本文介绍了CIP 同步（遵从IEEE 1588的精确时钟同步标准）如何应用于工业自动化。通过关键用例说明新技术比传统控制方案为用户带来的收益。本文还给出了CIP 同步在电站应用的典型配置。　　
        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CONTROL ENGINEERING China版权所有，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。

图1

       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 V2或IEEE 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CONTROL ENGINEERING China版权所有，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（见图1），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。

图2　　

        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。ControlLogix或EN2T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。
　　图2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CONTROL ENGINEERING China版权所有，使用协议进行时钟同步，作为最终时间源的时钟。图2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。
　　2．CST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。
　　4．Web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 8000和8300。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。
　　3．16个SOE输入，预订的计划输出。
　　4．24VDC电源。
　　机架式SOE模块：1756-IH16I-SOE/-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CONTROL ENGINEERING China版权所有，带来自标准以太网时间源的“实时”值。
　　3．SOE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。 

　图3　

        电厂典型解决方案举例1
　　图3为带有GPS时钟、Control-Logix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L6X、SOE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3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。

图4　　

        电厂典型解决方案举例2
　　图4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/CST（CIP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4中的3个时钟给予说明：
　　1．CST——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…
　　2．UTC——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控制工程网版权所有，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。
　　3．WCT—— 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。
　　文章编号：1109-10
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