CN101068128A - 在分布式控制系统中用于时间同步的方法 - Google Patents

Abstract

一种在分布式控制系统中用于时间同步的方法包括步骤：当从主时钟方接收到sync时，确认相应sync的接收时间点和先前频率的补偿时间点两者，并确定通过确认所述两个时间点获得的结果是否与预设的频率补偿间隔(FCI)相应；当通过确认所述两个时间点获得的结果不与预设的FCI相应时，仅执行时间偏移补偿操作；当通过确认所述两个时间点获得的结果与预设的FCI相应时，执行时间偏移和频率补偿操作两者。

Description

在分布式控制系统中用于时间同步的方法

                        技术领域

本发明涉及一种在分布式控制系统中提供时间同步的方法。

                        背景技术

通常，分布式控制系统包括一组通过一个或多个网络通信链路互连的节点。所述网络通信链路可包括诸如以太网的分组链路或者一个或多个可在分布式控制系统应用中采用的各种分组链路。在分布式控制系统中，近来逐渐意识到需要支持时间敏感通信量。因此，有必要在分布式控制系统的节点之间同步时钟。

在包括多个时钟的分布式控制系统中，必须采用时间同步，以便减少在源振荡器中固有的不稳定性并减少使用环境条件中的时间漂移效应(参照以下的参考文献1)。特别地，称为住宅以太网(residential Ethernet)的住宅网桥考虑时间同步，以便提供通信量流传输、源装置和目的装置中数据流的取样以及用于指示所述流的同步时钟(参照以下的参考文献2)。为了执行精确的时间同步，分布式控制系统必须具有同步性能，其中，在时钟时间和时钟频率两个方面，可将从时钟锁定到主时钟。

参照以下的参考文献[3]，IEEE 1588标准规定时间格式并定义多个可用于分布定时信息的消息，但是没有定义实现时间同步的方案。参考文献[1]公开一种可使用IEEE 1588协议执行精确的频率和时间同步的频率补偿时钟，以便改变定时信息。

图1是示出在普通分布式控制系统中用于时间同步的基本操作过程的梯形图，其公开了在根据IEEE 1588协议的分布式控制系统中主时钟和从时钟之间的基本操作。参照图1，主时钟周期性地将包括它自己的启动时间的同步消息(sync)发送到从时钟，由此以规律的间隔来执行用于时间同步的操作。主时钟可按类似的方式通过可选消息(follow-up)来发送开启时间。将延迟请求(未示出)从从时钟发送到主时钟，以便确认传输延迟，并且响应于所述延迟请求，将延迟响应(未示出)从主时钟发送到从时钟，从而可获得用于确认传输延迟时间的信息。

通过检测所述sync的到达时间，接收sync内的启动时间，并减去从主时钟到从时钟的传输延迟，从时钟识别出它自己与主时钟相关的时间偏移，由此补偿它自己的操作频率和时间值。参考文献[3]公开一种IEEE 1588协议的详细过程。

图2是示出在普通分布式控制系统中的频率补偿时钟的主要部分的框图，所述频率补偿时钟与参考文献[1]所公开的具有相同的结构。参照图2，频率补偿时钟包括频率补偿模块210和时钟计数器220。如图2的虚线更加详细地所指示的，频率补偿模块210可包括频率乘法器214和频率补偿值寄存器212。在将本地振荡器频率提供给时钟计数器220之前，在频率补偿模块210中将其与频率补偿值相乘，所述频率由此被校正。如参考文献[1]所公开的，具有这种结构的时钟可通过适当地更新频率来补偿时间偏移和频率两者。

在从时钟中，频率补偿值的初始值可依据方案而定。在图2的时钟设置环境中，可将频率补偿值设置为1，这虽然不同于参考文献[1]，但是既不会对操作处理产生影响，也不会产生另一结果。

以下，将参照图1更加详细地描述频率更新方案，所述方案如下执行。如图1所示，在MasterSyncTime_n，主时钟将sync发送到从时钟。这里，相应sync通过时间戳记而包括时间值MasterSyncTime_n。这里，“n”相应于sync的计数值。当自己的本地时钟是SlaveClockTime_n时，从时钟接收sync。这里，从时钟按以下等式所表示的来计算主时钟时间MasterSyncTime_n。

MasterClockTime_n＝MasterSyncTime_n+MasterToSlaveDelay

在上面的等式中，MasterToSlaveDelay相应于传输延迟时间值。

按以下等式所表示的来确定当前同步周期的主时钟计数MasterClockCount_n。

MasterClockCount_n＝MasterClockTime_n-MasterClockTime_n-1

按以下等式所表示的来确定当前同步周期的从时钟计数SlaveClockCount_n。

SlaveClockCount_n＝SlaveClockTime_n-SlaveClockTime_n-1

按以下等式所表示的来确定ClockDiffCount_n，即，当前同步周期的主时钟计数和从时钟计数之间的差。

ClockDiffCount_n＝MasterClockTime_n-SlaveClockTime_n

按以下等式所表示的来确定FreqScaleFactor_n，即，从时钟的频率比例因子。

FreqScaleFactor_n＝(MasterClockCount_n+ClockDiffCount_n)/SlaveClockCount_n

然后，按以下的等式1所表示的来计算FreqCompVlaue_n，即，当前从时钟的频率补偿值。

FreqCompValue_n＝FreqScaleFactor_n*FreqCompValue_n-1…………(1)

根据相同的方式执行操作的理论结果为：在SlaveClockTime_n+1，主时钟和从时钟的频率将锁定，所述两个时钟之间的差ClockDiffCount_n+1将为零。

在补偿频率和时间偏移两者的当前频率补偿时钟中使用如上所述的方式。这里，计算频率比例因子的处理是所述方式中的关键点。

同时，在按等式1所表示的来计算频率比例因子的方式中，可理解到：在sync的每个接收周期，使用sync周期性地且同时补偿周期的频率和时间偏移。然而，如果通过使用如以下的参考文献[4]所公开的方式，将多个通信网络通过网桥(交换机)分级地连接，则增加沿着从总的主时钟到每个从时钟的同步路径所经过的网桥的数量。因此，同步误差在经过网桥时被积累，并且同步误差会呈指数增加。

                        发明内容

因此，进行本发明以解决现有技术中存在的上述问题，并通过提供用于时间同步的方法来提供额外的优点，所述方法可通过在分布式控制系统中显著地减少同步误差来提高同步性能。

根据本发明的一方面，提供一种在分布式控制系统中用于时间同步的方法，所述方法包括步骤：当从主时钟方接收到sync时，确认相应sync的接收时间点和先前频率的补偿时间点两者，并确定通过确认所述两个时间点获得的结果是否与预设的频率补偿间隔(FCI)相应；当通过确认所述两个时间点获得的结果不与预设的FCI相应时，仅执行时间偏移补偿操作；当通过确认所述两个时间点获得的结果与预设的FCI相应时，执行时间偏移和频率补偿操作两者。

优选的，在确定所述结果是否与预设的FCI相应的步骤中，当接收的sync是从先前时间偏移和频率的同时补偿时间点的预设顺序中的sync时，认为所述结果相应于预设的FCI。

                            附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述特点和优点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出在普通分布式控制系统中用于时间同步的基本操作的梯形图；

图2是示出在普通分布式控制系统中的频率补偿时钟的主要部分的框图；

图3是示出根据本发明的一实施例在分布式控制系统中用于显示时间同步的TCI和FCI的基本操作的流程图；

图4是示出根据本发明的一实施例在分布式控制系统的从时钟中进行时间同步的操作流程图；以及

图5是示出在根据本发明的时间同步性能和普通时间同步性能之间的比较的曲线图。

                          具体实施方式

以下，将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。在以下描述中，示出许多诸如详细部件的特定项目，但是这些项目仅用于帮助全面理解本发明，本领域的技术人员应理解：在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可对所述特定项目进行修改。

图3是示出根据本发明的一实施例在分布式控制系统中用于显示时间同步的时间偏移补偿间隔(TCI)和频率补偿间隔(FCI)的基本操作的流程图。参照图3，在根据本发明实施例的时间同步方案中，主时钟周期性地将包括它自己的启动时间的sync发送到从时钟，由此以规律的间隔来执行用于时间同步的操作。这里，本发明使用IEEE 1588的基本过程，包括sync、follow-up延迟请求和延迟响应的通信。然而，根据本发明的在从时钟中的频率更新方案分开补偿时间偏移和频率，这不同于同时补偿时间偏移和频率两者的传统方案。

在本发明中，存在两种间隔，例如，根据同步周期的TCI和FCI，并且根据相应间隔的周期来执行时间偏移补偿和频率补偿操作。TCI相应于两个邻近sync之间的间隔。此外，FCI比TCI长，例如，可将FCI设置为多个TCI。

在图3中示出TCI和FCI两者的定义。在图3中，参数“m”是TCI相对于FCI的比率。还可将参数“m”设置为时间敏感，这可按更简单的方式来预设，或者可在实际应用中将参数“m”预设为适当的固定值。

本发明提供一种根据如上所述的两个间隔(TCI和FCI)，来计算两个频率比例因子的方式作为从时钟的操作过程。

1.TCI

在多数情况下，一旦从时钟接收到sync，从时钟就通过使用如等式2所表示的频率比例因子计算方案，使用接收的sync更新它自己的频率来仅进行时间偏移补偿。

FreqScalFactor_n＝MasterClockCount_n/SlaveClockCount_n…………(2)

2.FCI

根据本发明的特征，当从先前频率和时间偏移的同时补偿时间点接收到的第n个sync(当前sync)是第m_n个sync时，从时钟通过使用如等式3表示的频率比率因子计算方案来更新它自己的频率，以便补偿时间偏移和频率两者。

$\mathrm{FreqScaleFacto}{r}_n=\frac{\underset{i=n-m_n+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{MasterClockCou}{t}_i}{\underset{i=n-m_n+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SlaveClockCoun}{t}_i}+\frac{\mathrm{ClockDiffCoun}{t}_n}{\mathrm{SlaveClockCoun}{t}_n}...\left(3\right)$

如果“m”是预设的常数并且对时间不敏感，则可由以下的等式4来表示等式3。

$\mathrm{FreqScaleFacto}{r}_n=\frac{\underset{i=n-m+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{MasterClockCou}{t}_i}{\underset{i=n-m+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SlaveClockCoun}{t}_i}+\frac{\mathrm{ClockDiffCoun}{t}_n}{\mathrm{SlaveClockCoun}{t}_n}...\left(4\right)$

在等式2到4中的所有参数具有与现有技术中所描述的参数相同的定义。

图4是示出根据本发明的一实施例在分布式控制系统的从时钟中进行时间同步操作的流程图。参照图4，如果从时钟接收到sync，则在步骤402，从时钟首先根据相应sync的接收时间点和先前频率的补偿时间点来计算FCI。在步骤404，从时钟确定计算出的FCI是否相应于预设的FCI。也就是说，从时钟确定当前接收的sync是否是从先前频率和时间偏移的同时补偿时间点的第m个sync。

如果作为在步骤404中确定的结果，计算出的FCI相应于预设的FCI，则在步骤406，从时钟使用根据等式3的比例因子计算方案来更新它自己的频率，以便补偿时间偏移和频率两者。然而，如果作为在步骤404中确定的结果，如果FCI与预设的FCI不相应，则在步骤408，从时钟通过使用如等式2所表示的比例因子计算方案来更新它自己的频率，以便仅补偿时间偏移。

图5是示出在根据本发明的时间同步性能和现有技术的时间同步性能之间的比较的曲线图，其示出通过将传统方案与本发明的方案进行比较获得的仿真结果。仿真系统相应于索引为0到7的8个节点的链。节点0是总的主时钟，节点i是节点(i+1)的主时钟。从节点0到节点7逐跳地对时间进行分级同步。总的主时钟具有25MHz的精确振荡器频率。其它节点中的振荡器频率在25MHz±50ppm的范围内可任意选择。

在使用传统方案的情况下，同步间隔时间是1秒。如果使用本发明的方案，则TCI是1/8秒，FCI是1秒。这表示m是预设的，并且m固定为8。每个节点每秒输出脉冲指示符。称为第一指示符的脉冲在这里用于同步性能测试。

对总的主时钟(节点0)和每个从时钟(节点1到7)之间的第一指示符输出时间的差进行监控和记录，以进行统计分析。仿真的最终时间是3000秒，以便消除意外的差错。

根据这些条件下的仿真结果，在图5的曲线图的垂直轴上表示为第一指示符的离散差分析的标准偏差，在其中的水平轴上表示跳数。参照图5，当使用传统的同步方案时，如曲线图中的虚线所表示的，同步误差随着水平跳数的增加而呈指数增长。然而，当使用本发明的方案时，如曲线图中的实线所表示的，同步误差的表示曲线具有非常小的斜率。如上所述，可理解到：当使用本发明的频率更新方案时，通过分级网桥(交换机)的同步性能得到了相当大的提高。

根据本发明的在分布式控制系统中的时间同步方案通过使用分开补偿频率和时间偏移的技术，分开补偿从时钟的频率和时间偏移，由此在具有分级网桥(交换机)的网络中，补偿沿着从总的主时钟到从时钟的同步路径积累的多数误差。

尽管已经为了示例性目的而描述了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员将认识到：在不脱离如所附权利要求公开的包括所述权利要求等同物的全部范围的本发明的范围和精神的情况下，可进行各种修改、添加和替换。

[参考文献]

[1]S.Balasubramanian，K.R.Harris和A.Moldovansky，″A FrequencyCompensated Clock for Precision Synchronization Using IEEE 1588 Protocol andits Application to Ethernet″，Proceedings of the Workshop on IEEE 1588，Gaithersburg，U.S.，2003年9月24日。

[2]M.J.Teener，F.F.Feng和E.H.Ryu，“Precise timing in a residentialEthernet environment”，presented at Proc.of the Workshop on IEEE 1588，Winterthur，Switzerland，2005.

[3]IEEE，″IEEE standard for a precision clock synchronization protocolfor networked measurement and control systems″，ANSI/IEEE Std 1588-2002.

[4]S.Wang，J.Cho，Y.Joo，et.al.，″Improvements to Boundary Clock BasedTime Synchronization through Cascaded Switches″，IEEE Transaction onConsumer Electronics，submitted.

Claims (6)

1、一种在分布式控制系统的从时钟方进行时间同步的方法，所述方法包括以下步骤：

当从主时钟方接收到sync时，确认相应sync的接收时间点和先前频率的补偿时间点两者，并确定通过确认所述两个时间点获得的结果是否与预设的频率补偿间隔(FCI)相应；

当通过确认所述两个时间点获得的结果不与预设的FCI相应时，仅执行时间偏移补偿操作；以及

当通过确认所述两个时间点获得的结果与预设的FCI相应时，执行时间偏移和频率补偿操作两者。

2、如权利要求1所述的方法，其中，在确定所述结果是否与预设的FCI相应的步骤中，当接收的sync是从先前时间偏移和频率的同时补偿时间点的预设顺序中的sync时，认为所述结果相应于预设的FCI。

3、一种在分布式控制系统的从时钟方进行时间同步的方法，所述方法包括以下步骤：

当从主时钟方接收到sync时，在根据相应sync的接收间隔的时间偏移补偿间隔(TCI)执行时间偏移补偿操作；以及

在预设的实质上大于TCI的FCI执行频率补偿操作。

4、一种在分布式控制系统的从时钟方进行时间同步的方法，所述方法包括以下步骤：

第一步骤：当从主时钟方接收到sync时，确定接收的sync是否是从先前时间偏移和频率的同时补偿时间点的预设顺序中的sync；

第二步骤：当预设的FCI没有到达时，由从时钟方通过使用接收的sync来更新它自己的频率以进行时间偏移补偿；以及

第三步骤：当预设的FCI到达时，由从时钟方通过使用接收的sync和先前接收的sync来更新它自己的频率以进行时间偏移补偿和频率补偿。

5、如权利要求4所述的方法，其中，在由从时钟方更新它自己的频率的第二步骤中，使用根据IEEE 1588协议的以下等式来计算频率比例因子“FreqScalFactor”，并且使用计算出的频率比例因子来计算用于更新所述频率的频率补偿值，

等式

FreqScalFactor_n＝MasterClockCount_n/SlaveClockCount_n。

6、如权利要求4所述的方法，其中，在由从时钟方更新它自己的频率的第三步骤中，使用根据IEEE 1588协议的以下等式来计算频率比例因子“FreqScalFactor”，并且使用计算出的频率比例因子来计算用于更新所述频率的频率补偿值，

等式

${\mathrm{FreqScaleFactor}}_n=\frac{\underset{i=n-m_n+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}M{\mathrm{asterClockCount}}_i}{\underset{i=n-m_n+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SlaveClockCount}}_i}+\frac{\mathrm{ClockDiffCoun}{t}_n}{{\mathrm{SlaveClockCount}}_n}$

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