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         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*。如果每個驅動器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zui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zui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，zui上面的是這個子域的祖母時鐘，它是一個GPS（Global Positioning Salite
System是由美國*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zui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。
2，第二步主節點向從節點發送一個“跟隨”（Follow_up）報文，這個報文包含先前的同步報文準確的發送時間的標記。從節點利用這兩個時間標記可以得到它與主節點的延遲，據此可調整它的時鐘的頻率。
3，從節點向主節點發送“延時請求”（Delay_Request報文（延時請求報文的間隔是獨立設置的，一般應較同步報文間隔長），這個報文是由從節點記錄它的準確發送時間，由主節點打上準確的接收時間標記。
4，主節點向從節點返回一個“延時響應”（Delay_ Response）報文，這個報文帶著先前的“延時請求”報文的準確的接收時間標記，從節點利用這個時間和由它所記錄的準確的發送時間，可計算出主節點和從節點之間的傳輸延遲并調整它的時鐘漂移誤差。


圖2 偏移的校正


圖3 傳輸延時的測量
  
圖2，圖3例示主節點與從節點之間報文的交換，圖中的時間也僅是為了理解假設的，不代表實際情況（IEEE1588中表示時間使用64位數，可以地表示時間）。圖2表示經過兩次同步可以校正主節點與從節點之間的偏差。但無法計算傳輸延時。
  
經過延時報文的請求和應答以及同步報文的時間標記，可以計算出兩個方向的平均傳輸延時，在以后的計算中就可使用。實際上偏移與延時值的測量是互相影響的，
要經過多次測量和計算，才會逐步收斂到接近實際值。測量時間間隔的選取很重要，選擇間隔短時通信負荷較重，間隔過長則不能保證同步的精度，所以同步和延時
的測量間隔應根據同步要求和系統配置選擇。
  
IEEE1588并沒有規定使用的網絡，但從通信的負荷和時間要求來說，以太網是比較適合的網絡，當前實際的實現也差不多都是基于以太網的網絡。以上四種
PTP報文都是基于IP多點通信（Multicast），它不限于Ethernet，并且可用于任何支持多點通信的總線系統。多點通信提供簡單化的優點，
IP地址管理不需要在PTP節點上實現，這樣可以進一步擴展到很大數目的PTP節點。
  
4 本地時鐘的考慮
PTP協議可能達到很高的同步精度，組成龐大的同步系統，但實際系統可以根據需要達到的精度和功能組建。可以選用1級或2級時鐘作為主時鐘，也可選用3
級，4級時鐘，可按價格和性能需要綜合考慮。但作為普通節點本地時鐘的振蕩器，出于成本考慮基本上只能選擇石英晶體振蕩器。但石英晶振的頻率會隨溫度，機
械因素和老化漂移，其中zui主要的影響是溫度，典型的不補償的石英晶振的溫度飄移是1PPM/C0,如果同步間隔是2秒，則溫度上升1度在每個同步間隔會產
生2微秒的誤差。但通過對晶振的熱環境的控制，可以明顯降低漂移。
  
從上面論述也可知道如果本地時鐘的振蕩頻率稍有偏離，就會造成時間的偏離，而且時間的偏離是累計的會越來越大，雖然通過同步報文的計算可以校正時間，但本
地時間的頻繁校正會打亂本地時鐘的連續性，使需要定時處理的任務像PID調節，通過時間段計量脈沖的速度測量等應用陷入混亂。所以在PTP系統內使用頻率
可調的晶振，通過頻率的校正使本地時鐘的頻率與主時鐘同步。對這種晶振的要求是0.01%精度和0.02%的頻率可調范圍。同時PTP并不在接收同步報文
后立即校正本地時鐘的時間，而是將這個偏移作為一個數據保存在端口中，通過本地時間加偏移值得到正確時間。
  
同時PTP定義的外部定時信號是可選特性，支持這個特性的主時鐘另外提供10MHZ頻率的曼徹斯特編碼的時鐘信號，在每秒的邊界信號跳變給出秒信號。這個定時信號可用于校正時鐘頻率。
  
5 關于邊界時鐘
從上面的同步原理很容易看到，在計算偏移時需要用到傳輸延時，這個延時是以前得到的測量值計算的結果，如果延時是穩定的，就能代表當次測量的延時，偏移的
測量就準確。反之延時的起伏將直接影響同步的精度。點對點連接可提供zui高的精度，帶路由器會增加網絡抖動，在PTP系統內通過交換機連接時，由于交換機在
傳送報文時需要存儲和排隊，不可避免出現傳遞的延遲，而且這個延遲隨排隊報文的多少，報文的大小而變。為了解決這個問題通常使用支持IEEE1588的交
換機作為邊界時鐘，支持IEEE的交換機內部包含了一個PTP時鐘，由于它是直接接收主時鐘報文的，它與主時鐘的傳輸延時不存在排隊與存儲的問題，所以在
需要分支時通常使用帶邊界時鐘的交換機。
  
6 時鐘的評價和*時鐘算法概要
*時鐘算法是1588協議的很重要的部分，1588雖然是適用于局域網的協議，但它沒有限制網絡的結構，范圍，設備數目和選用。對于任意結構的網絡怎樣
確定祖母時鐘，主時鐘，時間基準怎樣逐級傳遞到各節點，以取得盡可能好的時鐘精度，就是*時鐘算法要達到的目標。1588的算法是動態運行的，即在時鐘
同步系統運行中根據實時數據不斷計算，動態調整各節點和端口的狀態，也就會調整時間的傳遞路線。所以在當前主時鐘故障或性能下降時，系統可能會選擇其它更
合適的節點替代它作為主時鐘。由于這部分內容相對復雜，這里只介紹相關的基礎概念。
  
*時鐘的分級（clock_stratum）
時鐘的級數代表時鐘的質量，這個分級是有定義的，每個時鐘都應標上它的級別，在*主時鐘算法中它作為時鐘質量的標志進行計算。時鐘分級的定義如表1所示：


*時鐘標識符（Clock identifier）
時鐘標識符指示時鐘內在的和可期待的精度及起始時間，時鐘標識符值也是表示時鐘性能的參數，也是在*主時鐘算法中要參與運算的參數。時鐘標識符的定義如下表所示：（表2見書）
  
*時鐘變量（clock_variance）
在1588協議中時鐘變量是不斷實時測量和計算的值，用于表征時鐘當時的品質。這個值是通過Allan均方差公式得到，Allan方差式原用于振蕩器頻率的統計誤差計算，這里用于表示時間的統計誤差。（公式見書）
  
s2PTP是多次測量的均方差值，這里xk，xk＋1，xk＋2是在時間tk，tk＋ t，tk＋2 t
時刻所作的時間殘差測量，t是測量的間隔時間，N是測量的次數。從公式可看出這是統計方差式，公式已排除任何穩定的對稱的誤差,時鐘的漂移并不會影響
方差s2PTP，時鐘的不規則跳動直接影響s2PTP值。
s2PTP值再經過取對數，乘以常數和滯環處理才成為運算中使用的時鐘變量clock_variance。
**主時鐘算法概要
*時鐘算法（Best Master Clock
Algorithm－簡稱BMC算法）由兩部分組成：一是數據組比較算法，比較兩組數據的優劣，可能一組是代表本地時鐘的缺省特性的數據，一組代表從某端
口接收的同步報文所包含的信息。這個比較算法一是要對各種數據組進行比較。二是根據數據組比較結果計算每個端口的推薦狀態（主站、從站、待機、未校正、只
聽、禁止、初始化、故障狀態）。
BMC算法是在每個時鐘的每個端口本地運行的，它規定數據比較的順序和判據，所使用的數據除上面提到的時鐘級，時鐘標識符，時鐘變量外還有路徑長度、是不是邊界時鐘等條件。通過比較可得到每個時鐘的每個端口當時應取的狀態。
如對一個典型的具有N個端口的時鐘C0的BMC算法：
－對每一個端口r，比較從連接到這個端口通信路徑上的其它時鐘的端口接收的合格的Sync報文的數據組，通過數據組比較算法決定這個端口的*報文Erbest。
－對C0的N個端口比較各端口的Erbest，決定時鐘C0的*報文Ebest。
－對C0的N個端口的每一個，根據Ebest，Erbest和缺省數據組D0，用BMC狀態決定算法和應用端口的狀態機決定端口的狀態。
對于PTP子域中每個時鐘，每一個端口都運行BMC算法，這個運算是連續不斷的，因此能適應時鐘和端口的變化。并且1588的BMC算法是分散在每個時鐘，每個端口，是獨立運行的，因此更容易實現。
7 結束語
在當今經濟技術高度發展，系統規模巨大，分散控制和網絡化的時代，分散時鐘的同步越加重要，自2002年1588協議出現后，特別是它可能達到的高精
度和較低的開銷為人們實現這個要求提供了現實可行的途徑。1588協議是建立在網絡基礎上的，但它并不需要為時鐘傳遞建立特別的網絡，實現1588協議只
需在原有網絡上添加時間同步報文，這些報文只占用少量網絡資源，它們只是和控制數據包或其他信息包共享網絡。由于以上原因高精度時間同步已成為當前工業控
制領域的熱點，相信國內業界也會給予足夠重視。