Hardware

Nu er een akkoord is over de functionaliteit van het eindproduct kan de hardware gaan worden gedefinieerd.

Voeding

PPS clock signaal Ethernet link 0

Ethernet link 1 SMV92 simulator

Voorafgaande keuze

Er is voorafgaand aan het opstellen een keuze gemaakt met betrekking tot de hardware die een grote impact heeft voor de ontwikkeling van het project. Namelijk de afweging tussen het gebruik van een FPGA of een Microprocessor.

Tegenwoordig zijn FPGA's een stuk populairder geworden ten opzichte van de traditionele microprocessor. Het gebruik van een FPGA in de plaats van een microprocessor is een serieuze overweging geweest

Een FPGA heeft in dit geval het grote voordeel, dat de timing voor het versturen van IEC61850-9-2 pakketten volledig kan worden vastgelegd in de hardware. Hierdoor is deze timing tot op de nanoseconde deterministisch te maken.

Uiteindelijk is er toch gekozen voor een Microcontroller vanwege de volgende aspecten Het goedkoopste gevonden bord dat 2 ethernet poorten ondersteunt kost ongeveer 1000 euro. Dit betekend dat er dan geen reserve meer is voor andere tools zoals een debugger, of een interfacekabel.

Er moet IEEE1588 ondersteuning aanwezig zijn. Het zelf implementeren van deze ondersteuning zou zeer veel extra werk opleveren.

Er is geen kennis van VHDL aanwezig bij KEMA Consulting. Er is vooral een expertise voor softwareontwikkeling aanwezig. Er is ook geen interesse binnen de afdeling om dit te leren. Dit kan voor grote problemen zorgen bij het onderhouden van het eindproduct.

Er is geen directe behoefte voor het aanschaffen van een nogal kostbare

ontwikkellicentie voor dit enkele project. Hierdoor wegen de kosten van een licentie niet op tegen de baten.

Er zijn op het eerste gezicht wel ontwikkelborden beschikbaar met een microprocessor, die 2 ethernet controllers met IEEE1588 ondersteunen. Het grote voordeel van een hoge precisie van de timing is hierbij niet aanwezig, maar deze precisie is ook niet geëist.

Hardware Eisen

De opdracht met eisen/randvoorwaarden en functioneel ontwerp zijn hieronder eerst vertaald naar eisen die betrekking hebben op de hardware. Hierbij is gebruik gemaakt van de verkregen kennis uit de voorgaande stappen, en de logische conclusies hieruit. Op basis van deze eisen kan een hardware platform worden geselecteerd. Als dit platform is geselecteerd, kan er verder worden gekeken hoe de implementatie van de opdracht vorm zal krijgen op basis van deze hardware.

De meeste eisen zijn logische gevolgen uit de beschrijvingen van de voorgaande

stappen. Zo is er bijvoorbeeld al vermeld welke voedingsspecificaties er moeten zijn, en dat er consultants verder moeten kunnen ontwikkelen met het eindproduct(dus hieruit volgt dat er een gangbare taal zoals C/C++ de voorkeur heeft).

Er is 1 onderdeel waar nog geen volledige aandacht aan is besteedt, namelijk de jitter in de timing van het versturen van de pakketten. Er is wel al uiteengezet dat de standaard voorschrijft dat er maar 1 pakket per seconde mag worden afgeweken, en dat de klok op de microseconde nauwkeurig synchroon moet lopen. Het synchroniseren en versturen van pakketten ligt alleen iets genuanceerder. De afwijking van 1 Ns heeft betrekking op het nemen van sample's op een bepaald tijdstip. Normaal gesproken zit er (zoals in de beeldvorming besproken) een sensor in een onderstation die de stroom en spanning meet, en dit digitaal via IEC61850-9-2 verstuurd. Het is hierbij vooral van belang dat de timestamp bij de genomen sample tot op de microseconde accuraat is. Deze worden vervolgens beide in hetzelfde pakket verstuurd over het netwerk. Door de timestamp is het mogelijk om het signaal bij de ontvanger te reconstrueren. Dit mechanisme zorgt ervoor dat de sample timing tot bepaalde hoogte niet meer afhankelijk is van de latency en jitter in het netwerk tussen de IED's. Omdat het eindproduct een testapparaat is, zijn samples met timestamp vooraf al gedefinieerd.

Het eindproduct moet er dus alleen voor zorgen dat de pakketten binnen redelijke grenzen, op tijd worden verstuurd ten opzichte van de timestamp. Hiervoor wordt er teruggesprongen op de eis van precies of 4800 pakketten per seconde, met 1 pakket afwijking. 4800 pakketten per seconde is 1 pakket in 207 Ns. Om hier ruim binnen te blijven, is ervoor gekozen om een maximale jitter van 100 Ns toe te staan.

Let hierbij er wel op, dat het hier jitter in verzending betreft. De gesynchroniseerde klok in het systeem moet ervoor zorg dragen, dat een verlaat pakket er niet voor zorgt dat het volgende pakket ook te laat aankomt en de afwijking dus accumuleert.

De latency in het versturen van pakketten is niet gespecificeerd. Maar aangezien het hier gesimuleerde pakketten betreft, kan dit worden gesimuleerd door een andere timestamp mee te geven aan een pakket dan het tijdstip van het daadwerkelijk versturen.

Globale specificaties

Er moet een behuizing beschikbaar zijn voor het systeem

Het gehele platform mag niet meer dan 1000 euro kosten(hardware en ontwikkel omgeving)

Het platform moet beschikbaar zijn in Nederland(Het platform moet binnen een paar weken geleverd kunnen worden)

Het gehele systeem moet in een laptop-tas passen.

Het systeem moet voldoen aan de CE richtlijnen

Het systeem moet kunnen functioneren onder normale kantoor omstandigheden Het systeem moet gevoed kunnen worden met 24 volt DC en 110-230 volt AC.

Het moet een functioneel compleet product zijn (geen hardware ontwikkeling)

Hardware details

Het systeem moet een gangbare architectuur hebben(zoals i386, PPC of ARM) 2 Ethernet poorten met RJ-45 connector moeten beschikbaar zijn op het bord Het systeem moet een input voor PPS bezitten

Het systeem moet 1588 in de hardware ondersteunen(v1 and v2) voor de IEC61850-9-2 verbinding

De Ethernet controller in combinatie met de microcontroller moeten snel genoeg zijn om 4800 packets per seconde te kunnen sturen

Er moeten voldoende resources in het systeem aanwezig zijn om de

simulatiebestanden te kunnen inladen en uitvoeren voor een test van maximaal 4 seconden, met 4800 pakketten per seconde

Er moet een 100mbit full duplex Ethernet verbinding aanwezig zijn voor IEC61850-9-2

Het systeem moet nauwkeurig de tijd kunnen bijhouden(op de microseconde) De Ethernet controller in combinatie met de microcontroller moeten deterministisch genoeg zijn, om een maximale jitter van +/-100 Ns te verzekeren

Ontwikkelings details

Er moet een OS met IP stack aanwezig zijn voor het platform Er moeten drivers aanwezig zijn voor het platform

Er moeten debug mogelijkheden zijn voor het platform

Er moet real-time functionaliteit beschikbaar zijn voor het platform

Er moet voorbeeldcode en ondersteuning zijn vanaf de fabrikant voor het platform Er moet een tool-chain met C of C++ ondersteuning aanwezig zijn

Vanuit deze technische eisen zijn verschillende leveranciers en fabrikanten benaderd. De gebruikte methode hierbij was op Internet zelf te zoeken en leveranciers te bellen om te vragen welke oplossing ze aanbieden voor mijn probleem. Benaderde bedrijven waren onder andere;

De geschikte oplossingen die zijn gevonden, zijn verwerkt in een tabel die de voor en nadelen tegen elkaar afwegen. Deze vergelijking met onderbouwde conclusie is opgenomen in bijlage I.

Korte conclusie

Uit de vergelijking is gekomen dat het MPC8313e-RDB development board van Freescale de beste keus is. Dit is een ontwikkelbord met een PowerPC (RISC) architectuur die draait op 333 MHz, met 2 Ethernet controllers, die beide IEEE1588 ondersteunen. Het bord draait vanuit de fabriek Linux versie 2.6.23 met bijna alle peripheral drivers geïmplementeerd doormiddel van patches in de kernel. De ontwikkelomgeving is zo ingericht, dat een ontwikkelaar binnen een uurtje of 2 zijn eigen software (of customised kernel) kan draaien op het bord.

Deze oplossing is aangedragen door Erik Heimen van EBV, en EBV kan ook het bord leveren aan KEMA voor de prijs van 289 euro. De specifieke detail zijn opgenomen in bijlage II.

Overige Hardware

Zoals gedefinieerd in het functioneel ontwerp, zal de hardware in een behuizing moeten worden geplaatst. Deze behuizing zal in ieder geval geschikt moeten zijn voor het dagelijkse gebruik in een kantooromgeving. Het MPC8313e-RDB ontwikkelbord is

ontworpen om in bepaalde mini-itx kasten te kunnen worden gebouwd. Deze kasten zijn in alle soorten en maten beschikbaar, en bezitten meestal ook al een voeding die aan de eisen van het project voldoet. Het is simpelweg een kwestie van een geschikte kast selecteren. Hierom zal er dan ook niet veel tijd worden besteed aan keuze alternatieven.

Wanneer het bord in de kast is ingebouwd en aangesloten op de voeding, moet er alleen nog een BNC connector in de kast worden gemonteerd, voor het PPS signaal.