همگامسازی زمان در سراسر کارخانه: راهکارهای NTP، PTP و GPS برای سیستمهای Yokogawa CENTUM VP و Bently Nevada 3500
چرا مُهرهای زمانی تحقیقات دربارهٔ تریپ را میسازند یا خراب میکنند؟
هر تحقیق جدی دربارهٔ تریپ با توالی رویدادها آغاز میشود. بااینحال، وقتی ساعتها با هم اختلاف دارند، این توالی هیچ معنایی ندارد. من دربارهٔ یک تریپ توربین بخار تحقیق کردم که در آن سه سیستم یازده ثانیه با هم اختلاف داشتند. هیستوریَن Yokogawa CENTUM VP یک ترتیب از رویدادها را ثبت کرده بود. سیستم پایش ماشینآلات Bently Nevada روایت دیگری داشت. رله حفاظت الکتریکی نیز روایت سومی ارائه میکرد. دو روز دربارهٔ علت و معلول بحث کردیم تا سرانجام کسی ساعتها را بررسی کرد. بنابراین، همگامسازی زمان را یک سرویس ایمنیحیاتی بدانید، نه مسئلهای حاشیهای در حوزهٔ فناوری اطلاعات. اختلافهای کوچک ساعت بین دستگاهها، گزارشهای رویداد را گمراهکننده میکنند. بدتر از آن، اعتماد به کل هیستوریَن را از بین میبرند.
اصول عملکرد و محدودیتهای NTP و SNTP چیست؟
پروتکل زمان شبکه، سادهترین و رایجترین روش همگامسازی است. یک سرور اصلی زمان مرجع را نگه میدارد و دستگاههای کارخواه در فواصل منظم برای دریافت بهروزرسانی درخواست ارسال میکنند. سرور میتواند زمان خود را از ماهوارههای GPS یا منابع اینترنتی دریافت کند. دقت NTP در یک شبکهٔ صنعتی مناسب به حدود ۱۰ میلیثانیه میرسد. SNTP، یعنی نسخهٔ سادهشده، محاسبات تأخیر شبکه را کنار میگذارد. این پروتکل تنها به حدود ۵۰ میلیثانیه دقت میرسد و برای کاربردهای کوچک و غیرحیاتی مناسب است. سطح استراتوم فاصله از مرجع را توصیف میکند. گیرندهٔ GPS سختافزار استراتوم ۰ است که یک سرور استراتوم ۱ را تغذیه میکند. سلسلهمراتب شبکهٔ صنعتی شما نیز باید همین آبشاری را دنبال کند. همچنین، سلسلهمراتب را کمعمق نگه دارید. هر لایهٔ اضافی استراتوم خطا ایجاد میکند. بااینحال، هرگز سیستم کنترل را مستقیماً با سرور زمان اینترنتی همگام نکنید. این مسیر از مرز امنیتی شما عبور میکند و نوسانی ایجاد میکند که نمیتوانید کنترلش کنید.
- مرحلهٔ ۱: یک گیرندهٔ زمان GPS همراه با آنتن، بهعنوان منبع استراتوم ۰، نصب کنید.
- مرحلهٔ ۲: یک سرور را بهطور اختصاصی بهعنوان سرور اصلی داخلی NTP استراتوم ۱ تعیین کنید.
- مرحلهٔ ۳: همهٔ سرورهای DCS، PLCها و HMIها را فقط بهعنوان کارخواه همان سرور اصلی پیکربندی کنید.
- مرحلهٔ ۴: سلسلهمراتب استراتوم را مستند کنید و استفاده از منابع مستقیم زمان اینترنتی را ممنوع کنید.
PTP چگونه برای کاربردهای حیاتی دقتی کمتر از یک میلیثانیه فراهم میکند؟
پروتکل زمان دقیق، IEEE 1588، دقتی نزدیک به یک میلیثانیه و اغلب بسیار بهتر از آن فراهم میکند. سرور اصلی بهجای انتظار برای درخواستها، مُهرهای زمانی را در فواصل پیوسته برای کارخواهها ارسال میکند. کارخواهها تأخیر شبکه را در نظر میگیرند و ساعتهای خود را با اختلافی ناچیز تنظیم میکنند. بااینحال، این دقت هزینه دارد. به سوئیچهای اترنت سازگار با PTP و دارای مُهرگذاری زمانی سختافزاری نیاز دارید. سوئیچهای معمولی تأخیر صفبندی پیشبینیناپذیری ایجاد میکنند که دقت PTP را از بین میبرد. در حوزهٔ اتوماسیون، چندین پروفایل بر این پایه ساخته شدهاند. شبکههای EtherNet/IP از CIP Sync، یعنی یک پروفایل IEEE 1588، برای همراستا کردن ساعت کنترلکنندهها استفاده میکنند. سیستمهای Yokogawa دامنههای خود و ماژولهای ارتباطی فیلدباس را با مسترهای منضبطشده و مرجعگرفته از GPS همگام میکنند. بنابراین، وقتی دقت توالی رویداد کمتر از ۱۰ میلیثانیه اهمیت دارد، PTP را انتخاب کنید. برای SCADA عمومی و برچسبگذاری هیستوریَن، NTP را به کار ببرید. در نهایت، پروتکل را با کاربرد تطبیق دهید، نه با ادعاهای بازاریابی.
- مرحلهٔ ۱: دستگاههایی را شناسایی کنید که واقعاً به تفکیک زمانی رویداد کمتر از ۱۰ میلیثانیه نیاز دارند.
- مرحلهٔ ۲: در آن بخشها، سوئیچهای سازگار با PTP و دارای مُهرگذاری زمانی سختافزاری نصب کنید.
- مرحلهٔ ۳: برای کل دامنهٔ PTP، یک ساعت گرندمسترِ دارای مرجع GPS انتخاب کنید.
- مرحلهٔ ۴: پس از هر تغییر شبکه، اختلاف ساعت کارخواهها را در برابر گرندمستر بررسی کنید.
چگونه CENTUM VP و Bently Nevada 3500 را با یک ساعت همگام کنیم؟
در اینجا معماری عملیای ارائه میشود که کار میکند. یک گیرندهٔ GPS، سرور زمان اختصاصی را تغذیه میکند و مستر استراتوم ۱ را شکل میدهد. دامنهٔ Yokogawa CENTUM VP با این مستر همگام میشود و زمان را در ایستگاههای خود توزیع میکند. رکهای Bently Nevada 3500 و مانیتورهای پروکسیمیتور آنها، زمان NTP را از همان منبع و از طریق ماژولهای رابط رک دریافت میکنند. ابتدا، نشانی IP سرور زمان را در پیکربندی هر رک 3500 تنظیم کنید. سپس، اختلاف ساعت رک را از System 1 یا نرمافزار پیکربندی رک بررسی کنید. همچنین، ساعت ایستگاههای CENTUM VP را هر هفته از طریق نمایشگر وضعیت سیستم کنترل کنید. سیاست تحمل پیشنهادی من این است: همهٔ دستگاهها را در فاصلهٔ یکثانیهای از مستر نگه دارید و برای سیستمهای حفاظت ماشینآلات، این فاصله را به ۱۰ میلیثانیه محدود کنید. در نهایت، هشدار انحراف زمانی اضافه کنید. دستگاهی که بیسروصدا همگامسازی را متوقف میکند، شایستهٔ هشدار است؛ زیرا مُهرهای زمانی آن بهآرامی فرسوده و غیرقابلاعتماد میشوند تا تریپ بعدی که دربارهٔ آن تحقیق شود.
- مرحلهٔ ۱: مستر زمان CENTUM VP و هر رک 3500 را به همان سرور NTP هدایت کنید.
- مرحلهٔ ۲: فواصل نظرسنجی را روی چند دقیقه تنظیم کنید و آنها را در همهٔ دستگاهها یکسان نگه دارید.
- مرحلهٔ ۳: اختلاف ساعت هر دستگاه را هر هفته ثبت کنید و روند آن را مانند یک متغیر فرایندی دنبال کنید.
- مرحلهٔ ۴: برای هر دستگاهی که اختلاف ساعت آن بهمدت ۲۴ ساعت از یک ثانیه بیشتر است، هشدار تنظیم کنید.
- مرحلهٔ ۵: پس از هر تریپ، همهٔ گزارشهای رویداد را پیش از تبدیل زمان محلی، با زمان UTC صادر کنید.
جمعبندی و توصیههای عملی
همگامسازی زمان، بیمهای ارزان برای تحقیقات پرهزینه است. ابتدا، کل کارخانه را به یک مستر دارای مرجع GPS متصل کنید و سلسلهمراتب استراتوم مستندی بسازید. سپس، برای برچسبگذاری عمومی از NTP و هرجا تفکیک توالی کمتر از ۱۰ میلیثانیه واقعاً لازم است، از PTP استفاده کنید. همچنین، ایستگاههای Yokogawa CENTUM VP و رکهای Bently Nevada 3500 خود را به یک منبع یکسان متصل کنید، نه به سرورهای جداگانه. بااینحال، به یاد داشته باشید که سختافزار بهتنهایی هیچ تضمینی ایجاد نمیکند. پس از هر تغییر شبکه و هر تعویض سوئیچ، اختلاف ساعتها را بررسی کنید. بنابراین، روند اختلاف ساعت را مانند هر اندازهگیری حیاتی دیگری دنبال کنید. در نهایت، هر سه ماه یک ممیزی زمان انجام دهید. در یک آزمایش برنامهریزیشده، اتصال آنتن GPS را قطع کنید و واکنش سیستمها را مشاهده کنید. روزی که توربین تریپ کند، گزارشهای رویداد شما یک روایت را بیان خواهند کرد؛ و آن روایت، حقیقت خواهد داشت.
نویسنده: ژو ییمینگ مهندس اتوماسیون صنعتی است و بیش از ۱۰ سال در زمینهٔ PLC، DCS و سیستمهای کنترل تجربه دارد.
