Konfiguracja rozbudowanych sieci Ethernet na farmach fotowoltaicznych

Rys. 1. Podstawowe topologie sieciowe

Zdaniem Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) większość energii wytwarzanej w ciągu nadchodzących 50 lat może pochodzić z generatorów energii słonecznej. Tereny farm fotowoltaicznych pokryte są rzędami specjalnych anten lub paneli, które przechwytują promienie słoneczne w celu wyprodukowania optymalnych ilości energii. Zainstalowanie zarządzalnego switcha przy każdym z generatorów sprawia, że zarówno monitoring diagnostyczny, jak i utrzymanie właściwego poziomu produkcji są względnie proste. Natomiast konfiguracja całej sieci może być nie lada wyzwaniem.

Maksymalna długość segmentu sieci Ethernet przy użyciu popularnej skrętki wynosi jedynie 100 m. Wiąże się to z poważnymi ograniczeniami w jej zastosowaniach. Ponadto stosowanie długich miedzianych kabli może stanowić źródło problemów związanych z występowaniem interferencji elektromagnetycznej, pochodzącej od falowników dużej mocy, które są nieodzownym elementem istalacji.

Z tego powodu do budowy szkieletu sieci używa się switchy z co najmniej dwoma portami optycznymi, które pozwalają na zbudowanie struktury sieci odpornej na zaburzenia elektromagnetyczne. Urządzenia lokalne podłączone są do switcha za pomocą krótkich ekranowanych kabli miedzianych, które nie są już tak podatne na tego typu zaburzenia.

Niewątpliwą zaletą portów światłowodowych są bardzo długie połączenia, które w przypadku wielomodowych portów 100 Mb/s sięgają do 2 km. Jeżeli taki dystans okazuje się niewystaczający, z pomocą przyjdzie nam switch z portami jednomodowymi, dla którego odległości od 30 do 120 km nie stanowią żadnego wyzwania.

Przy skomplikowanych instalacjach, typowych dla farm solarnych, warto zastosować topologię pierścienia X-ring. W przypadku standardowych sieci biurowych zapętlanie sieci Ethernet jest niedozwolone, dlatego sieci takie budowane są najczęściej w oparciu o topologię gwiazdy lub magistrali.

W zastosowaniach przemysłowych niezawodność sieci jest cechą kluczową, której osiągnięcie nie powinno jednak przysparzać trudności. Proponowana topologia pierścienia X-ring niesie ze sobą obie te cechy, czyli łatwą konfigurację i wysoką niezawodność. Dwa porty optyczne switcha zarządzalnego umożliwiają tworzenie podstawowych połączeń kaskadowych. Gdy urządzenia są ze sobą połączone w ten sposób, topologia pierścienia X-ring pozwala użytkownikowi na połączenie ostatniego portu optycznego z pierwszym, tworząc redundantny pierścień, który stanowioptymalne rozwiązanie dla sieci na farmach solarnych.

REDUNDANTNE PIERŚCIENIE X-RING

Rys. 2. Schemat sieci komunikacyjnej przykładowej farmy fotowoltaicznej

Konfiguracja pierścienia jest niemal dziecinnie prosta. Użytkownik oznacza jeden switch jako "master", a następnie wskazuje porty, które mają utworzyć pierścień. Instalacja nie wymaga znajomości obsługi skomplikowanych protokołów redundancji, jak na przykład RSTP, czy też gruntownej wiedzy z zakresu zarządzania siecią na farmach solarnych. Jest tylko kilka kwestii, pod kątem których trzeba sprawdzić protokół X-ring, aby zapewnić jego sprawne funkcjonowanie. Podjęcie kilku prostych kroków zapewnia nie tylko sprawny przebieg procesu instalacji, ale przede wszystkim bezproblemowe użytkowanie sieci.

Odpowiednio skonfigurowane protokoły redundancji, jak na przykład RSTP, zapewniają znacznie dłuższy czas rekonfiguracji łącza niż omawiany protokół. Przykładowo dla 100 przełączników połączonych w pierścień, X-ring potrzebuje zaledwie 20 ms na przywrócenie komunikacji. W standardowych zastosowaniach pierścień jest zamknięty, a dane są przesyłane w jego obrębie. Aby nie doszło do zapętlenia sieci, jedno łącze pozostaje wirtualnie otwarte. Jeżeli któryś z segmentów zostanie rozłączony, protokół spowoduje zamknięcie wirtualnie otwartego łącza i komunikacja zostanie przywrócona. Wtedy uszkodzony segment stanie się połączeniem otwartym. Taki mechanizm daje możliwość zachowania komunikacji ze wszystkimi urządzeniami, nie tylko w przypadku uszkodzenia kabla światłowodowego, ale również gdy dojdzie do awarii przełącznika tworzącego pierścień.

Jeżeli w topologii typu magistrala mamy połączonych 100 switchy i przełącznik nr 8 ulegnie awarii, to połączenie z kolejnymi przełącznikami zostanie utracone. W praktyce oznacza to, że tracimy komunikację z urządzeniami podłączonymi do 93 przełączników. Dla porównania, jeżeli rozważymy topologię pierścienia, okaże się, że połączenie zostanie odzyskane dzięki wykorzystaniu kierunku przeciwnego - pierwszy switch przekieruje ruch do switcha numer 100. W rezultacie, jedynie switch numer 8 będzie nieaktywny, a komunikacja pomiędzy pozostałymi 99 przełącznikami będzie kontynuowana bez zakłóceń. Warto także wspomnieć, że gdy tylko uszkodzone połączenie lub niesprawny przełącznik zostanie naprawiony, nastąpi automatyczne wykrycie switcha. W celu zachowania bezpieczeństwa sieci jedno łącze będzie nadal wirtualnie otwarte na wypadek wystąpienia kolejnej awarii.

W standardowej sieci każdy switch ma unikalny adres IP. Zanim jednak nastąpi jego włączenie do sieci, należy sprawdzić, czy adresy się nie powtarzają. Pominięcie tego kroku może skutkować konfliktem adresów w sieci. Wobec tego niezbędne jest przypisanie unikalnego adresu IP każdemu switchowi.

AUTOMATYCZNA KONFIGURACJA PRZEŁĄCZNIKÓW

Rys. 3. Oprogramowanie Commander pozwala na zarządzanie grupami przełączników

Firma Antaira Technologies opracowała oprogramowanie umożliwiające szybką i wygodną konfigurację złożonych grup switchy oraz przypisanie im ustawień pożądanych w danej sieci.

W zastosowaniach na dużą skalę nawet proste zadania konfiguracyjne mogą okazać się twardym orzechem do zgryzienia. Przypisanie adresów IP grupie 10 przełączników jest zadaniem trywialnym, ale w przypadku tysiąca przełączników konfiguracja staje się mozolna i czasochłonna. Ręczne przypisywanie adresów IP takiej liczbie przełączników nie tylko zwiększa szanse wystąpienia błędu, ale także bywa kosztowne. Wpisanie adresów, masek podsieci, adresów bram sieciowych może pochłonąć całe dnie, a to dopiero podstawowe parametry zarządzalnego switcha.

Oprogramowanie zarządzające firmy Antaira umożliwia połączenie ze sobą wszystkich switchy mająch domyślne ustawienia fabryczne. Następnie, dzięki zastosowaniu komunikatów rozgłoszeniowych, oprogramowanie wyszukuje wszystkie podłączone switche i sporządza ich listę na podstawie adresów MAC. Adres MAC jest unikalny dla każdego urządzenia sieciowego, a przynajmniej powinien taki być (chociaż znane są zabawne historie spowodowane duplikacją adresów MAC). Zastosowanie oprogramowania Commander pozwala na przypisanie adresów IP z określonej puli lub serwera DHCP. Taka praca mogłaby potrwać nawet kilka dni, ale dzięki oprogramowaniu Commander zostaje wykonana w zaledwie kilka miut.

Globalne aktualizacje oprogramowania wewnętrznego i konfiguracja pozostałych funkcji są przeprowadzane w podobny sposób. System dokonuje identyfikacji urządzeń metodą komunikatów rozgłoszeniowych lub na podstawie zakresu adresów IP i rozpoczyna aktualizację pojedynczą lub grupową w zależności od tego, które urządzenia mają zostać nią objęte. Wykorzystanie najnowszego oprogramowania wbudowanego nie tylko zapewnia maksymalną wydajność, ale również daje pewność, że wszystkie znane błędy zostały wyeliminowane. Użytkownik może także dokonać konfiguracji jednego switcha, a następnie przenieść jego ustawienia na dowolną grupę urządzeń. Przykładowo, jeżeli porty 5 i 6 mają tworzyć redundantny pierścień, to skopiowanie tych ustawień na pozostałe switche nie stanowi żadnego problemu. Podsumowując - możliwość grupowej konfiguracji urządzeń to bardzo duża oszczędność czasu i środków.

Ponadto oprogramowanie Commander może przechowywać dane konfiguracyjne poszczególnych przełączników lub konfigurację wspólną dla określonej grupy przełączników. W sytuacji gdy np. dodamy 4 nowe panele słoneczne, konieczne będzie zainstalowanie odpowiedniej liczby przełączników. Każdy switch musi być tak skonfigurowany, aby jego ustawienia były kompatybilne z ustawieniami pozostałych switchy. Nietrudno wyobrazić sobie, jakim mozołem i trudem okupione byłoby to zadanie przy setkach switchy, gdyby nie towarzyszyła mu żadna automatyzacja. Rozwiązanie Antairy zakłada, że dzięki eksportowi danych konfiguracyjnych każdego switcha do bazy danych w czasie budowy sieci, zapisana kopia zapasowa konfiguracji może być w dowolnej chwili wykorzystana dla nowego switcha w sieci niezależanie od tego, czy stanowił już jej część, czy jest jej nowym elementem.

Alyssa Moore
Peter Szyszko
Antaira Technologies
www.antaira.pl