СТАТЬИ ПО ТЕМАМ

 
 

Автоматизация

Программно-техническое средство «Сервер единого времени»

CONTROL ENGINEERING РОССИЯ ИЮНЬ 2006
   

Шехтман М.Б., к.т.н., ген. директор НПФ «КРУГ»
Юров М.Г., инженер-программист НПФ «КРУГ»


Существует ряд информационных систем, к которым предъявляются два специальных требования:
  • синхронизация системных часов всех абонентов сети («единое время»);
  • повышенная точность системного времени всех абонентов («точное время»).
К системам с такими требованиями относятся:
  • автоматизированные системы коммерческого учёта ресурсов (особенно энергоресурсов);
  • системы промышленной автоматизации (с функциями ретроспективного анализа последовательности временных событий);
  • автоматизированные системы управления транспортом;
  • распределённые корпоративные информационные системы и т.д.
Есть различные варианты решения задачи синхронизации системных часов абонентов. Одним из наиболее практичных вариантов является назначение одного из абонентов локальной сети источником «эталонного» времени. В данном случае возможны два способа синхронизации времени:
  1. Источник «эталонного» времени периодически всем абонентам рассылает сигналы точного времени. В данном случае используется широковещательная рассылка.
  2. Абоненты периодически запрашивают время у источника «эталонного» времени. Источник времени, получив запрос, немедленно отправляет сигнал точного времени каждому запросившему абоненту.
Для решения задачи высокоточной синхронизации применяются так называемые «Серверы точного времени», которые представляют собой программно-техническое средство (ПТС). На рынке есть ряд таких ПТС, однако их существенным недостатком является высокая цена.

НПФ «КРУГ» разработала ПТС «Сервер единого времени», являющееся сервером единого точного времени информационной системы. Основными функциями ПТС «Сервер единого времени» являются:

  • привязка системного времени абонентов к источнику точного времени;
  • синхронизация времени всех абонентов, входящих в состав системы;
  • автоматическая подстройка хода системных часов по источнику времени;
  • протоколирование работы ПТС;
  • настройка ПТС.
В состав ПТС «Сервер единого времени» входят:
  • аппаратная платформа;
  • программное обеспечение;
  • источник точного времени UTC (Universal Time Corrected – универсальное мировое время по Гринвичу);
  • руководство по эксплуатации.

Рис. 1. Структурная схема ПТС «Сервер единого времени» вместе с подключёнными абонентами

Аппаратная платформа «Сервера единого времени» представляет собой малогабаритный одноплатный PC-совместимый компьютер промышленного исполнения, подключенный к источнику точного времени. Источником точного времени UTC является GPS-приёмник. Сигналы точного времени передаются Глобальной Системой Позиционирования GPS (Global Positioning System). В её состав входят 24 спутника и четверо высокоточных атомных часов. Спутники GPS равномерно распределены по орбите вокруг Земли. Это позволяет в любое время иметь несколько доступных спутников.

Программное обеспечение ПТС «Сервер единого времени» использует NTP-сервер, обеспечивающий синхронизацию времени на абонентах. Передача пакетов точного времени от сервера единого времени к абонентам осуществляется по сетевому протоколу времени NTP (Network Time Protocol). NTP позволяет передавать метки времени с точностью 232 пикосекунды. Он поддерживает самонастраиваемую иерархическую архитектуру сети и обеспечивает поддержку множества резервных серверов и путей передачи. Стандартной возможностью протокола NTP является возможность проведения криптографической аутентификации индивидуальных серверов с помощью симметричного и несимметричного шифрования, при котором клиенты проверяют подлинность серверов синхронизации времени, используя разделяемые секретные ключи.

Для взаимодействия абонентов с сервером времени на них устанавливаются и настраиваются службы точного времени. Служба точного времени, как правило, входит в состав операционной системы. Поддерживаемые операционные системы: Windows 2000/XP, Linux и QNX. Служба точного времени, кроме коррекций времени, осуществляет подстройку хода системных часов компьютера, что позволяет сохранить точное время в течение продолжительного периода в случае сбоя работы сети.

Системные характеристики аппаратной платформы:

  • платформа на базе процессора с тактовой частотой от 133 МГц;
  • объём дискового (или FLASH-память) пространства 32 Мб;
  • системное ОЗУ 32 Мб;
  • последовательный интерфейс COM1 (RS232, UART16550);
  • интерфейс Ethernet IEEE 802.3 10/100 BASE-T, 10/100 Мбит/с;
  • диапазон рабочих температур: от 0о до + 60 оС;
  • операционная система Linux;
  • HTTP сервер Apache.
GPS-приёмник «Сервера единого времени» имеет промышленное исполнение. Очень важным является наличие пыле- и влагозащищённого корпуса. Диапазон его рабочих температур от –40о до +85 оС. GPS-приёмник должен располагаться вне помещения на открытом пространстве.

ПТС «Сервер единого времени» поддерживает работу в двух режимах:

  1. «широковещательный» режим;
  2. режим «клиент-сервер».
«Широковещательный» режим. В данном режиме сервер времени ПТС «Сервер единого времени» периодически рассылает сигналы точного времени всем абонентам сети. Этого решения вполне достаточно для автоматической синхронизации времени всех абонентов сети при относительно невысоких требованиях к погрешности синхронизации.

Режим «клиент-сервер». В режиме «клиент-сервер» абоненты периодически отправляют запросы серверу времени на получение точного времени. Получив запрос, сервер времени сразу же отправляет запросившему абоненту ответ, содержащий метку времени. Данный режим позволяет синхронизировать время на абонентах с гораздо меньшей погрешностью. Уменьшение погрешности достигается за счёт того, что абонент, зная время отправки запроса и получения ответа, может рассчитать и учесть при синхронизации величину задержки. Но при его использовании существует ограничение количества абонентов, зависящее от производительности аппаратной платформы и пропускной способности сети. Одна аппаратная платформа в режиме «клиент-сервер» может обеспечить синхронизацию времени примерно на 250 абонентах.

По требованиям РД 153-34.1-35.127-2002 погрешность привязки системного времени ПТК в составе АСУ ТП общестанционного уровня управления к астрономическому времени должна быть не более 0.5 с, расхождение между показаниями таймеров одного ПТК не должно превышать 5 мс.

Что касается «Сервера единого времени»:

Погрешность синхронизации системных часов абонентов относительно таймера источника времени в «широковещательном» режиме составляет не более 10 миллисекунд, в режиме «клиент-сервер», как правило, - не более 5 мс. Погрешность синхронизации системного таймера сервера времени непосредственно со временем UTC становится не более 500 микросекунд через 30 минут после его включения при доступности спутников GPS.

Таким образом, в режиме «клиент-сервер» «Сервер единого времени» полностью удовлетворяет требованиям РД.

Рассмотрим основные варианты использования «Сервера единого времени».

  1. Один сервер времени без резервирования. В данном случае один сервер времени осуществляет синхронизацию времени на всех настроенных абонентах сети (рис. 2).

     

    Рис. 1. Структурная схема ПТС «Сервер единого времени» вместе с подключёнными абонентами

  2. Для повышения надёжности и отказоустойчивости можно использовать дополнительный (резервный) сервер времени. Резервирование настраивается при конфигурировании служб точного времени на абонентах. Т.е. в настройках службы точного времени указывается основной и, при необходимости, резервный сервер. При недоступности основного сервера времени служба точного времени абонента будет использовать резервный сервер времени (рис. 3).

     

    Рис. 3. Схема использования «Сервера единого времени» при 100% резервировании

  3. Чтобы снизить нагрузку на основной сервер времени, есть возможность настраивать серверы времени 2-го уровня, которые сами будут синхронизировать своё время по основному серверу и в то же время являться серверами времени для некоторых других абонентов сети (рис._4).

     

    Рис. 4. Схема использования сервера времени 2-го уровня

В состав программного обеспечения комплекса также входит графический конфигуратор, позволяющий проводить настройку сервера времени ПТС «Сервер единого времени» с любого компьютера сети с помощью Интернет-обозревателя, поддерживающего JavaScript.

При использовании «Сервера единого времени» перевод времени при переходах «зима/лето» осуществляется ОС в соответствии с настройками текущей временной зоны. Параметры текущей временной зоны в ОС настраиваются. Переходы «зима/лето» не оказывают никакого влияния на синхронизацию времени.

Для обеспечения наиболее полной интеграции «Сервера единого времени» со SCADA "КРУГ-2000" реализованы программные модули интеграции. Поддерживаемые операционные системы: Windows_2000/XP, Linux и QNX. Модули интеграции контролируют работу служб точного времени и обеспечивают вывод сообщений диагностики синхронизации времени в протокол событий. Таким образом, Пользователь может оперативно получать информацию о проведённых коррекциях времени, а также о возможных сбоях синхронизации времени. В случае сбоев диагностические сообщения позволяют оперативно устранить возникшие неполадки.

Преимущества и достоинства «Сервера единого времени»:

  • высокая точность синхронизации системного времени абонентов сети;
  • малые габариты;
  • возможность применения в промышленных условиях эксплуатации;
  • возможность резервирования;
  • простота настройки и эксплуатации;
  • цена – ниже известных аналогов.

CONTROL ENGINEERING РОССИЯ ИЮНЬ 2006