Comserver: Neue Strukturen für bestehende Fernwirktechnik

In der Vergangenheit wurden dezentrale Pumpstationen oder Energieversorgungseinrichtungen zumeist über gemietete serielle Standleitungen des öffentlichen Telefonnetzes an die zentrale Leitwarte angebunden. Da diese analogen Leitungen immer häufiger durch die Telefonnetzbetreiber abgekündigt werden, müssen sich die Anwender um eine Alternativlösung kümmern. Die direkte Nutzung der im privaten Umfeld verwendeten DSL-Technologie scheidet jedoch aus, denn viele der in den Applikationen verbauten seriellen Komponenten sind nicht kompatibel zu den Ethernet-basierten DSL-Zugängen. Mit dem FL Comserver von Phoenix Contact lassen sich die seriellen Daten auf Ethernet konvertieren, sodass die existierenden Geräte und Anlagen weiterhin genutzt werden können. Die umgewandelten Daten werden dann durch das DSL-Netz getunnelt und in der Leitweite zurückkonvertiert. Zu diesem Zweck kann entweder ein zweiter Comserver oder ein Software-Tool eingesetzt werden, das bis zu 80 virtuelle Com-Ports erzeugt. Die virtuellen Ports stehen der Anwendungssoftware wie Hardware-Anschlüsse zur Verfügung, sodass der Wechsel der Übertragungstechnologie in der Summe ohne Auswirkung auf die bestehende Applikation bleibt. Ethernet-Daten bis zu 20km Neben der Abkündigung der analogen Standleitungen resultiert der Wechsel zu neuen Kommunikationstechniken auch aus dem Normenwandel von der IEC60870-101/103 zur IEC61850. Mit der IEC61850 unterstützen die Fernwirkgeräte ausschließlich eine Ethernet-basierte Datenübertragung. Die sich daraus ergebenden Herausforderungen lassen sich mit dem FL Comserver lösen. Die Infrastruktur vieler Betreiber umfasst private Leitungen, bei denen es sich meist um einfache Zwei-Draht-Leitungen handelt. Mit einem vieradrigen Twisted-Pair-Kabel können direk­te Ethernet-Verbindungen über eine Distanz von maximal 100m aufgebaut werden, sodass die Ankopplung der weiter entfernt liegenden restrukturierten Unterstationen an die Leitwarte nur mithilfe zusätzlicher Geräte möglich ist. Auf Basis des in den Comserver integrierten Point-to-Point-Protokolls (PPP) werden zwei Netzwerke miteinander verbunden. Als Übertragungsmedium kann der Anwender zwischen einer direkten RS422- sowie einer LWL-, Funk- oder Modemverbindung wählen. Im Fall von Zwei-Draht-Leitungen wird der Comserver mit dem PSI-Data/ Fax-Standleitungsmodem kombiniert (Bild 2). Die Modem-Technologie ermöglicht die Anbindung von dezentralen Netzwerken, die bis zu 20km von der Leitwarte entfernt sind. Dabei übernimmt der Comserver die Funktion einer Bridge. Nach dem Einschalten baut der Client selbstständig die Verbindung zum Server auf. Die Kommunikation erfolgt anschließend bidirektional. Eine Modemverbindung ist allerdings nicht so leistungsfähig wie eine direkte Netzwerkverbindung mit einer Übertragungsrate von 10 oder 100MBit/s. Damit die langsamere Übertragung durch Überlastung nicht zum Flaschenhals für das gesamte System wird, sollten die Netze in Subnetze unterteilt werden. Vorhandene private Leitungen lassen sich also einfach für den Standard IEC61850 ertüchtigen. Temporäre Wählverbindungen Die Verbindung zweier Netzwerke über eine Wählleitung gestaltet sich ähnlich, wobei der Comserver mit externen Wählmodems kombiniert wird. Das PSI-LAN-Modem von Phoenix Contact vereint das Wählmodem und den multifunktionalen Comserver in einem Gehäuse. Für die Wählverbindung wird das öffentliche Telefonnetz genutzt, weshalb sich diese Lösung insbesondere für temporäre Verbindungen eignet, also wenn z.B. eine ausgefallene Highspeed-Leitung ersetzt werden muss oder sich eine autark arbeitende dezentrale Anlage nur im Störungsfall mit dem übergeordneten Netzwerk verbinden soll (Bild 3). Deshalb kann der Anwender neben der Zielrufnummer eine Reserverufnummer im Comserver einstellen, die automatisch verwendet wird, wenn die Zielrufnummer nicht erreichbar ist. Darüber hinaus unterstützt der Comserver eine Zieladress-Maskierung, die den unerwünschten Aufbau von Verbindungen verhindert und damit bestimmte Applikationen von vornherein ausschließt, sodass die Leitung nicht unnötig belastet wird. Chap-Authentifizierung Sogenannte Man-In-The-Middle-Angriffe stellen ein Sicherheitsrisiko bei Wählverbindungen dar. Dabei übernimmt ein Angreifer die bestehende Verbindung und trennt die ursprünglichen Kommunikationspartner. Als wirksame Gegenmaßnahme bietet sich die kontinuierliche Authentifizierung nach dem Chap-Protokoll (Challenge Handshake Authentication Protocol) an. Bei dieser Technologie werden der Benutzername und das Passwort mit einer 128Bit-Verschlüsselung (MD5-Verschlüsselung) ausgetauscht. Die Datenübertragung findet erst nach einer erfolgreichen Authentifizierung statt. Eine kontinuierliche Re-Authentifizierung sichert die Verbindung außerdem im laufenden Betrieb und verhindert damit zu jeder Zeit die erwähnten Man-In-The-Middle-Angriffe. Modbus-Retrofit Die von den Energieversorgern für das Energie- und Spitzenlast-Management genutzte Fernwirktechnik hat sich in industriellen Anlagen nicht durchgesetzt. In diesem Bereich werden klassische Feldbussysteme und hier insbesondere das Modbus-Protokoll eingesetzt. Das ist u.a. darin begründet, dass die Modbus-Spezifikation bereits frühzeitig um die TCP-Kommunikation erweitert wurde. Die Kombination aus Modbus-TCP- sowie seriellen RTU- und ASCII-Protokollen ist häufig bei der Modernisierung von Anlagen vorzufinden. Ein als Modbus-Gateway fungierender Comserver sorgt für die Kopplung der verschiedenen Systeme. Dazu wird der Busverkehr sowohl auf der seriellen als auch auf der Ethernet-Seite nachgebildet, sodass Master und Slaves beliebig verwendet werden können. Fazit Mit dem Comserver lassen sich vorhandene Anlagen auf moderne Kommunikationstechnologien wie Ethernet umrüsten, indem beispielsweise ältere serielle Anwendungen beim Umstieg von der IEC60870 auf die IEC61850 in die moderne Übertragungsphysik integriert werden. Mithilfe des PPP-Protokolls können zwei Ethernet-Netze mit einer einfachen Zwei-Draht-Leitung über Distanzen von bis zu 20km verbunden werden. Die gleiche Funktion ermöglicht die Einwahl in entfernte Netze zwecks Überwachung oder Wartung. Wird der Comserver als Modbus-Gateway genutzt, ist ein Mischbetrieb aus seriellen RTU-/ASCII-Teilneh­mern und Modbus-TCP-Gerä­ten möglich. Dabei ist es unerheblich, ob der Comserver an Modbus-Mastern oder -Slaves eingesetzt wird.