DE102018219679A1 - Device and method for controlling an automated system, with at least one control device having a local clock for controlling a local actuator and a central timer - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer automatisierten Anlage, mit mindestens einem eine lokale Uhr aufweisenden Steuerungsgerät zur Ansteuerung eines lokalen Aktors sowie einem zentralen Zeitgeber. Diese soll eine Reduzierung der Kosten und der Komplexität bei Realisierung solcher Systeme ermöglichen. Dies wird in vorrichtungsorientierter Hinsicht erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Steuerungsgerät wiederholte Triggernachrichten an den zentralen Zeitgeber versendet, wobei das Steuerungsgerät beim Senden der Triggernachricht einen ersten Lokalzeitpunkt bestimmt, der zentrale Zeitgeber beim Empfang der Triggernachricht eine Antwortnachricht an das Steuerungsgerät versendet, wobei der zentrale Zeitgeber einen Zentralzeitpunkt bestimmt und in die Antwortnachricht integriert, das Steuerungsgerät einen Zeitdifferenzwert zwischen Lokalzeitpunkt und Zentralzeitpunkt ermittelt sowie den lokalen Aktor in Abhängigkeit vom Zeitdifferenzwert ansteuert.The invention relates to a device and a method for controlling an automated system, with at least one control device having a local clock for controlling a local actuator and a central timer. This should enable a reduction in costs and complexity when implementing such systems. In device-oriented terms, this is achieved according to the invention in that the control device sends repeated trigger messages to the central timer, the control device determining a first local time when the trigger message is sent, and the central timer sending a response message to the control device when the trigger message is received, the central timer determines a central point in time and integrates it into the response message, the control device determines a time difference value between the local point in time and the central point in time and controls the local actuator as a function of the time difference value.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer automatisierten Anlage, mit mindestens einem eine lokale Uhr aufweisenden Steuerungsgerät zur Ansteuerung eines lokalen Aktors sowie einem zentralen Zeitgeber.The invention relates to a device and a method for controlling an automated system, with at least one control device having a local clock for controlling a local actuator and a central timer.

Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dezentrale automatisierte Anlagen, deren Steuerung eine Systemzeit benötigt, mittels eines Funksignals zu synchronisieren. So werden beispielsweise die meisten funkgesteuerten Uhren in Westeuropa mittels eines von einem sogenannten „Zeitzeichensender“ ausgesendeten Langwellen-Signals mit einer Trägerfrequenz von 77,5 MHz mit der in Deutschland jeweils geltenden Uhrzeit versorgt und auf diese Weise synchronisiert. Dieses Verfahren ist unter dem internationalen Rufzeichen dieses Senders „DCF77“ bekannt. Ein solches Funksignal kann jedoch keine Anlagen erreichen, die sich tief im Innern von größeren Gebäuden befinden, da die Funksignale beispielsweise durch Metallkonstruktionen oder Eisenbewehrungen in Betonbauteilen abgeschirmt werden könnten. Für solche Anlagen müssen nach gegenwärtigem Stand der Technik kabelbasierte Datenübertragungssysteme genutzt werden, deren Installation in Gebäuden jedoch mit hohen Kosten verbunden ist.It is known from the prior art to synchronize decentralized automated systems, the control of which requires a system time, by means of a radio signal. For example, most radio-controlled clocks in Western Europe are supplied with a long-wave signal with a carrier frequency of 77.5 MHz by a so-called "time signal transmitter" with the current time in Germany and thus synchronized. This procedure is known under the international callsign of this transmitter "DCF77". However, such a radio signal cannot reach systems that are located deep inside larger buildings, since the radio signals could be shielded, for example, by metal structures or iron reinforcements in concrete components. According to the current state of the art, cable-based data transmission systems must be used for such systems, but their installation in buildings is associated with high costs.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer automatisierten Anlage, mit mindestens einem eine lokale Uhr aufweisenden Steuerungsgerät zur Ansteuerung eines lokalen Aktors sowie einem zentralen Zeitgeber, bereitzustellen, welche einfacher und kostengünstiger zu realisieren ist.The invention is therefore based on the object of providing a device and a method for controlling an automated system with at least one control device having a local clock for controlling a local actuator and a central timer, which can be implemented more easily and more cost-effectively.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsorientiert in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass das Steuerungsgerät wiederholte Triggernachrichten an den zentralen Zeitgeber versendet, wobei das Steuerungsgerät beim Senden der Triggernachricht einen ersten Lokalzeitpunkt bestimmt, der zentrale Zeitgeber beim Empfang der Triggernachricht eine Antwortnachricht an das Steuerungsgerät versendet, wobei der zentrale Zeitgeber einen Zentralzeitpunkt bestimmt und in die Antwortnachricht integriert, das Steuerungsgerät einen Zeitdifferenzwert zwischen Lokalzeitpunkt und Zentralzeitpunkt ermittelt sowie den lokalen Aktor in Abhängigkeit vom Zeitdifferenzwert ansteuert. Die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung vergleicht den gespeicherten Lokalzeitpunkt des Sendevorgangs der Triggernachricht mit dem in Form eines Zeitstempels der zugehörigen Antwortnachricht zurückgesendeten Zentralzeitpunkt und wendet die Differenz beider Zeitstempel auf die interne Zeitmessung der Steuerungsvorrichtung an, wobei die lokale Uhr der Steuerungsvorrichtung um diesen Zeitdifferenzwert nachjustiert wird.
Auf diese Weise ist eine Steuerung der lokalen Uhr der automatisierten Anlage von einem zentralen Zeitgeber aus mittels Funkübertragung unter Nutzung des LoRaWAN-Standards möglich. Unter LoRaWAN („Long Range Wide Area Network“) versteht der Fachmann einen Standard zur energieeffizienten Datenübertragung über ein drahtloses Netzwerk gemäß der von der sog. „LoRa Alliance“ festgelegten Spezifikationen. Der LoRaWAN-Standard ist aus dem Stand der Technik bekannt und erreicht hohe Reichweiten bei zugleich geringem Energieverbrauch der an der Datenübertragung beteiligten Endgeräte. Allerdings ist dieser Datenübertragungsstandard nicht zur zeitgenauen Justierung von Uhren geeignet, da er systemimmanente Latenzen bzw. Verzögerungen aufweist, die sich durchaus im Bereich von Sekunden bewegen können. Aus diesem Grund ist es beispielsweise nicht möglich, die aus anderen Datenübertragungssystemen bekannten Messungen der Round-Trip-Time eines Triggersignals als Grundlage für eine Zeitsynchronisierung zu nutzen. Abweichend hiervon basiert die Erfindung auf der Grundidee, die Messungen der Zeiten sowie die Ermittlung des Zeitdifferenzwertes in das Netzwerk zu verlagern. Die Erfindung macht sich dabei zu Nutze, dass die Signallaufzeit der Triggernachricht zwischen dem Steuerungsgerät (bzw. LoRaWAN-Knoten) und dem zentralen Zeitgeber (bzw. LoRaWAN-Gateway) im Bereich von wenigen Nanosekunden liegt und bei der Nachjustierung bzw. der Ermittlung des Zeitdifferenzwertes vernachlässigbar ist. Zudem können Steuerungsgerät und zentraler Zeitgeber derart ausgelegt werden, dass die dort auftretenden Verarbeitungszeiten konstant sind, so dass hierdurch bedingte Zeitdifferenzen als bekannte Konstanten in den Algorithmen berücksichtigbar sind und die erfindungsgemäß ermittelten Lokal- und Zentralzeitpunkte auf einfache Weise um diese Einflüsse aus Verarbeitungszeiten korrigierbar sind.
Eine solche Steuerungsvorrichtung ist in besonders vorteilhafter Weise zur Steuerung von Uhren-Anlagen geeignet, bei denen eine Mehrzahl von räumlich verteilten Uhren („Client“) durch eine zentrale Uhr („Gateway“) mit einer korrekten Uhrzeit versorgt wird. Jede Client-Uhr weist ein Uhrwerk auf, dessen Ganggenauigkeit durch die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung in einfacher und kostengünstiger Weise nachjustierbar ist. Dabei ist der auf das Uhrwerk (beispielsweise im Abstand von jeweils 60 Sekunden) einwirkende Weiterschaltungsimpuls als Aktor im Sinne der Erfindung zu verstehen. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Konzept aber auch auf sämtliche andere automatisierte Anlagen anwendbar, bei denen räumlich verteilte Aktoren mittels einer Systemzeit gesteuert werden müssen.According to the invention, this object is achieved in a device-oriented manner in connection with the preamble of patent claim 1 in that the control device sends repeated trigger messages to the central timer, the control device determining a first local time when the trigger message is sent, and the central timer sending a response message to that when the trigger message is received Control device sends, the central timer determines a central point in time and integrated in the response message, the control device determines a time difference value between local time and central time and controls the local actuator depending on the time difference value. The control device according to the invention compares the stored local time of the transmission of the trigger message with the central time sent back in the form of a time stamp of the associated response message and applies the difference between the two time stamps to the internal time measurement of the control device, the local clock of the control device being readjusted by this time difference value.
In this way, the local clock of the automated system can be controlled from a central timer using radio transmission using the LoRaWAN standard. LoRaWAN ("Long Range Wide Area Network") is understood by the specialist to be a standard for energy-efficient data transmission over a wireless network in accordance with the specifications defined by the "LoRa Alliance". The LoRaWAN standard is known from the state of the art and achieves long ranges with low energy consumption of the end devices involved in the data transmission. However, this data transmission standard is not suitable for the precise adjustment of clocks because it has system-inherent latencies or delays that can be in the range of seconds. For this reason it is not possible, for example, to use the measurements of the round trip time of a trigger signal known from other data transmission systems as the basis for time synchronization. In deviation from this, the invention is based on the basic idea of moving the measurements of the times and the determination of the time difference value into the network. The invention makes use of the fact that the signal runtime of the trigger message between the control device (or LoRaWAN node) and the central timer (or LoRaWAN gateway) is in the range of a few nanoseconds and in the readjustment or the determination of the time difference value is negligible. In addition, the control device and the central timer can be designed in such a way that the processing times occurring there are constant, so that time differences resulting therefrom can be taken into account as known constants in the algorithms and the local and central times determined according to the invention can be easily corrected for these influences from processing times.
Such a control device is particularly advantageously suitable for controlling clock systems in which a plurality of spatially distributed clocks (“client”) is supplied with a correct time by a central clock (“gateway”). Each client watch has a clockwork, the accuracy of which can be readjusted in a simple and inexpensive manner by the control device according to the invention. In this case, the relaying impulse acting on the clockwork (for example at intervals of 60 seconds) is to be understood as an actuator in the sense of the invention. In addition, the concept according to the invention is also applicable to all other automated systems in which spatially distributed actuators have to be controlled by means of a system time.

Die erfinderische Idee wird in besonders wirksamer Weise dadurch unterstützt, dass das Steuerungsgerät eine Mehrzahl von Zeitdifferenzwerten zwischen zeitlich aufeinander folgenden Lokalzeitpunkten und hierzu korrespondierenden Zentralzeitpunkten ermittelt sowie den lokalen Aktor in Abhängigkeit vom Mittelwert der Zeitdifferenzwerte ansteuert. Auf diese Weise wird nicht nur eine Zeitangabe, sondern auch der Gangfehler des zentralen Zeitgebers (bzw. der zentralen Uhr) ermittelt (und somit eine „absolute Zeit“ bestimmt) und für die Ansteuerung des lokalen Aktors nutzbar gemacht. Dies ermöglicht den Einsatz preislich günstigerer, aber ungenauer funktionierender Hardware-Bauteile beim zentralen Zeitgeber.
So ist es beispielsweise besonders vorteilhaft, wenn solange Triggernachrichten in einem zeitlichen Abstand von 60 Sekunden versendet werden, bis drei Antwortnachrichten mit Zeitstempel vorliegen, deren durchschnittlicher Zeitdifferenzwert sodann für die Zeitsynchronisation der lokalen Uhr der Steuerungsvorrichtung nutzbar ist. The inventive idea is supported in a particularly effective manner in that the control device determines a plurality of time difference values between successive local times and corresponding central times and controls the local actuator as a function of the mean value of the time difference values. In this way, not only a time specification, but also the gear error of the central timer (or the central clock) is determined (and thus an “absolute time” is determined) and made usable for the control of the local actuator. This enables the use of less expensive, but inaccurate, functioning hardware components in the central timer.
For example, it is particularly advantageous if trigger messages are sent at a time interval of 60 seconds until three response messages with a time stamp are available, whose average time difference value can then be used for time synchronization of the local clock of the control device.

Die Erfindung umfasst auch ein gattungsgemäßes Verfahren, bei dem das Steuerungsgerät wiederholte Triggernachrichten an den zentralen Zeitgeber versendet, wobei das Steuerungsgerät beim Senden der Triggernachricht einen ersten Lokalzeitpunkt bestimmt, der zentrale Zeitgeber beim Empfang der Triggernachricht eine Antwortnachricht an das Steuerungsgerät versendet, wobei der zentrale Zeitgeber einen Zentralzeitpunkt bestimmt und in die Antwortnachricht integriert, das Steuerungsgerät einen Zeitdifferenzwert zwischen Lokalzeitpunkt und Zentralzeitpunkt ermittelt sowie den lokalen Aktor in Abhängigkeit vom Zeitdifferenzwert ansteuert.The invention also encompasses a generic method in which the control device sends repeated trigger messages to the central timer, the control device determining a first local time when the trigger message is sent, and the central timer sending a response message to the control device when the trigger message is received, the central timer determines a central point in time and integrates it into the response message, the control device determines a time difference value between the local point in time and the central point in time and controls the local actuator as a function of the time difference value.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The present invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.

Die erfindungsgemäß zu steuernde Vorrichtung umfasst eine innerhalb eines größeren Gebäudes, z.B. eines Bahnhofsgebäudes, angeordnete dezentrale Uhr, welche über eine Zentraluhr mit der korrekten Zeit, d.h. der gesetzlich am Ort des Gebäudes geltenden Zeitangabe, versorgt wird. Die dezentrale Uhr verfügt über ein Uhrwerk, das mit einem Steuerungsgerät bzw. Controller signaltechnisch gekoppelt ist, welcher zugleich als Datenfunk-Modul nach dem sog. LoRaWAN-Standard (= „Long Range Wide Area Network“) ausgeführt und zum Empfangen bzw. Senden von Nachrichten eingerichtet ist. Das Steuerungsgerät gibt an die dezentrale Uhr im Abstand von jeweils 60 Sekunden einen sekundengenauen Impuls zur Weiterschaltung von dessen Uhrwerk um eine Minute. Zur Vermeidung von Ungenauigkeiten ist in größeren zeitlichen Abständen eine wiederkehrende Synchronisation mit einer von einer zentralen Uhr bereitgestellten korrekten Zeit erforderlich. Die Zeitsynchronisation ist beispielsweise erforderlich, wenn die Uhrzeit bei der dezentralen Uhr unbekannt ist (z.B. nach Neuinstallation oder temporärer Abschaltung) oder die letzte erfolgreiche Synchronisierung der dezentralen Uhr so lange zurückliegt, dass ein Abweichen des Gangfehlers der zentralen Uhr von einem akzeptierten Grenzwert befürchtet werden muss. Die Vorrichtung kann auch derart ausgelegt sein, dass die Zentraluhr ein Aufforderungs-Signal zur Durchführung einer Zeitsynchronisation an die dezentrale Uhr übermitteln kann.The device to be controlled according to the invention comprises one within a larger building, e.g. of a station building, arranged decentralized clock, which with a central clock with the correct time, i.e. the time specified by law at the location of the building is supplied. The decentralized clock has a clockwork that is signal-linked to a control device or controller, which is also designed as a data radio module according to the so-called LoRaWAN standard (= "Long Range Wide Area Network") and for receiving or sending Messages is set up. The control device gives the decentralized clock a 60 second pulse every second to advance its clockwork by one minute. In order to avoid inaccuracies, a recurring synchronization with a correct time provided by a central clock is required at larger intervals. Time synchronization is required, for example, if the time of the decentralized clock is unknown (e.g. after a new installation or temporary shutdown) or if the decentralized clock was last successfully synchronized long enough to fear that the clock error of the central clock will deviate from an accepted limit . The device can also be designed such that the central clock can transmit a request signal for performing time synchronization to the decentralized clock.

Zur Durchführung einer erfindungsgemäßen Zeitsynchronisierung sendet das Steuerungsgerät in regelmäßigen zeitlichen Abständen (von z.B. 60 Sekunden) jeweils eine Triggernachricht in Form einer Zeitsynchronisations-Anfrage an die zentrale Uhr. Dabei speichert das Steuerungsgerät für jede einzelne Triggernachricht sowohl eine eindeutige Sequenznummer sowie den Zeitpunkt, zu dem der Sendevorgang beendet war (nachfolgend als „Lokalzeitpunkt“ bezeichnet). Die zentrale Uhr der Steuerungsvorrichtung quittiert den Empfang der Triggernachricht durch Rücksenden einer Antwortnachricht an das Steuerungsgerät, wobei in die Antwortnachricht sowohl ein Zeitstempel über den Empfangszeitpunkt der Triggernachricht (nachfolgend als „Zentralzeitpunkt“ bezeichnet) als auch die zugehörige Sequenznummer integriert wird. Zu übereinstimmenden Sequenznummern ermittelt das Steuerungsgerät einen Zeitdifferenzwert zwischen den Zeitstempeln des Lokalzeitpunkts sowie des Zentralzeitpunkts. Die Aussendung der Zeitsynchronisations-Abfrage wird solange wiederholt bis zu drei aufeinander folgenden Sequenznummern jeweils ein Zeitstempel der zentralen Uhr vorliegt. In nachfolgender Tabelle sind beispielhaft drei aufeinanderfolgende Sequenzen mit den Zeitstempeln für den Lokalzeitpunkt sowie den Zentralzeitpunkt angegeben (wobei als Maßeinheit für die Zeitstempel die „Anzahl Millisekunden seit 1970“ verwendet wird): Sequenznummer Lokalzeitpunkt Zentralzeitpunkt Zeitdifferenzwert 1 10.000 9.500 -500 ms 2 16.000 15.600 -400 ms 3 32.000 31.400 -600 ms To carry out a time synchronization according to the invention, the control device sends a trigger message in the form of a time synchronization request to the central clock at regular time intervals (for example, 60 seconds). The control device saves a unique sequence number for each individual trigger message as well as the time at which the sending process was ended (hereinafter referred to as “local time”). The central clock of the control device acknowledges receipt of the trigger message by sending back a response message to the control device, with both a time stamp about the time of receipt of the trigger message (hereinafter referred to as “central time”) and the associated sequence number being integrated into the response message. If the sequence numbers match, the control device determines a time difference value between the time stamps of the local time and the central time. The transmission of the time synchronization query is repeated until a time stamp of the central clock is present for up to three consecutive sequence numbers. In the table below, three consecutive sequences with the time stamps for the local time and the central time are given as an example (the "number of milliseconds since 1970" being used as the unit of measurement for the time stamp): Sequence number Local time Central time Time difference value 1 10,000 9,500 -500 ms 2nd 16,000 15,600 -400 ms 3rd 32,000 31,400 -600 ms

Der durchschnittliche Zeitdifferenzwert über alle aufeinander folgenden Sequenzen 1 bis 3 beträgt -500 ms. Somit erfolgt eine Ansteuerung des Uhrwerks der dezentralen Uhr um -500 ms; d.h. die dezentrale Uhr wird um 500 ms zurückgestellt.The average time difference value over all successive sequences 1 to 3 is -500 ms. The clockwork of the decentralized clock is thus controlled by -500 ms; i.e. the decentralized clock is reset by 500 ms.

Claims (4)

Vorrichtung zum Steuern einer automatisierten Anlage, mit mindestens einem eine lokale Uhr aufweisenden Steuerungsgerät zur Ansteuerung eines lokalen Aktors sowie einem zentralen Zeitgeber, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungsgerät wiederholte Triggernachrichten an den zentralen Zeitgeber versendet, wobei das Steuerungsgerät beim Senden der Triggernachricht einen ersten Lokalzeitpunkt bestimmt, der zentrale Zeitgeber beim Empfang der Triggernachricht eine Antwortnachricht an das Steuerungsgerät versendet, wobei der zentrale Zeitgeber einen Zentralzeitpunkt bestimmt und in die Antwortnachricht integriert, das Steuerungsgerät einen Zeitdifferenzwert zwischen Lokalzeitpunkt und Zentralzeitpunkt ermittelt sowie den lokalen Aktor in Abhängigkeit vom Zeitdifferenzwert ansteuert.Device for controlling an automated system, with at least one control device having a local clock for controlling a local actuator and a central timer, characterized in that the control device sends repeated trigger messages to the central timer, the control device determining a first local time when the trigger message is sent , the central timer sends a response message to the control device when the trigger message is received, the central timer determining a central time and integrating it into the response message, the control device determining a time difference value between the local time and the central time and controlling the local actuator as a function of the time difference value. Vorrichtung zum Steuern einer automatisierten Anlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungsgerät eine Mehrzahl von Zeitdifferenzwerten zwischen zeitlich aufeinander folgenden Lokalzeitpunkten und hierzu korrespondierenden Zentralzeitpunkten ermittelt sowie den lokalen Aktor in Abhängigkeit vom Mittelwert der Zeitdifferenzwerte ansteuert.Device for controlling an automated system Claim 1 , characterized in that the control device determines a plurality of time difference values between successive local times and corresponding central times and controls the local actuator as a function of the mean value of the time difference values. Verfahren zum Steuern einer automatisierten Anlage, mit mindestens einem eine lokale Uhr aufweisenden Steuerungsgerät zur Ansteuerung eines lokalen Aktors sowie einem zentralen Zeitgeber, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungsgerät wiederholte Triggernachrichten an den zentralen Zeitgeber versendet, wobei das Steuerungsgerät beim Senden der Triggernachricht einen ersten Lokalzeitpunkt bestimmt, der zentrale Zeitgeber beim Empfang der Triggernachricht eine Antwortnachricht an das Steuerungsgerät versendet, wobei der zentrale Zeitgeber einen Zentralzeitpunkt bestimmt und in die Antwortnachricht integriert, das Steuerungsgerät einen Zeitdifferenzwert zwischen Lokalzeitpunkt und Zentralzeitpunkt ermittelt sowie den lokalen Aktor in Abhängigkeit vom Zeitdifferenzwert ansteuert.Method for controlling an automated system, with at least one control device having a local clock for controlling a local actuator and a central timer, characterized in that the control device sends repeated trigger messages to the central timer, the control device determining a first local time when the trigger message is sent , the central timer sends a response message to the control device when the trigger message is received, the central timer determining a central time and integrating it into the response message, the control device determining a time difference value between the local time and the central time and controlling the local actuator as a function of the time difference value. Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem Datenträger gespeichert ist und dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach Patentanspruch 3 auszuführen, wenn der Programmcode auf dem Steuerungsgerät ausgeführt wird.Computer program with program code, which is stored on a data carrier and is designed to implement a method Claim 3 to be executed when the program code is executed on the control device.
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