CN102377558B

CN102377558B - 通信网络中用于时间同步的系统和方法

Info

Publication number: CN102377558B
Application number: CN201110247720.4A
Authority: CN
Inventors: 德拉甘·奥布拉多维奇; 鲁克桑德拉·沙伊特尔; 京特·施泰因德尔; 菲利普·沃尔夫鲁姆
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2011-08-24
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2031-08-24
Also published as: EP2424136B1; CN102377558A; US20120051374A1; EP2424136A1; US8913633B2

Abstract

本发明涉及一种在通信网络中进行时间同步的系统和方法。该通信网络包含多个网络节点(S1，...，SN)和基准节点(M)，每个网络节点均具有各自的内部时钟(C1，...，CN)，基准节点具有基准时钟(CM)，并适于在通信网络内发送同步消息。至少一个网络节点(S1)配置为在同步消息到达所述网络节点(S1)时离散地确定估计的基准时钟时间(RMT)。为此，所述网络节点(S1)包括控制器(R)，用于确定控制时间(CT)，所述控制时间是离散估计的基准时钟时间(RMT)的时间连续的估计。所述控制器(R)适于基于外推至控制器(R)的执行时刻(T_c)的输入(D)而确定控制时间(CT)，所述执行时刻(T_c)与所述同步消息的到达时刻(T_s)被延迟(Δt_delay)分开。

Description

通信网络中用于时间同步的系统和方法

技术领域

本发明涉及通信网络中用于时间同步的系统和方法。

背景技术

在非常广泛的领域使用通信网络以分散的方式控制工作次序。特别地，在工业自动化系统中，自动的工作流程之间互相协调尤为重要。实现方法是，通信网络中单独的通信节点具有内部时钟，同时发送同步消息同步所有的内部时钟。因此，各个网络节点的内部时钟在相应的节点时钟频率工作，在某些情况下，单独的网络节点相应的节点时钟频率可以不同。根据预定义的同步时钟频率使时钟同步，同时发送同步消息作为同步频率的函数。这表示是在固定的时钟间隔根据同步时钟频率发送同步消息的。通信网络中发送的单独的同步化消息含有同步时钟的脉冲计数器状态。通过估计先前的网络节点发送同步消息和各个网络节点接收到同步消息之间的同步时钟脉冲数，每个网络节点更新该脉冲计数器状态。一般通过估计的基准时钟频率和各个网络节点的节点时钟频率之间的脉冲比率(也被称为比率补偿因数RCF)进行估计。然后估计的脉冲比可以用于将以节点时钟频率脉冲所测量的先前的网络节点发送同步消息和各个网络节点发送同步消息之间的时间间隔转换成同步时钟频率脉冲。作为结果的脉冲数然后增加至接收到的同步消息的脉冲中，并且相应更新的同步消息则由相应的网络节点再次发送出去。这里应当注意的是，同步消息的内容也可以代替同步时钟脉冲而用时间(如，毫微秒)来表示。在这种情况下，本领域的技术人员应当容易明显看出对以下说明书中所做出的修改。

在工业自动化领域中现有技术的PROFINET标准是已知的，即以太网，其满足工业需求。该标准根据上述的原理工作，在网络节点中根据该标准更新同步消息中的脉冲计数器状态。基于PROFINET的系统一般使用IEEE1588标准同步网络节点的内部时钟，所述标准根据上面陈述的原理更新同步消息的脉冲计数器状态。根据该标准同步消息以逻辑次序或树形结构由一个网络节点连续地发送到下一个网络节点。同步消息源于主控元件，该主控元件是次序或树形结构中的第一元件。当发送同步消息时，同步消息起初含有主控元件中同步时钟计数器的时间戳。逻辑次序或树形结构的网络节点充当处理和转发该信息的从属元件。

在R.LupasScheiterer,C.Na,D.Obradovic和G.Steindl：“SynchronizationperformanceofthePrecisionTimeProtocolinIndustrialAutomationNetworks”，关于仪器和测量的IEEE学报的特刊ISPCS07，2009年6月,Volume58,Issue6,pp.1849-1857中描述了具体的实施。

因为从上面描述的现有技术可知，从属元件增加了先前的从属元件发送同步消息和其本身发送同步消息之间所有的估计时间延迟。基于此，每个从属元件确定其自身的当前主时钟脉冲计数的估计值，当前主时钟脉冲计数在这里被称为“基准主时间”。然而，由于传输延迟和对这些元件的干扰，由从属元件估计的基准主时间是嘈杂的，并且还是不连续的，因为只在同步消息到达从属元件后才估计该时间。这些性质限制了可以根据要求精度(典型的标准实例是1微秒)同时同步元件的元件(节点)数。此外，对于时延敏感的工业应用而言同步的从属时间的跳转是不允许的。

发明内容

本发明的目的是提供一种通信网络中时间同步的系统和方法，其中，在单独的网络节点处的基准时钟时间的估计进一步得到改善。

本发明的基本构思是改善在网络节点处的对基准时钟时间的估计，从而在该节点提供确定控制时间的控制器，控制时间跟踪(tracks)估计的基准时钟时间。和在同步消息到达网络节点后以离散的方式估计的基准时钟时间不同，控制时间是以连续的方式调节的，因此是无跳转(jump)的，这使得其更适合时间敏感的工业应用。

而且，本发明设法解决了控制器执行时间关于同步消息的到达何时延迟的情况，这通常是实际情况。在这种情形中，控制器输入变得过期，并导致增加同步误差。在这种情形中，控制器输入应当理想地符合稍后时刻，从而确保正确地工作。然而，只能在同步消息到达的时刻而不是在任意时刻直接获取控制器输入。本发明的基本特征是通过外推(extrapolate)控制器输入至控制器执行时刻，而不是通过在同步消息到达时刻计算控制器输入，来提供控制器延迟补偿。用这种方式计算控制器输入需要知道控制器所引起的真实延迟。控制器输入外推至执行时刻提高了控制器性能，并确保不会由于控制器执行延迟而增加同步误差。

本发明也可以具体化为具有计算机可读程序代码的计算机程序产品，由处理器执行计算机可读程序代码，从而实现以上所述的技术特征。

附图说明

将在下文中参考附图中所示的实施例进一步描述本发明，在附图中：

图1是通信网络中多个网络节点的图示，在这些网络节点之间发送同步消息，

图2表示通信网络中用于时间同步的控制电路，以及

图3是图示，示出了当控制器执行延迟时估计的基准时钟时间(RMT)和控制时间(CT)的比较。

具体实施方式

这里提出的发明技术优选地运用在工业自动化系统中，其中系统的分布部件之间互相通信，从而控制生产次序，如在汽车生产中。为此，单独的部件之间互相进行无线通信和/或通过通信网络进行有线通信。因此部件表示通信网络的网络节点。

在根据图1的实施例中，通信网络包含具体化为诸如从属元件S1、……、SN的网络节点。每个网络节点具有对应的内部时钟C1、……、CN。这些时钟中的每个时钟工作在预定义的节点时钟频率fs，在某些情况下不同网络节点的节点时钟频率可以不同。通信网络还包括具体化为诸如主控元件M的基准节点，具有同步时钟CM，其预定义了同步时钟频率fm，所有网络节点S1、……、SN的内部时钟C1、……、CN均设定为同步时钟频率fm。为此，在恒定的时间间隔由基准节点M发送同步消息SM，每个同步消息包含预定的同步脉冲的脉冲数。这些同步消息中的每个均含有时钟CM的脉冲计数器状态，如在方法运算期间已经到期的同步脉冲的脉冲。该脉冲状态是与每个同步消息SM一起发送的。

基准节点M和单独的网络节点S1至SN互相依次通信，同时由基准节点M发送同步消息至节点S1和由节点S1发送同步消息至S2，以及由S2等发送同步消息至SN。为了实现单独的网络节点精确同步，同步消息SM的脉冲计数器状态必须在单独的网络节点中进行更新。因此，由先前的网络节点(或由基准节点)发送同步消息和由各个网络节点发送同步消息至下一个网络节点之间需要的时间延迟在每个网络节点中是已知的。该时间延迟是由时间间隔LD_i和BD_i(i＝1,…,N)构成的，所述时间间隔对每个网络节点而言可以不同。这里LD_i是由先前的网络节点Si-1发送消息至下一个网络节点Si所需的时间间隔(LD＝LineDelay(导线延迟))。BD_i是在发送同步消息至下一个网络节点之前在网络节点Si中对所接收到的同步消息进行处理所需的处理时间(BD＝BridgeDelay(桥转发延迟))。在各个网络节点中根据网络节点时钟频率fs用脉冲表示该时间延迟。

现在为了更新接收的同步消息SM的脉冲计数器状态，有必要估计同步时钟频率fm和各个网络节点中的各个网络节点时钟频率fs之间的脉冲比率。这里该比率也被称为比率补偿因数(RCF)，以及这里在实施例中描述的该比率是fm和fs商的估计值。估计的脉冲比与时间延迟LD_i+BD_i相乘估计出由网络节点i中先前接收的同步消息引起的延迟，这表示为基准节点的脉冲计数器数。该数增加至接收的同步消息的脉冲计数器状态，以及由各个网络节点发送具有当前脉冲计数器状态的同步消息。内部时钟的同步次序对本领域的技术人员而言是充分已知的，因此这里不再详细地描述。

根据技术发展水平修改至少一个网络节点S1、或可能S1至SN的所有节点确定基准时钟时间RMT，其是基准时钟CM的真实时钟时间CMT的估计值。在所示实施例中，估计的基准时钟时间RMT表示为脉冲计数。然而，可以理解，在不偏离所要求的发明范畴的情况下，估计的基准时钟时间RMT可以用时间单位(例如，毫微秒)来表示。在这种情形下，本领域的技术人员应当容易明显看出以下描述的实施例的修改或改进。

图2示出了通信网络中用于时间同步的控制电路。电路在这里是由节点S1至SN中至少一个节点或甚至可能S1至SN的所有节点执行的法则的图示。如上所述，在各个网络节点中，同步消息到达该节点后，立即估计基准时钟时间，估计的基准时钟时间RMT是基准时钟CM的真实时钟时间CMT的当地(local)估计。估计的基准时钟时间RMT受到由于同步消息通过先前的网络节点顺序传输产生的噪声N的影响。噪声N随基准节点的距离增加而增大。因此，估计的基准时钟时间RMT原则上是嘈杂且离散的，只有在同步消息到达时才是有效的。

发明技术提供了基准时钟时间RMT的估计值的改进。估计的基准时钟时间RMT在这里用作置位点(set-point)(或基准变量)来确定控制时间CT，控制时间是基准时钟时间RMT的时间连续估计值。这是由在各个网络节点处提供的控制器R来完成的。控制器R可包括任何连续的控制器，例如比例-积分(PI)控制器或比例-积分-微分(PID)控制器。这确保控制时间CT是稳定且连续的。控制器R的输入是估计的基准时钟时间RMT和控制时间CR之间的偏移量D。偏移量定义为如下：

Offset(t)＝RMT(t)-CT(t)。

控制器R一经执行，控制器R的输出或控制作用是这里称为偏移量补偿因数OCF的操纵变量。在PI控制器的情况下，偏移量补偿因数OCF由离散控制定律获得：

{OCF}_{n}^{i} = {OCF}_{n}^{i - 1} + (k_{p} ({offset}_{n}^{i} - {offset}_{n}^{i - 1}) + k_{i} {offset}_{n}^{i - 1} (t (i) - t (i - 1))) / f_{n o m}

也可以使用具有积分部件的其他控制器。

在以上表达式中，是网络节点n在时刻t(i)的偏差。表示网络节点n在时刻t(i)估计的基准时钟时间。表示网络节点n在时刻t(i)的控制时间。表示在时刻t(i)在节点n的控制器确定的偏移量补偿因数。而且，在以上表达式中，k_p表示比例常量，k_i表示PI控制器的积分常量，而f_nom表示各个网络节点的内部时钟的额定频率。

因此，偏移量补偿因数OCF是PI控制器估计的基准时钟CM的时钟频率fm和各个网络节点(在该实例中S1)的时钟频率fs之间的取决于时间的关系的度量单位(measure)。该控制器r的输出(如，偏移量补偿因数OCF)提供给动态系统DS，该输出是虚拟时钟，其通过遵循网络节点S1的内部时钟C1并利用偏移量补偿因数不断校正网络节点S1的内部时钟而计算控制时间CT，根据以下表达式：

{CT}_{n}^{i} = {CT}_{n}^{i - 1} + {OCF}_{n}^{i - 1} (S_{n}^{i} - S_{n}^{i - 1})

在以上表达式中，表示在时刻t(i)网络节点n的内部时钟的时钟脉冲计数。

因此，控制时间CT的计算可以在任意小的时间间隔发生，使得其是时间连续的函数。因为图2中的闭环没有从输入到输出的直接正向输送(feedforward)，估计的基准时钟时间(RMT)的跳转将不会导致控制时间CT的跳转。因此，控制时间CT提供的光滑连续时间可以用于时间敏感的应用。实验已经示出，与估计的基准时钟时间RMT相比较，控制时间CT提供了更好的真实的基准时钟时间CMT估计，随着基准节点的距离增加优势则更为明显。在检查过的具有排成直线拓扑结构的160个节点的实例网络中，可以将最大误差降低18％至35％。

因此，由控制器确定的偏移量补偿因数构成关于局部内部时钟时间的控制时间CT的梯度。这将确保控制时间CT跟踪估计的基准时钟时间RMT而不会出现任何跳转。

如上所述，只有在同步消息达到各个网络节点时，才在网络节点估计基准时钟时间RMT。因此，偏移量D，即控制器R的输入，只有在同步消息到达的时刻才是有效的。这要求在同步消息到达的时刻恰好执行控制器R。然而，如果控制器R的执行延迟，那么输入(如，偏移量D)过期，并导致增加同步误差。因此，如果控制器执行延迟了间隔Δt_delay(各个节点的当地时间所测量)，那么还应该在稍后时刻计算偏移量D，从而确保正确地工作。然而，因为对该时刻而言估计的基准时钟时间RMT是未知的，所以无法直接获取该延迟时刻的偏移量D。根据提出的技术，提供了执行延迟校正，其包含控制器R的外推至执行时刻的偏移量D。这是通过控制器R外推至执行时刻的估计基准时钟时间RMT和控制时间CT来实现的。在所示实施例中，基于关于网络节点的局部时间估计的基准时钟时间RMT(如，RMT的外推)的斜率和控制时间CT的斜率进行外推。关于网络节点的当地时间估计的基准时钟时间RMT的斜率是比率补偿因数(RCF)，其是基准时钟频率和各个网络节点的节点时钟频率之间的脉冲比，同步消息一到达就立即在各个网络节点当地估计脉冲比。控制时间关于网络节点的局部时间的斜率是由先前的控制器R一执行立即得知的控制器估计的偏移量补偿因数(OCF)。以上已经说明了偏移量补偿的计算。基于前述斜率的了解，外推至控制器R执行时刻的偏移量D可以确定为：

offset(tⁱ+Δt_delay)＝offsetⁱ+(RCFⁱ-OCF^i-1)Δt_delay

在以上表达式中，t_i表示同步消息到达的时刻，Δt_delay表示控制器关于同步消息到达的执行延迟，offset(tⁱ+Δt_delay)表示外推至控制器执行时刻的偏移量，offsetⁱ表示在同步消息到达时刻计算的偏移量，RCFⁱ表示同步消息到达时估计的比率补偿因数，以及OCF^i-1表示先前的控制器一执行立即计算的偏移量补偿因数。

使用以上计算的外推偏移量作为输入D，在控制器R的执行时刻便确定偏移量补偿因数OCF。使用这种外推输入控制器提高了控制器性能，并确保不会因控制器执行延迟而增加同步误差。然而，用这种方法计算偏移量需要了解控制器引起的真实延迟。

因此提出的技术提供了在执行延迟的情况下计算控制器输入的改进法则，与未提供延迟校正或者说延迟补偿相比较，该法则降低了估计真实基准时钟时间的误差。

图3是示例性图示，示出了当控制器执行延迟时，估计的基准时钟时间RMT和控制时间CT的比较。在图3中，横坐标表示绝对时间，其中，时刻T_s表示同步消息的到达时刻，而时刻T_c表示控制器的真实执行时刻，时刻T_c被延迟间隔Δt_delay关于时刻T_s分开。纵坐标表示用于应用的各个估计的基准时钟时间RMT和控制时间CT。

在图3中，估计的基准时钟时间RMT的标示位置由虚线示出，因为只有当同步消息到达时才在时刻T_s进行估计。基于当同步消息到达时在时刻T_s估计的斜率值，虚线示出了同步间隔之间估计的基准时钟时间RMT可能的线性外推。应当注意，估计的基准时钟时间RMT是不连续的和逐段线性的(piece-wiselinear)，即使在同步间隔之间的外推也是，因为当同步消息到达时每个时刻T_s均重新计算基准时钟间隔RMT。控制时间CT的标示位置由粗线示出。如图所示，控制时间CT是时间连续的，其中由控制器计算的偏移量补偿因数(OCF)给出斜率。因为控制器执行关于同步消息的到达时刻T_s延迟，所以不是在这些时刻T_s而是在控制器执行的时刻T_c确定偏移量D。使用外推的偏移量D作为输入，控制器在这些时刻T_c确定偏移量补偿因数OCF，基于此连续调节控制时间CT，从而跟踪估计的基准时钟时间RMT。如图所示这里确定的控制时间是时间连续的且具有稳定的路线，对于时间敏感的应用而言这是优势。

在以上实施例中，例如控制器R可以包括在具有其自己的实时时钟和时间戳单元的网卡中。进一步，控制器可以是在软件中实现或可选地在硬件中实现的数字控制器。

在进一步的实施例中，根据标准IEC61158Type10和/或其精准透明时钟协议(PrecisionTransparentClockProtocol)进行时间同步，标准IEC61158Type10也被称为PROFINET。受到使用的各个标准的约束，在此基准节点M用作主控元件，网络节点S1、…、SN用作从属元件。在进一步优选的实施例中，通信网络包含组播网络，尤其是以太网。

Claims

1.一种在通信网络中进行时间同步的系统，所述通信网络包含多个网络节点(S1，…，SN)和基准节点(M)，每个网络节点均具有各自的内部时钟(C1，…，CN)，所述基准节点具有基准时钟(CM)，并适于在通信网络内发送同步消息，其中，至少一个网络节点(S1)配置为在同步消息到达所述网络节点(S1)时离散地确定估计的基准时钟时间(RMT)，所述系统的特征在于，

网络节点(S1)包括控制器(R)，用于确定控制时间(CT)，所述控制时间是所述离散估计的基准时钟时间(RMT)的时间连续的估计值，所述控制器(R)适于基于外推至控制器(R)的执行时刻(T_c)的输入(D)而确定控制时间(CT)，所述执行时刻(T_c)与所述同步消息的到达时刻(T_s)被延迟(Δt_delay)分开。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器(R)是比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述控制器(R)的输入(D)是估计的基准时钟时间(RMT)和控制时间(CT)之间的外推至所述执行时刻(T_c)的偏移量。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制器(R)的输出是操纵变量，所述操纵变量是偏移量补偿因数(OCF)，所述偏移量补偿因数是控制器估计的基准时钟(CM)的频率(fm)和网络节点(S1)的内部时钟(C1)的节点时钟频率(fs)的取决于时间的比率的度量单位，其中，基于所述偏移量补偿因数(OCF)通过校正网络节点(S1)的内部时钟(C1)时间而连续地调节所述控制时间(CT)。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，基于在同步消息到达时基准时钟频率(fm)和在所述网络节点(S1)处本地估计的节点时钟频率(fs)的比率(RCF)以及基于在先前执行控制器(R)时估计的偏移量补偿因数(OCF)，所述估计的基准时钟时间(RMT)和控制时间(CT)之间的偏移量被外推至所述执行时刻(T_c)。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述控制器(R)包括在具有实时时钟和时间戳单元的网卡中。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器(R)包括在具有实时时钟和时间戳单元的网卡中。

8.根据权利要求1或2所述的系统，其中，根据标准IEC61158Type10和/或符合标准IEC61158Type10的精准透明时钟协议进行所述时间同步，标准IEC61158Type10也被称为PROFINET，其中，在所使用的各个标准下，所述基准节点M用作主控元件，所述网络节点(S1，…，SN)用作从属元件，以及其中所述通信网络包含组播网络。

9.根据权利要求7所述的系统，其中，根据标准IEC61158Type10和/或符合标准IEC61158Type10的精准透明时钟协议进行所述时间同步，标准IEC61158Type10也被称为PROFINET，其中，在所使用的各个标准下，所述基准节点M用作主控元件，所述网络节点(S1，…，SN)用作从属元件，以及其中所述通信网络包含组播网络。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述组播网络是以太网。

11.一种用于在通信网络中进行时间同步的方法，所述通信网络包含多个网络节点(S1，…，SN)和基准节点(M)，每个网络节点均具有各自的内部时钟(C1，…，CN)，所述基准节点具有基准时钟(CM)，并适用于在通信网络内发送同步消息，其中，至少一个网络节点(S1)构造为在同步消息到达所述网络节点(S1)时离散地确定估计的基准时钟时间(RMT)，所述方法包含：

针对所述至少一个网络节点(S1)，构造控制器(R)，用于确定控制时间(CT)，所述控制时间是基于外推至控制器(R)执行时刻(T_c)的输入(D)的离散估计的基准时钟时间(RMT)的时间连续的估计值，所述执行时刻(T_c)与同步消息的到达时刻(T_s)被延迟(Δt_delay)分开。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，进一步包含确定所述输入(D)为所述估计的基准时钟时间(RMT)和所述控制时间(CT)之间的外推至所述执行时刻(T_c)的偏移量。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包含：

构造控制器(R)，用于基于所述输入(D)确定操纵变量，所述操纵变量是偏移量补偿因数(OCF)，所述偏移量补偿因数是控制器估计的基准时钟(CM)的频率(fm)和网络节点(S1)的内部时钟(C1)的节点时钟频率(fs)的取决于时间的比率的度量单位，以及

基于所述偏移量补偿因数(OCF)通过校正所述网络节点(S1)的内部时钟(C1)时间而连续地调节所述控制时间(CT)。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包含，基于在同步消息到达时基准时钟频率(fm)和在所述网络节点(S1)处本地估计的节点时钟频率(fs)的比率(RCF)以及基于在先前执行控制器(R)时估计的偏移量补偿因数(OCF)，将估计的基准时钟时间(RMT)和控制时间(CT)之间的偏移量外推至执行时刻(T_c)。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，根据标准IEC61158Type10和/或符合标准IEC61158Type10的精准透明时钟协议进行所述时间同步，标准IEC61158Type10也被称为PROFINET，其中，在所使用的各个标准下，所述基准节点M用作主控元件，所述网络节点(S1，…，SN)用作从属元件，以及其中所述通信网络包含组播网络。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述组播网络是以太网。

17.根据权利要求11至14中任一项的方法，其中：

所述控制器(R)是比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器，以及

所述控制器(R)是在软件中实现的数字控制器。

18.一种网络节点(S1)，包括在所述根据权利要求1至10中的任一项所述的系统中或用于执行根据权利要求11至17中的任一项所述的方法。