همگام‌سازی زمان در اتوماسیون صنعتی: راه‌اندازی NTP و PTP در Emerson Ovation و Foxboro
چرا هر کارخانه‌ای به یک مرجع زمانی واحد نیاز دارد؟
هر کنترلر، تاریخچه‌نگار و سامانه ایمنی، رویدادها را با ساعت خودش ثبت می‌کند. اگر این ساعت‌ها با هم اختلاف داشته باشند، سوابق رویدادها نادرست خواهند بود. در این صورت، بررسی یک تریپ شبیه خواندن دسته‌ای کارتِ بُر زده‌شده می‌شود. مهندسان روزها بر سر اینکه کدام سابقه درست است بحث می‌کنند. نخست، اصل اساسی را بپذیرید: یک کارخانه به یک منبع زمانی قابل‌اعتماد نیاز دارد. دوم، پروتکلی را انتخاب کنید که با نیازهای دقت شما مطابقت داشته باشد. من یک شبکه Emerson Ovation و یک جزیره Foxboro I/A Series را در یک سایت نگهداری می‌کنم. اکنون هر دو، زمان را از یک منبع همگام‌شده با GPS دریافت می‌کنند. رسیدن به این وضعیت، همه درس‌های زیر را به من آموخت.
تفاوت دقت NTP، SNTP و PTP چیست؟
NTP نیروی کار اصلی شبکه‌های کارخانه‌ای است. یک سرور اصلی، زمان مرجع را نگه می‌دارد. کلاینت‌ها در فواصل منظم و از طریق اترنت با استفاده از درگاه 123، زمان را از آن دریافت می‌کنند. NTP تأخیر شبکه را جبران می‌کند و در یک شبکه محلی سالم به دقتی حدود ۱۰ میلی‌ثانیه می‌رسد. SNTP نسخه ساده‌شده است. این پروتکل محاسبات تأخیر را کنار می‌گذارد و فقط زمان دریافت‌شده را می‌پذیرد. دقت آن به حدود ۵۰ میلی‌ثانیه کاهش می‌یابد. PTP که در استاندارد IEEE 1588 تعریف شده است، از هر دو بهتر عمل می‌کند. گرندمستر به‌طور پیوسته مُهرهای زمانی را برای اسلیوها ارسال می‌کند. اسلیوها اختلاف زمان را به‌صورت بلادرنگ اصلاح می‌کنند. بااین‌حال، PTP برای رسیدن به توانایی کامل خود به سوئیچ‌ها و کارت‌های شبکه‌ای با قابلیت مُهر زمانی سخت‌افزاری نیاز دارد.
- گام ۱ — سامانه‌های خود را بر اساس نیاز دسته‌بندی کنید. نمایشگرهای اپراتوری و تاریخچه‌نگارها، NTP با دقت ۱۰ میلی‌ثانیه را می‌پذیرند.
- گام ۲ — هرجا ثبت توالی رویدادها به تفکیک زیر میلی‌ثانیه نیاز دارد، از PTP استفاده کنید.
- گام ۳ — SNTP را برای تجهیزات ساده‌ای رزرو کنید که فقط به زمان تقریبی نیاز دارند، مانند HMIهای مستقل.
چگونه منبع زمانی اصلیِ ارجاع‌شده به GPS را بسازیم؟
سرورهای زمانی اینترنتی جایی در شبکه کنترل ندارند. آن‌ها مسیرهای خروجی‌ای باز می‌کنند که سیاست‌های امنیتی باید مسدودشان کنند. یک سرور زمانی GPS این مشکل را حل می‌کند. این سرور زمان UTC را از ماهواره‌ها دریافت می‌کند و زمان را کاملاً در داخل شبکه کارخانه ارائه می‌دهد. افزون بر این، وابستگی به زیرساخت فناوری اطلاعات سازمانی را از بین می‌برد. سایت من از یک ساعت GPS دوآنتنه استفاده می‌کند که دو سرور NTP افزونه را تغذیه می‌کند. هم شبکه دراپ Ovation و هم گره Foxboro زمان را از آن دریافت می‌کنند.
- گام ۱ — آنتن GPS را در محلی با دید واضح به آسمان نصب کنید. طول مسیر کابل آنتن را در محدوده تعیین‌شده توسط سازنده نگه دارید.
- گام ۲ — برای سرور زمانی، یک IP ثابت در شبکه کنترل و در استراتوم ۱ اختصاص دهید و آن را از فناوری اطلاعات کارخانه جدا کنید.
- گام ۳ — سرور دومی را به‌عنوان پشتیبان پیکربندی کنید. کلاینت‌ها باید بدون اقدام اپراتور، به سرور پشتیبان سوئیچ کنند.
- گام ۴ — اختلاف UTC و قوانین ساعت تابستانی را در سرور قفل کنید، نه در تک‌تک کلاینت‌ها.
چگونه Ovation و Foxboro را به‌عنوان کلاینت‌های NTP پیکربندی کنیم؟
کنترلر Emerson Ovation، پیکربندی زمان را از طریق تنظیمات شبکه انجام می‌دهد. هر کنترلر را به جفت سرور GPS متصل کنید. پس از یک ساعت پایدار شدن، اختلاف زمان را بررسی کنید. ایستگاه Foxboro I/A Series نیز از طریق سرویس زمان به همین شکل کار می‌کند. بنابراین، همیشه کلاینت‌ها را پیکربندی کنید و هرگز اجازه ندهید کنترلرها به‌صورت مستقل زمان را نگه دارند. یک کنترلر مستقل، در هر هفته چند ثانیه دچار انحراف می‌شود. این انحراف، بی‌سروصدا مُهر زمانی تمام هشدارهایی را که ثبت می‌کند، مخدوش می‌سازد. در جریان یکی از بررسی‌ها، متوجه شدیم یک ایستگاه Foxboro چهار ثانیه از سامانه Ovation جلوتر است. توالی رویدادها غیرممکن به نظر می‌رسید تا اینکه اختلاف ساعت را بررسی کردیم.
- گام ۱ — نشانی سرورهای NTP اصلی و ثانویه را روی هر کنترلر و ایستگاه پیکربندی کنید.
- گام ۲ — فاصله نظرسنجی را طبق مشخصات NTP بین ۶۴ تا ۱۰۲۴ ثانیه تنظیم کنید.
- گام ۳ — به هر کنترلر وارد شوید و اختلاف زمانی گزارش‌شده آن را ثبت کنید. هر مقداری بیش از ۱۰۰ میلی‌ثانیه نیازمند رسیدگی است.
- گام ۴ — پس از تغییرات پیکربندی، کنترلر را راه‌اندازی مجدد کنید یا سرویس زمان را مجدداً راه‌اندازی کنید، سپس اختلاف زمان را دوباره بررسی کنید.
چرا PTP برای تحقق وعده خود به سخت‌افزار نیاز دارد؟
PTP نوید دقت زیر یک میکروثانیه را می‌دهد. پیاده‌سازی‌های صرفاً نرم‌افزاری، دقت بسیار کمتری ارائه می‌کنند. گرندمستر و هر سوئیچ مرزی باید از مُهر زمانی سخت‌افزاری پشتیبانی کنند. در غیر این صورت، نوسان نرم‌افزاری میدان اصلاح را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد. بااین‌حال، برای کنترل توربین و ثبت توالی رویدادهای پرسرعت، مزیت آن هزینه‌اش را توجیه می‌کند. سایت من PTP را برای قطار تجهیزات دوار رزرو کرده است. سایر تجهیزات با NTP کار می‌کنند.
- گام ۱ — سوئیچ‌هایی را انتخاب کنید که از حالت ساعت شفاف یا ساعت مرزی IEEE 1588 پشتیبانی می‌کنند.
- گام ۲ — دقیقاً یک گرندمستر پیکربندی کنید. همه تجهیزات دیگر PTP باید فقط قابلیت اسلیو بودن داشته باشند.
- گام ۳ — اختلاف نهایی را با ابزار پایش PTP اندازه‌گیری کنید. در سگمنت محلی، مقدار کمتر از ۱ میکروثانیه را هدف بگیرید.
جمع‌بندی و توصیه‌های عملی
همگام‌سازی زمان، بیمه‌ای ارزان برای تحلیل رخدادهاست. نخست، یک سرور زمانی GPS را درون شبکه کنترل نصب کنید. دوم، هر گره Ovation و Foxboro را به‌عنوان کلاینت NTP، همراه با یک پشتیبان مشخص، پیکربندی کنید. افزون بر این، PTP را برای کاربردهایی رزرو کنید که واقعاً به تفکیک زیر میلی‌ثانیه نیاز دارند و سخت‌افزار لازم برای پشتیبانی از آن را تهیه کنید. بنابراین، بررسی اختلاف ساعت را به برنامه ماهانه خود اضافه و مقادیر ثبت‌شده را بایگانی کنید. در نهایت، پیش از آغاز بررسی تریپ بعدی، مطمئن شوید که همه ساعت‌ها با هم تطابق دارند. یک منبع زمانی قابل‌اعتماد، گزارش رویدادهای درهم‌ریخته را به روایتی روشن تبدیل می‌کند و هزینه آن در هر سال کمتر از یک روز زمان مهندسی است.
نویسنده: وو جیان‌مینگ، مهندس اتوماسیون صنعتی با بیش از ۱۰ سال تجربه در زمینه PLC، DCS و سامانه‌های کنترل است.
