DE102005032877A1 - Time synchronization of safety-related network users employs receivers monitoring data transmission reaction time and adjusting timing information for connected transmitters - Google Patents

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Franz Kaufleitner
Volker Sasse
Peter Dr. Wratil
Michael Kievit
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Abstract

Each receiver carries out a transmission service. It monitors both the short reaction time of data transmission and also adjusts timing information for all connected transmitters. Each adjustment originates from the receiver. All transmitters connected with this receiver react. Time adjustment results between only those users engaging in direct data exchange with each other. There is no absolute time; only identical times resulting when each receiver is connected with one or more transmitters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zeitsynchronisation von Teilnehmern eines Netzwerks, insbesondere eines sicherheitsgerichteten Netzwerks, und ein Netzwerk mit mehreren Teilnehmern.The The invention relates to a method for time synchronization of subscribers a network, in particular a safety-related network, and a network with multiple participants.

Das Verfahren betrifft die Zeitsynchronisation von Teilnehmern eines Netzwerks, die sicherheitsgerichtete Daten austauschen. Typische Anwendungen sind Sicherheitsschalter (z.B. Notausgeräte), die über ein Netzwerk einen sicheren Antrieb bedienen. Dabei kann eine sichere Grundfunktion darin bestehen, bei Betätigen des Notausgeräts den Antrieb sofort abzuschalten. Bei derartigen Datenübertragungen können zahlreiche Fehler zustande kommen. Mehrere Fehlerfälle entstehen dadurch, dass der Datenaustausch entweder überhaupt nicht (eventuell Leitungsdefekt) oder verzögert (Verwendung von Netzwerkkomponenten) abläuft. Diese Fehler sind für die Sicherheit fatal, da ein Betätigen das Notausgeräts entweder überhaupt nicht oder verzögert zur Abschaltung der Gefahr führt.The Method relates to the time synchronization of subscribers of a Networks that exchange safety-related data. typical Applications are safety switches (e.g., emergency devices) that operate over a Network operate a safe drive. It can be a safe The basic function is to actuate the emergency unit switch off immediately. In such data transmissions numerous Mistakes come about. Several errors occur because of the data exchange either at all not (possibly line fault) or delayed (use of network components) expires. These mistakes are for the security fatal as an actuation the emergency equipment either at all not or delayed switches off the danger.

Man löst dieses Problem dadurch, dass der Teilnehmer von dem die gefahrvolle Funktion ausgeht (Antrieb), regelmäßig Signale von seinem Sicherheitsschalter (Notausgerät) erhält und die mitgelieferte Zeitinformation auswertet. Wenn die Signale ausbleiben oder stark verzögert sind, so nimmt der Antrieb einen sichere Zustand an (z.B. indem er stehen bleibt). Hierzu ist es notwendig, dass man alle Zeiten der Teilnehmer kennt, damit man die Zeiten überhaupt vergleichen kann. Entsprechend wird eine Zeitsynchronisation notwendig, welche die Zeiten innerhalb der Teilnehmer sooft abgleicht, wie der Gleichlauf der internen Uhren der Teilnehmer dieses notwendig macht.you solve this Problem in that the participant of the dangerous function goes out (drive), regularly signals from its safety switch (emergency stop device) receives and the time information supplied evaluates. If the signals fail or are severely delayed, Thus, the drive assumes a safe state (for example, by standing remains). For this it is necessary to get all the times of the participants knows how to handle the times at all can compare. Accordingly, a time synchronization is necessary which matches the times within the participants as often as the synchronization of the internal clocks of subscribers this necessary power.

Die Notwendigkeit der Zeitsynchronisation oder die Garantie einer kurzen Durchlaufzeit von Daten in einem Netzwerk ist durch technische Anforderungen für sichere Netzwerke festgelegt (FAET-Dokument: Prüfgrundsatz" Bussysteme für die sicherheitsgerichtete Übertragung" ). Entsprechend dieser Anforderung haben alle sicherheitsgerichteten Netzwerke spezielle Verfahren entwickelt, die das Ausbleiben oder die Verzögerung von Daten erkennen.

  • Einerseits wird das Problem dadurch gelöst, dass jeder angesprochene Empfänger seinem Sender eine Bestätigung (Acknowledge) zurückschickt. Anhand der Gesamtlaufzeit (Datensenden und Antwort) kann der Sender die Reaktionszeit im Netzwerk überprüfen. Bei zu langer Reaktionszeit schickt er dann (in der Regel) eine Nachricht an den Empfänger, der einen sicheren Zustand einnimmt. Das Verfahren wird beispielsweise bei ProfiSafe verwendet. Durch das zusätzliche Aussenden einer Antwort wird das Netzwerk in der Regel doppelt belastet als dies bei einer einfachen Übertragung notwendig wäre. Ferner kann nur der Sender die Güte des Netzwerks ermitteln und muss dieses dem Empfänger mitteilen, da von diesem die Gefahr ausgeht.
  • Andererseits gibt es Netzwerke, die eine Zeitsynchronisation über eine übergeordnete Steuerung oder über den Sender durchführen. Hierzu spricht der Sender regelmäßig entweder seine oder alle Empfänger an und überträgt seine Uhrzeit. Die Empfänger erhalten diese und quittieren den Empfang. Das Verfahren wird beispielsweise bei DeviceNet-Safety angewendet. Das Verfahren hat den Nachteil, dass der Sender alle angeschlossenen Empfänger kennen muss (alle Adressen) und auch deren Eigenschaften beim Sender vorliegen müssen (z.B. deren interne Verarbeitungszeit oder deren Quarzgenauigkeit der Uhren).
The need for time synchronization or the guarantee of a short throughput time of data in a network is determined by technical requirements for secure networks (FAET document: Test principle "Safety-related bus systems"). According to this requirement, all safety-related networks have developed special procedures that detect the absence or delay of data.
  • On the one hand, the problem is solved in that each addressed recipient sends an acknowledgment to his transmitter. Based on the total run time (data transmission and response), the sender can check the response time in the network. If the reaction time is too long, it then (usually) sends a message to the recipient who assumes a safe state. The procedure is used for example with ProfiSafe. By additionally sending a response, the network is usually charged twice as much as would be necessary for a simple transmission. Furthermore, only the transmitter can determine the quality of the network and must notify the receiver, because of the danger emanating from this.
  • On the other hand, there are networks that perform a time synchronization via a higher-level controller or via the transmitter. To this end, the station regularly addresses either its or all receivers and transmits its time. The receivers receive these and acknowledge receipt. The method is used, for example, with DeviceNet-Safety. The method has the disadvantage that the transmitter must know all the connected receivers (all addresses) and their properties must be present at the transmitter (eg their internal processing time or their quartz accuracy of the clocks).

Das vorliegende Verfahren unterscheidet sich von den beiden vorgestellten Verfahren, indem der Empfänger die Zeitinformation von seinen angeschlossenen Sendern in regelmäßiger Folge abfragt. Da er ja alle seine Sender kennt, hat er bereits eine Liste der Adressen (wie z.B. 1). Auch seine internen Daten sind ihm bekannt, so dass er die Häufigkeit der Zeitsynchronisation ohne weitere Informationen bestimmen kann.The present method differs from the two methods presented in that the receiver queries the time information from its connected transmitters in a regular sequence. Since he knows all his channels, he already has a list of addresses (such as 1 ). He also knows his internal data so that he can determine the frequency of the time synchronization without further information.

Eine Antwort (Acknowledge) ist nicht notwendig, da der Empfänger mit jeder Nachricht (2) die Zeitinformation seines Senders erhält und selbst ent scheiden kann, ob die Aktualität erreicht ist. Damit kann der Empfänger ohne weitere Telegramme (von anderen Teilnehmern) im Fehlerfall abschalten.A response (Acknowledge) is not necessary because the recipient with each message ( 2 ) receives the time information of its transmitter and can decide itself whether the actuality is reached. This allows the receiver to switch off in the event of a fault without any further telegrams (from other users).

Die Funktionsweise der Zeitsynchronisation und das Verfahren der Laufzeitkontrolle sind im Folgenden dargestellt. Dabei wird der jeweilige Datensender als „producer" und der Datenempfänger als „consumer" bezeichnet:
Ein consumer fragt zu Beginn der Kommunikationsbeziehung die aktuelle Zeit seines producers oder seiner producer ab. Wie aus 1 deutlich wird, schickt der consumer seine Anfrage an den producer und erhält die Nachricht mit der Zeitinformation. Von diesem Zeitpunkt an, kennt der consumer die Zeit des producers. Da aber die Uhren des consumers und des producers nicht genau gleich gehen, muss dieser Vorgang von Zeit zu Zeit wiederholt werden.The operation of the time synchronization and the procedure of runtime control are shown below. The respective data transmitter is referred to as "producer" and the data receiver as "consumer":
At the beginning of the communication relationship, a consumer questions the current time of his producer or producer. How out 1 becomes clear, sends the consumer his request to the producer and receives the message with the time information. From then on, the consumer knows the time of the producer. But since the clocks of the consumer and the producer are not exactly the same, this process must be repeated from time to time.

Bei jeder Datenübertragung schickt – nach erfolgter Synchronisation – der producer seine aktuelle Zeit mit den Daten mit. Durch den Vergleich zwischen der erhaltenen Zeitinformation und der tatsächlichen Zeit im consumer, kann dieser auf die Aktualität der Nachricht schließen (2). Wie aus der 2 ersichtlich wird, muss nach jeder erfolgten Synchronisation ein neuer Zeitbezugspunkt seitens des consumers angenommen werden.For every data transmission - after synchronization - the producer sends his current time with the data. By comparing between the obtained time information and the tat in the consumer at a later time, it can conclude that the news is up-to-date ( 2 ). Like from the 2 becomes apparent, a new time reference point must be accepted by the consumer after each successful synchronization.

Die Details sind den 3 und 4 zu entnehmen:
Wie 3 darstellt, fragt der consumer seinen angeschlossenen producer nach dessen Uhrzeit (TR=11). Wenn der consumer innerhalb einer kurzen Zeit keine Antwort erhält, ist die Synchronisation gescheitert. Das kann beispielsweise dann vorkommen, wenn der producer gerade mit anderen Dingen beschäftigt ist oder das Netzwerk zu hoch belastet ist. Daher unternimmt der consumer einen weiteren Versuch (TR=12). Wenn nun der producer innerhalb einer kurzen Zeit antwortet (propagation delay valid), so war die Synchronisation erfolgreich. Es ist damit sichergestellt, dass die Reaktionszeit im Netz nur kurz war und die gesendete Zeit nur ganz gering von der tatsächlichen Zeit im producer abweicht.The details are the 3 and 4 refer to:
As 3 the consumer asks his affiliated producer about his time (TR = 11). If the consumer does not receive a response within a short time, the synchronization has failed. This can happen, for example, if the producer is busy with other things or the network is too heavily loaded. Therefore, the consumer makes another attempt (TR = 12). If the producer responds within a short time (propagation delay valid), then the synchronization was successful. It is thus ensured that the response time in the network was only short and the time sent differs only slightly from the actual time in the producer.

Von nun ab sendet der producer immer seine aktuelle Uhrzeit mit den geforderten Daten (4). Da mit der vorher erfolgten Synchronisation die Differenzzeit seitens des consumers bekannt ist, kann dieser mit jeder Nachricht die wahre Laufzeit durch Subtraktion ermitteln. Wie 4 zeigt, führte die Kalkulation bei den ersten beiden Übertragungen zu kleinen Werten (1, 18). Bei der 3. Übertragung dauerte die Übertragung zu lange (Differenz 292). Die Daten sind nicht mehr aktuell. In diesem Fall sind die Daten zu verwerfen; eventuell muss auch eine Sicherheitsfunktion eingeleitet werden.From now on, the producer always sends his current time with the required data ( 4 ). Since with the previous synchronization, the difference time on the part of the consumer is known, this can determine the true running time by subtraction with each message. As 4 shows that the calculation resulted in small values for the first two transfers (1, 18). In the 3rd transmission the transmission took too long (difference 292). The data is out of date. In this case, the data must be discarded; it may also be necessary to initiate a security function.

Claims (9)

Verfahren zur Zeitsynchronisation von Teilnehmern eines Netzwerkes, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Empfänger einen Übertragungsdienst durchführt mit dessen Hilfe er sowohl die kurze Reaktionszeit der Datenübertragung überwacht als auch den Abgleich der Zeitinformation mit allen angeschlossenen Sendern erreicht.Method for time synchronization of subscribers of a network, characterized in that each receiver performs a transmission service with the help of which he monitors both the short reaction time of the data transmission and also reaches the alignment of the time information with all the connected transmitters. Verfahren zur Zeitsynchronisation von Teilnehmern eines Netzwerkes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitabgleich jeweils von dem Empfänger ausgeht und alle mit diesem Empfänger verbundenen Sender anspricht.Method for time synchronization of subscribers A network according to claim 1, characterized in that the Time alignment starts from the receiver and all with this receiver connected transmitter responds. Verfahren zur Zeitsynchronisation von Teilnehmern eines Netzwerkes nach Anspruch 1 oder 2 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitabgleich nur zwischen denjenigen Teilnehmer zu erfolgen hat, die direkt Daten miteinander austauschen.Method for time synchronization of subscribers A network according to claim 1 or 2 or according to the preamble of claim 1, characterized in that the time alignment only between those participants who have direct data exchange with each other. Verfahren zur Zeitsynchronisation von Teilnehmern eines Netzwerkes nach einem der vorstehenden Ansprüche oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass keine Absolutzeit existiert, sondern lediglich Relativzeiten vorliegen, die nur insofern identische Zeiten ergeben, als jeweils Empfänger mit einem oder mehreren Sender(n) verbunden sind.Method for time synchronization of subscribers a network according to any one of the preceding claims or according to the preamble of claim 1, characterized in that no absolute time exists, but only relative times exist, which only give identical times insofar as each recipient with one or more transmitter (s) are connected. Verfahren zur Zeitsynchronisation von Teilnehmern eines Netzwerkes nach einem der vorstehenden Ansprüche oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass keine übergeordnete Steuerung oder Synchronisationseinheit vorhanden ist.Method for time synchronization of subscribers a network according to any one of the preceding claims or according to the preamble of claim 1, characterized in that no parent Control or synchronization unit is present. Verfahren zur Zeitsynchronisation von Teilnehmern eines Netzwerkes nach einem der vorstehenden Ansprüche oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit jeder Datenübertragung die Zeitinformation gleichfalls überfragen wird, und damit die Aktualität der Information überwacht wird.Method for time synchronization of subscribers a network according to any one of the preceding claims or according to the preamble of claim 1, characterized in that with every data transfer also prompt the time information becomes, and thus the topicality the information is monitored becomes. Verfahren zur Zeitsynchronisation von Teilnehmern eines Netzwerkes nach einem der vorstehenden Ansprüche oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit den beschriebenen Verfahren sowohl kurzzeitige Laufzeitschwankungen als auch langsam veränderte Reaktionszeiten detektiert werden.Method for time synchronization of subscribers a network according to any one of the preceding claims or according to the preamble of claim 1, characterized in that with the described method both short term fluctuations as well as slowly changing Reaction times are detected. Verfahren zur Zeitsynchronisation von Teilnehmern eines Netzwerkes nach einem der vorstehenden Ansprüche oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Übertragung der Daten keine Antwort (Acknowledge) notwenig ist.Method for time synchronization of subscribers a network according to any one of the preceding claims or according to the preamble of claim 1, characterized in that for the transmission the data no answer (Acknowledge) is necessary. Netzwerk mit mehreren Teilnehmern, die Sender und/oder Empfänger sind, mittels denen ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchführbar ist.Network with multiple participants, the transmitter and / or receiver are by means of which a method according to any one of the preceding claims is feasible.
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