همگام‌سازی دقیق زمان همچنان برای اتوماسیون صنعتی مدرن، سیستم‌های کنترل توزیع‌شده (DCS) و شبکه‌های حفاظت برق حیاتی است. بنابراین، مهندسان کنترل باید ساعت‌های همه کنترل‌کننده‌ها، رابط‌های انسان و ماشین (HMIها) و ایستگاه‌های نظارتی را هماهنگ نگه دارند. در ۱۵ سالی که صرف راه‌اندازی پروژه‌های پیچیده اتوماسیون صنعتی کرده‌ام، بارها خرابی‌هایی را بررسی کرده‌ام که در آن‌ها مُهرهای زمانی ناهماهنگ، توالی واقعی رویدادها را پنهان کرده بودند. در ادامه، پروتکل‌ها و روش‌های اصلی همگام‌سازی زمان را که برای اتوماسیون مطمئن کارخانه ضروری‌اند، شرح می‌دهم.

ضرورت حیاتی ثبت دقیق زمان در سیستم‌های کنترل

فرایندهای صنعتی در هر دقیقه هزاران هشدار، رویداد گسسته و قرائت حسگر تولید می‌کنند. اگر کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر (PLCها) یا سرورهای اسکادا از ساعت‌های ناهماهنگ استفاده کنند، گزارش رویدادها متناقض و گیج‌کننده می‌شود. هنگام بررسی‌های پس از حادثه، مهندسان برای تشخیص اینکه خرابی یک ابزار میدانی زودتر رخ داده یا قطع حفاظتی مکانیکی، به دقت زمانی وابستگی زیادی دارند. بنابراین، پیاده‌سازی یک معماری مستحکم برای همگام‌سازی زمان، در خطوط تولید پرسرعت و پست‌های برق ضروری است.

بهره‌گیری از پروتکل زمان شبکه (NTP) برای اتوماسیون عمومی

پروتکل زمان شبکه (NTP) پرکاربردترین روش همگام‌سازی زمان در شبکه‌های صنعتی است. در این معماری کلاینت-سرور، یک سرور زمان اصلی، ساعت مرجع دقیقی را نگه می‌دارد و PLCها و واحدهای پایانه راه‌دور (RTUها) به‌عنوان کلاینت‌های تابع عمل می‌کنند. کلاینت‌ها در فواصل زمانی منظم و از طریق اتصالات استاندارد اترنت، از سرور NTP درخواست می‌کنند تا ساعت‌های داخلی خود را به‌روزرسانی کنند. افزون بر این، NTP توزیع زمان را در سطوح سلسله‌مراتبی استراتوم سازمان‌دهی می‌کند؛ از ساعت‌های اتمی استراتوم ۰ گرفته تا سرورهای محلی کارخانه.

مقایسه پروتکل زمان شبکه (NTP) و پروتکل زمان ساده شبکه (SNTP)

پروتکل زمان ساده شبکه (SNTP) جایگزینی سبک برای NTP کامل است و برای کاربردهای کوچک‌تر مناسب است. بااین‌حال، تفاوت‌های فنی مهمی این دو پروتکل را از هم متمایز می‌کند. به‌طور مشخص، SNTP تأخیرهای پیچیده انتشار در شبکه را به‌صورت داخلی محاسبه نمی‌کند. در عوض، سرور SNTP زمان فعلی خود را بدون جبران تأخیر، مستقیماً برای همه کلاینت‌های متصل ارسال می‌کند. در نتیجه، دقت معمول SNTP حدود ۵۰ میلی‌ثانیه است، درحالی‌که NTP استاندارد دقتی در محدوده ۱۰ میلی‌ثانیه ارائه می‌دهد.

دستیابی به دقتی کمتر از یک میلی‌ثانیه با پروتکل زمان دقیق (PTP)

کاربردهای پرسرعت، مانند اتوماسیون پست‌های برق که تابع استاندارد IEC 61850 است، به دقت ساعت کمتر از یک میلی‌ثانیه نیاز دارند. پروتکل زمان دقیق (PTP)، که با استاندارد IEEE 1588 تعریف شده است، این نیاز سخت‌گیرانه را برآورده می‌کند. برخلاف مدل نظرسنجی دوره‌ای NTP، مرجع‌های اصلی PTP بسته‌های همگام‌سازی دارای مهر زمانی سخت‌افزاری را پیوسته در شبکه پخش می‌کنند. در نتیجه، دستگاه‌های تابع ضمن درنظرگرفتن نوسان ناچیز شبکه، ساعت‌های داخلی بلادرنگ خود را تنظیم می‌کنند. بااین‌حال، دستیابی به این دقت کمتر از یک میلی‌ثانیه به سوئیچ‌های اترنت مدیریت‌شده و کارت‌های رابط شبکه (NIC) مجهز به PTP نیاز دارد.

پیاده‌سازی سامانه‌های ساعت مرجع اصلی مبتنی بر GPS در کارخانه‌های صنعتی

کارخانه‌های صنعتی قابل‌اعتماد معمولاً برای ایجاد مرجع زمانی مطلق، از گیرنده‌های اختصاصی ماهواره GPS استفاده می‌کنند. در معماری معمول کارخانه، ساعت مرجع اصلی GPS زمان هماهنگ جهانی (UTC) را مستقیماً به سرور اصلی SCADA می‌فرستد. سپس سرور SCADA به‌عنوان مرجع زمانی محلی عمل می‌کند و از طریق سوئیچ‌های اترنت مدیریت‌شده، پالس‌های همگام‌شده را به همه PLCها، HMIها و تجهیزات الکترونیکی هوشمند (IEDها)ی متصل توزیع می‌کند. براساس تجربه میدانی من، استفاده از ساعت مرجع اصلی سخت‌افزاری GPS، انحراف زمانی را از میان می‌برد و قابلیت ردیابی حقوقی و عملیاتی مطلق را تضمین می‌کند.

سناریوی کاربردی: بازسازی زمانی خرابی در خط تولید

فرض کنید یک کارخانه پرس‌کاری خودرو با سرعت بالا، با توقف‌های اضطراری نامشخصی روبه‌رو است که هر از گاهی تولید را متوقف می‌کنند. ازآنجاکه چندین کنترل‌گر منطقی برنامه‌پذیر و PLC ایمنی خط پرس‌کاری را کنترل می‌کنند، ناهماهنگی مهرهای زمانی، عیب‌یابی را تقریباً ناممکن می‌کند. تیم مهندسی کنترل با نصب یک ساعت مرجع اصلی صنعتی GPS و پیکربندی همگام‌سازی زمان PTP در همه سوئیچ‌های اترنت مدیریت‌شده، مشکل را برطرف می‌کند. پس از این ارتقا، مهرهای زمانی همه PLCها، کنترل‌گرهای ایمنی و گزارش‌های هشدار SCADA با دقتی کمتر از یک میلی‌ثانیه همگام می‌شوند. در توقف بعدی، تیم تعمیر و نگهداری گزارش رویدادهای SCADA را بررسی می‌کند و بلافاصله حسگر مجاورتی معیوب را به‌عنوان علت اصلی دقیق مشکل شناسایی می‌کند و ساعت‌ها عیب‌یابی پرهزینه را از میان برمی‌دارد.

درباره نویسنده

لی چیانگ کارشناس ارشد اتوماسیون صنعتی است و بیش از ۱۵ سال تجربه بین‌المللی در محل دارد. تخصص او برنامه‌نویسی PLC، سامانه‌های کنترل توزیع‌شده (DCS)، شبکه‌سازی صنعتی و معماری‌های اتوماسیون حساس به زمان است. لی در طول فعالیت حرفه‌ای خود، سامانه‌های کنترل و شبکه‌های همگام‌سازی برق را برای شمار زیادی از کارخانه‌های تولیدی و تأسیسات خودکار بزرگ‌مقیاس در آسیا و اروپا با موفقیت طراحی و راه‌اندازی کرده است. او متخصص اتوماسیون دارای گواهی‌نامه است و مرتباً راهنماهای فنی برای نشریات مهندسی صنعتی بین‌المللی می‌نویسد.