DE102013227177A1 - Vorrichtung zum Generieren eines Zeitsignals und System mit solcher Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung umfasst einen ersten Zeitgeber zum Erzeugen eines internen Zeitsignals, eine Einrichtung zum Empfangen eines externen Zeitsignals zu diskreten Synchronisationszeitpunkten und eine Generatoreinrichtung zum Erzeugen eines generierten Zeitsignals, die dazu ausgebildet ist, das generierte Zeitsignal zu einem Bestimmungszeitpunkt zwischen zwei Synchronisationszeitpunkten nach einer Berechnungsvorschrift aus einem Wert des externen Zeitsignals zu einem vorhergegangenen Synchronisationszeitpunkt und einem Wert des internen Zeitsignals zum Bestimmungszeitpunkt zu berechnen. Dabei umfasst die Berechnungsvorschrift eine Annahme einer Proportionalität zwischen einem Fortschritt des internen Zeitsignals und einem Fortschritt des externen Zeitsignals.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 sowie ein System gemäß Patentanspruch 12.
• Im Stand der Technik benötigen viele technische Vorrichtungen zur Erledigung ihrer bestimmungsgemäßen Aufgaben ein Zeitsignal. Das Zeitsignal kann der Überwachung von Laufzeiten, beispielsweise während einer Kommunikation oder einer Abarbeitung von Daten, der Berechnung von Zeitdifferenzen oder der Bestimmung von Zeitpunkten dienen.
• Es ist bekannt, dass bei sicherheitsrelevanten technischen Vorrichtungen ein durch die Vorrichtung genutztes Zeitsignal abgesichert werden muss. Der Begriff Sicherheit bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere eine Robustheit gegenüber einem Auftreten zufälliger, unbeabsichtigter Fehler (Sicherheit im Sinne von Safety), weniger einen Schutz gegen gezielte Angriffe (Sicherheit im Sinne von Security). Hierzu kann es beispielsweise erforderlich sein, einen in die Vorrichtung integrierten Zeitsignalgeber redundant auszubilden, was mit hohen Kosten verbunden ist.
• Das Dokument „Zeitsynchronisation", Stephan Schmidt, Hauptseminar Kommunikationsstandards in der Medizintechnik, Institut für Telematik, Universität zu Lübeck, 2010 beschreibt verschiedene bekannte Protokolle und Standards zur Zeitsynchronisation.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes System mit einer Vorrichtung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind verschiedene Weiterbildungen angegeben.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen ersten Zeitgeber zum Erzeugen eines internen Zeitsignals, eine Einrichtung zum Empfangen eines externen Zeitsignals zu diskreten Synchronisationszeitpunkten und eine Generatoreinrichtung zum Erzeugen eines generierten Zeitsignals, die dazu ausgebildet ist, das generierte Zeitsignal zu einem Bestimmungszeitpunkt zwischen zwei Synchronisationszeitpunkten nach einer Berechnungsvorschrift aus einem Wert des externen Zeitsignals zu einem vorhergegangenen Synchronisationszeitpunkt und einem Wert des internen Zeitsignals zum Bestimmungszeitpunkt zu berechnen, wobei die Berechnungsvorschrift eine Annahme einer Proportionalität zwischen einem Fortschritt des internen Zeitsignals und einem Fortschritt des externen Zeitsignals umfasst. Vorteilhafterweise kann das durch die Generatoreinrichtung dieser Vorrichtung generierte Zeitsignal das externe Zeitsignal ausreichend sicher approximieren, um das durch die Generatoreinrichtung generierte Zeitsignal zur Durchführung zeitbehafteter sicherheitsrelevanter Funktionen zu nutzen. Dabei muss der erste Zeitgeber der Vorrichtung vorteilhafterweise keine hohen Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen. Dadurch kann die Vorrichtung vorteilhafterweise einfach und kostengünstig ausgebildet werden.
• In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Generatoreinrichtung ausgebildet, das generierte Zeitsignal zu den Synchronisationszeitpunkten dem externen Zeitsignal gleichzusetzen. Vorteilhafterweise wird dadurch eine eventuelle, sich zwischen den Synchronisationszeitpunkten ergebende, Abweichung zwischen dem durch die Generatoreinrichtung der Vorrichtung generierten Zeitsignal und dem externen Zeitsignal zu den Synchronisationszeitpunkten ausgeglichen. Dadurch ist vorteilhafterweise sichergestellt, dass das durch die Generatoreinrichtung generierte Zeitsignal sich auch über lange Zeiträume hinweg nicht übermäßig weit von dem externen Zeitsignal entfernt.
• In einer Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Berechnungsvorschrift die Annahme, dass ein Verhältnis von Fortschritten des externen Zeitsignals und des internen Zeitsignals zwischen dem letzten Synchronisationszeitpunkt und dem Bestimmungszeitpunkt einem Verhältnis von Fortschritten des externen Zeitsignals und des internen Zeitsignals zwischen dem vorletzten Synchronisationszeitpunkt und dem letzten Synchronisationszeitpunkt entspricht. Vorteilhafterweise ist bei Gültigkeit dieser Annahme eine Extrapolation des Fortschritts des externen Zeitsignals auf Grundlage des Fortschritts des internen Zeitsignals möglich. Ein Vorteil der durch die Generatoreinrichtung genutzten Berechnungsvorschrift besteht darin, dass diese sich lediglich auf das Zeitintervall zwischen dem vorletzten Synchronisationszeitpunkt und dem letzten Synchronisationszeitpunkt stützt. Dadurch bewirken längerfristige Abweichungen der Gleichförmigkeit des Fortschritts des internen Zeitsignals keine Abnahme der Qualität der Approximation des externen Zeitsignals durch das durch die Generatoreinrichtung generierte Zeitsignal.
• In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Berechnungsvorschrift ausgebildet, das generierte Zeitsignal zu dem Bestimmungszeitpunkt als Summe eines Werts des externen Zeitsignals zum letzten Synchronisationszeitpunkt und eines Produkts aus dem Fortschritt des internen Zeitsignals zwischen dem letzten Synchronisationszeitpunkt und dem Bestimmungszeitpunkt und dem Verhältnis des Fortschritts des externen Zeitsignals zwischen dem vorletzten Synchronisationszeitpunkt und dem letzten Synchronisationszeitpunkt zu dem Fortschritt des internen Zeitsignals zwischen dem vorletzten Synchronisationszeitpunkt und dem letzten Synchronisationszeitpunkt zu berechnen. Vorteilhafterweise ermöglicht die Generatoreinrichtung der Vorrichtung dadurch eine sichere Approximation des externen Zeitsignals durch das durch die Generatoreinrichtung generierte Zeitsignal, falls das interne Zeitsignal des ersten Zeitgebers der Vorrichtung über wenigstens einen Zeitraum von drei Synchronisationszeitpunkten ausreichend konstant fortschreitet.
• In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Generatoreinrichtung ausgebildet, einen Überlauf des Werts des externen Zeitsignals und/oder des Werts des internen Zeitsignals zu berücksichtigen. Vorteilhafterweise können der interne Zeitgeber und/oder ein das externe Zeitsignal erzeugender externer Zeitgeber dann als Zähler mit endlicher Bitlänge ausgebildet sein.
• In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Generatoreinrichtung ausgebildet, zu einem Synchronisationszeitpunkt einen ersten Gütewert zu berechnen. Der erste Gütewert wird dabei als Differenz aus dem nach der Berechnungsvorschrift für den Synchronisationszeitpunkt berechneten Wert des generierten Zeitsignals und dem Wert des externen Zeitsignals zu dem Synchronisationszeitpunkt berechnet. Vorteilhafterweise gibt der erste Gütewert Auskunft über eine Abweichung zwischen dem durch die Generatoreinrichtung generierten Zeitsignal und dem externen Zeitsignal zu dem Synchronisationszeitpunkt. Dadurch ermöglicht der erste Gütewert eine Beurteilung der Qualität der Approximation des externen Zeitsignals durch das durch die Generatoreinrichtung generierte Zeitsignal.
• In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist diese ausgebildet, ein Steuersignal zu erzeugen, falls der erste Gütewert sich um mehr als einen festgelegten ersten Schwellwert vom Wert Null unterscheidet. Dadurch wird es der Vorrichtung vorteilhafterweise ermöglicht, eine Reaktion einzuleiten, falls die Qualität der Approximation des externen Zeitsignals durch das durch die Generatoreinrichtung generierte Zeitsignal nicht eine gewünschte und durch den ersten Schwellwert quantifizierte Qualität aufweist. Das durch die Vorrichtung erzeugbare Steuersignal kann beispielsweise dazu dienen, sicherheitskritische Einrichtungen und Anlagen in einen sicheren Zustand zu überführen. Beispielsweise kann das durch die Vorrichtung erzeugbare Steuersignal dazu dienen, sicherheitskritische Einrichtungen und Anlagen abzuschalten.
• In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Generatoreinrichtung ausgebildet, zu einem Synchronisationszeitpunkt einen zweiten Gütewert zu berechnen. Dabei wird der zweite Gütewert als Produkt aus dem Verhältnis des Fortschritts des internen Zeitsignals zwischen dem letzten Synchronisationszeitpunkt und dem gegenwärtigen Synchronisationszeitpunkt zu dem Fortschritt des internen Zeitsignals zwischen dem vorletzten Synchronisationszeitpunkt und dem letzten Synchronisationszeitpunkt und dem Verhältnis des Fortschritts des externen Zeitsignals zwischen dem vorletzten Synchronisationszeitpunkt und dem letzten Synchronisationszeitpunkt zu dem Fortschritt des externen Zeitsignals zwischen dem letzten Synchronisationszeitpunkt und dem gegenwärtigen Synchronisationszeitpunkt berechnet. Der durch die Generatoreinrichtung der Vorrichtung berechenbare zweite Gütewert stellt ein Maß für eine Proportionalität zwischen dem internen Zeitsignal der Vorrichtung und dem durch die Vorrichtung empfangbaren externen Zeitsignal dar. Der zweite Gütewert ermöglicht es der Vorrichtung, geeignete Maßnahmen zu ergreifen, falls der Fortschritt des internen Zeitsignals der Vorrichtung nicht ausreichend proportional zum Fortschritt des externen Zeitsignals ist.
• In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist diese ausgebildet, ein Steuersignal zu erzeugen, falls der zweite Gütewert sich um mehr als einen festgelegten zweiten Schwellwert vom Wert Eins unterscheidet. Das durch die Vorrichtung erzeugbare Steuersignal kann beispielsweise dazu genutzt werden, mit der Vorrichtung verbundene Einrichtungen und Anlagen in einen sicheren Zustand zu überführen. Damit ermöglicht es das durch die Vorrichtung erzeugbare Steuersignal der Vorrichtung, auf ein Nichtvorliegen einer gewünschten Proportionalität zwischen dem Fortschritt des internen Zeitsignals und dem Fortschritt des externen Zeitsignals mit geeigneten Maßnahmen zu reagieren.
• In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Generatoreinrichtung ausgebildet, zu dem Bestimmungszeitpunkt einen dritten Gütewert zu berechnen. Dabei wird der dritte Gütewert als Differenz zwischen dem Wert des internen Zeitsignals zu dem Bestimmungszeitpunkt und einem Wert des internen Zeitsignals zu einem vorhergegangenen Bestimmungszeitpunkt berechnet. Der durch die Generatoreinrichtung der Vorrichtung berechenbare dritte Gütewert ermöglicht eine Plausibilitätskontrolle der Werte des durch den internen Zeitgeber der Vorrichtung erzeugten internen Zeitsignals und damit auch der Werte des durch die Generatoreinrichtung generierten Zeitsignals.
• In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist diese ausgebildet, ein Steuersignal zu erzeugen, falls der dritte Gütewert nicht größer oder gleich null ist. Vorteilhafterweise ermöglicht es das durch die Vorrichtung erzeugbare Steuersignal der Vorrichtung, geeignete Maßnahmen zu ergreifen, falls die Werte des durch den ersten Zeitgeber der Vorrichtung erzeugten internen Zeitsignals nicht plausibel sind. Beispielsweise kann das durch die Vorrichtung erzeugbare Steuersignal dazu dienen, mit der Vorrichtung verbundene Einrichtungen oder Anlagen in einen sicheren Zustand zu überführen.
• Ein erfindungsgemäßes System umfasst eine erste Vorrichtung der vorgenannten Art und eine zweite Vorrichtung, die einen zweiten Zeitgeber aufweist. Dabei ist die zweite Vorrichtung ausgebildet, ein von dem zweiten Zeitgeber erzeugtes Zeitsignal als externes Zeitsignal an die erste Vorrichtung zu übermitteln. Vorteilhafterweise kann die erste Vorrichtung des Systems mittels ihrer Generatoreinrichtung ein generiertes Zeitsignal generieren, das das durch die zweite Vorrichtung bereitgestellte externe Zeitsignal approximiert. Dadurch steht der ersten Vorrichtung des Systems mit dem generierten Zeitsignal ein Zeitsignal zur Verfügung, das eine ähnliche Qualität wie das durch den zweiten Zeitgeber der zweiten Vorrichtung erzeugte externe Zeitsignal aufweist, ohne dass die erste Vorrichtung hierzu über einen Zeitgeber verfügen muss, der die gleiche Qualität wie der zweite Zeitgeber der zweiten Vorrichtung aufweist.
• In einer Ausführungsform des Systems ist der zweite Zeitgeber redundant ausgebildet. Vorteilhafterweise kann der zweite Zeitgeber dadurch Normen für sicherheitsrelevante Anwendungen erfüllen.
• In einer Ausführungsform des Systems sind die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung über eine Kommunikationsverbindung miteinander verbunden. Vorteilhafterweise kann die zweite Vorrichtung des Systems das durch den zweiten Zeitgeber der zweiten Vorrichtung erzeugte Zeitsignal über die Kommunikationsverbindung als externes Zeitsignal an die erste Vorrichtung des Systems übermitteln. Die Kommunikationsverbindung kann beispielsweise als sichere Kommunikationsverbindung ausgebildet sein.
• In einer Ausführungsform des Systems ist dieses ausgebildet, das von dem zweiten Zeitgeber erzeugte Zeitsignal zu äquidistanten Synchronisationszeitpunkten als externes Zeitsignal an die erste Vorrichtung zu übermitteln. Vorteilhafterweise kann sich dadurch die Generierung des durch die Generatoreinrichtung generierten Zeitsignals vereinfachen.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Darstellung
• 1 ein System mit einer ersten Vorrichtung und einer zweiten Vorrichtung, die über eine Kommunikationsverbindung miteinander verbunden sind;
• 2 ein erstes Zeitgeberdiagramm; und
• 3 ein zweites Zeitgeberdiagramm.
• 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Systems 10. Das System 10 kann beispielsweise Teil einer Industrieanlage, einer Automatisierungsanlage oder eines Computernetzwerks sein. Das System 10 kann Teil einer sicherheitsrelevanten oder sicherheitskritischen Umgebung sein. Beispielsweise kann das System 10 zur Durchführung und zur Kontrolle sicherheitskritischer oder sicherheitsrelevanter Aufgaben und Prozesse dienen. Es kann erforderlich sein, dass das System 10 festgelegte Safety-Erfordernisse und Safety-Rahmenbedingen erfüllt, also beispielsweise eine Robustheit gegenüber einem Auftreten zufälliger, unbeabsichtigter Fehler aufweist.
• Das System 10 umfasst eine erste Vorrichtung 100. Die erste Vorrichtung 100 kann beispielsweise ein Computer oder ein Steuergerät sein. Die erste Vorrichtung 100 kann dazu vorgesehen sein, sicherheitskritische und/oder sicherheitsrelevante Prozesse, Operationen und Aufgaben durchzuführen und/oder zu überwachen. Die erste Vorrichtung 100 kann zur Ansteuerung und/oder zur Überwachung in 1 nicht dargestellter weiterer Einrichtungen und Anlagen dienen.
• Die durch die erste Vorrichtung 100 durchgeführten Aufgaben, Operationen und Prozesse können einen Zeitbezug aufweisen. Dies kann bedeuten, dass durch die erste Vorrichtung 100 durchgeführte Funktionen zu bestimmten Zeitpunkten, nach Ablauf bestimmter Zeiträume oder für bestimmte Zeitdauern durchgeführt werden müssen.
• Zur Durchführung dieser zeitbezogenen Funktionen benötigt die erste Vorrichtung ein verlässliches Zeitsignal. Allerdings weist die erste Vorrichtung 100 keinen eigenen, zur Erzeugung eines hinreichend zuverlässigen und sicheren Zeitsignals ausgebildeten, Zeitgeber auf. Dadurch kann die erste Vorrichtung 100 einfach und kostengünstig ausgebildet sein.
• Das System 10 umfasst neben der ersten Vorrichtung 100 eine zweite Vorrichtung 200. Die zweite Vorrichtung 200 weist einen zweiten Zeitgeber 210 auf, der zur Erzeugung eines zuverlässigen und sicheren Zeitsignals ausgebildet ist. Der zweite Zeitgeber 210 der zweiten Vorrichtung 200 kann Normen für sicherheitskritische oder sicherheitsrelevante Anwendungen erfüllen. Der zweite Zeitgeber 210 kann beispielsweise redundant ausgebildet sein und über mindestens zwei Hardware-Timer verfügen.
• Die zweite Vorrichtung 200 des Systems 10 kann ein durch den zweiten Zeitgeber 210 der zweiten Vorrichtung 200 erzeugtes Zeitsignal an die erste Vorrichtung 100 des Systems 10 übermitteln. Hierzu sind die erste Vorrichtung 100 und die zweite Vorrichtung 200 des Systems 10 über eine Kommunikationsverbindung 300 miteinander verbunden. Die Kommunikationsverbindung 300 kann beispielsweise eine leitungsgebundene oder eine kabellose Kommunikationsverbindung sein. Die Kommunikationsverbindung 300 kann so ausgebildet sein, dass sicherheitsrelevante Anforderungen erfüllt sind. Beispielsweise kann die Kommunikationsverbindung 300 redundant ausgebildet sein und/oder eine Verwendung von Prüfsummen vorsehen.
• Die zweite Vorrichtung 200 kann über weitere Kommunikationsverbindungen mit weiteren Vorrichtungen des Systems 10 verbunden sein, um das von dem zweiten Zeitgeber 210 der zweiten Vorrichtung 200 erzeugte Zeitsignal auch den weiteren Vorrichtungen zu übermitteln.
• Die erste Vorrichtung 100 weist eine Einrichtung 120 zum Empfangen eines externen Zeitsignals auf. Die Einrichtung 120 ist dazu vorgesehen, das durch den zweiten Zeitgeber 210 der zweiten Vorrichtung 200 erzeugte und durch die zweite Vorrichtung 200 über die Kommunikationsverbindung 300 übermittelte Zeitsignal als externes Zeitsignal T_E zu empfangen.
• Die erste Vorrichtung 100 weist außerdem einen ersten Zeitgeber 110 auf. Der erste Zeitgeber 110 ist dazu ausgebildet, ein internes Zeitsignal T_I zu erzeugen. Der erste Zeitgeber 110 kann im Hinblick auf sicherheitsrelevante Erfordernisse schwächer ausgebildet sein als der zweite Zeitgeber 210 der zweiten Vorrichtung 200. Das durch den ersten Zeitgeber 110 erzeugte interne Zeitsignal T_I kann eine geringere Genauigkeit und eine geringere Konstanz als das externe Zeitsignal T_E aufweisen.
• Die Einrichtung 120 zum Empfangen des externen Zeitsignals T_E empfängt das externe Zeitsignal T_E lediglich zu diskreten Synchronisationszeitpunkten t_n. Diese Synchronisationszeitpunkte t_n können äquidistant, also mit jeweils gleichem zeitlichen Abstand zueinander, auftreten. Die Synchronisationszeitpunkte t_n können aber auch mit voneinander abweichenden zeitlichen Abständen auftreten.
• Die Vorrichtung 100 des Systems 10 kann zur Durchführung ihrer Aufgaben ein Zeitsignal auch zu Zeitpunkten benötigen, die zwischen zwei Synchronisationszeitpunkten t_n liegen. Der erste Zeitgeber 110 der ersten Vorrichtung 100 kann das interne Zeitsignal T_I in kurzen Intervallen auch zwischen den Synchronisationszeitpunkten t_n bereitstellen. Die Genauigkeit des internen Zeitsignals T_I kann für die durch die erste Vorrichtung 100 durchgeführten Aufgaben allerdings nicht ausreichend sein. Daher weist die erste Vorrichtung 100 eine Generatoreinrichtung 130 auf, die dazu ausgebildet ist, ein generiertes Zeitsignal T_G zu generieren, das das externe Zeitsignal T_E zwischen den Synchronisationszeitpunkten t_n approximiert.
• Die Approximation des externen Zeitsignals T_E durch das durch die Generatoreinrichtung 130 generierte Zeitsignal T_G beruht auf der Annahme, dass ein Fortschritt des durch den ersten Zeitgeber 110 der ersten Vorrichtung 100 erzeugten internen Zeitsignals T_I wenigestens über begrenzte Zeiträume hinweg proportional zu einem Fortschritt des externen Zeitsignals T_E ist. Insbesondere beruht die Approximation auf der Annahme, dass diese Proportionalität über einen Zeitraum von drei aufeinander folgenden Synchronisationszeitpunkten t_n bestehen bleibt.
• 2 zeigt ein schematisches erstes Zeitgeberdiagramm 400. Auf einer horizontalen Achse des ersten Zeitgeberdiagramms 400 ist eine fortschreitende Zeit 410 dargestellt. Auf einer vertikalen Achse des ersten Zeitgeberdiagramms 400 sind Zeitsignalwerte 420 aufgetragen. Ein erster Graph stellt den zeitlichen Fortschritt des externen Zeitsignals T_E dar. Ein zweiter Graph stellt den zeitlichen Fortschritt des internen Zeitsignals T_I dar.
• Das externe Zeitsignal T_E schreitet in linearer Weise fort. Der Zuwachs des externen Zeitsignals T_E ist konstant proportional zur tatsächlich vergangenen Zeit. Die Steigung des Graphen des externen Zeitsignals T_E in dem ersten Zeitgeberdiagramm 400 ist konstant. Insbesondere entspricht der Fortschritt des externen Zeitsignals T_E in einem Zeitraum zwischen dem letzten Synchronisationszeitpunkt t_n und einem Bestimmungszeitpunkt t_m, der zwischen den letzten Synchronisationszeitpunkt t_n und einem nächsten Synchronisationszeitpunkt t_n+1 liegt, dem Fortschrittt des externen Zeitsignals T_E in einem vorhergegangenen Zeitintervall zwischen einem vorletzten Synchronisationszeitpunkt t_n-1 und dem letzten Synchronisationszeitpunkt t_n. Damit gilt die Beziehung

  
• Der Wert T_E(t_m) des externen Zeitsignals T_E zu dem Bestimmungszeitpunkt t_m liegt der ersten Vorrichtung 100 nicht vor.
• Er soll daher durch das generierte Zeitsignal T_G approximiert werden.
• Für das interne Zeitsignal T_I kann angenommen werden, dass der zeitabhängige Fortschritt des internen Zeitsignals T_I seit dem letzten Synchronisationszeitpunkt t_n bis zum jetzigen Bestimmungszeitpunkt t_m mit gleicher Steigung abläuft, wie der Fortschritt des internen Zeitsignals T_I in dem vorhergegangenen Zeitintervall zwischen dem vorletzten Synchronisationszeitpunkt t_n-1 und dem letzten Synchronisationszeitpunkt t_n:

  
• Sind die Bedingungen (1) und (2) erfüllt, so lässt sich der Wert des externen Zeitsignals T_E zum Bestimmungszeitpunkt t_m ausdrücken als

  
• Diese Beziehung ermöglicht es, den Wert des externen Zeitsignals T_E zum Bestimmungszeitpunkt t_m aus den der ersten Vorrichtung 100 bekannten Werten des externen Zeitsignals T_E zu vorhergegangenen Synchronisationszeitpunkten t_n-1, t_n und den der ersten Vorrichtung 100 ohnehin bekannten Werten des internen Zeitsignals T_I zum Bestimmungszeitpunkt t_m und zu den vorangegangenen Synchronisationszeitpunkten t_n-1, t_n zu approximieren.
• An den Synchronisationszeitpunkten t_n ist der Wert des externen Zeitsignals T_E ohnehin bekannt. Somit kann die Generatoreinrichtung 130 der ersten Vorrichtung 100 das generierte Zeitsignal T_G wie folgt erzeugen:

  
• Zu den Synchronisationszeitpunkten t_n wird das generierte Zeitsignal T_G dem externen Zeitsignal T_E gleichgesetzt. Zu allen anderen Bestimmungszeitpunkten t_m approximiert das generierte Zeitsignal T_G das externe Zeitsignal T_E.
• 3 zeigt ein schematisches zweites Zeitgeberdiagramm 500. Auf einer horizontalen Achse des zweiten Zeitgeberdiagramms 500 ist die fortschreitende Zeit 410 dargestellt. Auf einer vertikalen Achse des zweiten Zeitgeberdiagramms 500 sind die Zeitsignalwerte 420 des internen Zeitsignals T_I, des externen Zeitsignals T_E und des generierten Zeitsignals T_G aufgetragen.
• In der beispielhaften Darstellung des zweiten Zeitgeberdiagramms 500 ist der Ablauf des durch den ersten Zeitgeber 110 der ersten Vorrichtung 100 erzeugten internen Zeitsignals T_I über einen langen Zeitraum nicht völlig konstant. Ungefähr zum Synchronisationszeitpunkt t_n verlangsamt sich der Ablauf des internen Zeitsignals T_I geringfügig gegenüber dem gestrichelt dargestellten Verlauf, der nach der Fortschrittsgeschwindigkeit des internen Zeitsignals T_I während der dem Synchronisationszeitpunkt t_n vorangegangenen Intervalle zu erwarten gewesen wäre.
• Wegen des verlangsamten Ablaufs des internen Zeitsignals T_I seit dem letzten Synchronisationszeitpunkt t_n liefert die Approximation des externen Zeitsignals T_E durch das generierte Zeitsignal T_G gemäß Gleichung (4) zum Bestimmungszeitpunkt t_m zwischen dem letzten Synchronisationszeitpunkt t_n und dem nächsten Synchronisationszeitpunkt t_n+1 einen Wert, der vom Wert des externen Zeitsignals T_E abweicht. Diese Abweichung wächst zwischen dem letzten Synchronisationszeitpunkt t_n und dem nächsten Synchronisationszeitpunkt t_n+1 an.
• Am nächsten Synchronisationszeitpunkt t_n+1 wird das generierte Zeitsignal T_G gemäß Gleichung (4) dem externen Zeitsignal T_E gleichgesetzt, sodass das generierte Zeitsignal T_G eine sprunghafte Korrektur 131 erfährt.
• Ab dem nächsten Synchronisationszeitpunkt t_n+1 verwendet die Approximation des externen Zeitsignals T_E durch das generierte Zeitsignal T_G gemäß Gleichung (4) die nun korrekte Steigung des internen Zeitsignals T_I zwischen dem letzten Synchronisationszeitpunkt t_n und dem nächsten Synchronisationszeitpunkt t_n+1, wodurch die Approximation des externen Zeitsignals T_E durch das generierte Zeitsignal T_G ab dem nächsten Synchronisationszeitpunkt t_n+1 wieder sehr genaue Werte liefert.
• Ein Vorteil der Approximation des externen Zeitsignals T_E durch das generierte Zeitsignal T_G gemäß Gleichung (4) besteht somit darin, dass langfristige Änderungen der Ablaufgeschwindigkeit des internen Zeitsignals T_I keine langfristigen Auswirkungen auf die Qualität der Approximation haben.
• Aus der Größe der Abweichung zwischen dem Wert des das externe Zeitsignal T_E approximierenden generierten Zeitsignals T_G und dem Wert des externen Zeitsignals T_E kann am Synchronisationszeitpunkt t_n+1 ein erster Gütewert G₁ berechnet werden:

  
• Der erste Gütewert G₁ weist idealerweise einen Wert nahe 0 auf. Überschreitet der Betrag des ersten Gütewerts G₁ einen festgelegten ersten Schwellwert S₁, so kann die Qualität und Genauigkeit des generierten Zeitsignals T_G für die Zwecke der ersten Vorrichtung 100 des Systems 10 unter Umständen nicht mehr ausreichen. In diesem Fall kann die erste Vorrichtung 100 ein Steuersignal erzeugen, das beispielsweise dazu dienen kann, mit der ersten Vorrichtung 100 des Systems 10 verbundene Einrichtungen und Anlagen in einen sicheren Zustand zu überführen. Die Überführung der Einrichtungen und Anlagen in einen sicheren Zustand kann ein Abschalten der Einrichtungen und Anlagen oder ein anderweitiges Überführen der Einrichtungen und Anlagen in einen unproduktiven Zustand umfassen. Das durch die erste Vorrichtung 100 erzeugte Steuersignal kann auch zur Erzeugung einer Störungsmeldung oder für eine andere Reaktion genutzt werden.
• Aus den Werten des generierten Zeitsignals T_G und des externen Zeitsignals T_E zu den Synchronisationszeitpunkten t_n-1, t_n, t_n+1 lässt sich außerdem ein zweiter Gütewert G₂ berechnen:

  
• Der zweite Gütewert G₂ gibt ein Maß der Proportionalität zwischen dem internen Zeitsignal T_I und dem externen Zeitsignal T_E an und sollte einen Wert möglichst nahe an 1 aufweisen. Die erste Vorrichtung 100 kann den zweiten Gütewert G₂ an den Synchronisationszeitpunkten t_n mit dem Wert 1 vergleichen. Falls der zweite Gütewert G₂ um mehr als einen festgelegten zweiten Schwellwert S₂ vom Wert 1 abweicht, so kann die erste Vorrichtung 100 ein Steuersignal erzeugen, das analog zu dem auf Grundlage des ersten Gütewerts G₁ erzeugten Steuersignal dazu genutzt werden kann, eine sichere Reaktion zu veranlassen.
• Zwischen den Synchronisationszeitpunkten t_n kann die Generatoreinrichtung 130 der ersten Vorrichtung 100 des Systems 10 die Plausibilität der Werte des generierten Zeitsignals T_G überprüfen. Zu jedem Bestimmungszeitpunkt t_m sollte der Wert des generierten Zeitsignals T_G größer oder zumindest gleich dem Wert des generierten Zeitsignals T_G zu einem vorherigen Bestimmungszeitpunkt t_m-1 sein. Aus Gleichung (4) ist erkennbar, dass diese Forderung gleichbedeutend mit der Forderung ist, dass der Wert des internen Zeitsignals T_I zu jedem Bestimmungszeitpunkt t_m größer oder gleich dem Wert des internen Zeitsignals T_I zu dem vorherigen Bestimmungszeitpunkt t_m-1 ist. Damit lässt sich ein dritter Gütewert G₃ definieren: G₃(t_m) = T_I(t_m) – T_I(t_m-1). (7)
• Der dritte Gütewert G₃ soll an jedem Bestimmungszeitpunkt t_m einen Wert aufweisen, der größer oder gleich 0 ist. Weist der dritte Gütewert G₃ einen Wert kleiner 0 auf, so kann die erste Vorrichtung 100 des Systems 10 darauf schließen, dass ein Fehler vorliegt und ein Steuersignal erzeugen, das beispielsweise dazu benutzt werden kann, eine sichere Reaktion einzuleiten.
• Die Berechnung des ersten Gütewerts G₁ und des zweiten Gütewerts G₂ vereinfacht sich, falls die Synchronisationszeitpunkte t_n äquidistant, also mit jeweils gleichem Zeitabstand, auftreten. In diesem Fall gilt t_n+1 – t_n = t_n – t_n-1. (8)
• Falls außerdem das externe Zeitsignal T_E mit konstanter Geschwindigkeit abläuft, so gilt zusätzlich: T_E(t_n+1) – T_E(t_n) = T_E(t_n) – T_E(t_n-1). (9)
• Die Berechnung des ersten Gütewerts G₁ vereinfacht sich dann nach Gleichungen (5), (8) und (9) zu

  
• Die Berechnung des zweiten Gütewerts G₂ vereinfacht sich nach Gleichungen (6), (8) und (9) zu

  
• Der erste Zeitgeber 110 der ersten Vorrichtung 100 des Systems 10 und/oder der zweite Zeitgeber 210 der zweiten Vorrichtung 200 des Systems 10 können als binäre Zähler mit endlicher Bitlänge ausgebildet sein. In diesem Fall können die Werte des internen Zeitsignals T_I und des externen Zeitsignals T_E überlaufen. Das durch den ersten Zeitgeber 110 der ersten Vorrichtung 100 erzeugte interne Zeitsignal T_I kann eine Bitlänge l_I aufweisen. Das durch den zweiten Zeitgeber 210 der zweiten Vorrichtung 200 erzeugte externe Zeitsignal T_E kann eine Bitlänge l_E aufweisen. Um mögliche Überläufe des internen Zeitsignals T_I und des externen Zeitsignals T_E zu berücksichtigen, kann die Berechnung des generierten Zeitsignals T_G, des ersten Gütewerts G₁, des zweiten Gütewerts G₂ und des dritten Gütewerts G₃ nach Gleichungen (4), (5), (6) und (7) wie folgt modifiziert werden:

  
• Dabei bezeichnet mod den Modulo-Operator.
• Bezugszeichenliste

10

System

100

erste Vorrichtung

110

erster Zeitgeber

120

Einrichtung zum Empfangen eines externen Zeitsignals

130

Generatoreinrichtung

131

Korrektur

200

zweite Vorrichtung

210

zweiter Zeitgeber

300

Kommunikationsverbindung

400

erster Zeitgeberdiagramm

410

Zeit

420

Zeitsignalwerte

500

zweites Zeitgeberdiagramm

t_n-1

vorletzter Synchronisationszeitpunkt

t_n

letzter Synchronisationszeitpunkt

t_n+1

nächster Synchronisationszeitpunkt

t_m

Bestimmungszeitpunkt

t_m-1

vorheriger Bestimmungszeitpunkt

T_I

internes Zeitsignal

T_E

externes Zeitsignal

T_G

generiertes Zeitsignal

G₁

erster Gütewert

G₂

zweiter Gütewert

G₃

dritter Gütewert

S₁

erster Schwellwert

S₂

zweiter Schwellwert

l_I

Bitlänge des internen Zeitsignals

l_E

Bitlänge des externen Zeitsignals

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• „Zeitsynchronisation“, Stephan Schmidt, Hauptseminar Kommunikationsstandards in der Medizintechnik, Institut für Telematik, Universität zu Lübeck, 2010 [0004]

Claims (15)

1. Vorrichtung (100) mit einem ersten Zeitgeber (110) zum Erzeugen eines internen Zeitsignals (T_I), mit einer Einrichtung (120) zum Empfangen eines externen Zeitsignals (T_E) zu diskreten Synchronisationszeitpunkten (t_n-1, t_n, t_n+1), und mit einer Generatoreinrichtung (130) zum Erzeugen eines generierten Zeitsignals (T_G), die dazu ausgebildet ist, das generierte Zeitsignal (T_G) zu einem Bestimmungszeitpunkt (t_m) zwischen zwei Synchronisationszeitpunkten (t_n, t_n+1) nach einer Berechnungsvorschrift aus einem Wert des externen Zeitsignals (T_E) zu einem vorhergegangenen Synchronisationszeitpunkt (t_n) und einem Wert des internen Zeitsignals (T_I) zum Bestimmungszeitpunkt (t_m) zu berechnen, wobei die Berechnungsvorschrift eine Annahme einer Proportionalität zwischen einem Fortschritt des internen Zeitsignals (T_I) und einem Fortschritt des externen Zeitsignals (T_E) umfasst.
2. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Generatoreinrichtung ausgebildet ist, das generierte Zeitsignal (T_G) zu den Synchronisationszeitpunkten (t_n-1, t_n, t_n+1) dem externen Zeitsignal (T_E) gleichzusetzen.
3. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Berechnungsvorschrift die Annahme umfasst, dass ein Verhältnis von Fortschritten des externen Zeitsignals (T_E) und des internen Zeitsignals (T_I) zwischen dem letzten Synchronisationszeitpunkt (t_n) und dem Bestimmungszeitpunkt (t_m) einem Verhältnis von Fortschritten des externen Zeitsignals (T_E) und des internen Zeitsignals (T_I) zwischen dem vorletzten Synchronisationszeitpunkt (t_n-1) und dem letzten Synchronisationszeitpunkt (t_n) entspricht.
4. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 3, wobei die Berechnungsvorschrift ausgebildet ist, das generierte Zeitsignal (T_G) zu dem Bestimmungszeitpunkt (t_m) als Summe eines Werts des externen Zeitsignals (T_E) zum letzten Synchronisationszeitpunkt (t_n) und eines Produkts aus dem Fortschritt des internen Zeitsignals (T_I) zwischen dem letzten Synchronisationszeitpunkt (t_n) und dem Bestimmungszeitpunkt (t_m) und dem Verhältnis des Fortschritts des externen Zeitsignals (T_E) zwischen dem vorletzten Synchronisationszeitpunkt (t_n-1) und dem letzten Synchronisationszeitpunkt (t_n) zu dem Fortschritt des internen Zeitsignals (T_I) zwischen dem vorletzten Synchronisationszeitpunkt (t_n-1) und dem letzten Synchronisationszeitpunkt (t_n) zu berechnen.
5. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Generatoreinrichtung (130) ausgebildet ist, einen Überlauf des Werts des externen Zeitsignals (T_E) und/oder des Werts des internen Zeitsignals (T_I) zu berücksichtigen.
6. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Generatoreinrichtung (130) ausgebildet ist, zu einem Synchronisationszeitpunkt (t_n+1) einen ersten Gütewert (G₁) zu berechnen, wobei der erste Gütewert (G₁) als Differenz aus dem nach der Berechnungsvorschrift für den Synchronisationszeitpunkt (t_n+1) berechneten Wert des generierten Zeitsignals (T_G) und dem Wert des externen Zeitsignals (T_E) zu dem Synchronisationszeitpunkt (t_n+1) berechnet wird.
7. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, wobei die Vorrichtung (100) ausgebildet ist, ein Steuersignal zu erzeugen, falls der erste Gütewert (G₁) sich um mehr als einen festgelegten ersten Schwellwert (S₁) vom Wert Null unterscheidet.
8. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Generatoreinrichtung (130) ausgebildet ist, zu einem Synchronisationszeitpunkt (t_n+1) einen zweiten Gütewert (G₂) zu berechnen, wobei der zweite Gütewert (G₂) als Produkt aus dem Verhältnis des Fortschritts des internen Zeitsignals (T_I) zwischen dem letzten Synchronisationszeitpunkt (t_n) und dem gegenwärtigen Synchronisationszeitpunkt (t_n+1) zu dem Fortschritt des internen Zeitsignals (T_I) zwischen dem vorletzten Synchronisationszeitpunkt (t_n-1) und dem letzten Synchronisationszeitpunkt (t_n) und dem Verhältnis des Fortschritts des externen Zeitsignals (T_E) zwischen dem vorletzten Synchronisationszeitpunkt (t_n-1) und dem letzten Synchronisationszeitpunkt (t_n) zu dem Fortschritt des externen Zeitsignals (T_E) zwischen dem letzten Synchronisationszeitpunkt (t_n) und dem gegenwärtigen Synchronisationszeitpunkt (t_n+1) berechnet wird.
9. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 8, wobei die Vorrichtung (100) ausgebildet ist, ein Steuersignal zu erzeugen, falls der zweite Gütewert (G₂) sich um mehr als einen festgelegten zweiten Schwellwert (S₂) vom Wert Eins unterscheidet.
10. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Generatoreinrichtung (130) ausgebildet ist, zu dem Bestimmungszeitpunkt (t_m) einen dritten Gütewert (G₃) zu berechnen, wobei der dritte Gütewert (G₃) als Differenz zwischen dem Wert des internen Zeitsignals (T_I) zu dem Bestimmungszeitpunkt (t_m) und einem Wert des internen Zeitsignals (T_I) zu einem vorhergegangenen Bestimmungszeitpunkt (t_m-1) berechnet wird.
11. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 10, wobei die Vorrichtung (100) ausgebildet ist, ein Steuersignal zu erzeugen, falls der dritte Gütewert (G₃) nicht größer oder gleich Null ist.
12. System (10) mit einer ersten Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einer zweiten Vorrichtung (200), die einen zweiten Zeitgeber (210) aufweist, wobei die zweite Vorrichtung (200) ausgebildet ist, ein von dem zweiten Zeitgeber (210) erzeugtes Zeitsignals als externes Zeitsignal (T_E) an die erste Vorrichtung (100) zu übermitteln.
13. System (10) gemäß Anspruch 12, wobei der zweite Zeitgeber (210) redundant ausgebildet ist.
14. System (10) gemäß einem der Ansprüche 12 und 13, wobei die erste Vorrichtung (100) und die zweite Vorrichtung (200) über eine Kommunikationsverbindung (300) miteinander verbunden sind.
15. System (10) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das System (10) ausgebildet ist, das von dem zweiten Zeitgeber (210) erzeugte Zeitsignal zu äquidistanten Synchronisationszeitpunkten (t_n-1, t_n, t_n+1) als externes Zeitsignal (T_E) an die erste Vorrichtung (100) zu übermitteln.

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