ТРЕХПОРТОВОЕ УСТРОЙСТВО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ДЛЯ КОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ И КОММУНИКАЦИОННАЯ СЕТЬ С ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области построения коммуникационных сетей передачи данных с резервированием и может найти применение в системах автоматизации энергообъектов, построенных по международному стандарту IEC61850 [1] с повышенными требованиями к точности временной синхронизации. В частности, полезная модель может быть применена для построения коммуникационных сетей, использующих протокол HSR международного стандарта IEC 62439-3 [2].
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В существующем уровне техники известна коммуникационная сеть с кольцевой топологией [3], предназначенная, в том числе, для применения на энергообъектах с целью обеспечения информационного взаимодействия между компонентами системы автоматизации энергообъекта. Указанная кольцевая коммуникационная сеть состоит из узлов, выполненных в виде трехпортовых устройств резервирования, подключенных двумя портами к однопроводным кольцевым сегментам, а третьим портом к интеллектуальному электронному устройству (ИЭУ) - компоненту системы автоматизации. Сеть [3] и обеспечивает информационный обмен между ИЭУ, подключенными к узлам сети, в соответствии с модифицированным протоколом, отличающимся от спецификации HSR [2], в частности, специфическим регламентом передачи пакетов данных, предназначенным для обеспечении временной синхронизации данных, передаваемых по кольцевой сети.
Этот регламент состоит в следующем.
В кольцевой сети вводится основной узел («master node»), являющийся единственным инициатором передачи пакетов данных в кольце. Основной узел формирует пустые пакеты данных и инициирует отправку указанных пакетов с фиксированной частотой через два своих коммуникационных порта, посредством которых основной узел подключен к кольцу. Указанные пакеты транслируются по кольцу, перенаправляясь поочередно от одного узла к другому. Прочие узлы в кольце передают данные другим узлам в кольце посредством механизма, включающего в себя:
- прием узлом - отправителем данных - пакета данных (изначально отправленного основным узлом в кольце) через один из коммуникационных портов, посредством которого данный узел-отправитель подключен к кольцу;
- вставка узлом-отправителем необходимых для передачи узлу-получателю данных в полученный пакет в фиксированное, специально выделенное данному узлу-отправителю, поле пакета;
- перенаправление узлом-отправителем измененного пакета данных на другой коммуникационный порт, посредством которого узел-отправитель подключен к кольцу, для дальнейшей передачи указанного пакета данных узлу-получателю.
Трехпортовое устройство резервирования и коммуникационная сеть с резервированием, описанные в [3], выбраны в качестве прототипов предлагаемых устройства и коммуникационной сети соответственно. Недостатками прототипов являются:
- необходимость обеспечения поддержки специфического регламента передачи пакетов данных, отличающегося от требуемого в соответствии со стандартом IEC 62439-3, всеми узлами в кольце, что ставит пользователя системы автоматизации энергообъекта в зависимость от конкретного поставщика решения, а также ограничивает взаимозаменяемость оборудования;
- низкая обеспечиваемая точность синхронизации при большом количестве узлов в кольце, обусловленная задержкой при передаче пакетов данных по кольцу от основного узла до всех остальных узлов. В частности, при наличии двадцати узлов в кольце задержка при передаче пакета Ethernet превышает 5 мкс, что приводит к эквивалентной величине временной рассинхронизации между узлами, подключенными к кольцу. Наличие данной рассинхронизации не позволяет обеспечить точность синхронизации всех устройств, подключенных к кольцу, в соответствии с классами Т4 или Т5 согласно IEC 61850-5 (с точностью не хуже ±4 мкс или ±1 мкс соответственно).
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническим результатом полезной модели является повышение точности тактовой синхронизации при передаче данных в коммуникационной сети с кольцевым резервированием без наложения неприемлемых ограничений на взаимозаменяемость оборудования системы автоматизации энергообъекта. При использовании предлагаемой полезной модели в системе автоматизации энергообъекта, построенной в соответствии со стандартом IEC 61850, обеспечивается точность синхронизации в соответствии с классом Т5 этого стандарта.
Предметом полезной модели явлются:
- Трехпортовое устройство резервирования, содержащее коммутатор пакетов данных, связанный с портом, предназначенным для подключения к интеллектуальному электронному устройству, и с двумя портами, предназначенными для включения в кольцевую коммуникационную сеть, блок тактовой синхронизации, к которому подключены выходы двух приемников и входы двух передатчиков, предназначенных для подключения к кольцевой коммуникационной сети, выход приемника внешней синхронизации и вход передатчика, предназначенного для подключения к интеллектуальному электронному устройству, при этом блок тактовой синхронизации выполнен с возможностью генерации тактового сигнала, синхронизированного выходными сигналами приемников с введением фиксированной задержки выходного сигнала для каждого из приемников, выдачи сгенерированного сигнала на входы передатчиков и с возможностью трансляции сигналов между приемниками и передатчиками, предназначенными для подключения к кольцевой коммуникационной сети.
- Коммуникационная сеть с резервированием для передачи данных и сигналов тактовой синхронизации, содержащая, по меньшей мере, два сетевых узла, связанных однопроводными сегментами для передачи данных и двухпроводными сегментами для передачи сигналов тактовой синхронизации и выполненных в виде предлагаемого трехпортового устройства резервирования.
Полезная модель имеет следующие развития.
Трехпортовое устройство резервирования может быть снабжено интерфейсом конфигурирования, обеспечивающим возможность задания приемников и передатчиков синхронизирующего сигнала, настройки величин задержки выходных сигналов приемников и разрешения или запрета трансляции сигналов между приемниками и передатчиками, предназначенными для подключения к кольцевой коммуникационной сети. При этом обеспечивается гибкость настройки функционирования устройств резервирования на конкретном объекте и дополнительно повышается точность тактовой синхронизации за счет соответствующей настройки величин задержки выходных сигналов приемников.
Однопроводные и двухпроводные сегменты, по меньшей мере, между двумя соседними узлами кольцевой коммуникационной сети могут быть выполнены в виде единого многожильного кабеля. При этом обеспечивается дополнительное сокращение количества кабелей, используемых для соединения между собой сетевых узлов в кольцевой коммуникационной сети, что снижает стоимость монтажа и эксплуатации указанной сети.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 приведена схема предлагаемого трехпортового устройства резервирования (далее - ТУР).
На фиг.2 изображена примерная схема предлагаемой коммуникационной сети с резервированием для передачи данных и сигналов тактовой синхронизации.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ С УЧЕТОМ ЕЕ РАЗВИТИИ
ТУР 1 содержит (см. фиг.1):
- коммутатор 2 пакетов данных;
- коммуникационный порт 3, предназначенный для подключения к интеллектуальному электронному устройству энергообъекта;
- два коммуникационных порта 4, предназначенные для включения в кольцевую сеть;
- блок 5 тактовой синхронизации;
- первый 6 и второй 7 приемники тактовых сигналов, предназначенные для кольцевой сети;
- первый 8 и второй 9 передатчики тактовых сигналов, предназначенные для кольцевой сети;
- приемник 10 внешней синхронизации;
- передатчик 11 тактовых сигналов, предназначенный для подключения к интеллектуальному электронному устройству;
- интерфейс 12 конфигурирования.
Часть ТУР, включающая в себя коммуникационные порты 3, 4 и коммутатор 2 пакетов данных, функционирует аналогично устройствам «HSR RedBox», описанным в [2]. Описание работы остальной части ТУР, включающей в себя блок 5, приемники 6, 7 и 10, передатчики 8, 9 и 11 приведено ниже.
Приемники 6, 7 и 10 сигналов осуществляют прием сигналов тактовой синхронизации из внешних каналов связи и трансляцию полученных сигналов блоку 5 тактовой синхронизации. Передатчики 8, 9 и 11 сигналов производят трансляцию полученного от блока 5 сигнала тактовой синхронизации во внешние каналы связи. При этом приемники 6, 7, 10 и передатчики 8, 9, 11 обеспечивают практически детерминированное время выполнения операции трансляции тактового сигнала с величиной неопределенности времени выполнения операции не более±0,01 мкс.
Функционирование блока 5 тактовой синхронизации зависит от выбранного режима работы ТУР, которое допускает работу в одном из двух режимов: режим источника и режим ретранслятора сигналов тактовой синхронизации.
При работе ТУР в режиме источника сигналов тактовой синхронизации блок 5 в составе устройства 1 выполняет следующие функции:
- принимает внешний сигнал от приемника 10 и вводит задержку выходного сигнала для этого приемника;
- генерирует тактовый сигнал, синхронизированный задержанным выходным сигналом приемника 10;
- выдает сгенерированный сигнал на передатчики 8, 9 и 11.
При этом обеспечивается непрерывное формирование внутренней шкалы времени, ее коррекция за счет синхронизации задержанным сигналом приемника 10, формирование на основании скорректированной шкалы времени выходного сигнала тактовой синхронизации и его трансляция на передатчики 8, 9 и 11.
Введение фиксированных задержек обеспечивает компенсацию времени доставки тактового сигнала от внешнего источника синхронизации по каналу связи до данного ТУР. Величина указанной задержки может составлять от нуля до величины порядка нескольких микросекунд; при этом величина задержки должна задаваться с дискретностью не более 0,25 мкс.
При работе ТУР в режиме ретранслятора сигналов тактовой синхронизации блок 5 в составе устройства 1 выполняет следующие функции:
- вводит фиксированные задержки выходного сигнала для приемников 6 и 7;
- генерирует тактовый сигнал, синхронизированный задержанными выходными сигналами приемников 6 и 7;
- выдает сгенерированный сигнал на передатчик 11;
- транслирует сигнал от приемника 6 на передатчик 9, а сигнал от приемника 7 на передатчик 8.
При этом обеспечивается непрерывное формирование внутренней шкалы времени, ее коррекция за счет синхронизации задержанными сигналами от приемников 6 и 7, формирование выходного сигнала тактовой синхронизации на основании скорректированной шкалы времени и его трансляцию на передатчик 11.
Операции трансляции тактового сигнала от приемника 6 на передатчик 9 и от приемника 7 на передатчик 8 имеют практически детерминированное время выполнения (с величиной неопределенности времени выполнения операции трансляции с приемника на соответствующий передатчик не более±0,1 мкс);
Введение фиксированных задержек выходных сигналов приемников и в этом режиме обеспечивает компенсацию времени доставки тактового сигнала от внешнего источника синхронизации по каналу связи до ТУР.
Интерфейс 12 конфигурирования обеспечивает подключение к ТУР внешней рабочей станции, содержащей в себе программное обеспечение для выполнения конфигурирования устройства 1, в частности, настройки параметров функционирования блока 5. При выполнении конфигурирования через интерфейс 12 обеспечивается:
- задание режима функционирования ТУР - режима источника или режима ретранслятора сигналов тактовой синхронизации, при этом устанавливается соответственно запрет (в режиме источника) или разрешение (в режиме ретранслятора) трансляции сигналов между приемниками 6, 7 и передатчиками 8, 9; в качестве приемников синхронизирующего сигнала задается один приемник 10 (в режиме источника), либо пара приемников 6 и 7 (в режиме ретранслятора);
- задание величин задержки выходных сигналов для каждого из приемников 6, 7 и 10.
Приемники 6, 7 и 10 и передатчики 8, 9 и 11 в устройстве ТУР могут быть реализованы на базе стандартных оптических приемников и передатчиков, предлагаемых на рынке, например, приемников HFBR-24x6Z и передатчиков HFBR-1712TZ от производителя Avago Technologies. Блок тактовой синхронизации 5 может быть выполнен на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) и высокостабильного кварцевого генератора, обеспечивающего формирование опорных сигналов, на основании которых формируется внутренняя шкала времени. Интерфейс 12 конфигурирования может быть выполнен на базе стандартного Ethernet-интерфейса (IEEE 802.3).
Представленная на фиг.2 примерная схема построения коммуникационной сети с резервированием содержит кольцевую коммуникационную сеть, сегменты которой соединяют узлы, выполненные в виде вышеописанного ТУР. На фиг.2 показаны:
- однопроводные сегменты 13 сети, предназначенное для передачи данных;
- двухпроводные сегменты 14 сети, предназначенные для двунаправленной передачи сигналов тактовой синхронизации;
- трехпортовые устройства 1 резервирования, связанные сегментами 13 и 14;
- интеллектуальные электронные устройства 15, не поддерживающие включение в кольцевую коммуникационную сеть, и введенные в нее посредством трехпортовых устройств 1 резервирования;
- интеллектуальное электронное устройство 16, поддерживающее включение в кольцевую коммуникационную сеть напрямую (без использования промежуточных устройств резервирования);
- внешний источник 17 сигналов тактовой синхронизации.
Сегменты 13 обеспечивают передачу данных между узлами сети (устройствами 1 и 16) в соответствии со спецификацией «High-availability Seamless Ring» (HSR) по стандарту IEC 62439-3.
Сегменты 14 обеспечивают передачу сигналов тактовой синхронизации между узлами сети следующим образом.
Сигнал тактовой синхронизации поступает от внешнего источника 17 сигналов тактовой синхронизации (в качестве которого может выступать, к примеру, система обеспечения единого времени энергообъекта) на один из узлов сети, выполненный в виде устройства 1. Этот узел функционирует в режиме источника сигналов тактовой синхронизации, генерируя и отправляя через сегменты 14 сигналы тактовой синхронизации другим узлам сети и интеллектуальному электронному устройству 15, включенному в сеть через это устройство 1. Прочие устройства 1 при получении сигнала тактовой синхронизации от соседнего ТУР ретранслируют указанный сигнал другому соседнему ТУР, обеспечивая, таким образом, двунаправленную передачу сигнала тактовой синхронизации по сегментам 14.
При выполнении устройствами ТУР компенсации времени доставки тактового сигнала от источника сигнала до приемника с дискретностью задания не более 0,25 мкс и с учетом указанных выше допустимых величин неопределенностей задержек, обеспечиваемых устройствами ТУР при трансляции тактовых сигналов (±0,01 мкс - неопределенность задержки, вносимая приемником или передатчиком, ±0,1 мкс - неопределенность задержки, вносимая блоком тактовой синхронизации устройства при трансляции с приемника на передатчик) обеспечивается точность тактовой синхронизации устройств в кольцевой коммуникационной сети не хуже ±1 мкс (в соответствии с классом Т5 согласно IEC 61850-5) при наличии в кольцевой сети до 50 узлов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. IEC 61850-5 «Системы и сети связи на подстанциях. Часть 5. Требования к связи для выполнения функций и эквивалентным схемам (электронных) приборов». 2003 г.(Электронный ресурс). Режим доступа
2. IEC 62439-3 «Промышленные сети связи. Сети с высокой готовностью к автоматической обработке. Часть 3. Протокол параллельной избыточности (PRP) и бесшовная избыточность с высокой готовностью (HSR)». 2010 г.(Электронный ресурс). Режим доступа: .
3. Опубликованная заявка США №2011/0029687, МПК G06F 15/16, 2011 г.