ホワイト・ペーパー ieee 1588v2の正確な時間管理によ...

ホワイト・ペーパー

IEEE 1588v2 の正確な時間管理による

変電所自動化の同期化

ジャスティン・ウー (Justin Wu)プロダクト・マネージャ

ブルース・チェン (Bruce Chen)プロジェクト・スーパーバイザー

Moxa Inc.

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ホワイト・ペーパー 1588v2 時間管理

Copyright © 2011 Moxa Inc.

過去の時間同期化技術の概要

船舶用クロノメーターが示すように、正確な時間を維持することだけで競争力に優れた大きなメリットが得られ、複雑なシステムの正確な調和が可能となります。

大航海時代、大英帝国が海洋上の覇権を獲得できたのは、海洋上で正確な時間を維持することが可能な時計、すなわち船舶用クロノメーターの目立たない発明品によります。大英帝国の船長たちは、クロノメーターを港湾都市グリニッジのローカル時間に設定してから、その時間と空の太陽の位置を比較することで、船の経度を非常に正確に計算できました。クロノメーターは、大英帝国の探検者たちが同時代の競合者たちを出し抜くことを可能にした革新的な技術、すなわちパラダイム・シフトにほかなりませんでした。大英帝国はもはや世界を支配してはいませんが、大英帝国の船舶用クロノメーターの影響は、世界中の時間帯を設定する基準となっているグリニッジ標準時間 (GMT) に残されています。

産業用ネットワークでは、正確な時間管理が同様のメリットをもたらします。広範に分散された設備の動作を調整し、送電を管理するために正確な時間管理とネットワークの同期化を必要とする送電網の場合は、特にそう言えます。高度な精度は送電網が独自の革命的なシステムである「スマート・グリット」を構築するのを可能にします。「スマート・グリット」は需要の変化に応じて、エンド・ユーザーに自律的かつインテリジェントに電力を提供することで、これまでにない効率、安全性、信頼性を実現できます。

このホワイト・ペーパーでは、ネットワークの同期化で現在の産業システム、特に変電所が直面している問題の一部について検討します。また、NTP やGPS といった現在一般的に使用されている時間管理技術の概要を紹介すると共に、IEEE 1588 v2 の高精度時間プロトコル (PTP) が現在の産業用ネットワークの仕組みをどのように変革できるかを見極めます。

産業用データ・ネットワークでは、時間の同期化は、ネットワーク上のすべてのデバイスが共通の時計を使って、それぞれの動作を調整するのを可能にします。ネットワーク・インテグレータは現在、時間同期化のための多数のオプションを使用できます。それぞれ利点と欠点がありますが、そのすべてが産業用ネットワークで使用するのに適しているわけではありません。

IRIG (Inter-range Instrumentation Group、射程間計装グループ ): IRIG 規格はシリアル通信ネットワークで使用するシリアル時間のコード形式を定義します。1956 年に初めて策定された IRIG 信号は古いシリアル・システムで使用されるレガシー・テクノロジーです。同規格の最新バージョンは IRIGB 205-87 です。

2010 年 10 月 1 日発行 Copyright © 2010 Moxa Inc., all rights reserved.Moxa は世界的なデバイス・ネットワーキング・ソリューションのリーディング・ブランドの 1 つを創造しています。製品には、産業用組込みコンピュータ、産業用イーサネット・スイッチ、シリアル・デバイス・サーバ、マルチポート・シリアル・ボード、組込みデバイス・サーバ、リモート I/O ソリューションなどが含まれています。Moxa の製品は、産業用オートメーション、製造、POS、医療といった分野における多数のネットワーク・アプリケーションの基幹コンポーネントとなっています。

お問い合わせ方法Tel: 886-2-89191230Fax: 886-2-89191231Web: http://japan.moxa.comEmail: [email protected]

本書は Moxa のテクニカル・ライティング・センター（TWC）によって作成されました。本書または他の Moxa 文書に関するご意見やご提案があれば、[email protected] までお送りください。

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NTP (Network Time Protocol、ネットワーク・タイム・プロトコル ): NTPは 1985 年に初めて策定されたデータ・ネットワーク向け時間プロトコルです。NTP は階層型システムに依存して、ネットワーク全体に正確な時間を公表します。また、ネットワークに階層型ツリー構造を強制して、循環依存を回避します。

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NTP はネットワークを異なる階層に分割する ( 資料提供 : B.D. Esham for Wikimedia Commons)

GPS (Global Positioning System、全地球測位システム ): GPS 衛星は地球を周回する軌道に配置された非常に正確な電子時計です。衛星は時間管理情報を含む信号を地上の受信者に光の速度で送信できます。そうした高速の信号は一般相対性理論によって修正され、地上の受信者に非常に正確な時間情報を提供します。

時間同期化の潜在的落とし穴

既存の多くの時間同期化システムは不正確過ぎるか、高価過ぎるかのいずれかです。

変電所自動化ネットワークなどの産業用システムは、正確な時間同期化に依存して、多数の異なるサブシステムやデバイス間の動作を調整します。とはいえ、既存の多くの技術は産業用自動化測定制御システムの要件には対応していません。

精度 : 産業用ネットワークでは、ナノ秒単位が重要ですが、従来のほとんどの技術はそうしたレベルのパフォーマンスを提供できません。例えば、変電所自動化ネットワークは、エラー記録、遠隔監視、遠隔制御といった重要なアプリケーションに効果的に対応するために、ロー・データのサンプリング値にナノ秒レベルの精度を必要とします。IRIGB や NTP はナノ秒レベルの精度を確保するには桁違いに遅すぎます。最適なローカル条件でも、NTP の精度はマイクロ秒の数百倍に過ぎません。

費用 : GPS ネットワークは極めて正確な電子時計で測定した高精度の時間を提供しますが、そうした情報にアクセスするには、ネットワークの各ノードに GPS レシーバを配置する必要があります。それには膨大な費用が求めらるので、それぞれのデバイスが時間情報と専用の GPS レシーバを必要とする産業用ネットワークでは実際的ではありません。ネットワーク全体が GPSの時間管理の正確さの恩恵を受けられるよう、ネットワーク全体のノードの数を削減したり、または少数の GPS レシーバをより効果的に使用したりする方法があれば、GPS はより実際的な手段となります。

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産業用ネットワーク向け時間プロトコル

IEEE 1588v2 は産業用システ

ムが低価格で高い精度を得

られるよう特別に設計され

ました。

NTP、GPS、IRIGB は有望なテクノロジーですが、変電所の動作の要件には対応できません。一方、IEEE 1588v2 の高精度時間プロトコル (PTP) は産業用ネットワークの計測制御システムのために特別に設計されています。IEEE 1588v2 に基づくネットワークでは、グランドマスタ・クロックが変電所自動化システム全体のリファレンス・タイムを決定します。イーサネット・スイッチはバウンダリまたは透過クロックとして機能し、 ( 統合ユニット、IED、保護デバイスなどの ) 付加的なデバイスはオーディナリ・クロックに指定されます。上記のデバイスはすべて最上位のグランドマスタ・クロックとのマスタ－スレーブ同期化構造に組み込まれます。下図のように、マスタ・デバイスとスレーブ・デバイス間で PTP パケットが交換されたり、オーディナリ・クロックが自動的に調整されたりすると、ネットワーク全体が事実上同期化されます。GPS の時間管理に接続する必要があるのはグランドマスタ・クロックだけで、データはネットワーク上の残りのデバイスに正確に分配されます。

IEEE 1588v2 に対応したイーサネット・スイッチは 1 μ s 以内の精度のタイム・スタンプを保証し、マスタ、バウンダリ、または透過クロック機能を設定できます。本当の正確さを得るには、ネットワークの残りの部分も IEEE 1588v2 に対応している必要があります。産業用コンピューティング・ネットワークでは、IEEE 1588v2 対応コンピュータがイーサネット・スイッチから時間同期化データを受信するオーディナリ・クロックの役割を果たします。

IEEE 1588v2 システムに必要なのは、高精度の時間情報を多数のデバイスに提供するための1 台の GPS レシーバだけです。

PowerTransシリーズ IEEE 1588対応イーサネット・スイッチ

IEEE 1588対応エンド・デバイス

グランドマスタ・クロック: システムのタイム・ベースを決定

バウンダリ・クロックまたは透過クロック:グランドマスタ・クロックに対してはスレーブ、スレーブに対してはマスタ

通常のクロック: マスタに対してスレーブ

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ネットワーク全体が IEEE 1588v2 に対応している場合、システムはナノ秒レベルで動作を整合し、完全な同期を維持できます。IEEE 1588v2 は変電所自動化ネットワークの通信要件を定義した IEC 61850-2 規格の一部なので、変電所システムではこのレベルの整合が特に重要です。IEC は IEEE 1588v2 を同規格に含めたのは、時間の同期化がより正確なら、変電所および発電自動化ネットワークに以下のメリットがあるからです :

送電網の問題の早期発見、障害の早期特定、リアルタイムのパワー・アイランドによる停電の防止。

高精度のエラー記録およびナノ秒レベルの精査に対応したイベント・ロガーによる高精度のイベント分析が可能。

混雑緩和および装置状況の監視による資産のより有効な利用。

使用時間による請求、仮想発電機、停電管理によるデマンド・レスポンス。

IEEE 1588v2 の費用対高価に優れたナノ秒レベルの精度は、大英帝国のクロノメーターを搭載した海軍が海上の覇権を制したのと同様の恐るべき競争力を変電所およびその他の電力ネットワークに提供します。高精度の同期化に対応した変電所は「スマート・グリッド」の一部として、他者を上回る効率、経済性、耐久性、反応性を提供できます。電力会社はこうした利点により、営業利益を拡大し、環境への影響を軽減できます。

組込みコンピュータを含むすべてのシステム・コンポーネントの同期化には、IEEE 1588v2 への対応が必要です。

IEEE 1588対応組込みコンピュータ

IEEE 1588対応イーサネット・スイッチ

IEEE 1588対応IED

IEEE 1588対応IED

オーディナリ・クロック


バウンダリ・クロックまたは透過クロック


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Moxa のメリット : 変電所動作の同期化

Moxa の PT-7728-PTP IEC 61850-3 ファスト・イーサネット・スイッチは最新バージョンの IEEE 1588 v2 規格に対応し、変電所ネットワークおよびその関連アプリケーションに正確な時間の同期化を提供します。PT-7728-PTP の特長は以下の通りです :

• 最大 14 の 100BaseFO（マルチモード ST コネクタ）または 100BaseTX ポートおよび 1 x BNC コネクタ、各ポートは IEEE1588 v1 および v2 のハードウェア・タイム・スタンピングに対応、BNC ポートはパルス出力（pps）に対応

• 透過クロックおよびバウンダリ・クロック動作の両方が 1 および 2 ステップで可能、精度はエンド・ツー・エンド・モードで 1 μ s 以下

• 透過クロックおよびバウンダリ・クロック動作の両方が 2 ステップで可能、精度はピア・ツー・ピア・モードで 1 μ s 以下

• ナノ秒範囲の精度でネットワーク・クロックの同期化に対応 • 大規模および分散変電所ネットワークに対応したクロック同期化 • イーサネットなどのマルチキャスト・メッセージング・ネットワークに低

コストで実装可能 • システム変更時、高速で再同期化 • インストールおよび保守が容易

完全なシステムを構築できるよう、Moxa の DA-683-LX 組込みコンピュータも IEEE 1588v2 に対応しています。DA-683-LX の特長は以下の通りです :

• 40 ワット以下の低消費電力で、業界にとってはうれしい配置が可能 • ファンやケーブル不要の産業用オールインワン・ボード・設計で安定性に

優れた動作を提供 • 変電所および発電自動化アプリケーションへの適応性を保証する IEC

61850-3 認証取得済み • 2 つの独立スロットを備えたモジュラー設計で、8 ポート RS-232/422/485

モジュール、8 ポート RS-422/485 モジュール、4 ポート 10/100 Mbps LAN モジュール、8 ポート 10/100 Mbps スイッチ・モジュール、Universal PCI 拡張モジュールなどによる費用対高価に優れた将来のシステム拡張に対応

• 使いやすい Linux ベースの IEEE 1588v2 設定インタフェースの採用で、設置および保守のための時間や費用を節約するハッスル・フリーな設定が可能

Moxa のホームページ（http://japan.moxa.com）では、お客様のネットワークの時間同期化要件に対応した製品情報や価格情報がすぐに入手できます。

セットアップ・ウィザードによる数回のステップだけで、DA-683 の IEEE 1588v2 設定が可能

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本書は情報目的のためだけに提供されています。したがって、内容は予告なしに変更されることがあります。本書は内容に誤りのないことを保証するものではなく、商品性または特定の目的への適合性に関して、暗黙の保証および条件を含め、法的な口頭または暗黙の表現を問わず、あらゆる保証または条件に従うものではありません。特に、本書に関するいかなる責任も放棄します。また、本書により直接および間接を問わずいかなる契約上の責務も発生しません。

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