Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Pro jakýkoliv řídicí systém s mnoha programovatelnými automaty, úlohami se sekvencemi událostí, se zvýšenou odolností při poruše, vysoce dynamickým řízením, řízením polohy a pohybu nebo umístěný v geograficky rozlehlé oblasti je důležitou funkcí synchronizace. Technici musí vyřešit dva základní problémy: synchronizovat čas systému s místním časem, popř. světovým časem UTC, a synchronizovat systémový čas mezi různými programovatelnými automaty a I/O moduly v rámci celého stroje, linky, podniku nebo geograficky rozhlehlé řízené soustavy.
Tyto problémy lze vyřešit službou CIP Sync™ a dále uvedenými doporučeními pro návrh systému a jeho konfiguraci. CIP Sync je služba vyvinutá sdružením ODVA a založená na normě IEEE 1588-2008 (IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems). Obsahuje mechanismus pro synchronizaci hodin mezi programovatelnými automaty, I/O moduly a dalšími prostředky automatického řízení. K mimořádně přesné synchronizaci, důležité v úlohách se sekvencemi událostí (SOE – Sequence Of Events), jsou využívány časové značky generované jednotlivými zařízeními. Obory, v nichž se sekvence událostí s požadavky na synchronizaci vyskytují
nejčastěji, jsou:
- Energetika. Běžně jsou vyžadovány časové značky s přesností méně než v milisekundách. V rozvodných elektrických sítích jsou moduly se sekvencemi událostí často připojeny ke stykačům a spínačům, které mají mimořádně krátkou dobu odezvy. Vysoce přesná časová značka je nutná mj. pro to, aby bylo možné určit příčinu případného selhání sítě.
- Farmaceutická výroba. Zde jsou vyžadovány časově přesné záznamy o výrobě. V některých případech je nutné přesně určit sekvenci událostí, kdy operátor udělal určitý zásah a kdy na jeho požadavek řídicí systém zareagoval.
- Systémy SCADA. Zde je často nutné synchronizovat zařízení v různých časových pásmech. Příkladem může být řízení čerpacích stanic ropovodů nebo plynovodů, kde je třeba čas jednotlivých zařízení umístěných na rozlehlém území převést na společnou časovou základnu. V těchto případech je vyžadováno všechna zařízení synchronizovat s hlavními hodinami, řízenými např. signálem z GPS.
Tradiční přístupy k synchronizaci času
Tradičně jsou úlohy SOE řízeny systémy reálného času, přičemž událostem je časová značka přidělována programovatelným automatem nebo řídicím počítačem. Z obr. 1 je patrné, že komponenty řídicího systému nejsou synchronizovány, a programovatelný automat nebo počítač proto jako řídicí hodiny používá server NTP – Network Time Protocol.
Pro zlepšení přesnosti a spolehlivosti přidělování časových značek událostem vybavují někteří výrobci řídicí systémy a I/O moduly možností synchronizace prostřednictvím Ethernetu (obr. 2). Mechanismus synchronizace je založen na principu master-slave. Zařízení označené jako time master (M) rozesílá pakety s údajem o čase prostřednictvím Ethernetu zařízením, jimž je určena úloha slave (S), aby je synchronizovalo se svými hodinami. To umožňuje řídicímu systému přidělit časové značky různým událostem v různých programovatelných automatech nebo vstupních zařízeních se submikrosekundovým rozlišením.
Poznamenejme, že některé řídicí systémy mohou pro synchronizaci používat nestandardní, modifikované verze síťového stacku. Jestliže jde o modifikace pod aplikační vrstvou, jsou takové systémy a ethernetové sítě považovány za proprietární (obr. 3) a nelze je jednoduchým způsobem začlenit do standardních ethernetových komunikačních sítí. Také obráceně platí, že integrace standardních síťových prvků do proprietárních sítí může být velmi obtížná.
Použití protokolů EtherNet/IP a PTP pro synchronizaci v reálném čase
Na rozdíl od toho je protokol EtherNet/IP™ základem otevřené průmyslové sítě používající standardní Ethernet a standardní protokol TCP/IP – stejné, jaké se používají v internetu a v dalších komerčních sítích. EtherNet/IP má vlastnosti reálného času, pružnost a bezpečnost charakteristické pro průmyslové sběrnice, a naproti tomu velkou šířku přenosového pásma a otevřenost díky celosvětově přijímaným standardům Ethernetu. EtherNet/IP využívá protokol CIP™ (Commmon Industrial Protocol) a díky němu zachovává všechny standardy spojené s instalacemi a provozem ethernetových sítí.
Protokol CIP je implementován na aplikační úrovni modelu ISO/OSI, dovoluje směrování datových toků mezi jednotlivými sítěmi, včetně sítí EtherNet/IP, DeviceNet™, CompoNet™ and ControlNet™, a umožňuje dopřednou i zpětnou kompatibilitu (obr. 4).
Pro synchronizaci hodin zařízení v ethernetové síti byla pro protokol EtherNet/IP vytvořena služba CIP Sync, vycházející z normy IEEE 1588 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems. Tato norma, často označovaná jen jako PTP – Precision Time Protocol, specifikuje, jak s velkou přesností synchronizovat nezávislé hodiny v různých nódech distribuovaného řídicího systému.
Ve své základní podobě nevyžaduje protokol PTP žádnou správu. Protokol vytvoří mezi hodinami v systému vztah master-slave: jedny hodiny jsou určeny jako time master a čas všech ostatních zařízení v síti a jejích úsecích je odvozen od nich. Hodiny přitom spolu komunikují prostřednictvím komunikační sítě, nepotřebují k tomu žádnou vyhrazenou síť.
Zařízení, kterému byla přisouzena úloha time master, periodicky rozesílá prostřednictvím všech svých portů synchronizační zprávu (Sync). Všechna zařízení používají pro vyhodnocování kvality hodin tentýž algoritmus, nazývaný BMC – Best Master Clock. Jestliže některý port zařízení time master přijme zprávu Sync od „lepších“ hodin, zařízení se vzdá své úlohy a přejde do režimu slave. Naopak, jestliže zařízení ve stavu slave zjistí, že by mohlo mít „lepší“ hodiny než současný time master, přivlastní si jeho úlohu a začne rozesílat zprávy Sync. Údaje o kvalitě hodin obsahují údaje o kvalitě primárního zdroje času (GPS, atomové hodiny, křemíkový oscilátor atd.), přesnosti, stabilitě a šumu časové základny, vzdálenosti hodin v rámci sítě a o identifikátoru portu (pro zabránění kolizím). Uživatel může určit, že některé nódy, např. I/O zařízení, budou v režimu slave-only a nikdy nebudou moci převzít úlohu time master. Popsaným algoritmem jsou v síti automaticky určeny jedny hodiny jako primární systémové hodiny, grand master clock (obr. 5).
Služba CIP Sync je nadstavba protokolu IEEE 1588, která měří latenci síťových přenosů a počítá příslušné korekce. To umožňuje nódy synchronizovat s přesností stovek nanosekud. Jestliže všechny hodiny v řídicím systému sdílejí společný systémový čas a jsou synchronizovány s přesností ve stovkách nanosekund, je možné událostem sledovaným řídicím systémem (např. Allen-Bradley® ControlLogix® od společnosti Rockwell Automation) přidělovat časové značky (TS – Time Stamp) velmi přesně, tj. s malým rozptylem. Jak to funguje v praxi? Protokol PTP rozlišuje obyčejné hodiny, hraniční hodiny a transparentní hodiny. Obyčejné hodiny mají jen jediný port pro příjem informace o čase. Hraniční hodiny, jak je znázorněno na obr. 5, mají jeden port, který přijímá informaci o čase od nadřazených hodin master time, podle ní se synchronizují a svůj čas předávají na své výstupní porty. Hraniční hodiny tedy z hlediska PTP vytvářejí úseky sítě a typicky jsou součástí komunikačních přepínačů (switch). Transparentní hodiny dokážou počítat korekce zpoždění způsobeného latencí sítě, a jsou tedy nutné zejména v sítích s liniovou topologií, kde by jinak chyba způsobená latencí sítě se vzdáleností od primárních hodin lineárně narůstala.
Doporučení pro návrh systému
Tam, kde je vyžadována velká přesnost synchronizace a výkonná komunikační síť, jako jsou např. náročné úlohy řízení polohy a pohybu, je doporučeno používat zařízení, která podporují protokol PTP (IEEE 1588) v2 a kde je implementován mechanismus transparentních a hraničních hodin. Příkladem jsou manažovatelné přepínače Allen Bradley Stratix 8000™ a servopohony Kinetix® 6500 od společnosti Rockwell Automation.
Tam, kde stačí menší přesnost synchronizace, jako jsou obecné úlohy vyžadující pořizování časových značek, není třeba používat přepínače nebo směrovače (router) s podporou mechanismu hraničních nebo transparentních hodin. Synchronizace hodin potom ovšem není tak přesná a aplikační software nemůže provádět zcela přesné časové výpočty.
Uživatelé mohou v jedné síti kombinovat oba typy úloh. Jedinou podmínkou je, aby zařízení s požadavkem na přesnou synchronizaci měla dobré spojení s jednotkou s funkcí grand master clock. Na to je třeba pamatovat při zpracovávání návrhu architektury systému.
Použití hraničních nebo transparentních hodin výrazně zvyšuje odolnost synchronizace proti změnám zatížení komunikační sítě. Tam, kde je požadována propagace systémového času z jedné podsítě do druhé, je nutné použít koncová zařízení podporující PTP v2 a připojení typu unicast a přepínače podporující PTP v2 a mechanismus hraničních nebo transparentních hodin.
Kam pro další informace
Doporučení, průvodce návrhem systému a nejlepší praktiky pro využití standardní sítě EtherNet/IP zájemci najdou v dokumentu Converged Plantwide Ethernet (CPwE) Design and Implementation Guide (DIG) (Rockwell Automation, 2011). Informace o konfiguraci služby CIP Sync v zařízení lze najít v Integrated Architecture and CIP Sync Application Technique (Rockwell Automation, 2011). V dokumentu EtherNet/IP Embedded Switch Technology Application Guide (Rockwell Automation, 2013) jsou obsaženy informace o konfiguraci dvouportových vestavných přepínačů. Všechny dokumenty jsou dostupné na webu společnosti Rockwell Automation.
Pozn. red.: Bližší informace v českém jazyce jsou v článku ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.:
Synchronizace v distribuovaných řídicích systémech: Precision Time Protocol (PTP) podle IEEE 1588. Automa, 2010, č. 2,
s. 17–19.
(Allen-Bradley, ControlLogix, Kinetix a Stratix 8000 jsou ochranné známky společnosti Rockwell Automation, Inc. CIP, CIP
Sync, CompoNet, ControlNet, DeviceNet a EtherNet/IP jsou ochranné známky ODVA. Ochranné známky, které nepatří společnosti Rockwell Automation, jsou vlastnictvím příslušných společností.)
Sabina Piyevsky, Commercial Engineering
Manager, a Gregory Wilcox, Networks
Business Development Manager,
Rockwell Automation
Obr. 1. Řídicí systém reálného času
Obr. 2. Řídicí systém reálného času pro úlohy SOE synchronizovaný prostřednictvím Ethernetu
Obr. 3. Nestandardní, modifikovaná implementace síťového stacku
Obr. 4. CIP Sync využívá standardní implementaci síťového stacku
Obr. 5. Ukázka systému s primárními, hraničními, transparentními a řízenými hodinami