虹科干貨 | 解決連接到IEEE 1588高可用性網(wǎng)絡(luò)的SCADA系統(tǒng)的NTP同步參考問題

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(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(shè)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(fù)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)或?qū)Ｓ袇f(xié)議聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控計算機、PLC、遠(yuǎn)程終端單元(RTU)組成。它的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工、燃?xì)狻㈣F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(dāng)前的第四代“物聯(lián)網(wǎng)”。在此期間，稱為“分布式”和“網(wǎng)絡(luò)化”的第二次和第三次革命定義了當(dāng)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(yīng)用或位于過程總線部分的保護任務(wù)需要亞微秒范圍的精度。為了達(dá)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(luò)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(shè)備施加時間，從設(shè)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(luò)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(biāo)應(yīng)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(shè)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(wù)器，負(fù)責(zé)控制和監(jiān)控變電站。該SCADA 能夠在本地或從操作控制室遠(yuǎn)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(wù)器連接到IEEE 1588感知冗余以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。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(shè)備。這些服務(wù)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(shè)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(luò)（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(shè)備。由于卡上嵌入了硬件和軟件基礎(chǔ)設(shè)施，這種同步可以由服務(wù)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?；蛟O(shè)備的引入并不是直接的，但完全支持網(wǎng)絡(luò)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(luò)拓?fù)?、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(wù)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(wù)器PC只需要一個NTP客戶端軟件。

IEEE 1588從站、NTP服務(wù)器和NTP客戶端安裝在同一設(shè)備內(nèi)。因此，就 NTP 計算的長度和路徑可變性而言，該設(shè)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(shè)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(wù)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(biāo)NTP服務(wù)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(yuǎn)程NTP服務(wù)器1：IP地址193.225.126.78。重新輸入121.131.112.137。

遠(yuǎn)程NTP服務(wù)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(wù)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(yīng)用提供了有效的精度水平。表2總結(jié)了在設(shè)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(shè)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(yīng)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(wù)器上運行的IgnionSCADA軟件。該圖對應(yīng)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(biāo)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(luò)的步驟和總體成本，并解決連接到IEEE 1588高可用性網(wǎng)絡(luò)的SCADA系統(tǒng)的NTP同步參考問題。