ДИСКРЕТНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

electr. (непрерывных) Kurvenauswertung

 

cигнал
1. Материальный носитель информации, содержащий в себе информацию, кодированную определенным образом.
2. Любая физическая величина (например, температура, давление воздуха, интенсивность света и т. п.), которая изменяется со временем. Именно благодаря этому изменению сигнал может нести в себе некую информацию.
[ http://life-prog.ru/view_programmer.php?id=146&page=15]

сигнал
Визуальное, звуковое или осязательное обозначение передаваемой информации
[ ГОСТ Р МЭК 60447-2000]

сигнал
Материальное воплощение сообщения, представляющее собой изменение некоторой физической величины.
[ ГОСТ 23829-79]

сигнал
В области контроля технического состояния изделий используется понятие "сигнал", которое включает следующие компоненты:
наличие физической величины (несущей величины), характеризующей материальный (энергетический) носитель воздействия;
изменение значений данной физической величины содержит информацию об источнике воздействия и физической среде, взаимодействующей с отображаемым материальным носителем;
изменение несущей величины во времени характеризуется совокупностью физических величин, взаимосвязь которых представляется определенной математической функцией.
Пример
Периодический сигнал в виде гармонического колебания тока.
Несущая физическая величина - ток, как характеристика направленного движения электронов. Изменение тока в данном случае характеризуется зависимостью I (t) = A·cos(2π/T - φ) = A·cos(ωt - φ), т.е. связанной совокупностью физических величин A, T, ω, φ (амплитуда, период, угловая частота и начальная фаза соответственно).
[ ГОСТ 19919-74]

сигнал
Форма представления данных, при которой данные рассматриваются в виде последовательности значений скалярной величины - записанной (измеренной) во времени.
[ ГОСТ Р 50304-92]

сигнал
Форма представления информации для передачи по каналу.
Примечание. В зависимости от множества возможных сигналов и области их определения во времени различают четыре вида сигналов: дискретные дискретного времени, дискретные непрерывного времени, непрерывные дискретного времени и непрерывные непрерывного времени; первые и последние соответственно именуются также «дискретными сигналами» и «непрерывными сигналами».
[Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 94. Теория передачи информации. Академия наук СССР. Комитет технической терминологии. 1979 г.]

сигнал
Совокупность несущего воздействия и передаваемой им информации.
[Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 107. Теория управления. Академия наук СССР. Комитет научно-технической терминологии. 1984 г.]

сигнал
Знак, физический процесс или явление, несущие информацию. В кибернетике выделяют четыре компонента С.: физический носитель (природа его может быть самой различной: звуковой, электрической и т.п.), форма выражения (см. Синтаксический аспект информации), интерпретация смысла (см. Семантический аспект информации), правила приписывания различного смысла одному и тому же С. (см. Прагматический аспект информации). Общие закономерности преобразования и передачи С. изучаются теорией информации.
[ http://slovar-lopatnikov.ru/]

EN

signal
unit of information conveyed from one object to another
NOTE Messages (units of signals) may be sent in a communication network in the form of telegrams. Such messages may represent one or several signals
[IEC 61175, ed. 2.0 (2005-09)]

signal
visual, acoustic or tactile message conveying information
[IEC 60447, ed. 3.0 (2004-01)]

signal
variation of a physical quantity used to represent data
NOTE A signal is represented by one or several parameters.
[IEC 60706-5, ed. 2.0 (2007-09)]

signal
physical variable of which one or more parameters carry information about one or more variables represented by the signal
[IEC 60770-2, ed. 3.0 (2010-11)]

FR

signal
unité d'information transportée d'un objet vers un autre
NOTE Des messages (unités de signaux) peuvent être envoyés dans un réseau de communication sous la forme de télégrammes. De tels messages peuvent représenter un ou plusieurs signaux.
[IEC 61175, ed. 2.0 (2005-09)]

signal
message visuel, acoustique ou tactile véhiculant de l'information
[IEC 60447, ed. 3.0 (2004-01)]

signal
variation d’une quantité physique utilisée pour représenter des données
NOTE Un signal est représenté par un ou plusieurs paramètres.
[IEC 60706-5, ed. 2.0 (2007-09)]

signal
variable physique dont un ou plusieurs paramètres contiennent des informations sur une ou plusieurs variables représentées par le signal
[IEC 60770-2, ed. 3.0 (2010-11)]

КЛАССИФИКАЦИЯ

• По физической природой носителя информации:
  
  • электрические;
  • электромагнитные;
  • оптические;
  • акустические и др.;
• По способу задания сигнала:
  
  • регулярные (детерминированные), заданные аналитической функцией;
  • нерегулярные (случайные), которые принимают произвольные значения в любой момент времени.
    Для описания таких сигналов используются средства теории вероятности;
• В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют сигналы:
  
  • аналоговые:
    
    • непрерывные (аналоговые), описываемые непрерывной функцией;
    • модулированные;
  • дискретные
    дискретные, описываемые функцией отсчетов, взятых в определенные моменты времени;
  • квантованные;
  • двоичные;
  • цифровые;

[ Источник с изменениями]

Тематики

• автоматизация, основные понятия
• виды (методы) и технология неразр. контроля
• контроль автоматизир. тех. состояния авиац. техники
• системы для сопряж. радиоэлектр. средств интерфейсные
• теория передачи информации
• экономика

EN

• signal

FR

• signal

3.4 сигнал (signal): Воздействие на органы чувств оператора, характеризующее состояние или изменение состояния производственного оборудования. Настоящий стандарт описывает сигналы, распознаваемые органами зрения (видеодисплей), слуха (акустический индикатор) или осязания (тактильный индикатор).

Источник: ГОСТ Р ИСО 9355-2-2009: Эргономические требования к проектированию дисплеев и механизмов управления. Часть 2. Дисплеи оригинал документа

 

cигнал
1. Материальный носитель информации, содержащий в себе информацию, кодированную определенным образом.
2. Любая физическая величина (например, температура, давление воздуха, интенсивность света и т. п.), которая изменяется со временем. Именно благодаря этому изменению сигнал может нести в себе некую информацию.
[ http://life-prog.ru/view_programmer.php?id=146&page=15]

сигнал
Визуальное, звуковое или осязательное обозначение передаваемой информации
[ ГОСТ Р МЭК 60447-2000]

сигнал
Материальное воплощение сообщения, представляющее собой изменение некоторой физической величины.
[ ГОСТ 23829-79]

сигнал
В области контроля технического состояния изделий используется понятие "сигнал", которое включает следующие компоненты:
наличие физической величины (несущей величины), характеризующей материальный (энергетический) носитель воздействия;
изменение значений данной физической величины содержит информацию об источнике воздействия и физической среде, взаимодействующей с отображаемым материальным носителем;
изменение несущей величины во времени характеризуется совокупностью физических величин, взаимосвязь которых представляется определенной математической функцией.
Пример
Периодический сигнал в виде гармонического колебания тока.
Несущая физическая величина - ток, как характеристика направленного движения электронов. Изменение тока в данном случае характеризуется зависимостью I (t) = A·cos(2π/T - φ) = A·cos(ωt - φ), т.е. связанной совокупностью физических величин A, T, ω, φ (амплитуда, период, угловая частота и начальная фаза соответственно).
[ ГОСТ 19919-74]

сигнал
Форма представления данных, при которой данные рассматриваются в виде последовательности значений скалярной величины - записанной (измеренной) во времени.
[ ГОСТ Р 50304-92]

сигнал
Форма представления информации для передачи по каналу.
Примечание. В зависимости от множества возможных сигналов и области их определения во времени различают четыре вида сигналов: дискретные дискретного времени, дискретные непрерывного времени, непрерывные дискретного времени и непрерывные непрерывного времени; первые и последние соответственно именуются также «дискретными сигналами» и «непрерывными сигналами».
[Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 94. Теория передачи информации. Академия наук СССР. Комитет технической терминологии. 1979 г.]

сигнал
Совокупность несущего воздействия и передаваемой им информации.
[Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 107. Теория управления. Академия наук СССР. Комитет научно-технической терминологии. 1984 г.]

сигнал
Знак, физический процесс или явление, несущие информацию. В кибернетике выделяют четыре компонента С.: физический носитель (природа его может быть самой различной: звуковой, электрической и т.п.), форма выражения (см. Синтаксический аспект информации), интерпретация смысла (см. Семантический аспект информации), правила приписывания различного смысла одному и тому же С. (см. Прагматический аспект информации). Общие закономерности преобразования и передачи С. изучаются теорией информации.
[ http://slovar-lopatnikov.ru/]

EN

signal
unit of information conveyed from one object to another
NOTE Messages (units of signals) may be sent in a communication network in the form of telegrams. Such messages may represent one or several signals
[IEC 61175, ed. 2.0 (2005-09)]

signal
visual, acoustic or tactile message conveying information
[IEC 60447, ed. 3.0 (2004-01)]

signal
variation of a physical quantity used to represent data
NOTE A signal is represented by one or several parameters.
[IEC 60706-5, ed. 2.0 (2007-09)]

signal
physical variable of which one or more parameters carry information about one or more variables represented by the signal
[IEC 60770-2, ed. 3.0 (2010-11)]

FR

signal
unité d'information transportée d'un objet vers un autre
NOTE Des messages (unités de signaux) peuvent être envoyés dans un réseau de communication sous la forme de télégrammes. De tels messages peuvent représenter un ou plusieurs signaux.
[IEC 61175, ed. 2.0 (2005-09)]

signal
message visuel, acoustique ou tactile véhiculant de l'information
[IEC 60447, ed. 3.0 (2004-01)]

signal
variation d’une quantité physique utilisée pour représenter des données
NOTE Un signal est représenté par un ou plusieurs paramètres.
[IEC 60706-5, ed. 2.0 (2007-09)]

signal
variable physique dont un ou plusieurs paramètres contiennent des informations sur une ou plusieurs variables représentées par le signal
[IEC 60770-2, ed. 3.0 (2010-11)]

КЛАССИФИКАЦИЯ

• По физической природой носителя информации:
  
  • электрические;
  • электромагнитные;
  • оптические;
  • акустические и др.;
• По способу задания сигнала:
  
  • регулярные (детерминированные), заданные аналитической функцией;
  • нерегулярные (случайные), которые принимают произвольные значения в любой момент времени.
    Для описания таких сигналов используются средства теории вероятности;
• В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют сигналы:
  
  • аналоговые:
    
    • непрерывные (аналоговые), описываемые непрерывной функцией;
    • модулированные;
  • дискретные
    дискретные, описываемые функцией отсчетов, взятых в определенные моменты времени;
  • квантованные;
  • двоичные;
  • цифровые;

[ Источник с изменениями]

Тематики

• автоматизация, основные понятия
• виды (методы) и технология неразр. контроля
• контроль автоматизир. тех. состояния авиац. техники
• системы для сопряж. радиоэлектр. средств интерфейсные
• теория передачи информации
• экономика

EN

• signal

FR

• signal

 

процессные переменные
-
[Интент]

Процессные переменные.

Под словосочетанием “процессные переменные” понимаются численные параметры, определяющие текущее состояние технологического процесса. К процессным переменным можно отнести сигналы ввода/вывода, параметры функциональных блоков, локальные и глобальные флаги (переменные), тэги SCADA и т.д.

Процессные переменные делятся на дискретные и аналоговые. Дискретная переменная может принимать конечное число значений из довольно узкого диапазона. На практике под дискретной переменной чаще всего подразумевают величину булевского типа (двоичную), указывающую на одно их двух возможных состояний объекта (или управляющего сигнала), хотя, формально говоря, это не совсем корректно. В общем же случае дискретная переменная аналогична типу enumeration языка C.

Аналоговая переменная может принимать любую величину из ограниченного непрерывного диапазона значений. По типу представления аналоговая переменная больше соответствует вещественному числу.

Как записываются процессные переменные в архив?
Существуют две технологии регистрации значений процессных переменных в архиве:

1.    Циклическая запись ( cyclic archiving) подразумевает периодическую запись текущего значения процессной переменной через заданные пользователем интервалы времени вне зависимости от величины и скорости изменения данной переменной (см. рис. 1). Хотя эта техника не очень экономична, она довольно часто используется для архивации аналоговых переменных. Период циклической записи для каждой переменной настраивается индивидуально и, как правило, лежит в диапазоне от 0.5 с до 10 мин. Как для дискретных переменных, так и быстро изменяющихся аналоговых переменных, подобный подход записи в архив явно не оптимален.

Рис. 1. Циклическая запись процессной переменной в архив.

2.    Архивация по изменению переменной (дельта-архивированиe, delta-archiving). Этот подход предполагает запись переменной в архив только тогда, когда изменение ее значения по сравнению с предыдущим записанным значением (абсолютная разность) достигает определенной величины (дельты, см. рис. 2). Дельта настраивается пользователем и может быть выражена как в абсолютных единицах измерения, так и в процентах от шкалы. Безусловно, это техника более экономична, чем циклическая запись, так как она адаптируется к скорости изменения архивируемой величины. Для дискретных величин – этот подход незаменим. Допустим, у нас есть дискретная переменная, которая изменяется, скажем, раз в час. Зачем же ее архивировать каждую секунду или минуту? Ведь гораздо логичнее записывать значение переменной в архив только в те моменты, когда это значение переходит из 1 в 0 или наоборот.

Рис. 2. Дельта-архивирование процессной переменной.

Куда записывается архив процессных переменных?
Чаще всего используется один из трех вариантов:

1.    Архив записывается в обычный текстовый файл в формате CSV ( comma separated values). Этот файл может храниться как на локальном, так и на сетевом диске. На самом деле архив состоит из множества последовательно создаваемых файлов: система генерирует новый файл архива каждую рабочую смену или сутки. У такого формата представления архива есть неоспоримое преимущество – его можно просмотреть любым текстовым редактором. Его также можно экспортировать в MS Excel и посмотреть в виде таблицы, применив необходимые сортировки и фильтры. Существенный недостаток – это неэкономичность хранения; накопленный таким образом архив занимает неприлично много места на жестком диске. Для уменьшения объема архива можно применить компрессию по алгоритму ZIP или RAR – благо, что текстовые файлы очень хорошо сжимаются.

2.    Архив представляет собой двоичный файл, формат которого зависит от используемого ПО визуализации тех. процесса (SCADA). Очевидно, что это более экономичное представление архива, но для работы с ним обычным экселем уже не обойдешься. При этом формат архива у разных производителей SCADA может сильно различаться. Как и в предыдущем случае, архив состоит из последовательно создаваемых файлов. Вообще, хранить архив в одном большом файле – это не очень хорошо с точки зрения скорости доступа к данным.

3.    Самый прогрессивный способ. Хранение архива в виде реляционной базы данных с поддержкой СУБД SQL. Этот способ позволяет достичь достаточно большой скорости работы с архивом (добавление записей, чтение и обработка данных), при этом сервер SQL может обеспечить оптимальный доступ к истории сразу нескольким десяткам удаленных клиентов. Поскольку доступ к архиву осуществляется по открытому интерфейсу SQL, разработчики имеют возможность создавать клиентские приложения под свои нужды. Но главное преимущество заключается в том, что архив на базе SQL – это отличная возможность для интеграции АСУ ТП с информационными системами более высокого уровня (например, уровня MES). Как правило, для ведения архива SQL и обслуживания клиентов используется достаточно мощная серверная платформа.

Во всех описанных случаях система архивирования процессных переменных – это неотъемлемая часть ПО визуализации технологического процесса. Разница заключается в формате представления архива и технологии доступа.

Какие средства служат для отображения архива? Архив можно отобразить несколькими способами. Самый простой – это представить его в табличной форме и экспортировать, например, в Excel, в котором можно строить графики, диаграммы и делать отчеты. Однако это довольно утомительно и требует много ручного труда.

Более удобный способ – это отображение истории в виде специального динамического (обновляемого автоматически) графика, называемого трендом ( trend). Тренд помещается на мнемосхемы операторского интерфейса в тех места, где это необходимо и удобно оператору. Пример тренда изображен на рисунке ниже.

Рис. 3. Пример исторического тренда, отображающего две процессные переменные.

На тренд можно выводить до 16 переменных одновременно, как дискретных, так и аналоговых. При этом тренд можно строить за произвольный промежуток времени ( time span). Также поддерживается масштабирование ( scaling). Передвигая ползунок ( slider) вдоль шкалы времени можно просматривать точные значения переменных в различные моменты времени в прошлом. Отрезки времени, в течение которых наблюдались аварийные значения переменных, выделяются на тренде контрастным цветом. В общем, тренды – это мощный и очень удобный инструмент, наглядно показывающий поведение переменных в динамике.

[ http://kazanets.narod.ru/AlarmsArchive.htm]

Тематики

• автоматизированные системы

EN

• process values

 

разностные уравнения
—
[ http://www.iks-media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324]

разностные уравнения
Уравнения, содержащие конечные разности искомой функции. (Конечная разность определяется как соотношение, связывающее дискретный набор значений функции y = f(x), соответствующих дискретной последовательности аргументов х1, x2,…, xn). В экономических исследованиях значения величин часто берутся в определенные дискретные моменты времени. Например, о выполнении плана судят по показателям на конец планируемого периода. Поэтому вместо скорости изменения какой-либо величины df/dt приходится брать среднюю скорость за определенный конечный интервал времени ?f/?t. Если выбрать масштаб времени так, что длина рассматриваемого периода равна единице, то скорость изменения величины можно представить как разность y = y(t+1) — y(t), которую часто называют первой разностью. При этом различают правую и левую разности, в частности, y = y(t) — y(t — 1) — левая, а приведенная выше — правая. Можно определить вторую разность: ?(?y) = ?y(t + 1) — ?y(t) = y(t + 2) — 2y(t + 1) + y(t) и разности высших порядков ? n. Теперь можно определить Р.у. как уравнение, связывающее между собой конечные разности в выбранной точке: f [y(t), ? y(t),..., ?n y(t)] = 0. Р.у. всегда можно рассматривать как соотношение, связывающее значения функции в ряде соседних точек y(t), y(t+1), …, y(t+n). При этом разность между последним и первым моментами времени называется порядком уравнения. При численном решении дифференциальных уравнений их часто заменяют разностными. Это возможно, если решение Р.у. стремится к решению соответствующего дифференциального уравнения, когда интервал Dt стремится к нулю. При исследовании функций многих переменных, по аналогии с частными производными (см. Производная), вводятся также частные разности.
[ http://slovar-lopatnikov.ru/]

Тематики

• экономика
• электросвязь, основные понятия

EN

• difference equations

1) Engineering: 4 * subcarrier sampling 4f-, analog-to-digital conversion, digitization, digitizing, discretization, quantification, quantization, sampling, digitising

2) Mathematics: digitalization

3) Telecommunications: discrete sampling, time quantization

4) Electronics: time sampling

5) Mechanics: discretisation

6) Automation: sampling (измерение непрерывной величины через дискретные промежутки времени)

7) Makarov: lumping, stepping

8) Security: discretization (сигнала), quantization (сигналов), sampling (сигнала)

 

синхронизация времени
-
[ ГОСТ Р МЭК 60870-5-103-2005]

Также нормированы допустимые временные задержки для различных видов сигналов, включая дискретные сигналы, оцифрованные мгновенные значения токов и напряжений, сигналы синхронизации времени и т.п.
[Новости Электротехники №4(76) | СТАНДАРТ МЭК 61850]

Широковещательное сообщение, как правило, содержит адрес отправителя и глобальный адрес получателя. Примером широковещательного сообщения служит синхронизация времени.
[ ГОСТ Р 54325-2011 (IEC/TS 61850-2:2003)]

Устройства последних поколений дают возможность синхронизации времени с точностью до микросекунд с помощью GPS.

С помощью этого интерфейса сигнал синхронизации времени (от радиоприемника DCF77 сигнал точного времени из Braunschweig, либо от радиоприемника iRiG-B сигнал точного времени  глобальной спутниковой системы GPS) может быть передан в терминал для точной синхронизации времени.
[Герхард Циглер. ЦИФРОВАЯ ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА. ПРИНЦИПЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
Перевод с английского ]

В  том  случае  если  принятое  сообщение  искажено ( повреждено)  в  результате неисправности  канала  связи  или  в  результате  потери  синхронизации  времени, пользователь имеет возможность...

2.13 Синхронизация часов реального времени сигналом по оптовходу 
В современных системах релейной защиты зачастую требуется синхронизированная работа часов всех реле в системе для восстановления хронологии работы разных реле.
Это может быть выполнено с использованием сигналов синхронизации времени   по интерфейсу IRIG-B, если  реле  оснащено  таким  входом  или  сигналом  от  системы OP
[Дистанционная защита линии MiCOM P443/ ПРИНЦИП  РАБОТЫ]

---

СИНХРОНИЗАЦИЯ ВРЕМЕНИ СОГЛАСНО СТАНДАРТУ IEEE 1588

Автор: Андреас Дреер (Hirschmann Automation and Control)

Вопрос синхронизации устройств по времени важен для многих распределенных систем промышленной автоматизации. При использовании протокола Precision Time Protocol (PTP), описанного стандартом IEEE 1588, становится возможным выполнение синхронизации внутренних часов устройств, объединенных по сети Ethernet, с погрешностями, не превышающими 1 микросекунду. При этом к вычислительной способности устройств и пропускной способности сети предъявляются относительно низкие требования. В 2008 году была утверждена вторая редакция стандарта (IEEE 1588-2008 – PTP версия 2) с рядом внесенных усовершенствований по сравнению с первой его редакцией.

ЗАЧЕМ НЕОБХОДИМА СИНХРОНИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВ ПО ВРЕМЕНИ?

Во многих системах должен производиться отсчет времени. О неявной системе отсчета времени можно говорить тогда, когда в системе отсутствуют часы и ход времени определяется процессами, протекающими в аппаратном и программном обеспечении. Этого оказывается достаточно во многих случаях. Неявная система отсчета времени реализуется, к примеру, передачей сигналов, инициирующих начало отсчета времени и затем выполнение определенных действий, от одних устройств другим.

Система отсчета времени считается явной, если показания времени в ней определяются часами. Указанное необходимо для сложных систем. Таким образом, осуществляется разделение процедур передачи данных о времени и данных о процессе.

Два эффекта должны быть учтены при настройке или синхронизации часов в отдельных устройствах. Первое – показания часов в отдельных устройствах изначально отличаются друг от друга (смещение показаний времени друг относительно друга). Второе – реальные часы не производят отсчет времени с одинаковой скоростью. Таким образом, требуется проводить постоянную корректировку хода самых неточных часов.

ПРЕДЫДУЩИЕ РЕШЕНИЯ

Существуют различные способы синхронизации часов в составе отдельных устройств, объединенных в одну информационную сеть. Наиболее известные способы – это использование протокола NTP (Network Time Protocol), а также более простого протокола, который образован от него – протокола SNTP (Simple Network Time Protocol). Данные методы широко распространены для использования в локальных сетях и сети Интернет и позволяют обеспечивать синхронизацию времени с погрешностями в диапазоне миллисекунд. Другой вариант – использование радиосигналов с GPS спутников. Однако при использовании данного способа требуется наличие достаточно дорогих GPS-приемников для каждого из устройств, а также GPS-антенн. Данный способ теоретически может обеспечить высокую точность синхронизации времени, однако материальные затраты и трудозатраты обычно препятствуют реализации такого метода синхронизации.

Другим решением является передача высокоточного временного импульса (например, одного импульса в секунду) каждому отдельному устройству по выделенной линии. Реализация данного метода влечет за собой необходимость создания выделенной линии связи к каждому устройству.

Последним методом, который может быть использован, является протокол PTP (Precision Time Protocol), описанный стандартом IEEE 1588. Протокол был разработан со следующими целями:

• Обеспечение синхронизация времени с погрешностью, не превышающей 1 микросекунды.
• Предъявление минимальных требований к производительности процессоров устройств и к пропускной способности линии связи, что позволило бы обеспечить реализацию протокола в простых и дешевых устройствах.
  • Предъявление невысоких требований к обслуживающему персоналу.
  • Возможность использования в сетях Ethernet, а также в других сетях.
  • Спецификация его как международного стандарта.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОТОКОЛА PTP

Протокол PTP может быть применен в различного рода системах. В системах автоматизации, протокол PTP востребован везде, где требуется точная синхронизация устройств по времени. Протокол позволяет синхронизировать устройства в робототехнике или печатной промышленности, в системах осуществляющих обработку бумаги и упаковку продукции и других областях.

В общем и целом в любых системах, где осуществляется измерение тех или иных величин и их сравнение с величинами, измеренными другими устройствами, использование протокола PTP является популярным решением. Системы управления турбинами используют протокол PTP для обеспечения более эффективной работы станций. События, происходящие в различных частях распределенных в пространстве систем, определяются метками точного времени и затем для целей архивирования и анализа осуществляется их передача на центры управления. Геоученые используют протокол PTP для синхронизации установок мониторинга сейсмической активности, удаленных друг от друга на значительные расстояния, что предоставляет возможность более точным образом определять эпицентры землетрясений. В области телекоммуникаций рассматривают возможность использования протокола PTP для целей синхронизации сетей и базовых станций. Также синхронизация времени согласно стандарту IEEE 1588 представляет интерес для разработчиков систем обеспечения жизнедеятельности, систем передачи аудио и видео потоков и может быть использована в военной промышленности.

В электроэнергетике протокол PTPv2 (протокол PTP версии 2) определен для синхронизации интеллектуальных электронных устройств (IED) по времени. Например, при реализации шины процесса, с передачей мгновенных значений тока и напряжения согласно стандарту МЭК 61850-9-2, требуется точная синхронизация полевых устройств по времени. Для реализации систем защиты и автоматики с использованием сети Ethernet погрешность синхронизации данных различных устройств по времени должна лежать в микросекундном диапазоне.

Также для реализации функций синхронизированного распределенного векторного измерения электрических величин согласно стандарту IEEE C37.118, учета, оценки качества электрической энергии или анализа аварийных событий необходимо наличие устройств, синхронизированных по времени с максимальной точностью, для чего может быть использован протокол PTP.

Вторая редакция стандарта МЭК 61850 определяет использование в системах синхронизации времени протокола PTP. Детализация профиля протокола PTP для использования на объектах электроэнергетики (IEEE Standard Profile for Use of IEEE 1588 Precision Time Protocol in Power System Applications) в настоящее время осуществляется рабочей группой комитета по релейной защите и автоматике организации (PSRC) IEEE.

ПРОТОКОЛ PTP ВЕРСИИ 2

В 2005 году была начата работа по изменению стандарта IEEE1588-2002 с целью расширения возможных областей его применения (телекоммуникации, беспроводная связь и в др.). Результатом работы стало новое издание IEEE1588-2008, которое доступно с марта 2008 со следующими новыми особенностями:

• Усовершенствованные алгоритмы для обеспечения погрешностей в наносекундном диапазоне.
• Повышенное быстродействие синхронизации времени (возможна более частая передача сообщений синхронизации Sync).
• Поддержка новых типов сообщений.
• Ввод однорежимного принципа работы (не требуется передачи сообщений типа FollowUp).
• Ввод поддержки функции т.н. прозрачных часов для предотвращения накопления погрешностей измерения при каскадной схеме соединения коммутаторов.
• Ввод профилей, определяющих настройки для новых областей применения.
• Возможность назначения на такие транспортные механизмы как DeviceNet, PROFInet и IEEE802.3/Ethernet (прямое назначение).
• Ввод структуры TLV (тип, длина, значение) для расширения возможных областей применения стандарта и удовлетворения будущих потребностей.
• Ввод дополнительных опциональных расширений стандарта.

ПРИНЦИП ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ПРОТОКОЛА PTP

В системах, где используется протокол PTP, различают два вида часов: ведущие часы и ведомые часы. Ведущие часы, в идеале, контролируются либо радиочасами, либо GPS-приемниками и осуществляют синхронизацию ведомых часов. Часы в конечном устройстве, неважно ведущие ли они или ведомые, считаются обычными часами; часы в составе устройств сети, выполняющих функцию передачи и маршрутизации данных (например, в Ethernet-коммутаторах), считаются граничными часами.

Процедура синхронизации согласно протоколу PTP подразделяется на два этапа. На первом этапе осуществляется коррекция разницы показаний времени между ведущими и ведомыми часами – то есть осуществляется так называемая коррекция смещения показаний времени. Для этого ведущее устройство осуществляет передачу сообщения для целей синхронизации времени Sync ведомому устройству (сообщение типа Sync). Сообщение содержит в себе текущее показание времени ведущих часов и его передача осуществляется периодически через фиксированные интервалы времени. Однако поскольку считывание показаний ведущих часов, обработка данных и передача через контроллер Ethernet занимает некоторое время, информация в передаваемом сообщении к моменту его приема оказывается неактуальной.   Одновременно с этим осуществляется как можно более точная фиксация момента времени, в который сообщение Sync уходит от отправителя, в составе которого находятся ведущие часы (TM1). Затем ведущее устройство осуществляет передачу зафиксированного момента времени передачи сообщения Sync ведомым устройствам (сообщение FollowUp). Те также как можно точнее осуществляют измерение момента времени приема первого сообщения (TS1) и вычисляют величину, на которую необходимо выполнить коррекцию разницы в показаниях времени между собою и ведущим устройством соответственно (O) (см. рис. 1 и рис. 2). Затем непосредственно осуществляется коррекция показаний часов в составе ведомых устройств на величину смещения. Если задержки в передачи сообщений по сети не было, то можно утверждать, что устройства синхронизированы по времени.

На втором этапе процедуры синхронизации устройств по времени осуществляется определение задержки в передаче упомянутых выше сообщений по сети между устройствами. Указанное выполняется  при использовании сообщений специального типа. Ведомое устройство отправляет так называемое сообщение Delay Request (Запрос задержки в передаче сообщения по сети) ведущему устройству и осуществляет фиксацию момента передачи данного сообщения. Ведущее устройство фиксирует момент приема данного сообщения и отправляет зафиксированное значение в сообщении Delay Response (Ответное сообщение с указанием момента приема сообщения). Исходя из зафиксированных времен передачи сообщения Delay Request ведомым устройством и приема сообщения Delay Response ведущим устройством производится оценка задержки в передачи сообщения между ними по сети. Затем производится соответствующая коррекция показаний часов в ведомом устройстве. Однако все упомянутое выше справедливо, если характерна симметричная задержка в передаче сообщения в обоих направлениях между устройствами (то есть характерны одинаковые значения в задержке передачи сообщений в обоих направлениях).

Задержка в передачи сообщения в обоих направлениях будет идентичной в том случае, если устройства соединены между собой по одной линии связи и только. Если в сети между устройствами имеются коммутаторы или маршрутизаторы, то симметричной задержка в передачи сообщения между устройствами не будет, поскольку коммутаторы в сети осуществляют сохранение тех пакетов данных, которые проходят через них, и реализуется определенная очередность их передачи. Эта особенность может, в некоторых случаях, значительным образом влиять на величину задержки в передаче сообщений (возможны значительные отличия во временах передачи данных). При низкой информационной загрузке сети этот эффект оказывает малое влияние, однако при высокой информационной загрузке, указанное может значительным образом повлиять на точность синхронизации времени. Для исключения больших погрешностей был предложен специальный метод и введено понятие граничных часов, которые реализуются в составе коммутаторов сети. Данные граничные часы синхронизируются по времени с часами ведущего устройства. Далее коммутатор по каждому порту является ведущим устройством для всех ведомых устройств, подключенных к его портам, в которых осуществляется соответствующая синхронизация часов. Таким образом, синхронизация всегда осуществляется по схеме точка-точка и характерна практически одинаковая задержка в передаче сообщения в прямом и обратном направлении, а также практическая неизменность этой задержки по величине от одной передачи сообщения к другой.

Хотя принцип, основанный на использовании граничных часов показал свою практическую эффективность, другой механизм был определен во второй  версии протокола PTPv2 – механизм использования т. н. прозрачных часов. Данный механизм  предотвращает накопление погрешности, обусловленной изменением величины задержек в передаче сообщений синхронизации коммутаторами и предотвращает снижение точности синхронизации в случае наличия сети с большим числом каскадно-соединенных коммутаторов. При использовании такого механизма передача сообщений синхронизации осуществляется от ведущего устройства ведомому, как и передача любого другого сообщения в сети. Однако когда сообщение синхронизации проходит через коммутатор фиксируется задержка его передачи коммутатором. Задержка фиксируется в специальном поле коррекции в составе первого сообщения синхронизации Sync или в составе последующего сообщения FollowUp (см. рис. 2). При передаче сообщений Delay Request и Delay Response также осуществляется фиксация времени задержки их в коммутаторе. Таким образом, реализация поддержки т. н. прозрачных часов в составе коммутаторов позволяет компенсировать задержки, возникающие непосредственно в них.

РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОТОКОЛА PTP

Если необходимо использование протокола PTP в системе, должен быть реализован стек протокола PTP. Это может быть сделано при предъявлении минимальных требований к производительности процессоров устройств и к пропускной способности сети. Это очень важно для реализации стека протокола в простых и дешевых устройствах. Протокол PTP может быть без труда реализован даже в системах, построенных на дешевых контроллерах (32 бита).

Единственное требование, которое необходимо удовлетворить для обеспечения высокой точности синхронизации, – как можно более точное измерение устройствами момента времени, в который осуществляется передача сообщения, и момента времени, когда осуществляется прием сообщения. Измерение должно производится максимально близко к аппаратной части (например, непосредственно в драйвере) и с максимально возможной точностью. В реализациях исключительно на программном уровне архитектура и производительность системы непосредственно ограничивают максимально допустимую точность.

При использовании дополнительной поддержки аппаратного обеспечения для присвоения меток времени, точность может быть значительным образом повышена и может быть обеспечена ее виртуальная независимость от программного обеспечения. Для этого необходимо использование дополнительной логики, которая может быть реализована в программируемой логической интегральной схеме или специализированной для решения конкретной задачи интегральной схеме на сетевом входе.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Компания Hirschmann – один из первых производителей, реализовавших протокол PTP и оптимизировавших его использование. Компанией был разработан стек, максимально эффективно реализующий протокол, а также чип (программируемая интегральная логическая схема), который обеспечивает высокую точность проводимых замеров.

В системе, в которой несколько обычных часов объединены через Ethernet-коммутатор с функцией граничных часов, была достигнута предельная погрешность +/- 60 нс при практически полной независимости от загрузки сети и загрузки процессора. Также компанией была протестирована система, состоящая из 30 каскадно-соединенных коммутаторов, обладающих функцией поддержки т.н. прозрачных часов и были зафиксированы  погрешности менее в пределах +/- 200 нс.

Компания Hirschmann Automation and Control реализовала протоколы PTP версии 1 и версии 2 в промышленных коммутаторах серии MICE, а также в серии монтируемых на стойку коммутаторов MACH100.

ВЫВОДЫ

Протокол PTP во многих областях уже доказал эффективность своего применения. Можно быть уверенным, что он получит более широкое распространение в течение следующих лет и что многие решения при его использовании смогут быть реализованы более просто и эффективно чем при использовании других технологий.

[ Источник]

Тематики

• релейная защита
• телемеханика, телеметрия

EN

• clock synchronization
• time synchronization