目前，各個行業(yè)都在朝著以太網(wǎng)融合的趨勢發(fā)展，近年來也出現(xiàn)了一些可用于增強標準以太網(wǎng)彈性的技術(shù)創(chuàng)新，并被用作運營（OT）和信息技術(shù)（IT)的通用鏈路層。電氣等具有高可用性和嚴格時序要求的關(guān)鍵領(lǐng)域推動了這些技術(shù)的發(fā)展，而通過向系統(tǒng)集成商提供即用型設備則能夠讓更多行業(yè)從這項技術(shù)創(chuàng)新中受益。

基于此，虹科的合伙伙伴RELYUM推出了智能PCIe卡RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe。該解決方案支持零延遲恢復時間以太網(wǎng)協(xié)議（HSR和PRP），并自主管理精確時間協(xié)議（PTP或IEEE 1588），以通過以太網(wǎng)實現(xiàn)精確時間同步。此外，該板卡還集成了時鐘協(xié)議網(wǎng)關(guān)，以簡化與 PTP參考不兼容的舊系統(tǒng)的同步。例如，本篇文章中提出的案例解決了SCADA的同步問題，該SCADA從NTP同步的Windows操作系統(tǒng)獲取時間參考。此NTP參考由嵌入在RELY-PCIe 卡上的NTP主站提供。

若您想了解HSR/PRP/PTP的介紹，歡迎查看虹科之前發(fā)布的文章：

• 虹科干貨 | 不用外部Redbox如何無縫合并PRP和HSR網(wǎng)絡實現(xiàn)精確時間同步？虹科給你答案！
  
• 朝花夕拾：HSR/PRP冗余協(xié)議（一）

01/

什么是SCADA？

SCADA(SupervisoryControl And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA通常由使用標準或?qū)Ｓ袇f(xié)議聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控計算機、PLC、遠程終端單元(RTU)組成。它的應用領(lǐng)域很廣，可以應用于電力、冶金、石油、化工、燃氣、鐵路等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。如今，SCADA 系統(tǒng)已經(jīng)從所謂的第一代“單片機”發(fā)展到當前的第四代“物聯(lián)網(wǎng)”。在此期間，稱為“分布式”和“網(wǎng)絡化”的第二次和第三次革命定義了當今大多數(shù)行業(yè)實施的方式。

02/

將PTP同步擴展到SCADA系統(tǒng)

在分布式控制系統(tǒng)中擁有一個通用的時間參考是至關(guān)重要的。以新一代數(shù)字化變電站所需的精度水平為例，基于同步相量的應用或位于過程總線部分的保護任務需要亞微秒范圍的精度。為了達到這種精度水平，IEC 61850提出了采用以太網(wǎng)或高可用性以太網(wǎng)上的IEEE 1588 (PTP)作為解決方案。

PTP直接通過以太網(wǎng)在變電站網(wǎng)絡中分配絕對時間，實現(xiàn)納秒范圍內(nèi)的同步精度。PTP系統(tǒng)遵循主從層次結(jié)構(gòu)，其中主設備施加時間，從設備在相位和頻率上與其同步傳播延遲由從站自動補償，為了考慮網(wǎng)絡節(jié)點引入的延遲，必須在中間節(jié)點中添加透明時鐘 (TC) 功能。

除了在電力領(lǐng)域的廣泛使用之外，IEEE 1588更常見于其他場景。例如，一些目標應用是用于天然氣和石油的分布式傳感器數(shù)據(jù)采集、確定性以太網(wǎng)的時間參考、電機驅(qū)動器的相位和頻率同步或從航空航天和國防中的DAU進行分布式數(shù)據(jù)采集。

在這些IEEE 1588同步基礎(chǔ)設施中，往往實施了多個SCADA系統(tǒng)。例如，在變電站內(nèi)，通常放置一個運行IEC 61850 SCADA軟件的監(jiān)控服務器，負責控制和監(jiān)控變電站。該SCADA 能夠在本地或從操作控制室遠程執(zhí)行控制操作。

這些SCADA用戶需要一個全面的解決方案來將這些服務器連接到IEEE 1588感知冗余以太網(wǎng)網(wǎng)絡。此外，他們需要將時間參考用作PC中SCADA事件時間戳操作其余的IEEE 1588設備。這些服務器的最新技術(shù)是基于Windows的多版本操作系統(tǒng)，并具有大量的SCADA軟件。

虹科的合伙伙伴RELYUM團隊設計了一個簡單的解決方案，使用RELY-PCIe卡在毫秒范圍內(nèi)將這些基于 Windows 的PC與IEEE 1588參考同步，而無需修改SCADA軟件上的任何元素。該方法總結(jié)在下圖中：

圖1 將 PTP 網(wǎng)絡（傳統(tǒng)和高可用性）與NTP同步系統(tǒng)合并

RELY-PCIe從IEEE 1588時鐘源同步，在大多數(shù)情況下來自Grand Master設備。由于卡上嵌入了硬件和軟件基礎(chǔ)設施，這種同步可以由服務器CPU自主完成。電路板內(nèi)維護的這個亞微秒范圍時間參考可用于將PTP時鐘擴展到其他PTP感知系統(tǒng)，例如基于Linux操作系統(tǒng)的SCADA。

對于基于Windows-OS的系統(tǒng)，PTP堆棧或設備的引入并不是直接的，但完全支持網(wǎng)絡時間協(xié)議。NTP 提供毫秒級的范圍同步，但是精度可能會因網(wǎng)絡拓撲、與NTP主站的距離等因素而存在很大差異。由于在RELY-PCIe板上集成了NTP服務器，本解決方案克服了這些限制。該板卡可作為IEEE 1588時鐘域和NTP域之間的橋梁運行，服務器PC只需要一個NTP客戶端軟件。

IEEE 1588從站、NTP服務器和NTP客戶端安裝在同一設備內(nèi)。因此，就 NTP 計算的長度和路徑可變性而言，該設置是最佳的。表1中給出的結(jié)果總結(jié)了在三個不同的日期里設置的平均測量延遲、偏移和抖動。

表1 使用RELY-PCIe IEEE1588到NTP嵌入式網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)的同步

PC服務器有一個RELY-PCIe插件，如圖2所示。操作系統(tǒng)版本為Windows XP。

目標NTP服務器是：

本地RELY-PCIe PTP-to-NTP橋接器：IP地址192.168.2.180。重新輸入LOCL。

遠程NTP服務器1：IP地址193.225.126.78。重新輸入121.131.112.137。

遠程NTP服務器2：IP地址69.36.182.57。重新輸入204.48.58.50。

圖2 RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡插入PC服務器

可以注意到，為RELY-PCIePTP-to-NTP橋接器測量的同步值平均明顯低于1納秒，為大多數(shù)SCADA應用提供了有效的精度水平。表2總結(jié)了在設置的這三天中測量的參數(shù)的最大值和最小值。

表 2 RELY-PCIeIEEE 1588-to-NTP 嵌入式網(wǎng)橋設置的最大值和最小值

一旦Windows操作系統(tǒng)使用NTP進行同步，SCADA軟件就可以無縫地使用此時間參考。此應用程序使用操作系統(tǒng)的時間參考進行時間戳和日志記錄操作。因此，無需在 SCADA 軟件包上配置任何內(nèi)容或安裝任何其他插件或軟件。

為了說明SCADA系統(tǒng)如何使用此時間參考，圖3顯示了在服務器上運行的IgnionSCADA軟件。該圖對應的是由RELY-PCIe PTP-to-NTP網(wǎng)橋支持的Windows操作系統(tǒng)NTP同步的事件記錄操作。通過比較PTP Grandmaster Management屏幕可以發(fā)現(xiàn)，SCADA能夠在毫秒范圍內(nèi)進行時間標記，其數(shù)值與電力變電站或智能工廠使用的全球IEEE 1588計時參考一致。

圖 3 在 Windows 操作系統(tǒng)上完成的 PTP 同步時間戳快照

總結(jié)

本篇文章結(jié)合一個真實的案例介紹了一款能夠無縫集成到任何工業(yè)計算機中的即用型PCIe智能網(wǎng)卡，從而簡化和降低實施HSR/PRP網(wǎng)絡的步驟和總體成本，并解決連接到IEEE 1588高可用性網(wǎng)絡的SCADA系統(tǒng)的NTP同步參考問題。