虹科干货|解决连接到IEEE1588高可用性网络的SCADA系统的NTP同步参考问题

原创工业通讯 2022-12-01 17:37

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目前，各个行业都在朝着以太网融合的趋势发展，近年来也出现了一些可用于增强标准以太网弹性的技术创新，并被用作运营（OT）和信息技术（IT)的通用链路层。电气等具有高可用性和严格时序要求的关键领域推动了这些技术的发展，而通过向系统集成商提供即用型设备则能够让更多行业从这项技术创新中受益。

基于此，虹科的合伙伙伴RELYUM推出了智能PCIe卡RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe。该解决方案支持零延迟恢复时间以太网协议（HSR和PRP），并自主管理精确时间协议（PTP或IEEE 1588），以通过以太网实现精确时间同步。此外，该板卡还集成了时钟协议网关，以简化与 PTP参考不兼容的旧系统的同步。例如，本篇文章中提出的案例解决了SCADA的同步问题，该SCADA从NTP同步的Windows操作系统获取时间参考。此NTP参考由嵌入在RELY-PCIe 卡上的NTP主站提供。

若您想了解HSR/PRP/PTP的介绍，欢迎查看虹科之前发布的文章：

虹科干货 | 不用外部Redbox如何无缝合并PRP和HSR网络实现精确时间同步？虹科给你答案！
朝花夕拾：HSR/PRP冗余协议（一）

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什么是SCADA？

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA通常由使用标准或专有协议联网的监控计算机、PLC、远程终端单元(RTU)组成。它的应用领域很广，可以应用于电力、冶金、石油、化工、燃气、铁路等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。如今，SCADA 系统已经从所谓的第一代“单片机”发展到当前的第四代“物联网”。在此期间，称为“分布式”和“网络化”的第二次和第三次革命定义了当今大多数行业实施的方式。

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将PTP同步扩展到SCADA系统

在分布式控制系统中拥有一个通用的时间参考是至关重要的。以新一代数字化变电站所需的精度水平为例，基于同步相量的应用或位于过程总线部分的保护任务需要亚微秒范围的精度。为了达到这种精度水平，IEC 61850提出了采用以太网或高可用性以太网上的IEEE 1588 (PTP)作为解决方案。

PTP直接通过以太网在变电站网络中分配绝对时间，实现纳秒范围内的同步精度。PTP系统遵循主从层次结构，其中主设备施加时间，从设备在相位和频率上与其同步传播延迟由从站自动补偿，为了考虑网络节点引入的延迟，必须在中间节点中添加透明时钟 (TC) 功能。

除了在电力领域的广泛使用之外，IEEE 1588更常见于其他场景。例如，一些目标应用是用于天然气和石油的分布式传感器数据采集、确定性以太网的时间参考、电机驱动器的相位和频率同步或从航空航天和国防中的DAU进行分布式数据采集。

在这些IEEE 1588同步基础设施中，往往实施了多个SCADA系统。例如，在变电站内，通常放置一个运行IEC 61850 SCADA软件的监控服务器，负责控制和监控变电站。该SCADA 能够在本地或从操作控制室远程执行控制操作。

这些SCADA用户需要一个全面的解决方案来将这些服务器连接到IEEE 1588感知冗余以太网网络。此外，他们需要将时间参考用作PC中SCADA事件时间戳操作其余的IEEE 1588设备。这些服务器的最新技术是基于Windows的多版本操作系统，并具有大量的SCADA软件。

虹科的合伙伙伴RELYUM团队设计了一个简单的解决方案，使用RELY-PCIe卡在毫秒范围内将这些基于 Windows 的PC与IEEE 1588参考同步，而无需修改SCADA软件上的任何元素。该方法总结在下图中：

图1 将 PTP 网络（传统和高可用性）与NTP同步系统合并

RELY-PCIe从IEEE 1588时钟源同步，在大多数情况下来自Grand Master设备。由于卡上嵌入了硬件和软件基础设施，这种同步可以由服务器CPU自主完成。电路板内维护的这个亚微秒范围时间参考可用于将PTP时钟扩展到其他PTP感知系统，例如基于Linux操作系统的SCADA。

对于基于Windows-OS的系统，PTP堆栈或设备的引入并不是直接的，但完全支持网络时间协议。NTP 提供毫秒级的范围同步，但是精度可能会因网络拓扑、与NTP主站的距离等因素而存在很大差异。由于在RELY-PCIe板上集成了NTP服务器，本解决方案克服了这些限制。该板卡可作为IEEE 1588时钟域和NTP域之间的桥梁运行，服务器PC只需要一个NTP客户端软件。

IEEE 1588从站、NTP服务器和NTP客户端安装在同一设备内。因此，就 NTP 计算的长度和路径可变性而言，该设置是最佳的。表1中给出的结果总结了在三个不同的日期里设置的平均测量延迟、偏移和抖动。

表1 使用RELY-PCIe IEEE1588到NTP嵌入式网桥实现的同步

PC服务器有一个RELY-PCIe插件，如图2所示。操作系统版本为Windows XP。

目标NTP服务器是：

本地RELY-PCIe PTP-to-NTP桥接器：IP地址192.168.2.180。重新输入LOCL。

远程NTP服务器1：IP地址193.225.126.78。重新输入121.131.112.137。

远程NTP服务器2：IP地址69.36.182.57。重新输入204.48.58.50。

图2 RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡插入PC服务器

可以注意到，为RELY-PCIe PTP-to-NTP桥接器测量的同步值平均明显低于1纳秒，为大多数SCADA应用提供了有效的精度水平。表2总结了在设置的这三天中测量的参数的最大值和最小值。

表 2 RELY-PCIe IEEE 1588-to-NTP 嵌入式网桥设置的最大值和最小值

一旦Windows操作系统使用NTP进行同步，SCADA软件就可以无缝地使用此时间参考。此应用程序使用操作系统的时间参考进行时间戳和日志记录操作。因此，无需在 SCADA 软件包上配置任何内容或安装任何其他插件或软件。

为了说明SCADA系统如何使用此时间参考，图3显示了在服务器上运行的IgnionSCADA软件。该图对应的是由RELY-PCIe PTP-to-NTP网桥支持的Windows操作系统NTP同步的事件记录操作。通过比较PTP Grandmaster Management屏幕可以发现，SCADA能够在毫秒范围内进行时间标记，其数值与电力变电站或智能工厂使用的全球IEEE 1588计时参考一致。