Der Telecontrol-Aspekt

Nach Vorstellung der grundlegenden Archtitektur eines „Virtual Automation Network“ sowie der Betrachtung des Safety-/ Security-Aspektes in den ersten beiden Teilen dieser VAN-Artikelserie widmet sich der vorliegende Beitrag dem Themenfeld der Fernsteuerung mit Fokus auf die Integration von öffentlichen Netzwerken in die Automatisierungs-Kommunikation.

Nach Vorstellung der grundlegenden Archtitektur eines „Virtual Automation Network“ sowie der Betrachtung des Safety-/ Security-Aspektes in den ersten beiden Teilen dieser VAN-Artikelserie widmet sich der vorliegende Beitrag dem Themenfeld der Fernsteuerung mit Fokus auf die Integration von öffentlichen Netzwerken in die Automatisierungs-Kommunikation.

Eines der Hauptanwendungsgebiete für ein „virtuelles“ Automatisierungsnetzwerk ist das klassische Feld der Fernsteuerung beziehungsweise Fernwartung – auch Telecontrol genannt. Gemeint ist hiermit sowohl der entfernte Zugang zu Automatisierungsgeräten zum Zweck der Diagnose, der Wartung, des Bedienens und des Beobachtens, als auch in zunehmendem Maße zum Zweck des Eingriffs in die eigentliche Steuerung. Neben der Forderung nach niedrigen Kosten muss ein Telecontrolsystem eine „offene“ Kommunikationsbeziehung unterstützen, das heißt, die Daten werden nicht zyklisch gesendet, sondern gesammelt und nach Bedarf verschickt. Zur späteren Auswertbarkeit sind die Prozessdaten mit einem Zeitstempel zu versehen und müssen bis zur Übertragung zwischengespeichert werden.

Um das Datenvolumen – welches maßgeblich die Kosten beeinflusst – zu reduzieren, werden beispielsweise nur Datenänderungen gespeichert. Somit ist es etwa dem Leitsystem später möglich, den genauen Verlauf des Prozesses nachzuvollziehen, zu analysieren und gegebenenfalls auch im Nachhinein noch darauf einzuwirken. Der Start der Datenübertragung erfolgt schließlich ereignisgesteuert. Dabei kann es sich um unterschiedliche Ereignisse handeln wie zum Beispiel um den Füllstand des Datenpuffers, um einen definierten Zeitpunkt, einen vom Prozess generierten Alarm oder auch um die explizite Anforderung eines Datenkonsumenten.

Zur Erfüllung all dieser Anforderungen definiert VAN ein Telecontrol-Objekt, modelliert aus verschiedenen Funktionsblöcken. Da es sich hierbei um einen applikativen Anteil des Kommunikationssystems handelt, erfolgte die Beschreibung der Funktionsblöcke in einem Applikationsprofil, welches sich auf unterschiedliche Feldbus-Protokolle aufsetzen lässt. Eine prototypische Umsetzung dieses Objektes findet derzeit für Profinet (IEC 61158 Typ 10/IEC 61784) statt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Kooperation von lokalen Automatisierungsnetzen mit sowohl privaten als auch öffentlichen Weitbereichsnetzen (WANs) ist der Unterschied in den Qualitätseigenschaften der Übertragung – Quality-of-Service (QoS).Während im lokalen Automatisierungsnetz das gesamte Übertragungsverhalten vollständig kontrolliert werden kann, ist dies bereits bei privaten WANs eingeschränkt und bei öffentlichen WANs nahezu unmöglich. Die Qualität der „Leitung“ wird in diesem Fall vertraglich über so genannte Service Level Agreements (SLA) mit dem Provider festgelegt. Im SLA sind Parameter wie Bandbreite, Verzögerungen sowie deren Schwankungsbreiten, Verfügbarkeit, Ausfallzeiten, Prioritätsklassen oder Datenverlustraten festgelegt. Ein typischer Wert für die Verfügbarkeit liegt bei solchen Netzen bei 98 %, was eine Ausfalldauer von mehreren Tagen im Jahr bedeuten kann. Auch 99,5% sind möglich, allerdings mit hohen preislichen Konditionen verbunden, die nicht immer den Anforderungen gerecht werden. Im SLA lassen sich zudem die maximal zulässige Dauer einer einzelnen Störung und eine maximale Häufigkeit (pro Monat, Woche oder Tag) festlegen.

Eine weitere Problematik öffentlicher Netze ist, dass während der Laufzeit keine Informationen über den aktuellen Zustand der vom Provider gestellten Leitung verfügbar sind. Zwar führt der Provider Messungen innerhalb seines Netzes durch, diese stehen dem Nutzer jedoch – wenn überhaupt – erst nach einem entsprechenden Abrechnungszeitraum zur Verfügung.

Als Reaktion auf diese Nachteile definiert VAN ein eigenes QoS-Management. Wesentlicher Bestandteil dabei ist das QoS-Monitoring zur Laufzeitüberwachung der Qualität des Übertragungsweges. Das öffentliche Netz wird hierbei wie eine Blackbox betrachtet. Das QoSMonitoring erzeugt zwischen den Zugangspunkten zum öffentlichen Netz einen zusätzlichen, in seiner Größe variablen, jedoch genau definierter Messdatenstrom, mit dessen Hilfe sich beispielsweise Latenzen per Zeitstempel oder über Datenverlustraten ermitteln lassen. Eine solche Messung bezieht sich immer auf eine Prioritätsklasse.

Das Provider-Switching

Eine weitere VAN-Funktion im Rahmen des QoS-Managements ist die Möglichkeit der Um-, Zu- oder Abschaltung von Providerzugängen während der Laufzeit: das so genannte Provider-Switching. Dabei können die Zugänge sowohl drahtgebunden (DSL etc.) als auch drahtlos (UMTS etc.) sein. Typische Ereignisse, die das Switching auslösen, sind zum Beispiel: Das QoS-Monitoring erkennt die Verletzung eines festgelegten QoS-Parameters oder einen höheren Bandbreitenbedarf, oder das Verhältnis der Kosten einer Verbindung in Bezug auf die Wichtigkeit der Daten ist unangemessen.

Das VAN-QoS-Management unterstützt weiterhin das Mapping von Prioritätsklassen des Automatisierungsprotokolls auf die Prioritätsklassen des Tunnelprotokolls, welches für die Übertragung über WANs zum Einsatz kommt (siehe auch Teil 1 der Artikelserie in Computer& AUTOMATION 2008, H. 2, S. 54ff.). Dazu wurde eine Klassifizierung typischer Dienste vorgenommen, die über automatisierungsspezifische Kommunikationssysteme übertragen werden, und eine Abbildung der Dienste auf spezielle Prioritäten erstellt. Da die Kommunikation im Verbund mit öffentlichen Netzen IP-basiert erfolgt, lassen sich mit Hilfe der Klassifizierung auch QoS-Policies auf DSCP (Differentiated Services Code Point) festlegen, die vom Internet-Protokoll unterstützt werden. Voraussetzung für eine priorisierte Übertragung sind entsprechende Infrastrukturkomponenten (Router). Im SLA besteht dieMöglichkeit, ein erneutes Mapping zu den Priorisierungen des Providers zu vereinbaren, sofern diese von DSCP abweichen. Der Vorteil der Priorisierung liegt darin, dass Pakete mit höherer Priorität auch im öffentlichen Netz bevorzugt verarbeitet werden.