以太网是未来一代工业控制系统的互联网络，这是因为：首先，工厂必须加快生产流程，提高声线效率，同时产品品质必须进一步提高；其次，能源分配系统必须知道事故确实于何时发生，即数据可查。目前，许多公司和工厂都已改用以太网作为互联网络，以便为系统提供所需的带宽。

 

为工业控制系统添加同步功能的应用实例——工厂自动化

现在的工厂自动化系统同步技术面临的挑战：工厂必须加快生产流程，产品的品质必须进一步提高。目前的IEEE 1588同步技术可以解决这个难题。采用新的同步技术后，现有的利用RS-485或专有总线进行扫描或事件控制的系统将会逐渐被淘汰。IEEE 1588同步技术的优点是能够利用以太网进行定时控制。其同步功能能够支持高速筛选及分流，控制动作的移动位置及移动速度，以便机械人及机动装置可以在操作上互相配合。

图1 高速输送带上的拾放设备

 

可以利用IEEE 1588 PTP同步功能的工业系统现场总线包括：

Ÿ           符合IEEE 1588 PTP规定的工业系统以太网标准的系统，如ODVA- Ethernet/IP

Ÿ           可与IEEE 1588 PTP兼容的工业系统以太网标准

-          Modbus IDA – Modbus TCP

-          Ethernet Powerlink Version 3

-          Fieldbus Foundation – FF HSE、SERCOS III

Ÿ           可支持非标准同步功能的工业系统以太网标准

-          Profinet IRT（非标准的IEEE 1588 PTP封包）

-          EtherCAT（简化版同步协议）

 

为工业控制系统添加同步功能的应用实例——能源自动化

能源自动化系统同步技术面对的挑战是如何更快的查处故障，并准确记录故障的先后次序，以便进行故障分析。如果采用以太网搭配IEEE 1588同步技术的解决方案，利用同轴电缆联系的IRIG-B系统将会被淘汰。IEEE 1588 PTP同步功能的优点是能够准确的记录事件的次序，以便查出最早出现的故障。

 

IEEE 1588精确时间协议

IEEE 1588精确时间协议（PTP）是IEEE其中一个标准，确保以太网各个节点都按照同一时钟操作。这是种较上层的协议，一般附随在UDP/IP封包内。这个协议提供一个算法，以便计算各个节点之间的时间差，然后按照主控时钟的时间更新从属节点的时间。

 

 

 

为系统设计添加PTP同步功能

要实现IEEE1588，首先要评估软件构件的建立，其次是要进行硬件加速执行。需要综合考虑同步控制的准确度、同步输入及输入以及对开发过程的影响。

利用软件执行IEEE 1588功能无需更换硬件，PTP封包经由导线传送到所有硬件，但软件运行时会出现时间延迟，因此是最不准确的同步功能，无法满足许多应用的要求。

PTP同步功能可利用FPGA执行，这个方案的特点是FPGA输出窥探信号，窥探物理层芯片及媒体访问控制之间的MII总线的操作情况，以便记录PTP的封包时间。时钟同步的精度取决于FPGA的专利技术以及以太网物理层之间芯片之间的时间延迟。

极少数的控制器可以支持PTP的同步功能。在这种情况下，如果要更换控制器，所有的软件必须重新载入。时钟同步的精度取决于控制器的设计以及以太网物理层芯片之间的时间延迟。

还有一个方法是可以为以太网物理层芯片直接添加IEEE 1588 PTP功能。它的好处是，在任何系统内都可以添加这个功能，方法是扬弃标准的物理层芯片，改用高精度的物理层芯片。由于可以利用内部线路记录封包的时间，因此这是目前市面上最精确地解决方案，在同一连线上的同步时钟的时间延迟低于10ns。

图 利用可支持PTP的以太网物理层芯片内部线路执行IEEE 1588同步功能

 

本方案视频地址：http://seminar.eccn.com/090114/view.asp