0引言

控制系統中的時間同步問題早就出現，而隨著系統范圍的擴大和分散控制的發展，通過網絡聯系的分散控制節點之間的時間同步變得越來越重要。系統中時間的使用通常有兩種不同的應用類型：時間標記性應用和基于頻率的應用。如配電應用可代表時間標記應用，在這種系統中絕對時間很重要，因為特定事件的定時不僅需要與本系統內的其他事件的時間作比較，而且由于電力系統的連貫性，經常可能需要與外部相關系統的事件的時間作比較。哪一個事件先發生？是電網A先跳閘，還是電網B先跳閘？這些事件相隔多少時間？在實際應用中這些事件可能發生在不同的地理區域。由于這個原因需要絕對時間值的概念，并且這個時間基準需要校正為世界各地使用的常用時間。由于特定的事件和報警是被打上時間標記的，只要這些時間標記具有相同的基準，就可以在事后進行這些事件的時間順序的分析。

另一方面，在控制系統中存在大量基于頻率的應用，如通過網絡連接的多個分布驅動的協調控制，它們需要精確同時執行，因為它們不能過度拉伸或損壞驅動機架之間的織物。在這些應用中當這些驅動器是同步工作時過程最佳。如果每個驅動器精確地在同時采樣反饋和執行控制算法，同時執行控制命令，那么作用力的施加是協調的。在這種應用中絕對時間不是很重要，但是控制周期的同步非常重要。

解決這些問題的關鍵是時間同步，時間同步的目的就是要將時間基準準確地傳遞到各控制點，傳遞并不困難，難于達到的是傳遞的精度。在2002年出現的IEEE1588標準（網絡化測量和控制系統的精確時鐘同步協議，通常稱為Precision Time Protocol[PTP]）在這方面取得了重大進展。使用這個方法并不需要很多資源就可以達到100納秒級的同步精度。IEEE1588標準出現后得到業界高度重視，在2002年，2004年舉辦專業會議，2006年將舉辦第三次專業會議。工業控制的領先廠商Rockwell，Siemens等立即投入產品開發，IEC已將它轉化為IEC61588－2004標準，這個標準已為Ethernet/IP，Profinet，PowerLink，EtherCat等基于以太網的總線采用，成為當前普遍采用的方法。

1 IEEE1588標準

IEEE1588標準，規定了將分散在測量和控制系統內的分離節點上獨立運行的時鐘，同步到一個高精度和準確度的協議。這些時鐘是在一個通信網絡中互相通信的。按這個基本格式，這個協議要形成樹形的管理，使系統內的這些時鐘產生一個主從關系。在一個給定子網中包括多個節點，每一個節點都有一個時鐘。時鐘之間經由網絡連接。IEEE1588規定了子網的劃分規則，它是按時鐘的級別劃分子網，一個子網只有一個1級或2級時鐘。在一個子網中只有一個主時鐘，從時鐘從主時鐘得到時間，所有時鐘最終都是從一個稱為祖母時鐘那里得到它的時間。任何時鐘和它的祖母時鐘之間的通信路徑都是最小跨度樹的一部分。

分布時鐘的PTP系統由普通時鐘和邊界時鐘組成。普通時鐘是只有一個PTP端口的時鐘，邊界時鐘是帶兩個或多個不同的PTP通信路徑的端口的時鐘。如一個可在它的端口上實現PTP協議的交換機就是一個邊界時鐘。很明顯普通時鐘只有接收時間的能力，邊界時鐘具有傳遞時間的能力。

系統中的一個時鐘可選為主時鐘，由主時鐘向從時鐘發送同步報文，通過報文傳遞時鐘信息。圖1是一個配置的例子。

圖1－帶祖母時鐘、邊界時鐘和從時鐘的系統例子

2 PTP時鐘的協議模型

圖1是PTP子域的例子，最上面的是這個子域的祖母時鐘，它是一個GPS（Global Positioning Satellite System是由美國國防部維持的系統，來自GPS的時間可以達到10～100ns的精度范圍）時鐘，是這個子域的時間源，下面通過父子結構的時鐘端口構成傳遞系統。這個結構的根是祖母時鐘，這個結構的每一個分支點通常需要一個邊界時鐘，這點上從根進一步分支方向的所有時鐘端口必須是主或父代端口，而有一個端口是同步到更加靠近根的時鐘的從端口。分支到最后（不是根方向）的端口必定是從端口或不活動（Passive）端口（不活動端口的通信路徑上，除非另外規定不應當發生報文）。

3 PTP同步機制

IEEE1588定義了四種同步報文Sync，Follow_up ,Delay_Request , Delay_Response , 和一組管理報文。為了簡化問題，我們先考慮一個主時鐘與一個從時鐘的同步過程：

1，主節點每2秒鐘（同步報文的間隔是可設置的，這里假設為2秒）向從節點發送一個“同步”（Sync）報文。這個報文是由主節點打上預計的發送時間標記的報文，但是由于預計的發送時間和實際的發送報文發送本身可能的延遲，實際時間標記不能隨“同步”報文一起發送。這個“同步”報文在接收端被從節點打上接收時間標記（為了提高精度，應在物理層或接近物理層的位置檢測、記錄和標識發送或接收時間）。IEEE1588規范制定了可選件“硬件輔助”設計來實現這個精度的提高。