電站項(xiàng)目中，用戶提出的一個(gè)基本要求是：系統(tǒng)跳閘時(shí)，需要提供每個(gè)跳閘的瞬間時(shí)間記錄（SOE功能），通常這個(gè)時(shí)間的精度為1毫秒，然后根據(jù)這些時(shí)間判斷跳閘的先后次序，查出問(wèn)題的原因所在。為了使跳閘的時(shí)間具有可比性，整個(gè)電廠，甚至更多的電站之間的時(shí)間需要同步。這就引出我們今天的話題：時(shí)鐘同步。
什么是CIP同步（CIP Sync）？
CIP同步是對(duì)CIP（通用工業(yè)協(xié)議）有關(guān)時(shí)鐘同步的擴(kuò)展，基于IEEE-1588-2008標(biāo)準(zhǔn)－用于網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精確時(shí)鐘同步協(xié)議（簡(jiǎn)稱PTP）。CIP Sync也是由ODVA（開(kāi)放DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會(huì)）組織推出的標(biāo)準(zhǔn)，完全遵從IEEE 802.3（以太網(wǎng)）標(biāo)準(zhǔn)。
IEEE 1588-2008是一種機(jī)制，它可以使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的所有設(shè)備，基于一個(gè)公共時(shí)間保持同步，精度可以達(dá)到亞微妙。使用硬件元件的幫助，甚至可以達(dá)到十億分之一秒的精度。CIP同步（IEEE-1588 PTP）報(bào)文在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具有最高級(jí)別的傳送優(yōu)先級(jí)，這樣可以確保時(shí)鐘的同步精度。
為什么要使用CIP同步協(xié)議?
這是因?yàn)槭褂肅IP同步可以獲得以下優(yōu)勢(shì)：
1. 符合IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)，這意味著可以使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，使用普通的交換機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)小于1毫秒的時(shí)鐘同步精度。使用支持IEEE 1588 V2或IEEE 1588 V1的交換機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)鐘分別可以到達(dá)100納秒和100微妙的同步精度。支持IEEE 1588的交換機(jī)完全兼容IEEE 802.3以太網(wǎng)。
2. 與任何標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)相兼容，比如可以采用各種以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如：星形、環(huán)形、樹(shù)形等。在項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，具有更好的靈活性。
3. 在系統(tǒng)配置階段，設(shè)置時(shí)鐘同步功能的用時(shí)最短，不需要網(wǎng)絡(luò)排序，時(shí)鐘的同步幀自動(dòng)傳播。
4. 簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。過(guò)去的系統(tǒng)要專門(mén)為時(shí)鐘同步建立同步網(wǎng)絡(luò)，這是由于原來(lái)的GPS采到時(shí)鐘同步信號(hào)后，因信號(hào)格式的兼容性問(wèn)題，必須和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線分開(kāi)。比如使用：Synch-link（見(jiàn)下圖），或者RS485通信線連接。這樣會(huì)帶來(lái)：增加布線成本、引入電磁干擾、增加管理和維護(hù)的難度。
因?yàn)镃IP同步基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，而目前越來(lái)越多的工廠企業(yè)的設(shè)備都采用工業(yè)以太網(wǎng)連接。因此，可以充分利用已有的以太網(wǎng)資源，對(duì)同步信號(hào)就不需要單獨(dú)布線了。
CIP 同步概述
CIP同步可以在羅克韋爾自動(dòng)化ControlLogix平臺(tái)的以太網(wǎng)模塊EN2T中運(yùn)行。使用的客戶反饋道：“協(xié)議的缺省行為使簡(jiǎn)單系統(tǒng)的安裝和運(yùn)行，不再需要工廠的管理層擔(dān)心了。”因?yàn)镋N2T的配置非常簡(jiǎn)單易行，所以得到了用戶的高度認(rèn)可。
EN2T的行為就像以太網(wǎng)上的一臺(tái)普通時(shí)鐘。ControlLogix或EN2T可以把在Logix背板上的協(xié)同時(shí)鐘CST和精確時(shí)鐘PTP作為系統(tǒng)的主時(shí)鐘M或者最高級(jí)時(shí)鐘GM。
上圖描述了基于以太網(wǎng)的CIP同步網(wǎng)絡(luò)，EN2T為支持CIP同步的以太網(wǎng)模塊，M代表主時(shí)鐘，S代表從時(shí)鐘。這里的最高級(jí)時(shí)鐘（Grand Master Clock）是指在一個(gè)域內(nèi)，使用協(xié)議進(jìn)行時(shí)鐘同步，作為最終時(shí)間源的時(shí)鐘。上圖的系統(tǒng)具有最高級(jí)時(shí)鐘仲裁功能，時(shí)鐘系統(tǒng)可以自愈，一個(gè)時(shí)鐘失效不會(huì)停止時(shí)間的傳送或同步，系統(tǒng)自己能夠判斷，找到最佳主時(shí)鐘（Best Master Clock）。
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支持CIP同步的硬件系統(tǒng)
控制器：ControlLogix控制器具有天然支持CIP同步的功能。可以作為精確時(shí)鐘PTP和協(xié)同時(shí)鐘CST 的主站和從站。在控制器之間，不需要編制程序共享時(shí)鐘。只要在控制器配置頁(yè)面的選項(xiàng)框中打勾即可，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提取CIP同步信號(hào)。
時(shí)間在控制器之間共享，一臺(tái)Logix控制器作為主時(shí)鐘，其他Logix控制器作為從時(shí)鐘。
以太網(wǎng)模塊：EN2T支持CIP同步。基本功能有：
1．狀態(tài)與配置：CIP同步報(bào)文。
2．CST對(duì)象：讀系統(tǒng)時(shí)間，協(xié)同系統(tǒng)時(shí)鐘，系統(tǒng)偏移量。
3．時(shí)間同步對(duì)象：使能/失能，獲得/設(shè)置時(shí)間，設(shè)置優(yōu)先主時(shí)鐘，獲取同步狀態(tài)，獲取當(dāng)前精確時(shí)鐘PTP主站狀態(tài)和信息。
4．Web網(wǎng)頁(yè)：PTP診斷
交換機(jī)：1783-ETAP，支持透明時(shí)鐘功能。透明時(shí)鐘是指：能夠測(cè)量精確時(shí)間協(xié)議PTP事件報(bào)文通過(guò)該設(shè)備的時(shí)間，并向接受該P(yáng)TP事件報(bào)文的時(shí)鐘提供該信息的設(shè)備。
交換機(jī)：STRATIX 8000和8300。基本功能：
1． 透明時(shí)鐘；
2． 邊界時(shí)鐘。邊界時(shí)鐘是指：在一個(gè)域上具有多個(gè)精確時(shí)間協(xié)議PTP端口，并維護(hù)在該域上使用的時(shí)標(biāo)時(shí)鐘。它可以作為時(shí)間源，即為主時(shí)鐘；也可與另一個(gè)時(shí)鐘同步，即為從時(shí)鐘。
分布式I/O：支持CIP同步的ArmorBlock。功能如下：
1．+/- 100微妙的時(shí)間戳精度。
2．內(nèi)置3個(gè)端口切換，輸入、輸出和內(nèi)部口。
3．16個(gè)SOE輸入，預(yù)訂的計(jì)劃輸出。
4．24VDC電源。
機(jī)架式SOE模塊：1756-IH16ISOE /-IB16ISOE，固件版本2.7。提供最新技術(shù)和最佳性價(jià)比的SOE方案/第一失效檢測(cè)系統(tǒng)。基本功能為：
1．支持集成的CIP同步。
2．支持高精度時(shí)間戳，帶來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)時(shí)間源的“實(shí)時(shí)”值。
3．SOE方案的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，取消了原來(lái)的同步連接線，如Synclink。在多機(jī)架系統(tǒng)中，也不需要GPS模塊了。
4．模塊提供了新的“x10 先入先出模式”。
5．在高速應(yīng)用中，對(duì)每個(gè)請(qǐng)求包間隔RPI可提供10個(gè)事件時(shí)間戳的回放。
6．響應(yīng)時(shí)間提高了10倍。
CIP同步時(shí)間用例：第一失效檢測(cè)（SOE）
失效機(jī)械上的安全系統(tǒng)傳感器，有時(shí)會(huì)間歇發(fā)出失效信號(hào)，最后導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，還會(huì)連帶引起其他相關(guān)機(jī)械的失效。傳統(tǒng)的失效檢測(cè)或報(bào)警系統(tǒng)，無(wú)法判斷實(shí)際失效時(shí)的失效發(fā)生順序，從而也無(wú)法找到停機(jī)的根源和真正產(chǎn)生故障的原因。
對(duì)失效輸入信號(hào)的高精度時(shí)間戳，可以非常準(zhǔn)確地分析出第一失效信號(hào)，從而容易確定造成機(jī)械停機(jī)的初始故障。
公共時(shí)標(biāo)為報(bào)警系統(tǒng)登錄用戶之間的互動(dòng)（對(duì)時(shí)），以及報(bào)警事件的時(shí)間記錄（時(shí)間戳）提供了公共時(shí)間參考標(biāo)準(zhǔn)。
電力工業(yè)需要小于1毫秒精度的時(shí)鐘，用于大面積分布式電廠基礎(chǔ)設(shè)施的第一失效的分析查詢。
電廠典型解決方案舉例1
上圖為帶有GPS時(shí)鐘、ControlLogix控制器冗余的應(yīng)用案例。最上面兩臺(tái)控制器為熱備份的ControlLogix CPU。第三層機(jī)架上插入了一個(gè)GPS模塊，用于接收來(lái)自GPS衛(wèi)星的時(shí)鐘信號(hào)。這里，GPS作為最高級(jí)時(shí)鐘（GM），系統(tǒng)中的其他以太網(wǎng)模塊EN2TR作為從時(shí)鐘S。而每個(gè)機(jī)架中的以太網(wǎng)模塊EN2TR作為本地的主時(shí)鐘M，機(jī)架上的L6X、SOE模塊和分布式ArmorBlock SOE模塊作為從時(shí)鐘S，通過(guò)CIP 同步信號(hào)進(jìn)行對(duì)時(shí)。
圖中的ETAP交換機(jī)支持CIP 同步到網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘協(xié)議NTP的轉(zhuǎn)換，因此可以連接人機(jī)界面HMI和個(gè)人計(jì)算機(jī)PC。
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電廠典型解決方案舉例2
圖中有L6X取自外實(shí)時(shí)源的WCT，然后傳遞給本機(jī)架的以太網(wǎng)模塊EN2T，這個(gè)EN2T為系統(tǒng)的最高級(jí)時(shí)鐘GM，使用UCT/CST（CIP同步/PTP）為其他機(jī)架的EN2T從時(shí)鐘S提供對(duì)時(shí)信號(hào)。而每個(gè)機(jī)架上的EN2T又為本機(jī)架上的SOE模塊提供對(duì)時(shí)。達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一時(shí)間的目的。
下面就圖中的3個(gè)時(shí)鐘給予說(shuō)明：
1．CST – 協(xié)同時(shí)鐘。它是一個(gè)背板時(shí)鐘，當(dāng)系統(tǒng)初始上電時(shí)就開(kāi)始運(yùn)行。它用作背板的一個(gè)主時(shí)鐘，協(xié)同任務(wù)切換、運(yùn)動(dòng)控制、來(lái)自I/O卡的時(shí)間戳和其他系統(tǒng)事件。這個(gè)時(shí)鐘對(duì)于真實(shí)世界時(shí)間沒(méi)有實(shí)際參考，因?yàn)樗窃诳刂破魃想姇r(shí)自由運(yùn)行的（以毫秒），而且不能使用外部值調(diào)整。CST時(shí)鐘用于協(xié)同本地機(jī)架。模塊同步和軟件任務(wù)使用這個(gè)時(shí)鐘協(xié)同行為，像用于周期任務(wù)的運(yùn)動(dòng)控制卡、控制器中斷等…
2．UTC – 協(xié)調(diào)世界時(shí)鐘。這個(gè)時(shí)鐘是系統(tǒng)時(shí)鐘，它提供了一個(gè)無(wú)偏差時(shí)鐘，與控制器的位置無(wú)關(guān)。它被推薦用于事件時(shí)間戳的時(shí)鐘。使用UTC作為時(shí)間戳，事件可以跨時(shí)區(qū)進(jìn)行比較，不需要對(duì)基于地理的時(shí)間進(jìn)行編譯。系統(tǒng)時(shí)鐘提供一個(gè)時(shí)間戳，不僅與區(qū)域無(wú)關(guān)，而且避開(kāi)了某些地區(qū)的夏時(shí)制問(wèn)題。
3．WCT – 掛鐘時(shí)間，使用格利高里（Gregorian）時(shí)間格式。這種時(shí)間的格式為：年、月、日、時(shí)、分、秒和微妙。例如具體的時(shí)間可表示為：2011:07:05:12:15:。外部時(shí)鐘源可以來(lái)自：
? NTP – 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議；
? Logix 5000 時(shí)鐘更新工具；
? GPS 接口；
? IRIG B 接口。
總結(jié)
時(shí)間在集成架構(gòu)中是有差異的：機(jī)架到機(jī)架的精度為100 ns（納秒10-9秒）；
使用支持CIP同步/PTP功能的交換機(jī)，同步誤差<100ns；
羅克韋爾自動(dòng)化SOE模塊的時(shí)間戳精度<100μs；
羅克韋爾自動(dòng)化的解決方案采用標(biāo)準(zhǔn)的ControlLogix機(jī)架，時(shí)間協(xié)議在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)上傳送，支持全分布式的SOE結(jié)構(gòu)，以致操作員就能確定失效產(chǎn)生的原因。這些方案具有低成本、高精度的特色，是目前市場(chǎng)上最靈活的SOE解決方案，也是電力行業(yè)的理想選擇。
（羅克韋爾自動(dòng)化 華镕）
