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

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 (Ш^. Анализируется пример АСУТП для автоматизации электрических подстанций с использованием РТР и компонентов компании RuggedCom (Канада).

Ключевые слова: промышленный Ethernet, протокол точного времени, электрическая подстанция.

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

Обеспечение режима РВ становится важным этапом развития

IE.

На практике работа в РВ 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 РВ (например, на электрических подстанциях);

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

Поддержка коммуникации в РВ 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 Industrial 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 «up-link» 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 является детерминистким из-за механизма CSMA/CD. Различные вендоры используют различные подходы для преодоления этого недостатка:

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 наибольшие задержки в сети. Однако не применять его нельзя, так как в противном случае не обеспечивается 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

Рис. 1

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 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 мксек обеспечивался непосредственно на уровне «socket» интерфейса. Путем оптимизации драйверов достижима точность 10 мксек 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 реше-

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

Рис. 2

ния задач, требующих суб-микросекундную 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 мсек. Технические возможности GPS приемников с соответствующими антеннами велики, но они дороги. Кроме этого, при их применении требуется подавать прецизионный

2 Стандарт «1588ТМ - IEEE Standard for a precision clock synchronization Protocol for Networked Measurement and control systems»

тактовый импульс по отдельной линии к каждому сетевому устройству.

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

• точности синхронизации в субмикросекундном 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 датаграммах 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».

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

Главнмй Подчинсннмй

синхроимпульс синхроимпульс

Определение ориентировочного времени отправления

11 ос мл ка точного времени отправления

Измерение точного времени получения сообщения

11 ос мл ка точного времени получения

I-

II-

II-

SyncMessage

FollowUpMessagc

DelayReqMessage

DclayRcspMcssagc

Измерение точного времени приема

Расчет смещения Щ

Измерение точного времени посылки сообщения

1

Расчет величины задержки

Рис. 3. Специальные пакеты в режиме групповой передачи

Рис. 4. Связь синхроимпульсов при использовании радиальной топологии

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 устрой-

ствах (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:

o быстрого взятия проб;

o более совершенных генераторов;

o использования качественных граничных clocks;

o использования неординарной статистики и алгоритмов подстройки временных параметров;

o 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 2550 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 субнаносекундном диапазоне;

• более короткие сообщения;

• механизм «четкой» (peer) задержки, включающий в себя посылку и получение сообщений Pdelay-req, Pdelay_Resp, Pdelay_Resp_Follow-Up между узлом А (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 transparent 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 измерения 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 субмикросекундная 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).

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

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 тока, работает в широком диапазоне рабочих температур (от -40°С 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);

• 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 мксек, типовое значение -100 нсек).

Режим «прозрачного» (transparent) clock обеспечивает точную передачу синхросигналов без накопления временных «jitter»4 ошибок.

4 «jitter» - апертурная «дрожь»

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 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 энергосистемы, 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

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 Beiden company).

3. IEEE 1588 Precision time Synchronization Solution for electric utilities RuggedCom industrial strength networks. Материал компании RuggedCom. www.ruggedcom.com. И5И=1

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ --------------------------------------------

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