Протокол точного времени Ртр для обеспечения работы АСУТП в режиме жесткого реального времени

© Ю.П. Страшун, 2014

УДК 681.324 Ю.П. Страшун

ПРОТОКОЛ ТОЧНОГО ВРЕМЕНИ РТР

ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТЫ АСУТП В РЕЖИМЕ

ЖЕСТКОГО РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Рассмотрена необходимость работы АСУТП в реальном времени (РВ) и существо протокола точного времени (РТР) для обеспечения режима жесткого реального времени (IRT).

Проанализирован пример АСУТП для автоматизации электрических подстанций с использованием РТР и компонентов компании RuggedCom (Канада). Ключевые слова: промышленный Ethernet (Industrial Ethernet), протокол точного времени (precise time protocol), электрическая подстанция (power utility substation).

Существенное увеличение числа задач реального времени, решаемых в АСУТП с применением сети Industrial Ethernet (IE), делает актуальным использование специфических аппаратно-программных средств для обеспечения работы в режиме реального времени (PB).

Обеспечение режима PB становится важным этапом развития IE.

На практике работа в PB необходима:

• для проведения анализа функционирования защитной сигнализации;

• для временной синхронизации совместного функционирования протоколов SNMP и NTP (сигналы точного времени GPS);

• для ведения удаленного журнала событий;

• для выделения в отдельную группу с помощью стандарта IEEE802.1Q (VLAN) интеллектуальных электронных устройств (IED), функционирующих в PB (например, на электрических подстанциях);

• для передачи служебных сообщений самой сети (ICMP) и мониторинга (RMON).

Поддержка коммуникации в PB означает, что при ней сообщения идут

с гарантированным временем ожидания — задержкой между посланными и принятыми сообщениями (Latency) и вариацией этого времени (jitter).

Коммуникация в РВ делает In dustrial Ethernet детерминистским. Детерминизм — точная предсказуемость временного поведения системы (во всех ее состояниях).

Так как к обеспечению режима РВ в значительной степени имеет отношение групповой трафик (multicast traffic), важную роль приобретают количество последовательно соединенных коммутаторов и роутеров, а также соотношение числа LAN-портов терминалов нижнего уровня и «uplink» портов терминалов высокого уровня в системе.

Для выполнения требований по времени ожидания стандартный Ethernet имеет соответствующие протоколы для широкого диапазона применений. Что касается малости вариации времени ожидания, то она не всегда гарантируется.

Стандартный Ethernet не являет ся детерминистким из-за механизма CSMA/CD. Различные вендоры используют различные подходы для преодоления этого недостатка:

Рис. 1

1) использование циклического Ethernet;

2) использование стандартного Ethernet с добавочным механизмом РВ (например, в сетях Profinet или EtherNet/IP);

3) комбинация подходов (например, в сети Profinet).

Стек TCP/IP вносит наиболь шие задержки в сети. Однако не применять его нельзя, так как в противном случае не обеспечива ется совместимость офисного и промышленного уровней автоматизации.

Использование циклического Ethernet (time scheduling with Profinet, компания Siemens 2006 г.) иллюстрируется на рис. 1.

Time slot содержится в каждом цикле, в котором стандартные протоколы TCP/IP или UDP/IP могут использоваться по требованию. Time slot — квант времени — интервал времени, выделяемый задаче или процессу в ОС с разделением времени. Передача данных выполняется с помощью широковещательной телеграммы.

Использование стандартного

Ethernet с добавочным механизмом РВ представляет относительно новые

решения по организации временных соотношений циклов в управляющих системах. Их основу составляет метод распределенной синхронизации [1]. Благодаря этому методу не требуется привязывать окончание времени ожидания к середине вариации времени ожидания, т.е. процесс коммуникации может быть отделен от процесса выполнения задачи.

Имеются 2 варианта стандартного Ethernet с добавочным механизмом РВ: в режимах «мягкого» и «жесткого» (IRT) РВ.

В первом варианте положительный результат достигается за счет уменьшения задержек в программном драйвере на уровне TCP/IP. Software может быть четко структурировано без значительной зависимости от hardware. Стек протокола выполняется независимо от ОС. Доступ к аппаратному драйверу обеспечивается на уровне адаптации. При этом задачи таймера, семафора и socket1 интерфейса должны быть адаптированы к конкретной ОС. Аппаратные драйверы требуются только для доступа в сеть, для чтения временного штампа, а также съема и установки синхроимпульсов.

Возможно полное программное

1 Набор драйверов уровня BIOS, обеспечивающих стандартизованный интерфейс с РС-картой, разъемом и адаптерами, чтобы «спрятать» от драйверов верхнего уровня специфику аппаратных средств.

решение. При этом тактовая частота в компьютере используется для создания с помощью сетевого драйвера временного штампа. Известны прецеденты такого решения с использованием ОС Linux. Временной штамп с точностью лучше 100 мк сек обеспечивался непосредственно на уровне «socket» интерфейса. Путем оптимизации драйверов достижима точность 10 мк сек и выше. Наряду с другими подобными решениями известен вариант компании Siemens-сеть Profinet.

Второй вариант соответствует так называемому «жесткому» IRT PB (IRT — изохронный Ethernet РВ). Обмен данными в РВ осуществляется в этом случае в hardware. IRT предназначен для решения задач, требующих субмикросекундную синхронизацию (например, при управлении движением высокой производительности). Кроме этого, важны снижение загрузки администратора, оптимизация использования стабильных компонентов при жестких промышленных условиях

эксплуатации и при экономии ресурсов (в части процессора и сети в целом).

Назначение протокола точного времени (английская аббревиатура — РТР): жесткая синхронизация временных отсчетов в сетевых узлах распределенной системы автоматизации с помощью тактовых импульсов (clocks). При этом не оговариваются способы использования этих импульсов.

В целом концепция функционирования РТР иллюстрируется на рис. 2. Благодаря РТР процессы коммуникации могут быть отделены от процессов выполнения задачи. Обычно коррекция временных отсчетов охватывает не только смещение синхроимпульсов во времени, но и дрейф этого смещения. Благодаря РТР обеспечивается возможность функционирования АСУТП (ПрИС) в жестком реальном времени (IRT) [1]. По этой причине временная синхронизация по протоколу РТР в соответствии со стандартом IEEE 15882 (с мая 2004 г. — также IEC 61588) стала частью практически всех протоколов автоматизации, функционирующих в реальном времени (РВ) [2].

Известно, что для этой цели можно применять протоколы NTP и более простой SNTP. Однако точность синхронизации при их использовании не менее 1 м сек. Технические возможности GPS приемников с соответствующими антеннами велики, но они дороги. Кроме этого, при их применении требуется подавать прецизионный тактовый импульс по отдель-

2 Стандарт «1588™ - IEEE Standard for a precision clock synchronization Protocol for Networked Measurement and control systems» (v. 1, конец 2002).

Рис. 3. Специальные пакеты в режиме групповой передачи

ной линии к каждому сетевому устройству.

Компромисс между техническими возможностями и стоимостью был найден благодаря протоколу РТР. Целями его создания были обеспечение:

• точности синхронизации в суб-микросекундном диапазоне;

• минимальных требований к пропускной способности сети;

• минимальной загрузки администратора сети;

• использования Ethernet;

• международного уровня спецификаций.

Сущность стандарта IEEE 1588 (v. 1) состоит в записи значений времени отправления и времени приема специфических пакетов и их передачей в специальных дата-граммах наряду с выполнением временных штампов. Это позволяет подсчитать временное смещение (offset) импульсов синхронизации и задержку передачи в сети (delay) и в

дальнейшем скорректировать их для достижения высокой точности синхронизации и независимости выполнения управляющих команд от возможных отклонений в сетевой коммуникации.

Используются 4 типа специальных пакетов (сообщений) (см. рис. 3), посылаемых в режиме групповой (multicast) передачи:

• синхронизирующее сообщение (Sync);

• следующее за SYNC сообщение (Follow-Up);

• сообщение запроса задержки (Delay Req);

• ответное сообщение на запрос задержки (Delay Resp).

Так как оцениваемое время отправления «Sync» должно содержаться в специальном пакете перед его реальным отправлением, это время может отличаться от оцениваемого времени. Для этого точное время отправления Sync измеряется и посылается в следующем сообщении «Follow-Up».

Рис. 4. Связь синхроимпульсов при использовании радиальной топологии

В оценку «offset» неизбежно входит неопределенное время задержки пере дачи данных в сети. Для исключения его влияния на точность расчета смещения используются специальные пакеты «Delay Req» и «Delay Resp».

Для реализации стандарта IEEE 1588 используются три соподчиненных вида синхроимпульсов (clocks):

• master (ведущий) clock;

• boundary (граничный) clock;

• slave (подчиненный) clock.

Связь синхроимпульсов в рамках

древовидной (радиальной) топологии проиллюстрирована на рис. 4.

Граничный clock используется в сетевой инфраструктуре, чтобы соотнести дисбаланс по времени jitter-компонентов в устройствах (коммутаторах, роутерах и т.п.). Он в значительной степени определяется нагрузкой или перегрузкой сети.

На основе сведений из литературных источников точность подачи синхронизирующего импульса в зависимости от используемых детекторов синхроимпульсов и генераторов временного штампа в системе по стандарту IEEE 1588 достижима на уровне:

• ~100 нс при подаче Sync с периодом 2 с, недорогих генераторах, топологиях с незначительно нагруженными коммутаторами и простыми

средствами усреднения результатов измерения;

• ~20 нс на основе комбинации: быстрого взятия проб;

— более совершенных генераторов;

— использования качественных граничных clocks;

— использования неординарной статистики и алгоритмов подстройки временных параметров;

— контроля окружающей среды, особенно температуры.

В зависимости от эффекта асимметрии действуют следующие факторы:

• асимметрия вызывает ошибки из-за «offset»

• асимметрия зависит от вида топологии сети;

• различие интервалов прохождения синхроимпульсов от мастера к подчиненному и наоборот (имеет место различие во временных параметрах коммутаторов (роутеров) и в очередях к ним);

• физическая среда передачи также асимметрична (кабель категории CAT 5 имеет номинальное значение асимметрии 25—50 нс/100 м).

Специфические требования в областях телекоммуникаций, беспроводных сетевых технологий и т.п. создали предпосылки для разработки в июле 2008 г. v. 2 стандарта IEEE 1588-2008.

Основные технические возможности, гарантируемые версией v. 2, следующие:

• точность синхронизации в суб-наносекундном диапазоне;

• более короткие сообщения;

• механизм «четкой» (peer) задер жки, включающий в себя посылку и получение сообщений Pdelay-req, Pdelay_Resp, Pdelay_Resp_Follow-Up между узлом A (delay requestor) и узлом В (delay responder);

• введение одношагового режима работы протокола (без послания «follow-up»); при этом информация о точном времени заводится в послание Sync «on the fly» («на лету») с помощью hardware;

• введение transparent3 (clocks) (в режимах «end to end» и «peer to peer») для предотвращения накопления ошибок в каскадно соединяемых сетевых устройствах;

• возможность коррекции влияния ассиметрии.

Введение «прозрачных» clocks (transparent clocks) направлены на решение проблем, возникающих после реконфигурации сети, и, в частности, для учета времени нахождения в сети («residence» time) сетевого устройства, например коммутатора Ethernet. Значения этого времени накапливаются в поле коррекции (correction field) сообщения SYNC (в одношаговом режиме) или follow-up (в двухшаговом режиме).

Таким образом, введение trans parent clock позволяет измерить время нахождения в сети каждого устройства.

При использовании transparent clock в режиме «end to end» задержка распространения в линке (link) не корректируется. В режиме «peer to peer» применяется четкий механизм изме-

рения задержки, благодаря чему обеспечивается коррекция задержки распространения в линке.

Одной из важнейших областей применения РТР являются АСУТП на электрических подстанциях. Точность функционирования технических средств, установленных на них, и экономия материальных затрат обеспечиваются за счет применения протокола IEEE 1588 v. 2 совместно со стандартом IEC 61850 редакция 2. Благодаря этому обеспечивается суб-микросекундная точность синхронизации в критических режимах на шине процесса, исключается необходимость использования дополнительных кабелей, кроме кабеля Ethernet, по протоколу точного времени GPS, не требуются антенны в каждом узле сети. При этом можно использовать имеющиеся интеллектуальные электронные устройства (IED).

Пример АСУТП для автоматизации электрических подстанций, разработанные компанией RuggedCom [3], дан на рис. 5.

1. На станционной шине по стандарту IEC 61850 синхронизация позволяет установить точный временной штамп на последовательность событий, в частности, ведущих к отказу системы.

В системе модульные серверы последовательных устройств RS 416 и управляемый гигабитный коммутатор RSG 2288 синхронизируются по протоколу IEEE 1588 v. 2.

RuggedServer™ RS416 — промышленный сервер последовательных устройств с встроенным управляемым Ethernet коммутатором.

RS416 обеспечивает высокий уровень устойчивости к электромагнитным помехам и большим броскам то-

3 Transparent («прозрачные») clocks в распределенной системе, которая представляется пользователям и приложениям в виде единой среды.

+

IKC 61850 станционная шина

RSC2288 - SJavL- / Transparent Clock

isw 6 • •

RSG2288-Master Clock KSC2288-Transparent Clock

RS416 -Slave/Ordinary Cluck

ied

66

П (KM CJUbiil t'JI ьн ы e устройства

66 6

MP

RSG2288 Transparent Clock RSG2288 Transparent Clock

Í I Í

'Г T 'Г 'Г 'Г'

шина процесса I I I энергосистема ' < .

666 ффф

Г ЕС 61850

Рис. 5

ка, работает в широком диапазоне рабочих температур (от -40оС до +85°С) и имеет прочный корпус, что позволяет использовать его для решения критически важных задач в режиме реального времени на электроподстанциях и промышленных предприятиях в тяжелых климатических условиях.

RuggedSwitch RSG 2288 — полностью управляемый, модульный гигабитный Ethernet коммутатор. В нем реализуется протокол IEEE 1588 v. 2 с временным штампом в аппаратном и программном обеспечении. Коммутатор функционирует с встроенной ROS и обеспечением кибербезопасности.

Спецификация RSG 2288 включает в себя:

• до 9 портов гигабит Ethernet (медь и/или оптоволокно);

4 «jitter» - апертурная «дрожь».

• до 9 оптоволоконных 100FX портов Fast Ethernet;

• расстояние передачи при использовании оптики — до 70 км;

• использование transparent clock для обеспечения высокой точности синхронизации (менее 1 мк сек, типовое значение — 100 н сек).

Режим «прозрачного» (transparent) clock обеспечивает точную передачу синхросигналов без накопления временных «jitter»4 ошибок. В этом режиме измеряется задержка при передаче сигналов и время нахождения (residence time) в цепи коммутатора. При этом исключаются временные ошибки, что показано на рис. 6.

2. На шине процесса (IEC 61850 Process bus) измеренные величины напряжений и токов должны быть

Рис. 6

считаны в синхронизме между объединяющими (Merging) блоками (MU) и блоками получения данных IED для осуществления функций защиты в критических ситуациях и управления. Смещение во времени передачи данных в IED на несколько мксек приводит к отказу выполнения алгоритма защиты. Чтобы исключить отказ используется высокоскоростная оптическая шина процесса.

Для мониторинга качества электроэнергии, анализа состояния энер-

1. Гришин А.В., Страшун Ю.П. Промышленные информационные системы и сети. Изд-во «Радио и связь», 2010.

2. Precision clock synchronization. IEEE 1588 white paper. Материал компании Hirschmann (A Belden company).

госистемы, обеспечения стабильности, а также для управления используются согласно IEEE C37.118 высокоскоростные датчики Phasor measurement unit (PMU). Упомянутый стандарт определяет назначение этих датчиков, порядок их взаимодействия с другими объектами и установки временного штампа. Требуемая точность синхронизации этих датчиков порядка микросекунд. Поэтому единственное решение — использование протокола IEEE 1588.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. IEEE 1588 Precision time Synchronization Solution for electric utilities Rug gedCom industrial strength networks. Материал компании RuggedCom. www.ruggedcom.com. ШИН

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Страшун Ю.П. - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, ОАО «Институт электронных управляющих машин им. И.С. Брука», y_strashun@inbox.ru.

UDC 681.324

PRECISE TIME PROTOCOL TO PROVIDE HARD REAL TIME FUNCTIONING IN ASUTP

Strashun Yu.P., Candidate of Engineering Sciences, Leading Researcher, y_strashun@inbox.ru I.S. Bruk Institute of Electronic Controlling Machines

Necessity of real time functioning ASUTP and essence of precise time protocol /PTP/ for providing isochronous real time mode /IRT/ are discussed.

The introduction of transparent clocks is aimed at fixing the problems that arise after network reconfiguration, in particular, residence time record of a network device, for instance, Ethernet switch.

Introduction of the transparent clock will allow recording of each device residence time.

One of the application ranges of solid-state relay cooling radiator series RTR is the automatic process control systems of substations. Reliability of the control system devices and saving of material inputs are gained owing to the joint use of IEEE 1588 v. 2 protocol and IEC 61850 version 2 standard. This provides submicron accuracy of synchronization under bus critical behavior in accord with GPS Precision Time Protocol and excludes backup cables, apart from Ethernet cable, and excess antennas at each net point.

An example of ASUTP for power utility substation's automation with using PTP and RuggedCom company /Canada/'s products is analysed.

Key words: ethernet, Industrial Ethernet, precise time protocol, power utility substation.

REFERENCES

1. Grishin A.V., Strashun Yu.P. Promyshlennye informatsionnye sistemy i seti (Industrial information systems and networks), Radio Svyaz (Publishing House), 2010.

2. Precision clock synchronization. IEEE 1588 white paper. Material kompanii Hirschmann (A Belden company).

3. IEEE 1588 Precision time Synchronization Solution for electric utilities RuggedCom industrial strength networks. Material kompanii RuggedCom. www.ruggedcom.com

A

Практическая механика горных пород

В.И. Борщ-Компониец 2013 г. 322 с.

ISBN: 978-5-98672-342-6 UDK: 622.83

Приведены общие вопросы механики горных пород, позволяющие читателю получить знания, формирующие системное представление о механических закономерностях, протекающих в массивах при проведении горных выработок. Рассмотрены особенности горных пород и напряженного состояния массивов, закономерности проявления горного давления при проведении одиночных и очистных горных выработок, основные положения сдвижения горных пород при подземной и открытой разработке. Описаны методы изучения сдвижения и проявления горного давления, виды анкерного крепления, пучения горных пород.

ГОРНАЯ КНИГА