CN104012014B - 用于同步与通信网络相连的设备的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种同步与通信网络（110）相连的设备单元（200）的方法，该设备单元与提供至少一个交流电源电压（121）的供电电源网络120相连，所述方法包括以下步骤：测量所述电源电压与同步电压（131）之间的时间差，计算同步值，向所述设备单元发送所述同步值，所述设备单元检测经过所述给定状态的所述电源电压，以及根据所述同步值与检测经过所述给定状态的供给电压基本同时地同步所述设备单元。本发明还涉及用于所述同步方法中的同步装置（300）和同步模块（400）。

Description

用于同步与通信网络相连的设备的方法和装置

技术领域

本发明涉及与同步信令相关的同步设备单元的领域。

现代工业装置通常包括大量设备单元，这些设备单元需要共同发挥作用，以实现连续的和完美协调的生产步骤。这样的结果就是，装配这种工业装置的设备单元必须精确地并且规律地同步。

这个问题还与相同类型的装置的安全设备单元相关。安全设备单元通常适用于同步地监视所述装置的参数，以允许比较所监视的参数并确定该装置是否仍在预定的安全状态操作。为了允许比较由不同安全设备单元所监视的参数，因此有必要使安全设备单元彼此完美同步。

本发明的目的尤其在于能量生产装置并且在于用于监视产生的能量的传输的监视设备单元，设备单元必须与设备单元可能无法接近的同步电压同步，该同步电压的源头在几公里之外。

更准确地说，本发明涉及使与通信网络相连的设备同步的方法。本发明还涉及用于所述同步方法的同步装置，还涉及通过所述同步方法装配同步设备的同步模块。

背景技术

目前，大量同步方法被用于工业装置中。

这些方法中的一种是通过无线电波同步。这个方法为每个同步设备单元提供无线电接收器，该无线电接收器适用于从无线电发射机接收同步信令。无线电发射机如德国DCF-77无线电发射机或者英国MSF-60无线电发射机，以规律的时间间隔广播时间信号，该时间信号用于同步每个同步设备单元中的时钟。

然而，虽然这些方法以相对低的成本允许设备单元的可靠同步，但是具有要求每个设备单元在无线电发射机覆盖范围内的缺点。因此这些方法在一些地理区域如一些沙漠或海域是不可用的，并且对位于地下或存在高等级电磁干扰的环境中的设备单元也是不可用的。

另一种方法使用缆线定时网络如使用RS422或RS485通信接口的网络。在该方法中，用于同步的设备单元经由专用定时网络与同步装置相连。因此，同步装置在规律的时间间隔经由所述定时网络向所有设备单元传输同步信令，以使这些设备单元同步到同步装置的参考时钟。

虽然这些方法可靠的同步同时只要求设备安装的相对低成本，不过这些方法具有要求唯一地专用于使该设备单元同步的网络的昂贵安装的缺点。

另一种方法使用已有的通信网络传输同步信号，如用于同步的设备单元所连接的以太网协议通信网络。该方法通常依靠网络时间协议（NTP）。因为用于同步的网络已经存在并且用于设备单元之间的通信，因此该方法有不需要任何实际额外成本的优势。

然而，因网络延迟的缘故，所述方法在不进行昂贵的网络设备改造的情况下无法实现微秒级的同步精度。

另一种方法使用所有用于同步的设备单元都共用的电源电压，以同步这些设备单元。在这种情况下，每个设备单元包括专用同步模块或分压器系统，该专用同步模块有用于连接到所述电源网络的输入，该分压器系统用于减少电源电压并使其能够被低压电路处理。在这两种情况中，经过给定值的电压用作为使设备单元同步的参考。

虽然该同步方法使可靠和精确的同步成为可能，但无法同步与相对于所述电源电压偏移的同步信号相关的设备单元。同样，其仅使时钟同步成为可能，而不可能存在传输时间信息。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种使要求低安装成本的设备同步并且允许与所述同步设备不能接近的交流同步电压的精确同步的方法。

为此，本发明提供一种同步与通信网络相连的设备单元的方法，该设备单元与提供至少一个交流电源电压的供电电源网络相连，该方法包括：

a）测量该电源电压与交流同步电压之间的时间差，该同步电压具有同步频率；

b）根据该时间差计算同步值，该同步值对应于当该电源电下一次经过给定状态时电源电压与同步电压之间的计算时间差；

c）经由该通信网络向该设备单元发送该同步值；

d）该设备单元检测经过该给定状态的电源电压；以及

g）根据该同步值，与检测电源电压经过该给定状态基本同时地同步该设备单元。

该方法使利用低安装成本实现装置的设备单元相对于该设备单元不可接近的同步电压的精确同步成为可能，该方法允许使用已有的通信网络。

在发送该同步值的步骤c）期间，还可以向该设备单元发送该同步频率的值。

通过以这种方式发送同步频率值，能够使设备单元与具有非预定频率并且该设备单元无法接近的同步电压同步，并且这么做不需要该设备单元被重新编程。

在本发明的第一个变形中，该电源电压的给定状态可以是优选地等于零伏特的给定电压值。

该电源电压的给定状态的使用使简化检测经过该相同状态的该电源电压的步骤成为可能，因此降低建立该同步方法的成本。

在本发明的第二个变形中，该电源电压的该给定状态可以是电源电压的预定边沿经过给定值，该预定边沿是从包括上升沿和下降沿的组中选择的。

利用该给定状态，在该电源电压两次经过该给定状态之间的时间等于该电源电压的周期，因此优化了可用于执行步骤a）至步骤c）的时间。

在步骤a）之前该方法还可以包括检测电源电压经过第二给定状态的步骤a’），步骤a）与步骤a’）基本同时执行。

该电源电压的该第二给定状态可以使得在该电源电压下一次经过该给定状态之前步骤a）至步骤c）都已执行。

对于合适的第二给定状态，该步骤a’）使步骤a）与步骤d）之间的时间足够完成步骤b）与步骤c）。

该第二给定状态可以基本与该给定状态相同。

该第二给定状态能够最大化在该电源电压经过该第二给定状态与经过该给定状态之间的时间，因此确保步骤b）以及步骤c）的正确执行。

在步骤d）和步骤g）之间，该方法还可以包括以下步骤：

e）检测设备单元同步误差；以及

f）如果检测到同步误差则报告影响该设备单元的设备失同步问题。

在本发明的可选特征的环境下，该词“同步误差”的含义是：

未接收到同步值；

在步骤c）包括发送同步频率值的情况下，未接收到所述值；

通信网络的丢失；

经过给定状态的电源电压的检测中的问题；或

检测到高于门限值的失同步值。

当使用该同步方法时，该同步误差检测允许设备单元的正确同步的验证。

如果检测到同步误差则可以省略步骤g）。

因此，同步误差已被检测到的设备单元继续使用先前的同步来操作，因此避免了该设备单元的可能整体上损害该装置的操作的错误同步。

步骤e）至少可以包括以下子步骤：

e’）为该设备单元计算在步骤e）中同步该设备单元所必需的反映同步偏移量的失同步值。

e’’）比较该失同步值的绝对值与失同步门限值的绝对值，并且如果该失同步值的绝对值大于该失同步门限值的绝对值则检测影响该设备单元的失同步误差。

这使设备单元同步误差能够被检测。

该通信网络可以是使用以太网类型协议的通信网络。

使用该通信网络能够在步骤c）中助于通信，该通信可通过根据以太网协议封装的帧的形式实现。

该同步电压的频率可以基本等于该电源电压的频率的整数倍或整数分之一，该同步电压的频率优选地等于该电源电压的频率。

该同步电压频率值使以简化的方式检测该时间差的值以及比较计算时间差的值分别成为可能，对于基本等于电源电压频率的同步电压频率而言，这些操作仅对应于测量和计算在电源电压与同步电压之间的时间差。

本发明还提供了一种用于使设备单元同步的同步装置，所述同步装置与提供至少一个交流电源电压的供电电源网络相连，该同步装置包括：

被适配为测量电源网络的电源电压与同步电压之间的时间差的时间差测量装置；

被适配为计算与时间差相对应的同步值的计算装置；

被适配为与通信网络相连并且经由该网络发送同步值的通信装置。

该装置使与通信网络相连的设备单元能够与所述备单元无法接近的同步电压同步。

本发明还提供一种用于装配同步设备单元的同步模块，该同步模块与提供至少一个交流电源电压的供电电源网络相连，该同步模块包括：

用于将同步模块连接到通信网络以及被适配为接收同步值的装置；

用于检测电源电压的给定状态的装置；以及

用于在经由通信网络发送的同步值的基础上使设备单元同步的装置。

该同步模块使其装配的设备单元能够与该设备单元不可接近的同步电压同步。

该模块还可以包括：

被适配为检测同步误差的处理装置；

被适配为报告设备单元失同步问题的信令装置；以及

该处理装置还被适配为与该信令装置通信在检测到同步误差时报告同步问题。

该模块使设备单元同步期间报告设备单元同步问题成为可能。

附图说明

通过阅读只以示例性以及非限制性实例的方式给出的本发明实施例的描述并参照附图，能够更好地理解本发明，附图中的图1示出了使用本发明的同步方法的装置的一个实例。

具体实施方式

图1示意性地示出了使用用于使连接到通信网络110的设备单元200同步的方法的装置100的一个实例。

该装置100包括：

用于与同步电压同步的设备单元200，所述设备单元200与供电电源网络120以及通信网络100相连；

用于装备每个设备单元200以进行同步的同步模块400；

通信网络110；和

与通信网络110、同步网络130以及供电电源网络120相连的同步装置300。

供电电源网络120提供至少一个交流电源电压121。该交流电源电压121可以是工业电源电压，如单相电源网络的一个相或三相电源网络的一个相。在这种情况下，交流电源电压121是对于基本等于220伏特（v）或110v的额定电压以基本等于50赫兹（Hz）或60Hz的频率调制的电压。

通信网络110是使各设备单元200之间的通信成为可能的工业通信网络。通信网络110优选地使用以太网类型的通信协议。通信网络110可以是基于以太网缆线或光纤的缆线通信网络，例如电力线载波通信网络的使用Wi-Fi协议的射频通信网络，或者是包括多个使用不同技术的通信子网的混合解决方案。

同步网络130是向要同步的设备单元200提供同步电压131的电网。同步电压131是交流电压，具有被称为同步频率的频率。该同步频率优选地等于电源电压的频率。根据本发明的另一选项，该同步频率可以基本等于电源电压的频率的整数倍或整数分之一。

根据本发明的非有利的可选特征，该同步频率可以具有任何值。

根据本发明的一个可选特征，如果同步网络130是三相电网，那么同步电压131可以是同步网络130的一个相的电压。

同步装置300包括用于测量同步电压131以及确定同步电压131状态的第一测量系统311。

同步装置300还包括用于测量电源电压121以及确定电源电压121状态的第二测量系统312。

第一测量系统311和第二测量系统312被适配为进行通信以在时间t测量电源电压121与同步电压131之间的时间差。

根据本发明的一个可选特征，第一测量系统311和第二测量系统312可以是用于测量电源电压121与同步电压131之间的相位差的同步检测电路的第一部分和第二部分。

对于具有与电源电压121的频率相同的同步频率的同步电压131，第一测量系统311和第二测量系统312被适配为测量反映电源电压121与同步电压131之间的相位差的时差。

第一测量系统311和第二测量系统312构成时间差测量装置310。

同步装置300还包括与第一测量系统311、第二测量系统312通信的计算单元320。计算单元320被适配为根据第一测量系统311与第二测量系统312所测量的时间差的值计算计算时间差。该计算时间差对应于下一次电源电压121经过给定状态时电源电压121与同步电压131之间的时间差。

根据本发明的第一个可选特征，该给定状态可以是电源电压121经过给定值。根据本发明的第二个可选特征，该给定状态可以是电源电压121的预定边沿经过给定值，该预定边沿可以是电源电压121的上升沿或下降沿。

计算单元320还被适配为根据计算时间差值以及同步频率的值计算同步值。该同步值可以是该计算时间差值，如在同步频率基本等于同步电压的频率时电源电压121与同步电压131之间的相位差的的计算值。

计算单元320构成计算装置320。

该装置还包括被适配为与通信网络110通信的通信系统330。该通信系统330与计算装置320相连，因而通信系统330经由通信网络110将该同步值发送给设备单元200的所有同步模块400以同步。

如果在至少一些同步模块400中没有编程同步频率的值，那么通信系统330还可以被适配为将同步频率的值发送给不具有编程的同步频率值的该同步模块400。

每个设备单元200包括用于同步的时钟210，装配该设备单元200的同步模块400与该时钟210相连，以实现时钟210的同步。

每个同步模块400包括用于将同步模块400连接到通信网络110的装置410。通信装置410可以是与设备单元200的通信系统相独立的通信系统，或者它们可以是同步模块400到设备单元200的通信系统的连接。

每个同步模块400都连接到供电电源网络120，并且还包括用于检测电源电压的给定状态的装置420。检测装置420可以是允许检测经过给定值的电源电压121的电压测量系统420。根据本发明的另一可选特征，电压测量系统420可以被适配为检测电压在预定边沿经过给定值，该预定边沿可以是电源电压121的上升沿或下降沿。

同步模块400还包括用于使设备单元200同步的系统430。同步模块400的同步系统430与设备单元200的时钟210通信以基于同步值以及同步频率值使时钟210同步。该同步频率值是来自该同步模块的预编程的值或是由同步装置300发送的值。

根据本发明的一个可选特征，同步模块400还可以包括被适配为计算失同步值的处理单元440，该失同步值反映出同步该设备单元200时所产生的同步误差。该处理单元还被适配为比较失同步值的绝对值与失同步门限值的绝对值。

根据该可选特征，该处理单元还可以被适配为检测其它类型的同步误差，比如：

未接收同步值；

在要向该同步模块发送同步频率值的情况下未接收到所述值；

通信网络的丢失；以及

经过给定状态的电源电压的检测中的问题。

处理单元440构成处理装置440。

根据该相同的可选特征，该模块包括信令系统450，比如可听报警器、显示屏或者是用于向监视装置100的系统发送差错信号的装置，信令系统450被适配为与处理单元440配合以在处理单元440计算出绝对值大于失同步门限值的绝对值的失同步值或检测到一些其它类型的同步误差时进行报告。

根据该可选特征，信令系统450构成信令装置450。

在操作中，该装置100允许通过包括以下步骤的同步方法实现装配有同步模块400的每个设备单元200的同步：

a）同步装置300测量电源电压121与同步电压131之间的时间差；

b）同步装置300根据该时间差计算同步值，该同步值对应于电源电压121下一次经过给定状态时电源电压121与同步电压131之间的计算时间差；

c）同步装置300经由通信网络110向设备单元200发送同步值以同步，如果在设备单元的一些同步模块中没有编程同步频率的值，那么连同同步频率的值一起发送；

d）装配每个设备单元200的同步模块400检测电源电压121经过给定状态；以及

g）根据同步值，每个通信模块400与电源电压121经过给定状态的检测基本同时地同步其装配的设备单元200。

根据本发明的一个可选特征，该同步方法可以包括在步骤a）之前的步骤a’）并且步骤a’）包括同步模块400检测电源电压121经过第二给定状态。

根据该可选特征，步骤a）与步骤a’）基本同时执行。

根据本发明的该特征，同步模块400因而包括处理单元440和信令系统450，该同步方法还可以包括跟随步骤d）的检测同步误差的步骤e）以及报告同步问题的步骤f）。

该步骤e）包括以下子步骤：

e’）每个同步模块400为其装配的设备单元200计算反映在步骤e）期间同步该设备单元200所必需的同步偏移的失同步值。

e’’）每个同步模块400比较失同步值的绝对值与失同步门限值的绝对值，并且如果失同步值的绝对值大于失同步门限值的绝对值则为设备单元检测同步误差。

根据该可选特征，步骤e）还可以适用于检测其它类型的同步误差，比如：

未接收同步值；

在要向该同步模块发送同步频率值的情况下未接收到所述值；

通信网络的丢失；以及

经过给定状态的电源电压的检测中的问题。

报告问题的步骤f）包括报告在步骤e）中已被检测到同步误差的每个设备单元200的失同步问题。

根据该可选特征，如果检测到同步误差，则同步模块400优选地被适配为保持在检测到同步误差的同步步骤之前的同步，以允许设备单元的正确操作，直到干预以验证同步模块。如果检测到任何该同步误差，这是通过不执行步骤g）实现的。

虽然同步模块400在上述实施例中是装配设备单元200的独立同步模块400，但该同步模块400或所述同步模块400的一部分可以是设备单元200不可或缺的一部分，比如能够提供同步模块400的处理装置的功能的设备单元200的处理单元，而不会脱离本发明的范围。

类似地，在不脱离本发明范围的情况下，虽然在上述的本发明实施例中的同步模块400中，通过确定使设备单元200同步所必需的偏移量来计算失同步值，但使用上述同步模块400的内部时钟并且将同步值和该内部时钟比较，同样可以执行该计算。

类似地，根据上述有关实施例中未描述的本发明的一个可选特征，给定状态值可以与同步值一起发送，该给定状态值向同步模块提供将在该方法的步骤d）中检测的供电电源电压的给定状态。

根据本发明的一个可选特征，检测同步误差的步骤e）以及报告该误差的步骤f）可以与同步设备单元的步骤g）基本同时进行，或者在该相同的步骤g）之后进行。根据该可选特征，该方法然后包括根据未检测到同步误差的以前同步对设备单元进行同步的步骤h）。

Claims (14)

1.一种用于同步与通信网络(110)相连的设备单元(200)的方法，所述设备单元(200)与提供至少一个交流电源电压(121)的供电电源网络(120)相连，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a)测量交流电源电压(121)与交流同步电压(131)之间的时间差，所述交流同步电压(131)具有同步频率；

b)根据所述时间差计算同步值，所述同步值对应于当交流电源电压(121)下一次经过给定状态时交流电源电压(121)与交流同步电压(131)之间的计算时间差；

c)经由通信网络(110)向设备单元(200)发送所述同步值；

d)设备单元(200)检测交流电源电压(121)经过给定状态；以及

g)根据所述同步值，与检测交流电源电压(121)经过给定状态基本同时地同步所述设备单元(200)。

2.根据权利要求1所述的同步方法，其中，在发送所述同步值的步骤c)期间，还将所述同步频率的值发送到所述设备单元。

3.根据权利要求1所述的同步方法，其中，所述交流电源电压(121)的给定状态是优选地等于零伏特的给定电压值。

4.根据权利要求1所述的同步方法，其中，所述交流电源电压(121)的给定状态是交流电源电压(121)的预定边沿经过给定值，该预定边沿是从包括上升沿和下降沿的组中选择的。

5.根据权利要求1所述的同步方法，其中，在步骤a)之前所述方法还包括用于检测交流电源电压(121)经过第二给定状态的步骤a’)，步骤a)与步骤

a’)基本同时执行。

6.根据权利要求5所述的同步方法，其中，交流电源电压(121)的所述第二给定状态使得在交流电源电压(121)下一次经过给定状态之前步骤a)至步骤c)都已执行。

7.根据权利要求1所述的同步方法，其中，在步骤d)和步骤g)之间，所述方法还包括以下步骤：

e)检测设备单元同步误差；以及

f)如果检测到同步误差则报告影响设备单元(200)的失同步问题。

8.根据权利要求7所述的同步方法，其中，步骤e)至少包括以下子步骤：

e’)为设备单元(200)计算失同步值，失同步值反映在步骤e)期间同步所述设备单元(200)所必需的同步偏移量；以及

e”)比较所述失同步值的绝对值与失同步门限值的绝对值，并且如果所述失同步值的绝对值大于所述失同步门限值的绝对值则检测影响所述设备单元的失同步误差。

9.根据任意一个前述权利要求所述的同步方法，其中，通信网络110)是利用以太网类型的协议的通信网络(110)。

10.根据权利要求1到8中的一个所述的同步方法，其中，交流同步电压(131)的频率基本等于交流电源电压(121)的频率的整数倍或整数分之一。

11.根据权利要求10中的一个所述的同步方法，其中，交流同步电压(131)的频率等于交流电源电压(121)的频率。

12.一种用于使设备单元同步的同步装置(300)，所述同步装置(300)与提供至少一个交流电源电压(121)的供电电源网络(120)相连，其特征在于，所述同步装置(300)包括：

被适配为测量交流电源电压(121)与交流同步电压(131)之间的时间差的时间差测量装置；

被适配为计算与时间差相对应的同步值的计算装置；

被适配为与通信网络(110)相连并且经由所述通信网络(110)发送同步值的通信装置。

13.一种用于装配设备单元(200)以同步的同步模块(400)，所述同步模块(400)与提供至少一个交流电源电压(121)的供电电源网络(120)相连，其特征在于，所述同步模块包括：

用于将同步模块(400)连接到通信网络(110)以及被适配为接收同步值的装置；

用于检测交流电源电压(121)的给定状态的装置；以及

用于基于经由通信网络(110)发送的同步值使设备单元(200)同步的装置。

14.根据权利要求13所述的同步模块(400)，其中，同步模块(400)还包括：

被适配为检测同步误差的处理装置；

被适配为报告影响所述同步模块(400)的失同步问题的信令装置；并且所述处理装置还被适配为与所述信令装置通信以当检测到同步误差时报告同步问题。