Jak TSN gwarantuje komunikację w czasie rzeczywistym dla podstacji cyfrowych

Germán Fernández

Najprawdopodobniej wielokrotnie natknąłeś się temat Time Sensitive Networking (TSN). Uważamy, że jest to istotny zestaw technologii, które w końcu zapewnią gwarancje czasowe na dostarczenie wrażliwych na czas danych w wielu branżach o znaczeniu krytycznym. Naszym zdaniem TSN jest jednym z najbardziej newralgicznych trendów, o których warto pamiętać.

Zanim zaczniemy, przypomnijmy, co obejmuje TSN i jakie ma znaczenie dla dzisiejszych zautomatyzowanych branż.

Na bardzo podstawowym poziomie TSN sortuje dane zgodnie z ich przeznaczeniem. Kiedy jest używany w przemysłowych zastosowaniach sieci Ethernet, odsyła niekrytyczne dane do kolejki, aby podróżowały zgodnie z ruchem sieci. Co ważniejsze, wrażliwe czasowo dane trafiają na "pas ekspresowy", aby przejść w schemacie czasowym do zamierzonego celu, co zagwarantuje stałe opóźnienie i uniknięcie drgań i utraty pakietów. TSN przekształci klasyczną sieć komunikacyjną Ethernet w sieć deterministyczną. Technologia TSN została opracowana w celu zapewnienia terminowych transferów krytycznych danych, nawet gdy sieć jest zajęta.

TSN i nowe standardy, z którymi się wiąże, oferują wiele korzyści dla sieci automatyzacji, w tym:

·    Gwarantowany, dokładny czas dla aplikacji krytycznych i wrażliwych na czas.

·    Interoperacyjność między dostawcami w celu stworzenia płynnego ekosystemu, który może ewoluować.

·    Elastyczność dla producentów, aby szybko dostosować i wykorzystać innowacje technologiczne

Doskonałym przykładem zastosowania technologii TSN jest stosowanie podstacji elektrycznych. Zagłębmy się bardziej w ten temat.

Pozostając aktualnym: dzisiejsza architektura podstacji

Podstacja jest często jedną z kilku stacji pomocniczych w systemie wytwarzania, przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej. Pomyśl o podstacji jako węźle w sieci elektroenergetycznej. Podstacje mają wiele funkcji, które obejmują kontrolowanie i monitorowanie stacji zamiany, rejestrowanie danych i ochronę urządzeń energetycznych poprzez monitorowanie, obok innych zadań związanych z zarządzaniem energią i zasobami.

Konwencjonalne podstacje mogą składać się nawet z setek urządzeń przewodowych, które opierają się na połączeniach przewodowych z miedzi. Jednak nowoczesne podstacje poprawiły się w tej konfiguracji, stosując się do nowego, niezastrzeżonego standardu znanego jako IEC 61850.

Dzisiejsze podstacje są podzielone na trzy różne poziomy:

Poziom stacji - na poziomie stacji znajdziesz serwery SCADA i stacje robocze HMI. Jest to również poziom, na którym operatorzy monitorują status podstacji w chronionej sterowni i gdzie zainstalowane są urządzenia telekomunikacyjne służące do komunikacji z podstacjami sąsiednimi i centrum dyspozytorskim .

Poziom od strony zatoki - poziom zatoki składa się z urządzeń znanych jako inteligentne urządzenia elektroniczne (IED). IED to inteligentne urządzenia, które odbierają dane z czujników i urządzeń zasilających, a także komendy sterujące emisją w całej podstacji. Gromadzą informacje z poziomu stacji i pomiarów dostarczonych przez poziom procesu. Urządzenia IED mogą również podejmować lokalne decyzje kontrolne, przesyłać dane do innych urządzeń IED lub przesyłać dane do podstacji systemu SCADA w celu dalszego przetwarzania i monitorowania.

Poziom procesu - Poziom procesu składa się z urządzeń takich jak wyłączniki i sprzęt do zbierania danych (CT/VT), które są używane do pomiaru prądu, napięcia i innych parametrów, które są monitorowane w różnych częściach podstacji.

W przeciwieństwie do tradycyjnej, równoległej sieci przewodowej analogowej, dzisiejsze stacje bazują na sieciach IEC 61850, które odbierają dane z czujników i urządzeń zasilających, a także wysyłają polecenia ochrony i sterowania w całej podstacji. Niektóre z ważniejszych punktów tego nowego standardu dla podstacji obejmują:

·    Ścieżki danych wykorzystują komunikację opartą na sieci Ethernet z mechanizmami o większej przepustowości i redundancji w celu przesyłania pakietów danych z wielu urządzeń w sieci.

·    Postępowanie zgodnie z IEC 61850 gwarantuje, że produkty Twojej podstacji będą kompatybilne z innymi produktami zgodnymi z IEC 61850. Celem jest ułatwienie rozbudowy działania podstacji w przyszłości.

·    Szybka komunikacja IED-to-IED (przez TSN) zapewnia zagwarantowane czasy transferu.

Potrzeba TSN w komunikacji podstacji

Sieci łączności podstacji odgrywają kluczową rolę w operacjach podstacji w krytycznym czasie rzeczywistym. Podczas gdy podstacje poprzednio opierały się na komunikacji analogowej i jednokierunkowej, nowoczesne stacje mogą przesyłać dane tam i z powrotem przez pojedynczą warstwę, a także pionowo między warstwami.

Ten postęp miał udrożnić sieci podstacji, zapewniając wrażliwe na czas dane pomiarowe wysyłane z poziomu procesu do Mergin Units (MUS) na Poziomie Zatoki oraz do ochrony i kontroli IED na poziomie magistrali stacji. Ta pionowa komunikacja jest połączona za pośrednictwem sieci Ethernet o wysokiej szybkości i gwarantowanej przepustowości.

Sieć magistrali procesowej obsługuje czasowe pomiary danych pomiędzy urządzeniami poziomu procesu i urządzeniami poziomu pokładowego (na tym opiera się większość funkcji zabezpieczających i sterujących stacji), podczas gdy sieć magistrali stacji obsługuje urządzenia IED ochrony i sterowania i obsługuje komunikację między zatokami i poza stacją.

Tak więc, odkąd wyizolowaliśmy wrażliwe na upływ czasu dane przesyłane w sieci podstacji, w jaki sposób możemy zapobiec utracie danych, gwarantując w każdym przypadku czas dostawy pakietów? Jednym ze sposobów jest wprowadzenie środków redundancji. IEC 61850 oferuje kilka wcześniej znormalizowanych rozwiązań redundancji, aby zapobiec utracie danych, w tym Parallel Redundancy Protocol (PRP) i High Availability Seamless Redundancy (HSR). W końcu zwiększenie dostępności sieci ułatwi dostęp do przepustowości dla transferu pakietów.

Podczas gdy implementacja protokołów redundancji sieci ma kluczowe znaczenie dla poprawy i wspomagania czasu odzyskiwania sieci, nie wystarcza jednak do zagwarantowania terminowego dostarczania danych. Nawet w sieciach IEC 61850 pojedyncze zdarzenia i transfery danych w podstacji mogą znacznie zwiększyć natężenie ruchu sieciowego. Gdy weźmiemy pod uwagę dużą liczbę jednoczesnej komunikacji w ramach podstacji, dostępność przepustowości staje się najbardziej istotna. Problem polega teraz na tym, jak zagwarantować dostępność sieci dla krytycznych strumieni danych w przypadku przeciążenia sieci.

Na szczęście jest to problem, który rozwiązuje TSN.

Korzyści z TSN dla twojej podstacji

Podczas gdy niektóre części TSN są wciąż rozwijane przez IEEE, dostępne obecnie technologie oferują całkowicie nowy poziom determinizmu w przesyłaniu danych. Celem jest, aby obecne i 

przyszłe sieci Ethernet zapewniały podstacje wyposażone w:

·    Sieć działającą w czasie rzeczywistym - do tej pory sieć Ethernet nie była w stanie sprostać rosnącym wymaganiom związanym z opóźnieniami i czasem dostarczania danych. Jednak możliwość zapewnienia gwarancji w czasie przesyłania danych jest kluczowym wymogiem dla zastosowań takich jak przesyłanie wrażliwych na czas wartości przykładowych w komunikacji w magistrali procesowej. Umożliwi to przenoszenie danych o małym opóźnieniu i eliminowanie drgań podczas przesyłania danych w czasie rzeczywistym.

·    Future-proofing - oczekuje się, że proces standaryzacji technologii TSN potrwa jeszcze kilka lat. Technologie kluczowe dla rodziny protokołów TSN zostały zakończone - i zostały z powodzeniem zastosowane. Mechanizmy te można już zintegrować z produktami, a ich korzyści można od razu wykorzystać. Kompatybilność wsteczną zapewnia również proces standaryzacji IEEE 802. Oznacza to, że sieci TSN, które są już zainstalowane, mogą nadal być używane w przyszłości.

·    Interoperacyjność - TSN pozwala na współistnienie komunikacji w czasie rzeczywistym i z opóźnieniem w tej samej sieci i wspiera tolerancję na utratę i zastrzeżenie przepustowości. Te możliwości zasadniczo poprawiają podstawową technologię Ethernet. Ponieważ standardy TSN będą kontynuowane, rezultatem będzie szeroka interoperacyjność między dostawcami.

·    Nowy standard - TSN stała się już jedną z kluczowych technologii wspomagających IIoT i Industry 4.0. Łącząc standardy TSN dla niższych warstw komunikacji (Station Bus) i standardów dla wyższych warstw protokołu (Process Bus), jako wynik otrzymamy otwartą architekturę, która może być wykorzystana, aby w pełni połączyć nawet najbardziej skomplikowane podstacje.

Od zastosowań w podstacjach energetycznych po zautomatyzowane sieci komunikacyjne przyszłości, TSN jest technologią, która pozwala na najbardziej płynny transfer danych. Jesteś ciekawy, w jaki sposób technologia TSN mogłaby przynieść korzyści Twojemu zastosowaniu podstacji poprzez oszczędności? Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak działa TSN? Pobierz nasz najnowszy raport: "TSN - Time Sensitive Networking" (w języku angielskim). 

Jeśli masz jakiekolwiek pytania, wątpliwości czy uwagi, zapraszamy do kontaktu! Jesteśmy do dyspozycji od poniedziałku do piątku w godz. 8:00 - 16:00.

Tel: +48 32 256 25 33

E-mail: info@pf-electronic.pl