel Funktionalität im Bauch, was Diagnose angeht. Sie lassen sich auch über das Netzwerkmanagement ansprechen. Wenn Fehler auftreten, geben die ­Geräte eine entsprechende Meldung an ein übergelagertes Netzwerkmanagement-System, damit man die Geräte auch schnell im Netzwerk findet. Gerade bei großen Anlagen ist es wichtig, schnell zu wissen, wo genau das Problem in der Anlage besteht.

Bei Ringstrukturen höre ich momentan auch viel davon, die einzelnen Switche mit einer optischen Verbindung zu überbrücken. Wo ist das sinnvoll?

Die optische Überbrückung mit einem sogenannten Bypassrelais funktioniert so: Ich habe meinen Ethernet-Ring, der eigentlich eine Linie ist, und den Redundanzmanager. Wenn eine Komponente ausfällt, schaltet der Redundanzmanager und stellt die ­Linie wieder her. Passiert dann noch ein Fehler, kann der Redundanzmanager nichts mehr machen. Das Bypassrelais sitzt daher vor der Komponente und verbindet mit optischen Leitungen den Switch in den Ring. Wenn ein Fehler eintritt oder der Anwender die Komponente warten will und sie abschaltet, wird diese Verbindung überbrückt. So habe ich die Linie wieder. Wenn in diesem Fall – zusätzlich dazu, dass der Anwender einen Teilnehmer aus dem Ring genommen hat – ein Fehler auftritt, kann der ­Redundanzmanager immer noch aktiv werden und das Teilsegment wieder zur Linie zusammenfügen.

„Die hohe Verfügbarkeit des Netzes ist der Unterbau für die schnelle Kommunikation.“ Michael Kasper

„Die hohe Verfügbarkeit des Netzes ist der Unterbau für die schnelle Kommunikation.“ Michael KasperRedaktion IEE/Renate Schildheuer

Welche Zielbranchen haben Sie für solche Redundanzanwendungen als erstes im Fokus? Was sind typische Einsatzmöglichkeiten für HRS und PRP?

Das Thema der schnellen Rekonfigurationszeit treibt vor allem die Energiewelt. Das ist eine wichtige Branche, die diese Verfahren einsetzen wird. Aber auch Branchen wie Transportation, oder auch der Einsatz in Schiffen bieten sich an. Wir haben sogar eine Anfrage von einem Bohrinsel-Betreiber erhalten. Generell kann man sagen, dass HRS und PRP überall dort geeignet sind, wo eine redundante Auslegung der Ethernet-Netzwerke wichtig ist. Typischerweise kommen Kunden zu uns und ­benötigen ein Redundanzverfahren mit einer Rekonfigurationszeit von maximal 10 bis 12 ms. Und denen können wir mit HRS und PRP eine interessante Lösung bieten. Der Einsatzbereich kann dann eine spezifische Applikationen in der Prozess­industrie sein, wo sehr häufig eine hohe Verfügbarkeit gefragt ist. Oder es geht um die Anbindung an ein übergeordnetes MES, das besonders abgesichert werden soll, egal in welcher Branche.

Sind die Switche denn für so harte Anforderungen wie die der Prozessindustrie geeignet?

Es gibt die Geräte in zwei verschiedenen Ausprägungen: einmal als Standardvariante für den Schaltschrank und eine Variante für erweiterte Umgebungsbedingungen, wo höhere Temperaturen und EMV-Belastungen auftreten. Wir bieten eine Ausführung in Schutzart IP20 an. Außerdem gibt es die Switche auch mit verschiedenen Anschlüssen: Kupfer oder Fiber-Optik.