rockwell罗克韦尔自动化SOE解决方案

时间:2015-01-11 21:32来源:妙工科技原创 作者:崔辉平 点击:
CIP同步是对CIP(通用工业协议)有关时钟同步的扩展,基于IEEE-1588-2008标准-用于网络测量和控制系统的精确时钟同步协议(简称PTP)。CIP Sync也是由ODVA(开放DeviceNet供应商协会)组织推出的标准,完全遵从IEEE 802.3(以太网)标准。

电站项目中,用户提出的一个基本要求是:系统跳闸时,需要提供每个跳闸的瞬间时间记录(SOE功能),通常这个时间的精度为1毫秒,然后根据这些时间判断跳闸的先后次序,查出问题的原因所在。为了使跳闸的时间具有可比性,整个电厂,甚至更多的电站之间的时间需要同步。这就引出我们今天的话题:时钟同步。

什么是CIP同步(CIP Sync)?

CIP同步是对CIP(通用工业协议)有关时钟同步的扩展,基于IEEE-1588-2008标准-用于网络测量和控制系统的精确时钟同步协议(简称PTP)。CIP Sync也是由ODVA(开放DeviceNet供应商协会)组织推出的标准,完全遵从IEEE 802.3(以太网)标准。

IEEE 1588-2008是一种机制,它可以使网络系统中的所有设备,基于一个公共时间保持同步,精度可以达到亚微妙。使用硬件元件的帮助,甚至可以达到十亿分之一秒的精度。CIP同步(IEEE-1588 PTP)报文在整个网络系统中具有最高级别的传送优先级,这样可以确保时钟的同步精度。

为什么要使用CIP同步协议?

这是因为使用CIP同步可以获得以下优势:

1. 符合IEEE 802.3 标准,这意味着可以使用标准的以太网,使用普通的交换机也可以实现小于1毫秒的时钟同步精度。使用支持IEEE 1588 V2IEEE 1588 V1的交换机构成的网络,网络设备时钟分别可以到达100纳秒和100微妙的同步精度。支持IEEE 1588的交换机完全兼容IEEE 802.3以太网。

2. 与任何标准的以太网技术相兼容,比如可以采用各种以太网的拓扑结构,如:星形、环形、树形等。在项目实施时,具有更好的灵活性。

3. 在系统配置阶段,设置时钟同步功能的用时最短,不需要网络排序,时钟的同步帧自动传播。

4. 简化系统的结构。过去的系统要专门为时钟同步建立同步网络,这是由于原来的GPS采到时钟同步信号后,因信号格式的兼容性问题,必须和工业网络、现场总线分开。比如使用:Synch-link(见下图),或者RS485通信线连接。这样会带来:增加布线成本、引入电磁干扰、增加管理和维护的难度。

因为CIP同步基于标准的以太网,而目前越来越多的工厂企业的设备都采用工业以太网连接。因此,可以充分利用已有的以太网资源,对同步信号就不需要单独布线了。

CIP 同步概述

CIP同步可以在罗克韦尔自动化ControlLogix平台的以太网模块EN2T中运行。使用的客户反馈道:“协议的缺省行为使简单系统的安装和运行,不再需要工厂的管理层担心了。”因为EN2T的配置非常简单易行,所以得到了用户的高度认可。

EN2T的行为就像以太网上的一台普通时钟。ControlLogixEN2T可以把在Logix背板上的协同时钟CST和精确时钟PTP作为系统的主时钟M或者最高级时钟GM

上图描述了基于以太网的CIP同步网络,EN2T为支持CIP同步的以太网模块,M代表主时钟,S代表从时钟。这里的最高级时钟(Grand Master Clock)是指在一个域内,使用协议进行时钟同步,作为最终时间源的时钟。上图的系统具有最高级时钟仲裁功能,时钟系统可以自愈,一个时钟失效不会停止时间的传送或同步,系统自己能够判断,找到最佳主时钟(Best Master Clock)。

支持CIP同步的硬件系统

控制器:ControlLogix控制器具有天然支持CIP同步的功能。可以作为精确时钟PTP和协同时钟CST 的主站和从站。在控制器之间,不需要编制程序共享时钟。只要在控制器配置页面的选项框中打勾即可,报警系统会自动提取CIP同步信号。

时间在控制器之间共享,一台Logix控制器作为主时钟,其他Logix控制器作为从时钟。

以太网模块:EN2T支持CIP同步。基本功能有:

1.状态与配置:CIP同步报文。

2CST对象:读系统时间,协同系统时钟,系统偏移量。

3.时间同步对象:使能/失能,获得/设置时间,设置优先主时钟,获取同步状态,获取当前精确时钟PTP主站状态和信息。

4Web网页:PTP诊断

交换机:1783-ETAP,支持透明时钟功能。透明时钟是指:能够测量精确时间协议PTP事件报文通过该设备的时间,并向接受该PTP事件报文的时钟提供该信息的设备。

交换机:STRATIX 80008300。基本功能:

1. 透明时钟;

2. 边界时钟。边界时钟是指:在一个域上具有多个精确时间协议PTP端口,并维护在该域上使用的时标时钟。它可以作为时间源,即为主时钟;也可与另一个时钟同步,即为从时钟。

分布式I/O:支持CIP同步的ArmorBlock。功能如下:

1+/- 100微妙的时间戳精度。

2.内置3个端口切换,输入、输出和内部口。

316SOE输入,预订的计划输出。

424VDC电源。

机架式SOE模块:1756-IH16ISOE /-IB16ISOE,固件版本2.7。提供最新技术和最佳性价比的SOE方案/第一失效检测系统。基本功能为:

1.支持集成的CIP同步。

2.支持高精度时间戳,带来自标准以太网时间源的“实时”值。

3SOE方案的结构非常简单,取消了原来的同步连接线,如SyncLink。在多机架系统中,也不需要GPS模块了。

4.模块提供了新的“x10 先入先出模式”。

5.在高速应用中,对每个请求包间隔RPI可提供10个事件时间戳的回放。

6.响应时间提高了10倍。

CIP同步时间用例:第一失效检测(SOE

失效机械上的安全系统传感器,有时会间歇发出失效信号,最后导致生产中断,还会连带引起其他相关机械的失效。传统的失效检测或报警系统,无法判断实际失效时的失效发生顺序,从而也无法找到停机的根源和真正产生故障的原因。

对失效输入信号的高精度时间戳,可以非常准确地分析出第一失效信号,从而容易确定造成机械停机的初始故障。

公共时标为报警系统登录用户之间的互动(对时),以及报警事件的时间记录(时间戳)提供了公共时间参考标准。

电力工业需要小于1毫秒精度的时钟,用于大面积分布式电厂基础设施的第一失效的分析查询。

电厂典型解决方案举例1

上图为带有GPS时钟、ControlLogix控制器冗余的应用案例。最上面两台控制器为热备份的ControlLogix CPU。第三层机架上插入了一个GPS模块,用于接收来自GPS卫星的时钟信号。这里,GPS作为最高级时钟(GM),系统中的其他以太网模块EN2TR作为从时钟S。而每个机架中的以太网模块EN2TR作为本地的主时钟M,机架上的L6XSOE模块和分布式ArmorBlock SOE模块作为从时钟S,通过CIP 同步信号进行对时。

图中的ETAP交换机支持CIP 同步到网络时钟协议NTP的转换,因此可以连接人机界面HMI和个人计算机PC

电厂典型解决方案举例2

图中有L6X取自外实时源的WCT,然后传递给本机架的以太网模块EN2T,这个EN2T为系统的最高级时钟GM,使用UCT/CSTCIP同步/PTP)为其他机架的EN2T从时钟S提供对时信号。而每个机架上的EN2T又为本机架上的SOE模块提供对时。达到整个系统统一时间的目的。

下面就图中的3个时钟给予说明:

1CST – 协同时钟。它是一个背板时钟,当系统初始上电时就开始运行。它用作背板的一个主时钟,协同任务切换、运动控制、来自I/O卡的时间戳和其他系统事件。这个时钟对于真实世界时间没有实际参考,因为它是在控制器上电时自由运行的(以毫秒),而且不能使用外部值调整。CST时钟用于协同本地机架。模块同步和软件任务使用这个时钟协同行为,像用于周期任务的运动控制卡、控制器中断等

2UTC – 协调世界时钟。这个时钟是系统时钟,它提供了一个无偏差时钟,与控制器的位置无关。它被推荐用于事件时间戳的时钟。使用UTC作为时间戳,事件可以跨时区进行比较,不需要对基于地理的时间进行编译。系统时钟提供一个时间戳,不仅与区域无关,而且避开了某些地区的夏时制问题。

3WCT 挂钟时间,使用格利高里(Gregorian)时间格式。这种时间的格式为:年、月、日、时、分、秒和微妙。例如具体的时间可表示为:2011:07:05:12:15:02.012345。外部时钟源可以来自:

NTP – 网络时间协议;

Logix 5000 时钟更新工具;

GPS 接口;

IRIG B 接口。

总结

时间在集成架构中是有差异的:机架到机架的精度为100 ns(纳秒10-9秒);

使用支持CIP同步/PTP功能的交换机,同步误差<100ns

罗克韦尔自动化SOE模块的时间戳精度<100µs

罗克韦尔自动化的解决方案采用标准的ControlLogix机架,时间协议在标准以太网上传送,支持全分布式的SOE结构,以致操作员就能确定失效产生的原因。这些方案具有低成本、高精度的特色,是目前市场上最灵活的SOE解决方案,也是电力行业的理想选择。

(责任编辑:妙工科技)
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