CN113534657A - 一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法，应用于配置一个主机架以及若干级联的从机架的工业控制系统，所述主机架及从机架上的板卡均设有时钟对时单元；控制器发送授时时间至系统内的板卡，第一时钟对时单元接收授时时间作为本地时钟，并基于本地时钟发送时钟对时数据包，时钟对时数据包通过级联的时钟对时单元返回第一时钟对时单元；第一时钟对时单元基于接收时钟对时数据包的源地址和第一对时数据，得到对应的板卡的传输延时，从而自适应的调节本地时钟；本发明提出的一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法，不依靠控制系统组网结构或网络传输介质，自动计算授时时钟传输延时，自适应调节本地时钟，得到精确的本地时钟。
Description
技术领域
本发明涉及工业控制系统的通信领域，尤其涉及一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法。
背景技术
工业控制系统的控制器接收到授时设备发送的时间后会发送给本系统内所有板卡，板卡接收到控制器的授时时间后会更新本地时钟，后续本板卡内部的事件记录、SOE记录等都是以此时钟为基准，本地时钟的准确度直接影响记录发生时间，若记录发生时间出现偏差，会影响后续问题排查。因此工业控制系统需要相对精确的本地时钟，但是在控制器同步本地时钟过程中，授时时钟在传输过程钟会产生延时，延时影响因素主要包括：系统级联层数，通信距离长度，通信介质等。典型工业控制系统机本地时钟延迟会随着机架距离调整、传输介质更改、级联设备数量多少等因素变化。授时时钟传输延时由多种传输延时叠加形成，主要包括以下几种延时时间：机架本身响应时间、机架内数据总线传输时间、级联设备转发时间以及单向光纤传输延时时间，这些延时时间累计累加后可以得到授时时钟整体传输延时，具体传输延时因素如图1所示。
中国发明专利CN201510724707.1公开了一种本地时钟调整方法、授时方法及装置，此发明需要从接收空口信号当中提取定时信息，此空口信号是由主控制器设置完成后下发，因此，此类方法需要前期工程实施的时候了解现场控制系统网络布局，设备间距离，通信介质等，从而计算得到最大传输延迟值，后续若设备网络需要改进维护，增加设备等，最大传输延迟值需重新评估，工程实施较为繁琐，设备维护成本较高。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法，不依靠控制系统组网结构或网络传输介质，自动计算授时时钟传输延时，自适应调节本地时钟，得到精确的本地时钟。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提出的一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法，应用于至少配置一个主机架以及若干级联的从机架的工业控制系统，所述主机架及从机架上的板卡均设有时钟对时单元，工业控制系统本地时钟自适应调节方法具体包括：设置于主机架的控制器发送授时时间至系统内的所有板卡；设置于任意板卡上的第一时钟对时单元接收授时时间，并基于授时时间得到本地时钟；第一时钟对时单元基于本地时钟发送时钟对时数据包，并通过级联的时钟对时单元将时钟对时数据包返回第一时钟对时单元，其中，时钟对时数据包至少包括源地址和第一时钟数据；第一时钟对时单元基于接收的时钟对时数据包的源地址和第一对时数据，得到第一时钟对时单元对应的板卡的传输延时Tdelay，从而基于传输延时Tdelay和本地时钟，自适应的调节本地时钟。
针对控制器的同步授时时间的过程，通过软件自适应的及时调整本地时钟，对于原有制系统的改造升级，成本低且简单易行。
进一步的，所述第一时钟对时单元基于接收的时钟对时数据包的源地址和第一对时数据，得到第一时钟对时单元对应的板卡的传输延时Tdelay，具体包括：第一时钟对时单元发送时钟对时数据包后基于发送的第一对时数据累加预设计时器，若第一时钟对时单元接收的时钟对时数据包的源地址与其发送的源地址不一致，则转发接收的时钟对时数据包，若第一时钟对时单元接收的时钟对时数据包的源地址与其发送的一致，则停止累加预设计时器，并得到第二对时数据，并对接收的时钟对时数据包进行校验，若对时钟对时数据包校验通过，则获取时钟对时数据包的第一对时数据，基于第一对时数据和第二对时数据得到第一时钟对时单元对应的板卡的传输延时Tdelay。
进一步的，若第一时钟对时单元接收的时钟对时数据包校验未通过，则丢弃时钟对时数据包；第一时钟对时单元再次发送时钟对时数据包。
进一步的，所述时钟对时数据包还包括对源地址和第一时钟数据进行数据校验的校验数据，所述第一时钟对时单元基于发送的时钟对时数据包的校验数据，以及接收的时钟对时数据包的源地址、第一时钟数据以及校验数据进行校验。
为了保证计算得到的传输延时的数据准确性，对发送和接收数据包的数据均进行校验。
进一步的，所述时钟对时单元至少包括可编程逻辑器件。
进一步的，所述可编程逻辑器件为CPLD或FPGA。
基于可编程逻辑器件的低延时，高时效的特点，得到传输延时。
进一步的，所述第一对时数据为基于本地时钟的时钟对时数据包发送时间time_send，第二对时数据为基于第一对时数据以及预设计时器得到的时钟对时数据包接收时间time_res，第一时钟对时单元对应的板卡的传输延时Tdelay＝(time_res-time_send)/2。
进一步的，所述预设计时器基于可编程逻辑器件的计数器和控制系统的本地时钟精度设定。
预设计时器的精度可以根据系统的需求进行调整，从而调正本地时钟精度。
本发明的有益效果是：
1、不依靠控制系统组网结构、网络传输介质、通信距离等参数，自动计算授时时钟传输延时，自适应调节本地时钟，方便工程现场使用；
2、通过比较发送时间与接收时间，得到精确的本地时钟，提高控制系统本地时钟的准确性与可靠性。
3、基于工业系统中已应用的可编程逻辑器件，扩展本地时钟自适应调节功能，降低成本。
4、基于可编程逻辑器件和控制系统时间要求，调节自适应调节本地时钟的精度，可以提高本地时钟对时准确率与可靠性，同时减少了工程人员的后期维护操作，适用于新增控制系统、改造升级既有控制系统、增加缩短光纤距离等不同场景。
附图说明
图1为本发明实施例传输延时因素示意图；
图2为本发明实施例的流程示意图；
图3为本发明实施例时钟对时数据包传输示意图。
图4为本发明实施例第一时钟单元接收时钟对时数据包流程示意图；
具体实施方式
为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。
为了更好的理解本申请的技术方案，首先对本申请中一些专业术语进行说明。
授时时钟：通常指GPS或者北斗发送的时钟，通常组成方式为年/月/日/时/分/秒/毫秒
本地时钟：本地板卡接收到授时时钟之后，需要对授时时钟进行维护，得到本地时钟。
如图1所示，本实施例所述的常见的工业控制系统的架构。包括一个主机架和N个级联的从机架。典型控制系统机架间通过可编程逻辑器件完成数据传输，通信数据当中有一种数据类型就是时间同步数据包，时间同步数据包会将控制器接收的授时时钟发送给控制系统内部的所有板卡，板卡收到时钟同步数据包后，更新本地时钟。在同步本地时钟的过程中，对于授时时钟时延的计算主要考虑以下几种延时累加：机架本身响应时间、机架内数据总线传输时间、级联设备转发时间以及单向光纤传输延时时间。这些延时时间累计累加后可以得到授时时钟整体传输延时。这种计算过程需要前期工程实施的时候，了解现场控制系统网络布局，设备间距离，通信介质等，从而计算得到最大传输延迟值，后续若设备网络需要改进维护，增加设备等，最大传输延迟值需重新评估，工程实施较为繁琐，设备维护成本较高。
本发明提出的一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法，不依靠控制系统组网结构、网络传输介质、设备间距离，自动计算得到授时时钟传输延时，自动调节本地时钟，同时可以提高本地时钟对时准确率与可靠性，对于新增控制系统，改造升级既有控制系统。
如图2所示，为本发明的一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法实施例的流程图。应用于至少配置一个主机架以及若干级联的从机架的工业控制系统，主机架及从机架上的板卡均设有时钟对时单元，具体包括：
S1，设置于主机架的控制器发送授时时间至系统内的所有板卡。
控制器接收到授时设备发送的时间后，通过级联的时钟对时单元发送时间同步数据包，同步授时时间至本系统内的所有板卡。授时时间的同步包括控制系统首次进行时钟同步，也包括基于系统需求间隔一段时间同步一次。
S2，设置于任意板卡上的第一时钟对时单元接收授时时间，并基于授时时间得到本地时钟；
板卡上的第一时钟对时单元通过接收到的时间同步数据包的授时时间作为还未进行自适应调节的本地时钟。
在本发明一个实施例中第一时钟对时单元至少包括可编程逻辑器件，因为可编程逻辑器件具有低延时，高时效的特点，保证本地时钟调整的精度。
S3，第一时钟对时单元基于本地时钟发送时钟对时数据包，并通过级联的时钟对时单元将时钟对时数据包返回第一时钟对时单元，其中，时钟对时数据包至少包括源地址和第一时钟数据。
如图3所示，为本发明实施例的对时数据包传输示意图。设置在一个从机架上设置的第N个板卡上的第N个时钟对时单元发送对时数据包，对时数据包通过与第N个时钟对时单元级联的第N-1个时钟对时单元，第N-2个时钟对时单元…，直至通过第一个从机架上的第1个时钟对时单元，并通过主机架上的时钟对时单元返回至第N个时钟对时单元。
在本发明的一个实施例中，对时数据包中包括源地址，第一时钟数据和数据校验位，其中，源地址包括发送对时数据包的板卡的机架地址和槽位地址，主要通过机架地址、槽位地址确定发送板卡的位置信息，第一时钟数据为发送板卡的本地时钟的时钟数据。在本发明的一个实施例中，数据校验位主要是采用标准的CRC32校验机制，校验的数据包括源地址和对时数据，校验多项式是x32+x16+x8+x1。保证了时钟对时数据包的正确性。
S4，第一时钟对时单元基于接收的时钟对时数据包的源地址和第一对时数据，得到第一时钟对时单元对应的板卡的传输延时Tdelay，从而基于传输延时Tdelay和本地时钟，自适应的调节本地时钟。
第一时钟对时单元发送时钟对时数据包后基于发送的第一对时数据累加预设计时器。
目前控制系统采用的时间同步技术最小时间单位为ms级别，在本发明的一个实施中，预设计时器为1ms的基准时钟，即发送第一对时数据后，将第一对时数据缓存为time_send，每间隔1ms将第一对时数据累加一次预设计时器得到第二对时数据time_res，用于后续自适应调节本地时钟的计算。
在本发明的一个实施例中，基准时钟的产生通过时钟对时单元的可编程逻辑器件产生。例如以可编程逻辑器件的25MHz为基准频率，利用计数器，产生1m基准时钟，基准时钟时间可以根据系统需求精度需求进行调整。
如图4所示，为本发明实施例第一时钟单元接收时钟对时数据包流程示意图。
第一时钟对时单元接收的时钟对时数据包首先进行源地址比对，如果源地址与其发送的源地址不一致，则转发接收的时钟对时数据包。
若第一时钟对时单元接收的时钟对时数据包与其发送的源地址一致，则对收到的数据包数据进行验证。第一时钟对时单元停止累加预设计时器。
校验收到数据包中源地址和第一对时数据的正确性，如果校验通过，基于第一对时数据和第二对时数据对传输延时进行计算。Tdelay＝(time_res-time_send)/2，从而得到对应的板卡的传输延时Tdelay。本地板卡基于接收的授时时钟，累加计算得到的传输延时Tdelay，从而得到了更加精确的本地时钟。
在后续控制系统要升级，增加缩短光纤距离等应用场景，无需通过考虑参数配置，简单、准确可靠的调节本地时钟。
在工业控制系统授时时钟变化的同步过程中，第一时钟对时单元重复以上步骤，及时的更新本地时钟。
特别是对于一些新增控制系统，改造升级既有控制系统的，利用已有控制系统原有的硬件基础，更新软件即可实现对本地时钟准确可靠的自适应调节。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法，其特征在于，应用于至少配置一个主机架以及若干级联的从机架的工业控制系统，所述主机架及从机架上的板卡均设有时钟对时单元，工业控制系统本地时钟自适应调节方法具体包括：
设置于主机架的控制器发送授时时间至系统内的所有板卡；
设置于任意板卡上的第一时钟对时单元接收授时时间，并基于授时时间得到本地时钟；
第一时钟对时单元基于本地时钟发送时钟对时数据包，并通过级联的时钟对时单元将时钟对时数据包返回第一时钟对时单元，其中，时钟对时数据包至少包括源地址和第一时钟数据；
第一时钟对时单元基于接收的时钟对时数据包的源地址和第一对时数据，得到第一时钟对时单元对应的板卡的传输延时Tdelay，从而基于传输延时Tdelay和本地时钟，自适应的调节本地时钟。
2.根据权利要求1所述的一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法，其特征在于，所述第一时钟对时单元基于接收的时钟对时数据包的源地址和第一对时数据，得到第一时钟对时单元对应的板卡的传输延时Tdelay，具体包括：
第一时钟对时单元发送时钟对时数据包后基于发送的第一对时数据累加预设计时器，
若第一时钟对时单元接收的时钟对时数据包的源地址与其发送的源地址不一致，则转发接收的时钟对时数据包，
若第一时钟对时单元接收的时钟对时数据包的源地址与其发送的一致，则停止累加预设计时器，并得到第二对时数据，并对接收的时钟对时数据包进行校验，
若对时钟对时数据包校验通过，则获取时钟对时数据包的第一对时数据，基于第一对时数据和第二对时数据得到第一时钟对时单元对应的板卡的传输延时Tdelay。
3.根据权利要求2所述的一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法，其特征在于，还包括：
若第一时钟对时单元接收的时钟对时数据包校验未通过，则丢弃时钟对时数据包；
第一时钟对时单元再次发送时钟对时数据包。
4.根据权利要求3所述的一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法，其特征在于，所述时钟对时数据包还包括对源地址和第一时钟数据进行数据校验的校验数据，所述第一时钟对时单元基于发送的时钟对时数据包的校验数据，以及接收的时钟对时数据包的源地址、第一时钟数据以及校验数据进行校验。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法，其特征在于，所述时钟对时单元至少包括可编程逻辑器件。
6.根据权利要求5所述的一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法，其特征在于，所述可编程逻辑器件为CPLD或FPGA。
7.根据权利要求5所述的一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法，其特征在于，所述第一对时数据为基于本地时钟的时钟对时数据包发送时间time_send，第二对时数据为基于预设计时器得到的时钟对时数据包接收时间time_res，第一时钟对时单元对应的板卡的传输延时Tdelay＝(time_res-time_send)/2。
8.根据权利要求7所述的一种工业控制系统本地时钟自适应调节方法，其特征在于，所述预设计时器基于可编程逻辑器件的计数器和控制系统的本地时钟精度设定。
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