分布式控制系统精确时钟同步技术

时 间
时间
图 １ 主 从 时钟 关 系示 意 图
Ｆ ｇ １ Ｒｅａ ｉｎ ｈｐ ｂ ｔ ｅ ｎ ｍａ ｔ ｒａ ｄ ｓａ ｅ ｃｏ ｋ ｉ． ｌｔ ｓ ｉ ｅ ｗ ｅ ｓｅ ｎ ｌ ｖ ｌｃ ｓ ｏ
图 ３
偏 移 和 延 迟 的 测 量
Ｆｇ ３ Ｍｅｓｒｍ ｎ ｆｉ ｆｅ ａｄｄ ｌ ｉ． ａｕｅ ｅｔ ｍｅｏ ｓｔ ｎ ｅ ｙ ｏｔ ｆ ａ
正 ， 以使基于 以太 网的分布 式系统 时钟 达到 高精度 可
同步 。
在 ＩＥ ５ ８标 准 中， Ｅ Ｅ １８ 系统 内的时钟 分为 普通时 钟和边界时钟两种 。只有 １ Ｐ Ｐ通信端 口的时钟是 个 Ｔ
普通时钟 ； ２个及 以上 Ｐ通 信端 口的时钟 是边界 有
时钟 。每个 Ｐ Ｐ端 口的状态 有 ９种 ， Ｔ 主要 的 ３种状态
系统对时钟 的应 用 主要 有两 种 ： 于绝对 时 间的 基 应用 和基 于频率 的应 用。绝对 时问用于记 录系统 内事 项发生 的次序 ； 频率 用于控 制器、 执行器 以及传感 器的 同步采 样、 反馈和执行 。 基 于此 ， 工业界一直 在致力 于解决 以太 网定 时 同 步能力 不足 的问题 。１９ ９ ２年 推 出的基 于 软件 控制 方 式的网络 时间协 议 （ ｅ ｏ ｉｅｐｏ ｃｌＮ Ｐ ， ｎｔ ｒ ｔ ｒｔ ｏ， Ｔ ） 同步 ｗ ｋ ｍ ｏ 精度可以达 ￣２ ０ ， １０ ｓ 但是 不能 满足 测量 仪器 和 工业
Ｐ Ｐ的参 考体 系结构如 图２所示 ， Ｔ 协议层包含 ３
个通信接 口： 口接 口、 端 时间戳接 口和时钟 接 口。端 口
２ １ 偏 移 和 延 迟 测 量 ．
为了描述分 布式控制 系统 的时钟 同步 问题 ， 我们
接 口用来分 配 和接 收 肿
信 息 。时 间戳接 口通过 对
以一个 主时钟和一个从 时钟 的同步过 程为 例 ， 其具 体
是 ： 状 态 （ ＇ — Ａ Ｔ Ｒ） 从 状 态 （ Ｉ — Ｌ Ｖ 和 主 Ｐ＇ Ｍ Ｓ Ｅ 、 Ｉ Ｐ Ｐ’ Ｓ Ａ Ｅ） Ｐ
控制所需的精度 。为 了提高分布网络 中定时同步的精
度 ， 国工业 界 成立 了 网络精 确 时钟 同步 委 员会 ， 美 于 ２０ ０ ２年底推 出了 ＩＥ ５ ８ Ｅ Ｅ １８ 标准 。该标 准的精确 时 钟 同步协议在 时钟 同步方面取得 了重 大进展 ，０ ８年 ２０
修 改稿 收到 日期 ： １ ０ ２ １— ７一ｌ 。 ０ １
被动状态 （ Ｔ — Ａ ＳＶ ） Ｔ Ｐ Ｐ Ｐ Ｓ Ｉ Ｅ 。Ｐ Ｐ端 口处于主状态 的时 钟 称 为主 时钟 （ ｒ ｄ ａｔ ｌ ｋ Ｇ ） 处 于从状 态 ｇ ｎ ｍ ｓ ｒｃ ｃ ， ＭＣ ， ａ ｅ ｏ 的时钟称 为从时钟 ， 时钟 负责 同步 系统 内所有 的从 主
确 时钟 同步协 议 以及在 控制 系统 中广泛 应用 的 以太 网来实 现。实 现过 程 中 ， 由硬 件 辅助 生 成 时 间戳 ， 证 了 系统 对 主从 时 钟 的偏 移 保
时间和 报文传 输 的延迟 时间 的测量 、 计算 和精 确控 制 。测试结 果表 明 ， 从时钟 的 同步精 度能 够满 足 系统 的应 用 需求 ， 少 了测 控 系统 减 中的专用 时钟 线缆 的连 接数 ， 对类 似 的时钟 同步需 求具 有很 好 的推广应 用价 值 。 关 键词 ：分 布式控 制系 统
饧 铭 顺 袁 建 李 国华
（ 江苏 自动化研 究所 ， 苏 连 云港 江 ２ ２０ ） ２ ０ ６
摘
要 ：为 了克服传 统 的分布 式测量 和控 制 系统存 在 的诸 多缺 点 ， 出了传 输 和 同步 系统 时钟 的新 方 案 。该 方案 采 用 ＩＥ ５８精 提 Ｅ Ｅ １８
步时钟 的精度 。
ｌ ｌ
应用 程序 Ｐ 协 Ｔ议 Ｐ
ｌ ｌ
Ｉ 端口 ｌ Ｉ 间 接口 ｌ 时 接口 Ｉ 接口 时 戤 ｌ 钟
② 主时钟 向从 时钟发送“ 跟随报文” 此报文包含 ， 先前 的同步 报文 准确的发 送时间 ｔ 。
假设 系统 的网络延 迟时 间为 ｔ ， 时钟 和 主时 。 从 钟 的偏移时 间为 ｔ ， ： 。 则 胁
和频 率与主时钟 的同步 。该接 口包 含了与时钟同步质 量（ 如精确度、 稳定度等 ） 密切相关 的控制算 法。
主时钟打上 的预计 发送 时间。该 报文在接收端 由从时 钟记 录下接 收时间 ｔ Ｐ Ｐ支持 由硬件 辅助在物理层 Ｔ 或接 近物理 层的位置检 测和记 录时 间戳 ， 以便提 高 同
０ 引言
随着分布式控制系统应用范 围的广泛增长和应用 规模的不断扩大 ， 通过 系统 网络特别 是控制 系统 中广 泛应用 的以太 网传递 和同步 系统 内各分散节点 的时钟
变得越来越重要 。
推 出了该标准 的 ２ ０版 ， ． 国际 电工 协会也 把此 标准 纳 入到 了 ＩＣ标准 中 ， Ｅ 对应 的标准是 ＩＣ６ ５ ８ 。 Ｅ １８
第一作 者杨 传 顺 （９ ８一） 男 ， ０ １７ ， ２ ７年 毕 业 于电子 六 所计 算 机 应 用 ０
专业 ， 士 学位 ， 获硕 工程 师 ； 主要从 事计 算 机控 制 和 系统 工 程方 面的研 究
工作 。
６６
分 布 式 控 制 系统 精 确 时钟 同 步技 术
杨传 顺 ， 等
时钟。如果 Ｐ端 口处 于被动状 态 ， 意味着对 应 的 则 时钟不参与时钟 同步 。 理论上任何 时钟 都 能 实现 主 时钟 和 从 时钟 的 功
Ｐ ＲＯＣＥＳ Ｓ ＡＵＴＯＭ ＡＴ ＯＮ ＮＳ Ｉ Ｉ ＴＲＵＭ Ｅ ＮＴＡＴＩ ＯＮ Ｌ３ Ｎｏ ４ Ｖｏ ３ ． Ａｐ ｉ２ １ ｒｌ ０ ２
中图分 类号 ：Ｔ ２ ３ Ｐ ７
ＩＥ ５８ 精 确时钟 同步 Ｅ Ｅ １８
文 献标 志码 ：Ａ
延迟测 量时 间戳 NhomakorabeaＡｂ ｔａ ｔ Ｔｏｏ ｅｃ ｍｅ ｖ ｒｏ ｓ ｄ ｍｅｉｓ ｎ ｔａ ｉｉｎ ｌ ｉｔｉｕ ｅ ａ ｕ ｅ ｎ ｎ ｏ ｔｏ ｙ ｔｍｓ ｂ ａ ｏ ｔｎ ＥＥＥ １ ８ ｅ ｉｅ ｌｃ ｓｒ ｃ ： ｖ ｒｏ ａ ｕ ｅ ｒｔ ｉ ｒｄ ｔ ａ ｄｓｒｂ ｔｄ ｍｅ ｓ ｒｍｅ ｔａ ｄ ｃ ｎｒ ｌｓ ｓｅ ， ｙ ｄ ｐ ｉｇ Ｉ ｉ ｏ ５ ８ ｐｒｃｓ ｃｏ ｋ ｓ ｎ ｈｏ ｉａｉｎ ｐ ｏｏ ｏ ；ｔｅ ｓ ｈ ｍｅ ｏ ｒ ｎｍｉｔ ｇ ａ ｙ ｃ ｒｎｉｉｇ ｔ ｅ ｓ ｓｅ ｃｏ ｋ ｖａ Ｅｔｅ ｎ ｔｉ ａ ｕ ｅ ｎ ｎ ｏ ｔｏ ｙ ｔｍｓ ｓ ｙ ｃ ｒｎ ｚ ｔ ｒｔｃ ｌ ｈ ｃ ｅ ｆｔａ ｓ ｔｎ ｎｄ ｓ ｎ ｈ ｏ ｚｎ ｈ ｙ ｔｍ ｌｃ ｉ ｈ ｒ ｅ ｎ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔａ ｄ ｃ ｎ ｒｌｓ ｓｅ ｉ ｏ ｉ ｐ ｐ ｓ ｄ Ｄｕ ｉ ｍｐ ｅ ｎａｉｎ，ｔ ｅｔｍｅ ｔｍｐ ｉ ｅ ｅａｅ ｎ ａｄ ｏ ａｄ ｒ ｏ ｒ ｏｅ ． ｒｎｇｉ ｌ ｍｅ ｔｔｏ ｈ ｉ ｓａ ｓｇ ｎ ｒｔｄ ｉ ｉ ｆｈ ｒｗａｅ，ｔ ｕ ｒｎｔｅ ｔ ｅ ｓ ｓｅ ｐ ｅ ｉｅｙ ｍｅ ｓ ｒ ｏｇ ａ ａ ｅ ｈ ｙ ｔｍ ｒ ｃｓｌ ａ ｕ ｅ，ｃ ｌｕａｅ，ａ ｄ ａｃ ｌｔ ｎ ｃ ｎｒ ｌｔｅ ｔｍｅ ｏｆｅ ｅｗｅ ｎ ｍａ ｔｒａ ｄ ｓａ ｅ ｃｏ ｋ ， ａ ｌ ｓｔ ｅ ｔｍｅ ｄ ｌｙ ｆｍｅ ｓ ｇ ｒｎ ｍｉｓｏ ｏ ｔｏ ｈ ｉ ｆｓｔ ｂ ｔ ｅ ｓｅ ｎ ｌｖ ｌｃ ｓ ｓｗｅｌ ｈ ｉ ｅａ ｏ ｓａ ｅ ｔａ ｓ ｓｉｎ． Ｔｈ ｔｓ ｅｕ ｔｓ ｏ ｈ ｔｔｅ ａ ｅ ｅ ｔｒｓ ｌ ｈ ｗｓ ｔａ ｈ ｓｎ ｈ ｏ ｏ ｃ ｕ ａ ｙ ｏ ｈ ｌｖ ｌｃ ａ ａｉｆ ｈ ｐ ｌ ａｉｎ ｒｑ ｉｅ ｎ ｆｓ ｓｅ ，ａ ｄｔ ｅｑ ａ ｔｔ ｆｔｅ ｌ ｋ ｇ ｓｏ ｅ ｉａｅ ｒｓｏ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕｓａ ｃ ｒｃ ｆｔｅ ｓａ ｅｃｏ ｋ ｃ ｎｓ ｔｓｙｔ ｅａ ｐｉ ｔ ｅ ｕ ｒｍｅ ｔ ｙ ｔｍ ｃ ｏ ｏ ｎ ｈ ｕ ｎ ｉ ｏ ｉ ａ ｅ ｆｄ ｄｃ ｔｄ ｗｉｅ ｒ ｙ ｈ ｎ ｃ ｂｅ ｆｃｏ ｋ ｉ ａ ｕｅ ｎｔａ ｄ ｃ ｎｒ ｌｓ ｓｅ ｉ ｅ ｕ ｅ ａ ｌｓｏ ｌｃ ｎ ｍｅ ｓ ｒｍｅ ｎ ｏ ｔｏ ｙ ｔｍ ｓｒ ｄ ｃ ｄ．Ｔｈｓ ｔｃ ｎ ｌｇ ｏ ｓｓ ｅ ｏ ｄ ｐ ｐ ｌｒｚ ｔ ｎ ａｉ ｐ ｌｃ ｔ ｎ ｖ ｌｅ ｆｒｓｍｉ ｒ ｉ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｐ ｓｅｓ ｓ ｇ ｏ ｏ ｕａ ａｉ ｒ ａ ｐｉａｉ ａｕ ｏ ｉ ｌ ｉ ｏ ｄ ｏ ａ
１ Ｉ Ｅ ５ ８标 准 Ｅ Ｅ １８
ＩＥ ５ ８标准 的全称是 网络测 量和控 制系统 的 Ｅ Ｅ １８ 精确 时钟 同步协议 （ ｒｃ ｉ ｍ ｒｔ ｏ， Ｐ 。 Ｐ ｐｅｉｏ ｔ ｅｐｏ ｃｌ ｓｎ ｉ ｏ ） 和 Ｎ Ｐ技术一样 ， 有 配 置容易 、 Ｔ 收敛 快速 以及对 网 络带 宽和资源消耗 等优点 。它的主要 原理是通过一 ｆ 个同步信号周期性 对 网络 中所有节点 的时钟进行校 电
算法说 明如下 。
同步报文加盖时间戳来 实现 精确 时钟 同步 ， 可以根 据
精度要求决 定采用是硬件还是软件产生 的时间戳 。时
① 主时钟 按照定义的间隔时间 （ 缺省是 ２ｓ 周期 ）
性地 向从 时钟发送 “ 同步报 文 ” 这个 报文 的时 间戳是 ，
钟接 口能够对本地时 钟进行 读写 操作 ， 达到绝 对 时间
Ｐ定义 了 ４种多点传送 的报文 ： 同步报 文 、 随 跟
报文 、 延迟请求报 文 和延 迟应 答报 文。这些 报文 的交
互顺序 如图 ３所示 ， 收到 的信 息 回应 与 时钟 当前 的状
态有关 。
主 时钟 从 时钟
采用 最优 主时钟算法来 自动选择 系统 内的主时钟 。典
型 的 主 从 时 钟 关 系示 意 图如 图 １ 示 。 所
Ｉ路 栈ｌ 时单 硬钟Ｉ 网议 间 元Ｈ 辜 ｆ
能， 但一个 系统 内只能有一个 主时钟 ， 整个 系统中的最
优 时钟 为主 时钟 ， 它具 有 最好 的稳 定性 和精 确 性 等 。 根据 各 节 点 的 时 钟 精 度 、 别 以 及 通 用 协 调 时 间 级
（ ｎｖｒ ｌｉｅｃｏ ｉａ ｄ Ｕ Ｃ 的可 追溯性 等 ， ｕ ｉ ｓ ｍ ｏｒ ｎｔ ， Ｔ ） ｅａｔ ｄ ｅ 系统
分布式控制 系统精确时钟 同步技术
杨传顺 ， 等
分 布式 控 制 系 统 精 确 时钟 同步 技术
Ｐｒ ｃｓ ｏ ｋ Ｓ ｎ ｈ Ｏ ｉａ ｉ ｏ ｓ ｒ ｔ ｄ Ｃｏｎ ｒ ｌ ｓ ｅ ｅ ｉｅ Ｃｌ ｃ ｙ ｃ ｒ ｎｚ ｔ Ｏｎ ｆ ｒＤｉｔｉ ｅ ｂｕ ｔｏ Ｓｙ ｔ ｍ
ｃ ｏ ｋ ｓ ｎ ｈ ｏ ｚ ｔｏ ｅ ｕ ｒ ｍｅ ｔ ｌ ｃ ｙ ｃ ｒ ｎｉａ ｉ ｎ ｒ ｑ ｉｅ ｎ ．
Ｋｅ ｗｏｄ ：Ｄｉｒ ｕｅ ｏ ｔ ｌｓｓ ｍ（ Ｃ ） ＩＥ ５ ８ Ｐ ｅｉ ｌｃ ｙｃ ｒｎｚｔ ｎ Ｄ ｌ ａｕｅ ｎ Ｔｍ ｓ ｍｐ ｙ ｒｓ ｓ ｂ ｔｄｃ ｎｒ ｙｔ ｔ ｉ ｏ ｅ Ｄ Ｓ Ｅ Ｅ １８ ｒｃｓ ｃｏｋｓｎ ｈｏ ｉ ｉ ｅａ ｍｅｓ ｒｍｅ ｔ ｉ ｅｔ ｅ ａｏ ｙ ａ