Perfil de la industria del protocolo de tiempo de precisión

Los sistemas de automatización industrial, compuestos por varios controladores distribuidos, requieren una sincronización precisa de comandos, eventos y datos de proceso. Por ejemplo, los motores de impresión de periódicos se sincronizan con una precisión de aproximadamente 5 microsegundos para garantizar que los píxeles de color en los diferentes cilindros se encuentren dentro de un margen de 0,1 mm a una velocidad de papel de unos 20 m/s. Requisitos similares existen en semiconductores de alta potencia (por ejemplo, para la conversión entre redes de CA y CC) y en vehículos con dirección electrónica (por ejemplo, automóviles sin volante mecánico). Esta sincronización la proporciona la red de comunicación, en la mayoría de los casos Ethernet industrial . Existen muchos esquemas de sincronización ad hoc, por lo que el IEEE publicó el protocolo estándar de tiempo de precisión IEEE 1588 o "PTP", que permite la sincronización de relojes con una precisión inferior al microsegundo. El PTP tiene una formulación general, por lo que las aplicaciones concretas requieren un perfil más estricto. En particular, el PTP no especifica cómo deben funcionar los relojes cuando la red se duplica para una mayor resistencia a fallos.

El perfil industrial PTP (PIP) es un estándar de la IEC 62439-3 ^{[ 1 ]} que especifica en su Anexo C dos perfiles del Protocolo de Tiempo de Precisión IEEE 1588 / IEC 61588, L3E2E y L2P2P, para sincronizar relojes de red con una precisión de 1 μs y proporcionar tolerancia a fallos contra fallos de reloj.

Los perfiles PTP IEC 62439-3 son aplicables a la mayoría de las redes Ethernet industriales , para accionamientos sincronizados, robótica, tecnología vehicular y otras aplicaciones que requieren una distribución precisa del tiempo, sin necesidad de utilizar redes redundantes.

El perfil IEC 62439-3 L2P2P ha sido adoptado como IEC/IEEE 61850-9-3 por la industria de servicios eléctricos para admitir el marcado de tiempo preciso de la medición de voltaje y corriente para protección diferencial, monitoreo y protección de área amplia, protección de barras colectoras y registro de eventos. ^{[ 2 ]}

Los perfiles PTP de la norma IEC 62439-3 pueden utilizarse para garantizar el funcionamiento determinista de funciones críticas en el propio sistema de automatización, como por ejemplo el inicio preciso de tareas, la reserva de recursos y la supervisión de plazos.

Los anexos de la norma IEC 62439-3 pertenecen al conjunto de estándares de Protocolo de Redundancia Paralela (PRP) y Redundancia Continua de Alta Disponibilidad (HSR) para redes de automatización de alta disponibilidad. Sin embargo, esta especificación también se aplica a redes que no cuentan con redundancia y no utilizan PRP ni HSR.

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  Elementos en una red de 1588
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  Red industrial con relojes de precisión
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  Relojes doblemente unidos en PRP
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  Jerarquía de relojes PTP en una subestación

El PIP se basa en la topología IEEE 1588, que consta de relojes maestros (GC), relojes ordinarios (OC), relojes de frontera (BC), relojes transparentes (TC) y relojes híbridos (HC = TC&OC).

Para garantizar la redundancia, una red PIP contiene varios relojes con capacidad de maestro. Normalmente, el mejor reloj maestro asegura que solo un gran maestro transmita la hora.

En redes redundantes, y especialmente en PRP, varios maestros pueden estar activos al mismo tiempo; entonces, el esclavo elige a su maestro.

• El Anexo A de la norma IEC 62439-3 especifica cómo conectar relojes a rutas de red duplicadas y cómo admitir relojes maestros redundantes activos simultáneamente para todos los perfiles.
• La norma IEC 62439-3 Anexo B especifica el perfil L2PTP para la automatización de subestaciones IEC/IEEE 61850-9-3 . A diferencia de la norma IEC/IEEE 61850, la doble conexión mediante PRP o HSR es obligatoria.
• La norma IEC 62439-3 Anexo C especifica dos perfiles, L3E2E y L2P2P, que son subconjuntos del protocolo de tiempo de precisión (PTP) IEEE Std 1588 cuando los relojes están conectados individualmente.
• El Anexo D de la norma IEC 62439-3 es un tutorial para la norma IEEE 1588 que se centra únicamente en el protocolo PIP.
• El Anexo E de la norma IEC 62439-3 contiene los objetos SNMP para la gestión de los relojes de doble conexión.

El Anexo C de la norma IEC 62439-3 utiliza las siguientes opciones de la norma IEEE Std 1588:

• Utiliza la escala de tiempo PTP basada en el Tiempo Atómico Internacional TAI y también proporciona el Tiempo Universal Coordinado UTC.
• Transmite la corrección del reloj indistintamente con 1 paso (preferible) o 2 pasos (se pueden combinar).
• Funciona con el algoritmo predeterminado de mejor reloj maestro, realizado por los relojes maestro y esclavo.
• Admite ambas opciones para medir el retardo del enlace:
  • L3E2E : Medición de extremo a extremo (Delay_Req/Delay_Resp) sobre la capa 3 ( Protocolo de Internet ) para cumplir con los requisitos de ODVA ;
  • L2P2P : Medición punto a punto (Pdelay_Req/Pdelay_Resp) sobre enlaces Ethernet de capa 2 (IEEE 802.3).

La norma IEC 62439-3 Anexo C tiene como objetivo una precisión mejor que 1 μs después de cruzar 15 puentes con relojes transparentes. Presupone que todos los elementos de la red (puentes, enrutadores, convertidores de medios, enlaces) admiten PTP con un rendimiento determinado:

• Gran Maestro (GC): imprecisión máxima de 250 ns
• Relojes transparentes (TC): Inexactitud máxima de 50 ns
• Relojes de límite (BC): imprecisión máxima de 200 ns.
• Convertidores de medios: fluctuación máxima de 50 ns y asimetría máxima de 25 ns.
• Asimetría del enlace: asimetría máxima de 25 ns

Al basarse en estos valores garantizados, el ingeniero de red puede calcular la imprecisión horaria en los distintos nodos de la red y ubicar adecuadamente los relojes, especialmente los relojes maestros. La norma IEC TR 61850-90-4 (Directrices para la ingeniería de redes) ofrece recomendaciones sobre el uso de la norma IEC/IEEE 61850-9-3 en redes de automatización de subestaciones.

El Anexo C de la norma IEC 62439-3 restringe los parámetros de la norma IEEE Std 1588 a los siguientes valores:

• Número de dominio: 0 (rango predeterminado)
• Intervalo de anuncio: (rango predeterminado) 1 s (L2P2P) o 2 s (L3E2E)
• Intervalo de sincronización: 1 s (fijo)
• Intervalo de retardo: 1 s (fijo)
• Tiempo de espera de recepción de anuncio (número de intervalos de anuncio que deben transcurrir sin recibir un mensaje de anuncio antes de que se genere el tiempo de espera de anuncio): 3 (fijo)
• prioridad1: 255 solo para esclavos
• prioridad2: 255 solo para esclavos
• Dominio de sintonización primaria del reloj transparente: 0 (predeterminado)

La norma IEC 62439-3 Anexo C especifica requisitos adicionales a los de la norma IEEE 1588:

• Un reloj debe aceptar correcciones de 1 y 2 pasos (lo que mejora la funcionalidad plug-and-play).
• Todos los relojes pueden conectarse doblemente utilizando el protocolo IEC 62439-3 (PRP " Parallel Redundancy Protocol " o HSR " High-availability Seamless Redundancy ").
• Varios relojes maestros pueden estar activos al mismo tiempo; el esclavo selecciona el mejor maestro.
• Los tiempos de espera garantizan que los relojes puedan detectar la pérdida de mensajes PTP incluso en la ruta no utilizada.
• Identificación del nodo par para comprobar la topología de la red y garantizar que todos los elementos sean compatibles con el protocolo.
• En redes que utilizan convertidores de medios de almacenamiento y reenvío, y solo para L2P2P, el maestro agrega un relleno a los mensajes Sync para garantizar que los mensajes Sync y Pdelay_Req/Pdelay_Resp tengan el mismo tamaño (esto se especificará en IEEE 1588:2017).
• Gestión de red mediante SNMP según IEC 62439-3 Anexo E

Este protocolo ha sido desarrollado por el Grupo de Trabajo 15 del Comité Científico 65C (ECI SC65C WG15) en el marco de la norma IEC 62439, aplicable a todas las redes industriales IEC. Para evitar la existencia de normas paralelas en IEC e IEEE en el ámbito de la automatización de redes, el perfil L2PTP específico para la automatización de redes de la anterior norma IEC 62439-3 Anexo B se ha integrado en la norma conjunta IEC&IEEE 61850-9-3. La responsabilidad técnica recae en el Grupo de Trabajo 15 del Comité Científico 65C (ECI SC65C WG15), que se compromete a mantener la coherencia entre el perfil L2P2P de la norma IEC 62439-3 y la norma IEC/IEEE 61850-9-3.

• IEC 61588:2009 Protocolo de sincronización de reloj de precisión para sistemas de medición y control en red.
• IEC/IEEE 61850-9-3, Redes y sistemas de comunicación para la automatización de servicios eléctricos – Parte 9-3: Perfil de protocolo de tiempo de precisión para la automatización de servicios eléctricos
• IEC TR 61850-90-4:2013 Redes y sistemas de comunicación para la automatización de empresas eléctricas - Parte 90-4: Directrices de ingeniería de redes
• Tutorial sobre HSR
• Tutorial sobre el Protocolo de Redundancia Paralela (PRP)
• Tutorial sobre los perfiles industriales del protocolo de tiempo de precisión en IEC 62439-3.
• Base de datos de tejidos (cuestiones técnicas) de la norma IEC 62439-3 / IEC/IEEE 61850-9-3.