電站項目中，用戶提出的一個基本要求是：系統跳閘時，需要提供每個跳閘的瞬間時間記錄（SOE功能），通常這個時間的精度為1毫秒，然后根據這些時間判斷跳閘的先后次序，查出問題的原因所在。為了使跳閘的時間具有可比性，整個電廠，甚至更多的電站之間的時間需要同步。這就引出我們今天的話題：時鐘同步。

什么是CIP同步（CIP Sync）？

        CIP同步是對CIP（通用工業協議）有關時鐘同步的擴展，基于IEEE-1588-2008標準－用于網絡測量和控制系統的精確時鐘同步協議（簡稱PTP）。CIP Sync也是由ODVA（開放DeviceNet供應商協會）組織推出的標準，完全遵從IEEE 802.3（以太網）標準。

        IEEE 1588-2008是一種機制，它可以使網絡系統中的所有設備，基于一個公共時間保持同步，精度可以達到亞微妙。使用硬件元件的幫助，甚至可以達到十億分之一秒的精度。CIP同步（IEEE-1588 PTP）報文在整個網絡系統中具有最高級別的傳送優先級，這樣可以確保時鐘的同步精度。

為什么要使用CIP同步協議? 
        這是因為使用CIP同步可以獲得以下優勢：
        1. 符合IEEE 802.3 標準，這意味著可以使用標準的以太網，使用普通的交換機也可以實現小于1毫秒的時鐘同步精度。使用支持IEEE 1588 V2或IEEE 1588 V1的交換機構成的網絡，網絡設備時鐘分別可以到達100納秒和100微妙的同步精度。支持IEEE 1588的交換機完全兼容IEEE 802.3以太網。 
        2. 與任何標準的以太網技術相兼容，比如可以采用各種以太網的拓撲結構，如：星形、環形、樹形等。在項目實施時，具有更好的靈活性。
        3. 在系統配置階段，設置時鐘同步功能的用時最短，不需要網絡排序，時鐘的同步幀自動傳播。
        4. 簡化系統的結構。過去的系統要專門為時鐘同步建立同步網絡，這是由于原來的GPS采到時鐘同步信號后，因信號格式的兼容性問題，必須和工業網絡、現場總線分開。比如使用：Synch-link（見下圖），或者RS485通信線連接。這樣會帶來：增加布線成本、引入電磁干擾、增加管理和維護的難度。

        因為CIP同步基于標準的以太網，而目前越來越多的工廠企業的設備都采用工業以太網連接。因此，可以充分利用已有的以太網資源，對同步信號就不需要單獨布線了。

CIP 同步概述

        CIP同步可以在羅克韋爾自動化ControlLogix平臺的以太網模塊EN2T中運行。使用的客戶反饋道：“協議的缺省行為使簡單系統的安裝和運行，不再需要工廠的管理層擔心了。”因為EN2T的配置非常簡單易行，所以得到了用戶的高度認可。

        EN2T的行為就像以太網上的一臺普通時鐘。ControlLogix或EN2T可以把在Logix背板上的協同時鐘CST和精確時鐘PTP作為系統的主時鐘M或者最高級時鐘GM。

        上圖描述了基于以太網的CIP同步網絡，EN2T為支持CIP同步的以太網模塊，M代表主時鐘，S代表從時鐘。這里的最高級時鐘（Grand Master Clock）是指在一個域內，使用協議進行時鐘同步，作為最終時間源的時鐘。上圖的系統具有最高級時鐘仲裁功能，時鐘系統可以自愈，一個時鐘失效不會停止時間的傳送或同步，系統自己能夠判斷，找到最佳主時鐘（Best Master Clock）。

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支持CIP同步的硬件系統

        控制器：ControlLogix控制器具有天然支持CIP同步的功能。可以作為精確時鐘PTP和協同時鐘CST 的主站和從站。在控制器之間，不需要編制程序共享時鐘。只要在控制器配置頁面的選項框中打勾即可，報警系統會自動提取CIP同步信號。
        時間在控制器之間共享，一臺Logix控制器作為主時鐘，其他Logix控制器作為從時鐘。

        以太網模塊：EN2T支持CIP同步。基本功能有：
        1．狀態與配置：CIP同步報文。
        2．CST對象：讀系統時間，協同系統時鐘，系統偏移量。
        3．時間同步對象：使能/失能，獲得/設置時間，設置優先主時鐘，獲取同步狀態，獲取當前精確時鐘PTP主站狀態和信息。
        4．Web網頁：PTP診斷

        交換機：1783-ETAP，支持透明時鐘功能。透明時鐘是指：能夠測量精確時間協議PTP事件報文通過該設備的時間，并向接受該PTP事件報文的時鐘提供該信息的設備。
        交換機：STRATIX 8000和8300。基本功能：
        1． 透明時鐘；
        2． 邊界時鐘。邊界時鐘是指：在一個域上具有多個精確時間協議PTP端口，并維護在該域上使用的時標時鐘。它可以作為時間源，即為主時鐘；也可與另一個時鐘同步，即為從時鐘。

        分布式I/O：支持CIP同步的ArmorBlock。功能如下： 
        1．+/- 100微妙的時間戳精度。
        2．內置3個端口切換，輸入、輸出和內部口。
        3．16個SOE輸入，預訂的計劃輸出。
        4．24VDC電源。

        機架式SOE模塊：1756-IH16ISOE /-IB16ISOE，固件版本2.7。提供最新技術和最佳性價比的SOE方案/第一失效檢測系統。基本功能為：
        1．支持集成的CIP同步。
        2．支持高精度時間戳，帶來自標準以太網時間源的“實時”值。
        3．SOE方案的結構非常簡單，取消了原來的同步連接線，如Synclink。在多機架系統中，也不需要GPS模塊了。
        4．模塊提供了新的“x10 先入先出模式”。
        5．在高速應用中，對每個請求包間隔RPI可提供10個事件時間戳的回放。
        6．響應時間提高了10倍。

CIP同步時間用例：第一失效檢測（SOE）

        失效機械上的安全系統傳感器，有時會間歇發出失效信號，最后導致生產中斷，還會連帶引起其他相關機械的失效。傳統的失效檢測或報警系統，無法判斷實際失效時的失效發生順序，從而也無法找到停機的根源和真正產生故障的原因。
        對失效輸入信號的高精度時間戳，可以非常準確地分析出第一失效信號，從而容易確定造成機械停機的初始故障。
        公共時標為報警系統登錄用戶之間的互動（對時），以及報警事件的時間記錄（時間戳）提供了公共時間參考標準。
        電力工業需要小于1毫秒精度的時鐘，用于大面積分布式電廠基礎設施的第一失效的分析查詢。

電廠典型解決方案舉例1

        上圖為帶有GPS時鐘、ControlLogix控制器冗余的應用案例。最上面兩臺控制器為熱備份的ControlLogix CPU。第三層機架上插入了一個GPS模塊，用于接收來自GPS衛星的時鐘信號。這里，GPS作為最高級時鐘（GM），系統中的其他以太網模塊EN2TR作為從時鐘S。而每個機架中的以太網模塊EN2TR作為本地的主時鐘M，機架上的L6X、SOE模塊和分布式ArmorBlock SOE模塊作為從時鐘S，通過CIP 同步信號進行對時。

        圖中的ETAP交換機支持CIP 同步到網絡時鐘協議NTP的轉換，因此可以連接人機界面HMI和個人計算機PC。

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電廠典型解決方案舉例2

        圖中有L6X取自外實時源的WCT，然后傳遞給本機架的以太網模塊EN2T，這個EN2T為系統的最高級時鐘GM，使用UCT/CST（CIP同步/PTP）為其他機架的EN2T從時鐘S提供對時信號。而每個機架上的EN2T又為本機架上的SOE模塊提供對時。達到整個系統統一時間的目的。

        下面就圖中的3個時鐘給予說明：
        1．CST – 協同時鐘。它是一個背板時鐘，當系統初始上電時就開始運行。它用作背板的一個主時鐘，協同任務切換、運動控制、來自I/O卡的時間戳和其他系統事件。這個時鐘對于真實世界時間沒有實際參考，因為它是在控制器上電時自由運行的（以毫秒），而且不能使用外部值調整。CST時鐘用于協同本地機架。模塊同步和軟件任務使用這個時鐘協同行為，像用于周期任務的運動控制卡、控制器中斷等…

        2．UTC – 協調世界時鐘。這個時鐘是系統時鐘，它提供了一個無偏差時鐘，與控制器的位置無關。它被推薦用于事件時間戳的時鐘。使用UTC作為時間戳，事件可以跨時區進行比較，不需要對基于地理的時間進行編譯。系統時鐘提供一個時間戳，不僅與區域無關，而且避開了某些地區的夏時制問題。
 
        3．WCT – 掛鐘時間，使用格利高里（Gregorian）時間格式。這種時間的格式為：年、月、日、時、分、秒和微妙。例如具體的時間可表示為：2011:07:05:12:15:。外部時鐘源可以來自：
        ? NTP – 網絡時間協議；
        ? Logix 5000 時鐘更新工具；
        ? GPS 接口；
        ? IRIG B 接口。

總結

        時間在集成架構中是有差異的：機架到機架的精度為100 ns（納秒10-9秒）；
        使用支持CIP同步/PTP功能的交換機，同步誤差<100ns；
        羅克韋爾自動化SOE模塊的時間戳精度<100μs；
        羅克韋爾自動化的解決方案采用標準的ControlLogix機架，時間協議在標準以太網上傳送，支持全分布式的SOE結構，以致操作員就能確定失效產生的原因。這些方案具有低成本、高精度的特色，是目前市場上最靈活的SOE解決方案，也是電力行業的理想選擇。

（羅克韋爾自動化 華镕）