Профиль отрасли протокола точного времени

Системы промышленной автоматизации, состоящие из нескольких распределенных контроллеров, нуждаются в точной синхронизации команд, событий и данных процесса. Например, двигатели для печати газет синхронизируются примерно за 5 микросекунд, чтобы гарантировать, что цветные пиксели в разных цилиндрах будут находиться в пределах 0,1 мм при скорости бумаги около 20 м/с. Аналогичные требования существуют в мощных полупроводниках (например, для преобразования сетей переменного и постоянного тока) и в транспортных средствах с электронным управлением (например, в автомобилях без механического рулевого колеса). Эта синхронизация обеспечивается сетью связи, в большинстве случаев Industrial Ethernet . Существует множество специальных схем синхронизации, поэтому IEEE опубликовал стандартный протокол точного времени IEEE 1588 или «PTP», который позволяет синхронизировать часы с точностью до микросекунды. PTP сформулирован в общих чертах, поэтому для конкретных приложений требуется более строгий профиль. В частности, PTP не определяет, как должны работать часы при дублировании сети для повышения устойчивости к сбоям.

Промышленный профиль PTP (PIP) является стандартом IEC 62439-3 . ^[1] который определяет в своем Приложении C два профиля протокола точного времени IEEE 1588 / IEC 61588, L3E2E и L2P2P, для синхронизации сетевых часов с точностью до 1 мкс и обеспечения отказоустойчивости от сбоев часов.

Профили PTP IEC 62439-3 применимы к большинству сетей Industrial Ethernet , для синхронизированных приводов, робототехники, автомобильной техники и других приложений, требующих точного распределения времени, не обязательно с использованием резервных сетей.

Профиль L2P2P стандарта IEC 62439-3 был принят в качестве стандарта IEC/IEEE 61850-9-3 в электроэнергетической отрасли для поддержки точной отметки времени измерения напряжения и тока для дифференциальной защиты, мониторинга и защиты на больших территориях, защиты шин и регистрации событий. ^[2]

Профили PTP МЭК 62439-3 могут использоваться для обеспечения детерминированной работы критически важных функций в самой системе автоматизации, например, точного запуска задач, резервирования ресурсов и контроля сроков.

Приложения IEC 62439-3 относятся к стандартному набору протоколов параллельного резервирования и бесшовного резервирования высокой доступности для сетей автоматизации с высокой доступностью. Однако эта спецификация также применима к сетям, которые не имеют резервирования и не используют PRP или HSR.

Топология

Элементы сети 1588
Промышленная сеть с точными часами
Двойные часы в PRP
Иерархия часов PTP на подстанции

PIP опирается на топологию IEEE 1588, состоящую из главных тактовых импульсов (GC), обычных тактовых импульсов (OC), граничных тактовых импульсов (BC), прозрачных тактовых импульсов (TC) и гибридных тактовых импульсов (HC = TC&OC).

Для резервирования сеть PIP содержит несколько часов, которые могут работать как ведущие. Обычно лучшие главные часы гарантируют, что только один гроссмейстер передает время.

В резервированных сетях, и особенно в PRP, одновременно могут быть активны несколько мастеров, затем ведомый выбирает своего мастера.

Профили и приложения PIP

Приложение A МЭК 62439-3 определяет, как подключать часы к дублированным сетевым путям и как поддерживать одновременно активные резервные главные часы для всех профилей.
Приложение B IEC 62439-3 определяет профиль L2PTP для автоматизации подстанций IEC/IEEE 61850-9-3 . В отличие от IEC/IEEE 61850, двойное подключение с помощью PRP или HSR является обязательным.
Приложение C IEC 62439-3 определяет два профиля, L3E2E и L2P2P, которые являются подмножествами протокола точного времени IEEE Std 1588 (PTP), когда часы подключены по отдельности.
IEC 62439-3 Приложение D представляет собой учебное пособие по IEEE 1588, в котором основное внимание уделяется только PIP.
Приложение E МЭК 62439-3 содержит объекты SNMP для управления двойными часами.

Основные особенности

В приложении C IEC 62439-3 используются следующие опции IEEE Std 1588:

использует шкалу времени PTP, основанную на международном атомном времени TAI , а также обеспечивает всемирное координированное время UTC.
передает коррекцию часов в 1-шаговом (предпочтительно) или 2-шаговом режиме (может быть смешанным)
работает с лучшим алгоритмом главных часов по умолчанию, выполняемым ведущими и подчиненными часами
поддерживает оба варианта измерения задержки соединения:
- L3E2E : Сквозное измерение (Delay_Req/Delay_Resp) по уровню 3 ( Интернет-протокол ) для выполнения требований ODVA ;
- L2P2P : Одноранговое измерение (Pdelay_Req/Pdelay_Resp) по Ethernet уровня 2 (IEEE 802.3). каналам

Производительность

Приложение C IEC 62439-3 нацелено на точность лучше 1 мкс после пересечения 15 мостов с прозрачными часами. Предполагается, что все элементы сети (мосты, маршрутизаторы, медиаконвертеры, каналы связи) поддерживают PTP с заданной производительностью:

Грандмастер (GC): максимальная погрешность 250 нс.
Прозрачные часы (TC): максимальная погрешность 50 нс.
Граничные часы (BC): максимальная погрешность 200 нс
Медиаконвертеры: максимальный джиттер 50 нс и максимальная асимметрия 25 нс
Асимметрия канала: максимальная асимметрия 25 нс

Опираясь на эти гарантированные значения, сетевой инженер может рассчитать погрешность времени в различных узлах сети и правильно разместить часы, особенно гроссмейстерские часы. IEC TR 61850-90-4 (Руководство по сетевому проектированию) дает рекомендации по использованию IEC/IEEE 61850-9-3 в сетях автоматизации подстанций.

Настройки IEEE 1588

Приложение C МЭК 62439-3 ограничивает параметры стандарта IEEE 1588 следующими значениями:

номер_домена: 0 (диапазон по умолчанию)
Интервал объявления: (диапазон по умолчанию) 1 с (L2P2P) или 2 с (L3E2E)
Интервал синхронизации: 1 с (фиксированный)
Интервал задержки P: 1 с (фиксированный)
Тайм-аут получения объявления (количество интервалов объявления, которое должно пройти без получения сообщения объявления, прежде чем будет выдано время ожидания объявления): 3 (фиксированное)
Priority1: 255 только для подчиненного устройства
Priority2: 255 только для подчиненного устройства
Домен первичной синхронизации прозрачных часов: 0 (по умолчанию)

Дополнения к стандарту IEEE 1588

Приложение C МЭК 62439-3 определяет требования в дополнение к IEEE 1588:

Часы должны принимать как 1-ступенчатую, так и 2-ступенчатую коррекцию (улучшает функцию Plug-and-Play).
Все часы могут быть подключены дважды с использованием протокола IEC 62439-3 (PRP « Протокол параллельного резервирования » или HSR « Бесшовное резервирование высокой доступности »).
Одновременно могут быть активны несколько главных часов; раб выбирает лучшего хозяина.
Тайм-ауты гарантируют, что часы смогут обнаружить потерю сообщений PTP даже на неиспользуемом пути.
Идентификация однорангового узла для проверки топологии сети и обеспечения поддержки протокола всеми элементами.
В сети, использующей медиаконвертеры с промежуточным хранением и только для L2P2P, ведущий добавляет заполнение к сообщениям Sync, чтобы гарантировать, что сообщения Sync и Pdelay_Req/Pdelay_Resp имеют одинаковый размер (это будет указано в IEEE 1588:2017).
Управление сетью по SNMP в соответствии с IEC 62439-3 Приложение E

Стандартные владельцы

Этот протокол был разработан рабочей группой IEC SC65C WG15 в рамках стандарта IEC 62439, который применяется ко всем промышленным сетям IEC. Чтобы избежать параллельных стандартов IEC и IEEE в области автоматизации сетей, профиль L2PTP, специфичный для автоматизации сетей (предыдущее приложение B IEC 62439-3), был помещен под эгидой совместной разработки IEC и IEEE 61850-9-3. Техническая ответственность лежит на IEC SC65C WG15, которая стремится поддерживать соответствие профиля L2P2P IEC 62439-3 и IEC/IEEE 61850-9-3.

Ссылки

^ Сети автоматизации высокой доступности, Часть 3: PRP, HSR и PIP.
^ Киррманн, Хуберт; Дикерсон Уильям IEC Протокол точного времени IEEE , Pacworld, сентябрь 2016 г.

Внешние ссылки

[1] Сети автоматизации высокой доступности, Часть 3: PRP, HSR и PIP.

[2] Киррманн, Хуберт; Дикерсон Уильям IEC Протокол точного времени IEEE , Pacworld, сентябрь 2016 г.

[1]

[2]