關(guān)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的精密時序問題解析

　　工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接工廠內(nèi)的機器、機器人、傳感器、 執(zhí)行器、控制器和計算機，以便于指令和數(shù)據(jù)的交換，從而同步它們的工作。網(wǎng)絡(luò)中機器的同步操作需要每個機器都有相同的“精密時間”。每臺機器上的精密時間 保證了網(wǎng)絡(luò)中事件的相對順序。缺乏精確的時間可能會導致機器和機器人操作順序混亂CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，這反過來可能導致產(chǎn)品質(zhì)量差、重要信息丟失、甚至發(fā)生災(zāi)難性的事故。本文探討了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的精密時序的必要性，以及各種應(yīng)用和機制所需的時間精度來確保以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的時序精確性。

　　工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

　　傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)使用專有的、特定供應(yīng)商提供的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連接工廠內(nèi)的機器和計算機。專有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)導致不同廠商機器之間的互操作困難，從而導致成本提高。然而，在過去的二十年，人們喜歡將應(yīng)用廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)用于工廠內(nèi)的機器互連。在20世紀80年代和90年代，辦公網(wǎng)絡(luò)的急速發(fā)展使得開放的以太網(wǎng)技術(shù)獲得了廣泛采用。以太網(wǎng)解決方案的規(guī)模和成熟性促成了行業(yè)標準的建立，實現(xiàn)了不同廠商設(shè)備之間的互操作性、提供了大量的技術(shù)人才、降低了設(shè)備成本和總擁有成本。

　　以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供了前所未有的的可擴展性和購買可承受能力，但是它有一個嚴重的缺陷。為了保持網(wǎng)絡(luò)連接和設(shè)備的高利用率從而能降低成本，以太網(wǎng)技術(shù)采用基于需要的通信資源分配方式。從技術(shù)角度來看，這是被稱為“異步”或“盡力而為”的通信方式。如上所述CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵的需求是將精密時間分發(fā)到所有節(jié)點。在工廠中使用以太網(wǎng)進 行機器同步的首要挑戰(zhàn)是建立一個機制，在不可預(yù)知的異步網(wǎng)絡(luò)中準確地分發(fā)精密時序。這個可預(yù)測的精密時序分發(fā)機制被稱為“精密時序協(xié)議(PTP)，這將在 本文后面討論。PTP由IEEE標準“IEEE1588” (在不可預(yù)知的網(wǎng)絡(luò)中，可預(yù)測的維護精密時間的另一個術(shù)語)定義，并且目前由該標準進行維護。

　　相反，傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中使用一個同步通信機制或一個單獨的專用網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)所有機器的精密時間的分發(fā)。這兩種機制都需要分配專用的資源來建立兩個節(jié)點之間的通信，從而導致了較低的設(shè)備利用率、降低了網(wǎng)絡(luò)的可擴展性以及更高的總成本。異步以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的精密時間分發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)如圖1所示。　　

圖1：通過網(wǎng)絡(luò)的精密時間分發(fā)

　　時鐘準確性和精度

　　幾乎所有的現(xiàn)代化機器、傳感器、 執(zhí)行器和計算機都有本地數(shù)字時鐘。然而，這些本地時鐘是基于晶振的，隨著時間的推移，由于環(huán)境變化(溫度和濕度)和晶體老化而產(chǎn)生偏移。因此控制工程網(wǎng)版 權(quán)所有，在網(wǎng)絡(luò)中的本地時鐘需要定期使用一個非常精密的主時鐘或參考時鐘進行同步。主時鐘是一個GPS接收機或者銣或銫時鐘。由于節(jié)點之間的通信速度成倍 增長，需要精度更高的時鐘來維持網(wǎng)絡(luò)中事件的相對順序。圖2說明了時鐘準確性和精度的概念。時鐘準確性測量了與整個網(wǎng)絡(luò)參考時鐘之間的時間差。時鐘精密表 示測量到時間的可重復(fù)性?！　?/P>

圖2：時鐘準確性和精度的定義

　　由于網(wǎng)絡(luò)中機器之間通信速度從Kbps增加到Mbps、Gbps和萬兆比特每秒，連續(xù)事件之間的時間間隙變得微不足道。過去，工業(yè)時鐘需要毫秒級的精度;但是，隨著通信速度越來越快，工業(yè)時鐘需要微秒甚至納秒級的精度(圖3)。　　

圖3：隨數(shù)據(jù)速率的增加時鐘精度要求成倍增長

表1(下頁)列出了不同類型網(wǎng)絡(luò)的精度要求。辦公網(wǎng)絡(luò)(局域網(wǎng))僅需一到十毫秒的本地時鐘精度。毫秒級的時鐘精密度可以使用稱為網(wǎng)絡(luò)時序協(xié)議(NTP)的軟件協(xié)議很容易地實現(xiàn)，該協(xié)議適用于操作系統(tǒng)(Windows和Linux)和局域網(wǎng)，實現(xiàn)了辦公設(shè)備的互連。傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)要求本地機器時鐘與參考時鐘(或主時鐘)相差不到0.1微秒。傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)使用獨立的布線來分發(fā)參考時間并同步本地時鐘。新的數(shù)據(jù)密集型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)要求極具成本效益的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)具有納秒級的時鐘精度。精密時序協(xié)議2.0版(PTP v2.0)設(shè)計用于為“盡力而為”型的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)提供納秒級的時鐘精度。PTP v2.0通過盡可能地接近網(wǎng)絡(luò)接口，在硬件中實現(xiàn)時間戳和同步算法，從而實現(xiàn)納秒級的時鐘精度。

　　表1：各種應(yīng)用所需的時鐘精度　　

　　精密時序協(xié)議2.0版(IEEE 1588 2.0版)

　　精密時序協(xié)議(PTP)的目的是在不需要一個單獨且昂貴的時序網(wǎng)絡(luò)的情況下，同步機器上的本地時鐘。PTP是一個自下而上協(xié)作的協(xié)議，其中本地 節(jié)點相互通信(通過消息交換)來發(fā)現(xiàn)它們中的主時鐘并且互相同步。由于PTP在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中工作，交換機、路由器和操作系統(tǒng)都有不同程度的延時，它為“時序 數(shù)據(jù)包”排列優(yōu)先級或創(chuàng)建特定的隊列，其中包含同步的信息。為了消除操作系統(tǒng)和服務(wù)器引入的延遲，協(xié)議處理在硬件(FPGA或ASSP)中實現(xiàn)，并對時序 數(shù)據(jù)包使用硬件時間戳。

　　精密時序協(xié)議的特性是使用協(xié)作的消息交換算法，從時鐘計算與主時鐘之間的“時間偏移”和“傳輸延遲”。圖4說明了PTP的消息流，以確定“時鐘 偏移”和“傳輸延遲”。由于每個從時鐘都要計算兩個變量——偏移和延遲——主從時鐘需要交換兩組消息。首先，主時鐘定時地(通常每秒一次)向所有從時鐘廣 播時間同步數(shù)據(jù)包。其次，每個從時鐘向主時鐘發(fā)送“延遲請求”消息以確定“傳輸延遲”。兩組消息交換得到兩個線性方程，從而確定“從時鐘偏移”和“傳輸延 遲”。　　

圖4：確定主從時鐘之間偏移的機制

　　FPGA實現(xiàn)

　　實現(xiàn)精密時序協(xié)議要求在數(shù)據(jù)包一到達網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)時就進行捕捉并標記時間戳。納秒級精度的分布式時鐘也需要在硬件中以最小變化執(zhí)行各種 同步步驟。帶有SERDES功能的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件，如LatticeECP3FPGA器件提供了眾多的優(yōu)勢，實現(xiàn)更接近網(wǎng)絡(luò)接口的精密 時序協(xié)議：

　　1.高速串行接口(SERDES)，迅速捕捉時序數(shù)據(jù)包;
　　2.靈活和準確的時鐘電路(PLL);
　　3.精度可以根據(jù)系統(tǒng)要求進行調(diào)整;
　　4.用于存儲時序數(shù)據(jù)包的FIFO隊列，可以在FPGA結(jié)構(gòu)中靠近高速I/O模塊處實現(xiàn);
　　5.FPGA中的嵌入式硬件或軟件處理器，也可以用于實現(xiàn)精密時序協(xié)議;
　　6.不占用主CPU的外部PTP處理功能;
　　7.不斷發(fā)展的精密時序協(xié)議可以在靈活的FPGA平臺上實現(xiàn)輕松升級。

　　總結(jié)

　　工業(yè)環(huán)境中主流以太網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)的迅速普及需要使用精密時序技術(shù)來同步機器和機器人。精密時序協(xié)議(IEEE1588)提供了從亞微秒到納米秒級的同步精度。PTP的軟件實現(xiàn)提供了亞 微秒級以上的精度。時間戳和同步算法(PTP V2.0)的硬件實現(xiàn)可提供高達納秒級的精度。隨著通信數(shù)據(jù)傳輸速率的增加，所需的時序精度呈指數(shù)增長。PTP v2.0能夠滿足最先進的數(shù)控機床的嚴格時序要求。