DE102021134326A1

DE102021134326A1 - Verfahren zur zeitlichen Synchronisation eines Empfängers mit einem Absender

Info

Publication number: DE102021134326A1
Application number: DE102021134326.7A
Authority: DE
Inventors: Volker Frey; Tanja Haag
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur zeitlichen Synchronisation eines Empfängers (EM) mit einem Absender (AB), wobei der Empfänger (EM) mit dem Absender (AB) über ein Kommunikationsnetzwerk (KN) in Kommunikationsverbindung steht, wobei der Absender (AB) eine erste Zeiterfassungseinheit (CK1) aufweist, und wobei der Empfänger (EM) eine zweite Zeiterfassungseinheit (CK2) aufweist, umfassend:- Generieren und Aussenden einer Abfolge (P(n), P(n+1)) von Telegrammen von dem Absender (AB) an den Empfänger (EM) über das Kommunikationsnetzwerk (KN), wobei die Abfolge (P(n), P(n+1)) drei oder mehr Telegramme umfasst, wobei die Telegramme nacheinander in unregelmäßigen Zeitabständen ausgesendet werden, und wobei die Intervalle jeweils eine Identifikation des Empfängers (EM) und einen Zeitstempel der ersten Zeiterfassungseinheit (CK1) zum Zeitpunkt des Erstellens des jeweiligen Telegramms umfassen;- Empfangen der Telegramme durch den Empfänger (EM), wobei der Empfänger (EM) jedem der Telegramme einen Zeitpunkt des Empfangens anhand der zweiten Zeiterfassungseinheit (CK2) zuordnet; und- Zeitliches Abgleichen der zweiten Zeiterfassungseinheit (CK2) mit der ersten Zeiterfassungseinheit (CK1) durch den Empfänger (EM) anhand der empfangenen Telegramme und deren zugeordneten Zeitpunkten des Empfangens, sowie ein System, welches zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeitlichen Synchronisation eines Empfängers mit einem Absender, wobei der Empfänger mit dem Absender über ein Kommunikationsnetzwerk in Kommunikationsverbindung steht, wobei der Absender eine erste Zeiterfassungseinheit aufweist, und wobei der Empfänger eine zweite Zeiterfassungseinheit aufweist.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Automatisierungskomponenten bekannt geworden, die in industriellen Anlagen zum Einsatz kommen. Beispielsweise werden Feldgeräte als Automatisierungskomponenten eingesetzt, welche in der Prozessautomatisierungstechnik ebenso wie in der Fertigungsautomatisierungstechnik zum Einsatz kommen. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, welche prozessnah eingesetzt werden und welche prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. So werden Feldgeräte zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen verwendet. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Messgeräte, bzw. Sensoren. Diese werden beispielsweise zur Druck- und Temperaturmessung, Leitfähigkeitsmessung, Durchflussmessung, pH-Messung, Füllstandmessung, etc. verwendet und erfassen die entsprechenden Prozessvariablen Druck, Temperatur, Leitfähigkeit, pH-Wert, Füllstand, Durchfluss etc. Zur Beeinflussung von Prozessgrößen werden Aktoren verwendet. Diese sind beispielsweise Pumpen oder Ventile, die den Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohr oder den Füllstand in einem Behälter beeinflussen können. Neben den zuvor genannten Feldgeräten werden unter Automatisierungskomponenten auch Gateways, Edge Devices, Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
Eine Vielzahl solcher Automatisierungskomponenten wird von der Endress+Hauser-Gruppe produziert und vertrieben.
In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über Kommunikationsnetzwerke wie beispielsweise Feldbusse (Profibus^®, Foundation^® Fieldbus, HART^®, etc.) mit übergeordneten Einheiten verbunden. Normalerweise handelt es sich bei den übergeordneten Einheiten um Leitsysteme (DCS) bzw. Steuereinheiten, wie beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung). Die übergeordneten Einheiten dienen unter anderem zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte. Die von den Feldgeräten, insbesondere von Sensoren, erfassten Messdaten werden über das jeweilige Bussystem an eine (oder gegebenenfalls mehrere) übergeordnete Einheit(en) übermittelt. Daneben ist auch eine Datenübertragung von der übergeordneten Einheit über das Bussystem an die Feldgeräte erforderlich, insbesondere zur Konfiguration und Parametrierung von Feldgeräten sowie zur Ansteuerung von Aktoren.
Im Zuge der Industrie 4.0, bzw. IIoT („Industrial Internet of Things“) werden die von den Feldgeräten erzeugten Daten auch häufig direkt aus dem Feld mithilfe sogenannter Datenumsetzungseinheiten erhoben, welche beispielsweise als „Edge Devices“ oder „Cloud Gateways“ bezeichnet werden und ebenfalls als Automatisierungskomponenten klassifiziert werden, und über einen zweiten Datenkanal automatisiert an eine zentrale cloudfähige Datenbank (auch vereinfacht „Cloud“ genannt) übermittelt. Alternativ übermitteln die Feldgeräte ihre Daten mithilfe von integrierten Funkeinheiten oder zusätzlich angeschlossenen Funkmodulen, insbesondere per Mobilfunkverbindung, selbstständig in die Cloud.
Aus Gründen der IT-Sicherheit dürfen Automatisierungskomponenten über den zweiten Kommunikationskanal Daten nur unidirektional (über eine sogenannte NAMUR-Diode) versenden, jedoch aber nicht empfangen.
Auf der Cloud befinden sich eine oder mehrere Applikationen befinden. Auf diese Applikationen, welche unter anderem Funktionen zur Visualisierung und weiteren Bearbeitung der auf der Datenbank gespeicherten Daten bietet, kann von einem Benutzer mittels Internet zugegriffen werden.
Im Unterschied zu der direktverdrahteten Kommunikation mittels den Kommunikationsnetzwerken muss bei der Datenübertragung zwischen Automatisierungskomponenten und der Cloud (oder anderen Empfängern der Telegramme, wie beispielsweise einem (weiteren) Edge Device, einem Router, einem Modem, etc.) der Informationsgehalt der Telegramme erweitert werden, damit eine eindeutige Zuordnung zwischen dem Empfangszeitpunkt und dem Sende-, bzw. Abtastzeitpunkt, und gegebenenfalls weiterer Geräteparameter, der Automatisierungskomponente gewährleistet bleibt.
Eine Grundvoraussetzung für die eindeutige Beschreibung des Telegramms ist dabei die periodische Synchronisation der Geräteparameter zwischen Absender (Automatisierungskomponente) und Empfänger (Cloud, Edge Device, Router, Modem, etc.) um zeitliche Drifts der Parameter im Gerät zu kompensieren. Eine besondere Bedeutung nimmt hierbei die Prozesszeit ein. In Falle des ersten Kommunikationskanals, welcher durch die Kommunikationsnetzwerke gebildet wird, ist sie nicht relevant, da die Prozesszeit der Zeitpunkt ist, zu welchem die übergeordnete Steuerung Daten der Automatisierungskomponenten abfragt. Im Falle des zweiten Kommunikationskanals kann der Ankunftszeitpunkt der Telegramme nicht unbedingt zu dem Sendezeitpunkt gleichgesetzt werden, da Laufzeitverluste bedingt durch unterschiedliche Signalwege oder andere Störungen auf dem Netzwerk bei der Telegrammübertragung zu Totzeiten oder Jitter führen kann. Unter Jitter wird ein als Fluktuation oder Schwankung bezeichnetes Taktzittern bei der Übertragung von Digitalsignalen bezeichnet, welches eine leichte Genauigkeitsschwankung im Übertragungstakt hervorruft und als Störfaktor im Normalfall unerwünscht ist.
Um dieses Problem zu lösen, würde daher in der Regel eine zeitliche Synchronisation zwischen Empfänger und Absender über eine bidirektionale Kommunikation erfolgen. Durch das obig erwähnte Sicherheitskonzept des unidirektionalen zweiten Kommunikationskanals ist dies allerdings nicht möglich.
Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Genauigkeitsschwankungen bei der Datenübertragung von einem Absender zu einem Empfänger zu reduzieren.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, sowie durch ein System gemäß Anspruch 12 gelöst.
Hinsichtlich des Verfahrens ist dieses zur zeitlichen Synchronisation eines Empfängers mit einem Absender bestimmt, wobei der Empfänger mit dem Absender über ein Kommunikationsnetzwerk in Kommunikationsverbindung steht, wobei der Absender eine erste Zeiterfassungseinheit aufweist, und wobei der Empfänger eine zweite Zeiterfassungseinheit aufweist, umfassend:

- Generieren und Aussenden einer Abfolge von Telegrammen von dem Absender an den Empfänger über das Kommunikationsnetzwerk, wobei die Abfolge drei oder mehr Telegramme umfasst, wobei die Telegramme nacheinander in unregelmäßigen Zeitabständen ausgesendet werden, und wobei die Intervalle jeweils eine Identifikation des Empfängers und einen Zeitstempel der ersten Zeiterfassungseinheit zum Zeitpunkt des Erstellens des jeweiligen Telegramms umfassen;
- Empfangen der Telegramme durch den Empfänger, wobei der Empfänger jedem der Telegramme einen Zeitpunkt des Empfangens anhand der zweiten Zeiterfassungseinheit zuordnet; und
- Zeitliches Abgleichen der zweiten Zeiterfassungseinheit mit der ersten Zeiterfassungseinheit durch den Empfänger anhand der empfangenen Telegramme und deren zugeordneten Zeitpunkten des Empfangens.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Empfänger auf die Systemzeit des Absenders eingestellt, bzw. synchronisiert werden. Üblicherweise weisen Zeiterfassungseinheiten von Geräten unterschiedliche Betriebstaktungen auf, sofern es sich um getaktete Zeiterfassungseinheiten wie bspw. Betriebsstundenzähler und nicht um Real Time Clock(RTC)-Zeiterfassungseinheiten handelt. Für jedes der empfangenen Telegramme ist dem Empfänger der Zeitpunkt des Erstellens, bzw. des Aussendens, sowie der Zeitpunkt des Empfangs bekannt. Somit kann der Empfänger Wissen darüber erlangen, wie sich die Zeiterfassungseinheit des Absenders im Verhältnis zu seiner Zeiterfassungseinheit verhält. Dadurch kann der Empfänger die Zeit des Aussendens (in Bezug auf seine Zeiterfassungseinheit) mit hoher Genauigkeit bestimmen. Hierfür werden drei oder mehr Telegramme benötigt, damit nicht nur der Laufzeitunterschied zwischen den beiden Zeiterfassungseinheiten erfasst werden kann, sondern auch um netzwerkbedingte Schwankungen miterfassen zu können.
Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die jeweilige Größe der unregelmäßigen Zeitabstände der ausgesendeten Telegramme von dem Absender festgelegt ist. Das bedeutet, dass die Zeitabstände zwischen den Telegrammen zwar unregelmäßig groß sind, jedoch nicht zufällig gewählt worden sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Empfänger für jedes Telegramm eine erste zeitliche Differenz berechnet, wobei die erste zeitliche Differenz einen Zeitabstand zwischen Zeitpunkt des Erstellens des Telegramms und dem Zeitpunkt des Empfangens des Telegramms darstellt. Für jedes Telegramm wird somit die Übertragungszeit zwischen dem Absender und dem Empfänger berechnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Systems ist es vorgesehen, dass der wobei der Empfänger im Zuge des zeitlichen Abgleichens anhand der Differenzen eine mittlere Übertragungszeit zwischen Absender und Empfänger berechnet. Die mittlere Übertragungszeit wird berechnet, um Fluktuationen auf dem Kommunikationsnetzwerk auszugleichen. Je mehr Telegramme in der Abfolge enthalten sind, desto geringer ist der Einfluss einzelner Fluktuationen auf die mittlere Übertragungszeit.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der ersten Variante des Erfindungsgemäßen System ist es vorgesehen, dass der Empfänger für jedes Telegramm eine zweite zeitliche Differenz und eine dritte zeitliche Differenz berechnet, wobei die zweite zeitliche Differenz einen Zeitabstand zwischen dem Zeitpunkt des Erstellens des Telegramms und des Zeitpunkt des Erstellens des dem Telegramm vorangehenden Telegramms darstellt, wobei die dritte zeitliche Differenz einen Zeitabstand zwischen dem Zeitpunkt des Empfangens des Telegramms und des Zeitpunkt des Empfangens des dem Telegramm vorangehenden Telegramms darstellt. Es wird somit also berechnet, wie groß jeweils die Zeitdifferenz zwischen dem Absenden zweier Telegramme ist, bezogen auf die Zeiterfassungseinheit des Absenders. Gleichzeitig wird berechnet, wie groß die Zeitdifferenz zwischen dem Empfangen der entsprechenden Telegramme ist, bezogen auf die Zeiterfassungseinheit des Absenders.
Hierbei ist vorgesehen, dass der Empfänger im Zuge des zeitlichen Abgleichens einen Gangfehler zwischen der ersten Zeiterfassungseinheit und der zweiten Zeiterfassungseinheit anhand eines Vergleichs der zweiten zeitlichen Differenzen mit den dritten zeitlichen Differenzen und anhand des Gangfehlers über die Zeit einen Standfehler zwischen der ersten Zeiterfassungseinheit und der zweiten Zeiterfassungseinheit berechnet. Wie bereits obig beschrieben, werden die beiden Zeiterfassungseinheiten insbesondere unterschiedlich getaktet. Insbesondere die erste Zeiterfassungseinheit erfasst keine Realzeit. Somit sind die Zeitstempel, bzw. Zeitabstände beider Zeiterfassungseinheiten nicht vergleichbar, wenn kein Verhältnis zwischen den beiden Zeiterfassungseinheiten besteht. Dieses Verhältnis kann nun dadurch berechnet werden, indem die jeweiligen zeitlichen Differenzen zwischen zwei Telegrammen verglichen werden, also die Zeitdifferenz beim Aussenden mit der Zeitdifferenz beim Empfang der Telegramme. In Realzeit müssten diese Zeitdifferenzen gleich groß sein, eventuelle Fluktuationen auf dem Netzwerk können mittels der ebenfalls berechneten Übertragunszeitunterschiede ausgeklammert werden. Beträgt das Zeitintervall zwischen zwei Telegrammen empfängerseits beispielsweise zehn Takte und absenderseitig fünf Takte, so kann berechnet werden, dass pro Takt der Zeiterfassungseinheit des Absenders zwei Takte der Zeiterfassungseinheit des Empfängers vorliegen (dies stellt ein einfaches Beispiel dar, in der Realität wird das Verhältnis nicht immer eine natürliche Zahl sein, sondern eine Dezimalzahl).
Das Generieren und Aussenden der Telegramme werden insbesondere periodisch wiederholt. Dadurch können Drifts vermieden werden, da die Synchronisation aufgrund Laufzeitfehler im Netzwerk und Rundungsfehler in der Berechnung der Zeitdifferenzen nur für einen bestimmten Zeitabstand ausreichend genau ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Periodendauer derart gewählt wird, dass das Generieren und Aussenden der Telegramme periodisch wiederholt wird, bevor ein vorbestimmter Standfehler zwischen der ersten Zeiterfassungseinheit und der zweiten Zeiterfassungseinheit erreicht wird. Der Standfehler berechnet den reellen Zeitunterschied zwischen zwei Zeiterfassungseinheiten. Selbst wenn das Verhältnis wie obig beschrieben berechnet ist, ist dieses nicht zu 100 % genau, da dies immer eine Näherung darstellt. Beispielsweise können Rundungsfehler in Nachkommastellen auftreten. Dieses Rundungsfehler sorgen dafür, dass der reale Zeitunterschied zwischen den beiden Zeiterfassungseinheiten zwar langsam, aber kontinuierlich zunimmt. Daher muss die Synchronisation periodisch wiederholt werden, um eine vorbestimmte Genauigkeit erhalten zu können.
Gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die jeweilige Größe der unregelmäßigen Zeitabstände der ausgesendeten Telegramme von dem Absender zufällig gewählt wird, wobei das erste der Telegramme ein Startsignal aufweist, wobei die dem ersten der Telegramme nachfolgenden Telegramme die jeweils verstrichene Zeit seit dem Erstellen des erstens der Telegramme und dem Erstellen des jeweiligen nachfolgenden Telegramms, ermittelt mittels der ersten Zeiteinheit, aufweisen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Empfänger für jedes Telegramm eine vierte zeitliche Differenz berechnet, wobei die vierte zeitliche Differenz einen Zeitabstand zwischen dem Zeitpunkt des Empfangens des jeweiligen Telegramms und des Zeitpunkts des Empfangens des erstens der Telegramme darstellt.
Es ist hierbei vorgesehen, dass der Empfänger im Zuge des zeitlichen Abgleichens eine Laufzeitstörung auf dem Kommunikationsnetzwerks anhand eines Vergleichs der jeweils verstrichenen Zeit seit dem Erstellen des erstens der Telegramme und dem Erstellen der jeweiligen nachfolgenden Telegramme und der entsprechenden vierten zeitlichen Differenz berechnet.
Die zweite Variante des Verfahrens funktioniert zwar prinzipiell ähnlich wie die erste Variante, unterscheidet sich aber darin, dass keine vorab festgelegte Zeitabstände zwischen den Telegrammen gewählt werden, sondern dass der Empfänger die Telegramme in der Abfolge zufällig aussendet. So unterscheiden sich auch die Abfolgen bei einer erneuten Synchronisation bezüglich der jeweiligen zeitlichen Abstände der Telegramme.
Vorteilhafterweise werden beide Verfahrensvarianten abwechselnd gefahren. Die Periodenabstände der beiden Synchronisationsvarianten sind so zu dimensionieren, dass Laufzeitunterschiede zwischen beiden Zeiten (Systemzeit des Empfängers (basierend auf dessen Zeiterfassungseinheit) und Zeiterfassungseinheit des Absenders) innerhalb eines vordefinierten Vertrauensintervalls liegen. Der Zeitdrift zwischen beiden Geräten kann aus der (math.) Reihe der Synchronisationen ermittelt werden und somit die Zeitdauer zwischen den Synchronisationsperioden dynamisch festgelegt werden.
Hinsichtlich des Systems ist dieses zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet und umfasst einen Sender und Empfänger, welche mittels eines Kommunikationsnetzwerks in Kommunikationsverbindung stehen.
Das Kommunikationsnetzwerk ist insbesondere ein Funknetzwerk, insbesondere ein Mobilfunknetz. Es kann jedoch auch ein kabelgebundenes Netzwerk oder eine Mischform verwendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist es vorgesehen, dass es sich bei dem Absender um eine Automatisierungskomponente handelt, insbesondere umfassend eine Sensoreinheit zum Erfassen einer verfahrenstechnischen Messgröße und/oder eine Aktoreinheit zum Stellen einer verfahrenstechnischen Messgröße. Zahlreiche Beispiele für solche Automatisierungskomponenten sind bereits im einleitenden Teil der Beschreibung aufgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaub es, eine Zeitsynchronisation mit solchen Automatisierungskomponenten durchführen zu können, ohne dass in diese Geräte eine Real Time Clock eingebaut werden muss, bzw. ohne dass Daten in die Automatisierungskomponente geschrieben werden müssten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist es vorgesehen, dass es sich bei dem Empfänger um eine Datenbank oder um eine Cloud handelt, wobei der Empfänger eine Applikation aufweist, welche die Schritte des Zuordnens der Zeitpunkte des Empfangs der Telegramme und des zeitlichen Abgleichens durchführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bzw. das erfindungsgemäße System bezieht sich jedoch nicht ausschließlich auf Automatisierungskomponenten als Absender, bzw. eine Cloud als Empfänger. Im Rahmen dieser Erfindung können beliebige Geräte, insbesondere aus dem IIoT-Umfeld, verwendet werden, welche über jeweils eine Zeiterfassungseinheit verfügen und welche ausgestaltet sind, Daten zu empfangen und/oder auszusenden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen

1: eine schematische Übersicht einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems;
2: ein beispielhafter Zeitablauf des Aussendens von Telegrammen mittels des Absenders in der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
3: ein beispielhafter Zeitablauf des Aussendens von Telegrammen mittels des Absenders in der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt ein beispielhaftes System, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann. Beispielhaft werden mehrere Automatisierungskomponenten FG1, FG2, FG3, ED abgebildet, welche mit einer Cloud CL in Kommunikationsverbindung stehen. Das Feldgerät FG1 ist ein radarbasiertes Füllstandsmessgerät, welches den Füllstand eines Mediums in einem Tank misst. Das Feldgerät verfügt über eine Batterie und eine Kommunikationseinheit zur Verbindung mit einer Cloud CL. Das Feldgerät FG2 ist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, welches outdoor an eine Wasserleitung angeschlossen ist und welches mit einer Kommunikationseinheit verbunden ist, welche eine Kommunikationsverbindung mit der Cloud CL etabliert. Das Feldgerät FG3 ist ein Coriolis-Durchflussmessgerät, welches in einer verfahrenstechnischen Anlage A eingesetzt ist. Das Feldgerät FG3 ist primär mit einem Feldbus verbunden, an welchem ein Edge Device ED angeschlossen ist. Über das Edge Device ED ist das Feldgerät FG3 mit der Cloud CL verbunden. Das Feldgerät FG3 ist sendet seine Daten somit nicht direkt an die Cloud CL, sondern diese Aufgabe wird von dem Edge Device ED übernommen. Bei den Feldgeräten FG1, FG2, FG3 und dem Edge Device ED handelt es sich um Automatisierungskomponenten. Relevant für das erfindungsgemäße Verfahren sind allerdings nur die Automatisierungskomponenten FG1, FG und ED, da diese Datenübermittlungen zur Cloud CL vornehmen.
Jedes der Feldgeräte FG1, FG2, FG3 übernimmt somit unterschiedliche Aufgaben und ist auf unterschiedliche Art und Weise mit der Cloud CL verbunden. Die in 1 genannten Feldgerätetypen, deren Anzahl und deren Applikationen sind als rein beispielhaft zu betrachten. Es lässt sich prinzipiell jeder Feldgerätetyp in nahezu beliebiger Anzahl, der in der Lage ist, Daten an die Cloud CL zu übermitteln, im erfindungsgemäßen Verfahren verwenden.
Bei der Cloud CL handelt es sich um eine Datenbank oder einen Server, welcher per Internet erreichbar ist. Auf der Cloud CL werden eine Vielzahl von Cloud-Anwendungen CA1, CA2, CA3 ausgeführt. Die Cloud-Anwendungen CA1, CA2, CA3 dienen dem Visualisieren, Weiterverarbeiten und/oder Aufbereiten von Daten der Feldgeräte FG1, FG2, FG3. Anwendungsbeispiele für solche Cloud-Anwendungen CA1, CA2, CA3 sind beispielsweise Asset Management (Cloud-Anwendung CA1), Device Monitorung (Cloud-Anwendung CA2) und Predictive Maintenance (Cloud-Anwendung CA3).
Das erfindungsgemäße Verfahren dient dazu, dass ein Empfänger EM von Daten, die von einem Absender AB gesendet werden, zeitlich korrekt zuordnen kann. Als Absender AB kommen im vorliegenden Fall die Automatisierungskomponenten FG1, FG2, ED in Fragen, als Empfänger kommt die Cloud CL in Frage. Durch die Übertragungsstrecke zwischen Absender AB und Empfänger EM erfolgt eine zeitliche Verzögerung zwischen dem Absenden und dem Empfangen von Daten.
Automatisierungskomponenten FG1, FG2, ED weisen häufig keine Real Time Clock (RTC) als Zeiterfassungseinheit CK1, sondern lediglich einen Betriebsstundenzähler auf. Ein solcher Betriebsstundenzähler enthält einen internen Timer, der durch eine Clock inkrementiert wird. Die Taktung der Clock entspricht oftmals nicht vollen Sekunden, bzw. reinen Produkten oder Quotienten von Sekunden. Das heißt, selbst wenn der Absender seine zu übermittelnden Daten mit einem Zeitstempel versieht, kann der Empfänger EM, der teilweise auch keine RTC aufweist, die Sendezeitpunkte der Daten nicht eindeutig zuordnen.
Im Folgenden sind zwei Ausführungsbeispiele gezeigt, wie ein Absender AB, im vorliegenden Fall das Feldgerät FG1, mit dem Absender AB, im vorliegenden Fall der Cloud CL, zeitlich synchronisiert wird. Die Cloud weist eine zweite Zeiterfassungseinheit CK2, die beispielsweise eine RTC sein kann, auf. Der Absender AB ist über ein Mobilfunknetz als Kommunikationsnetzwerk KN mit dem Empfänger EM verbunden.
Im ersten Ausführungsbeispiel übermittelt der Absender AB eine Abfolge P(n) von drei Telegrammen an den Empfänger. 2 zeigt hierbei einen Zeitstrahl, auf welchem die Zeitpunkte t₁, t₂, t₃ des Absendens der einzelnen Telegramme aufgetragen sind. Hierbei sendet der Absender AB die Telegramme derart aus, dass diese zueinander unterschiedliche Zeitabstände Δt_1-2, Δt_2-3 aufweisen. Der zeitliche Δt_1-2 Abstand zwischen dem zu einem Zeitpunkt t₁ ausgesendeten ersten Telegramms und dem zu einem Zeitpunkt t₂ ausgesendeten zweiten Telegramms ist hierbei größer als der zeitliche Abstand Δt_2-3 zwischen dem zu dem zweiten Zeitpunkt t₂ ausgesendeten Telegramm und dem zu einem dritten Zeitpunkt t₃ ausgesendeten dritten Telegramm.
Der Absender AB ist hierbei derart ausgestaltet, dass er jedem ausgesendeten Telegramm einen Zeitstempel beifügt, welcher den jeweiligen Zeitpunkt t₁, t₂, t₃ des Sendens des entsprechenden Telegramms beinhaltet. Die Zeitpunkte liegen hierbei jeweils im Format der ersten Zeiterfassungseinheit CK1, also der Zeiterfassungseinheit des Absenders, vor.
Nach einer kurzen Zeitdauer erreichen die Telegramme jeweils den Empfänger EM. Alle nun folgenden vom Empfänger EM (also der Cloud CL) ausgeführten Schritte werden von einer der Cloud-Applikationen CA1, CA2, CA3 vorgenommen. Der Empfänger weist jedem der eingehenden Telegramme einen Zeitpunkt des Empfangs zu.
Anschließend analysiert der Empfänger die Zeitpunkte t₁, t₂, t₃ des Absendens eines jeden Telegramms und die Zeitpunkte des Empfangs eines jeden Telegramms. Zuerst bildet der Empfänger EM hierbei die Differenzen zwischen den jeweiligen Zeitpunkten t₁, t₂, t₃ des Erstellens/Aussendens eines Telegramms und seinem vorherigen Telegramm, sowie zwischen den jeweiligen Zeitpunkten des Empfangens eines Telegramms und seinem vorherigen Telegramm. Im vorliegenden Fall werden somit vier Werte berechnet: Die Differenzen des Sendens zwischen den Telegrammen, die am ersten Zeitpunkt t₁ und dem zweiten Zeitpunkt t₂ erstellt werden, sowie den Telegrammen, die am zweiten Zeitpunkt t₂ und dem dritten Zeitpunkt t₃ erstellt wurden - dies entspricht den obig diskutieren Zeitabständen Δt_1-2, Δt_2-3. Analog dazu werden die Differenzen bezüglich des Empfangs dieser Telegramme berechnet.
Für die ersten beiden Telegramme liegt also ein Zeitspanne zwischen dem jeweiligen Erstellen/Aussenden vor, bezüglich der ersten Zeiterfassungseinheit CK1, und zwischen dem jeweiligen Empfangen der Telegramme vor. Genauso liegt für die weiteren beiden Telegramme ein Zeitspanne zwischen dem jeweiligen Erstellen/Aussenden vor. Der Empfänger kann dadurch ein Zeitverhältnis zwischen Empfangsdifferenz und Sendedifferenz berechnen und kann dadurch darauf schließen, in welcher Zeiteinheit die erste Zeiterfassungseinheit CK1 relativ zu seiner eigenen zweiten Zeiterfassungseinheit CK2 getaktet ist. Da hierbei zwei Werte berechnet werden (erste beide Telegramme und die beiden weiteren Telegramme) kann der Mittelwert für das Verhältnis gebildet werden. Dadurch werden etwaige Übertragungszeitunterschiede, bedingt durch Jitter und/oder andere Wegführung, minimiert.
Der Empfänger EM weiß nun, wie er die Systemzeit des Absenders AB, die im Zeitstempel eines jeden Telegramms enthalten ist, interpretieren muss. Anschließend muss der Empfänger EM eine mittlere Übertragungszeit (bedingt durch das Kommunikationsnetzwert KN) berechnen, um auf den eindeutigen Zeitpunkt des Absendens zukünftiger Telegramme schließen zu können. Hierfür berechnet der Empfänger EM für jedes Telegramm der Abfolge AB die Differenz zwischen dem Zeitpunkt des Erstellens/Absendens und des Empfangens. Durch Bilden des Mittelwerts dieser (hier drei) Differenzwerte kann auch hier eine netzwerkbedingte Schwankung kompensiert werden.
Nach Abschluss dieser beiden Rechenoperationen ist die zeitliche Synchronisation zwischen dem Empfänger EM und dem Absender AB für erste abgeschlossen. Der Empfänger EM kann nun jedem eingehenden Telegramm zuverlässig die Systemzeit des Absenders AB zuordnen.
Allerdings kann es bedingt durch Rundungsfehler, (größere) zeitliche Abweichungen bei der Netzwerkübertragung, o.ä. bei den Rechenoperationen zu kleinen Abweichungen kommen. Diese führen über die Zeit gesehen zu einem zunehmenden Standfehler zwischen der ersten Zeiterfassungseinheit CK1 und der zweiten Zeiterfassungseinheit CK2. Daher wird das beschriebene Verfahren periodisch wiederholt. Die Zeitabstände Δt_1-2, Δt_2-3 zwischen den Telegrammen bleiben bei jeder Abfolge P(n), P(n+1) identisch.
Der zeitliche Abstand T zwischen zwei Abfolgen P(n), P(n+1) wird dabei so gewählt, dass der Gangfehler ein tolerierbares Maximum nicht überschreitet. Der aktuelle Gangfehler kann durch statistische Auswertung der entsprechend berechneten Werte (zeitliches Verhältnis, mittlere Übertragungszeit) abgeschätzt werden. Beispielsweise kann der Gangfehler aus der mathematischen Reihe der entsprechend berechneten Werte ermittelt werden und somit zeitliche Abstand T zwischen zwei Abfolgen P(n), P(n+1) dynamisch festgelegt werden.
2 zeigt beispielhaft die zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Unterschied zu der ersten Variante besteht darin, dass die Zeitabstände Δt_1-2, Δt_2-3 zwischen den ausgesendeten Telegrammen vom Empfänger EM nicht von vornherein festgelegt sind, sondern zufällig gewählt sind. Daher fallen auch die entsprechenden Zeitabstände bei jeder periodisch wiederholten Abfolge P(n), P(n+1) unterschiedlich aus.
Dem ersten Telegramm wird zusätzlich ein Startsignal zugefügt, dem letzten Telegramm wird ein Endsignal hinzugefügt. Der Zeitstempel eines jeden Telegramm, bis auf das erste, enthält nun nicht mehr die Systemzeit der ersten Zeiterfassungseinheit CK1, sondern den zeitlichen Abstand zum vorhergehenden Telegramm.
Das Zuweisen der Empfangszeitpunkte und die weitergehenden Rechenoperationen laufen allerdings größtenteils identisch ab.
Insbesondere wechseln sich beide Verfahrenstypen ab, um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erhalten.
Vorteilhafterweise werden mehr als die (zur Veranschaulichung gewählten) drei Telegramme pro Abfolge P(n), P(n+1) übermittelt. Je größer die Anzahl der Telegramme ist, desto genauer werden die Berechnungen insofern, dass Fluktuationen (Jitter, etc.) auf dem Kommunikationsnetzwerk KN kompensiert werden. Es kann auch vorgesehen sein, stark abweichende Einzelwerte für die Berechnungen der jeweiligen Mittelwerte außer Acht zu lassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bzw. das erfindungsgemäße System bezieht sich nicht ausschließlich auf Automatisierungskomponenten FG1, FG2, FG3, ED als Absender AB, bzw. auf eine Cloud CL als Empfänger EM. Im Rahmen dieser Erfindung können beliebige Geräte, insbesondere aus dem IIoT-Umfeld, Absender AB und Empfänger EM verwendet werden, welche über jeweils eine Zeiterfassungseinheit CK1, CK2 verfügen und welche ausgestaltet sind, Daten über ein Kommunikationsnetzwerk KN zu empfangen und/oder auszusenden.
Bezugszeichenliste

AB: Absender
CA1, CA2, CA3: Applikationen
CK1: Zeiterfassungseinheit des Absenders
CK2: Zeiterfassungseinheit des Empfängers
CL: Cloud, Empfänger
ED: Edge Device
EM: Empfänger
FG1, FG2: Feldgerät
KN: Kommunikationsnetzwerk
P(n), P(n+1): Abfolgen von Telegrammen
t1, t2, t3: Zeitpunkte des Absendens/Erstellens der einzelnen Telegramme
Δt1-2, Δt2-3: zeitlicher Abstand zwischen Telegrammen

Claims

Verfahren zur zeitlichen Synchronisation eines Empfängers (EM) mit einem Absender (AB), wobei der Empfänger (EM) mit dem Absender (AB) über ein Kommunikationsnetzwerk (KN) in Kommunikationsverbindung steht, wobei der Absender (AB) eine erste Zeiterfassungseinheit (CK1) aufweist, und wobei der Empfänger (EM) eine zweite Zeiterfassungseinheit (CK2) aufweist, umfassend: - Generieren und Aussenden einer Abfolge (P(n), P(n+1)) von Telegrammen von dem Absender (AB) an den Empfänger (EM) über das Kommunikationsnetzwerk (KN), wobei die Abfolge (P(n), P(n+1)) drei oder mehr Telegramme umfasst, wobei die Telegramme nacheinander in unregelmäßigen Zeitabständen ausgesendet werden, und wobei die Intervalle jeweils eine Identifikation des Empfängers (EM) und einen Zeitstempel der ersten Zeiterfassungseinheit (CK1) zum Zeitpunkt des Erstellens des jeweiligen Telegramms umfassen; - Empfangen der Telegramme durch den Empfänger (EM), wobei der Empfänger (EM) jedem der Telegramme einen Zeitpunkt des Empfangens anhand der zweiten Zeiterfassungseinheit (CK2) zuordnet; und - Zeitliches Abgleichen der zweiten Zeiterfassungseinheit (CK2) mit der ersten Zeiterfassungseinheit (CK1) durch den Empfänger (EM) anhand der empfangenen Telegramme und deren zugeordneten Zeitpunkten des Empfangens.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die jeweilige Größe der unregelmäßigen Zeitabstände der ausgesendeten Telegramme von dem Absender (AB) festgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Empfänger (EM) für jedes Telegramm eine erste zeitliche Differenz berechnet, wobei die erste zeitliche Differenz einen Zeitabstand zwischen Zeitpunkt des Erstellens des Telegramms und dem Zeitpunkt des Empfangens des Telegramms darstellt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der wobei der Empfänger (EM) im Zuge des zeitlichen Abgleichens anhand der Differenzen eine mittlere Übertragungszeit zwischen Absender (AB) und Empfänger (EM) berechnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Empfänger (EM) für jedes Telegramm eine zweite zeitliche Differenz und eine dritte zeitliche Differenz berechnet, wobei die zweite zeitliche Differenz einen Zeitabstand zwischen dem Zeitpunkt des Erstellens des Telegramms und des Zeitpunkt des Erstellens des dem Telegramm vorangehenden Telegramms darstellt, wobei die dritte zeitliche Differenz einen Zeitabstand zwischen dem Zeitpunkt des Empfangens des Telegramms und des Zeitpunkt des Empfangens des dem Telegramm vorangehenden Telegramms darstellt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Empfänger (EM) im Zuge des zeitlichen Abgleichens einen Gangfehler zwischen der ersten Zeiterfassungseinheit (CK1) und der zweiten Zeiterfassungseinheit (CK2) anhand eines Vergleichs der zweiten zeitlichen Differenzen mit den dritten zeitlichen Differenzen und anhand des Gangfehlers über die Zeit einen Standfehler zwischen der ersten Zeiterfassungseinheit (CK1) und der zweiten Zeiterfassungseinheit (CK2) zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Generieren und Aussenden der Telegramme periodisch wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Periodendauer derart gewählt wird, dass das Generieren und Aussenden der Telegramme periodisch wiederholt wird, bevor ein vorbestimmter Standfehler zwischen der ersten Zeiterfassungseinheit (CK1) und der zweiten Zeiterfassungseinheit (CK2) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die jeweilige Größe der unregelmäßigen Zeitabstände der ausgesendeten Telegramme von dem Absender (AB) zufällig gewählt wird, wobei das erste der Telegramme ein Startsignal aufweist, wobei die dem ersten der Telegramme nachfolgenden Telegramme die jeweils verstrichene Zeit seit dem Erstellen des erstens der Telegramme und dem Erstellen des jeweiligen nachfolgenden Telegramms, ermittelt mittels der ersten Zeiteinheit, aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Empfänger (EM) für jedes Telegramm eine vierte zeitliche Differenz berechnet, wobei die vierte zeitliche Differenz einen Zeitabstand zwischen dem Zeitpunkt des Empfangens des jeweiligen Telegramms und des Zeitpunkts des Empfangens des erstens der Telegramme darstellt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Empfänger (EM) im Zuge des zeitlichen Abgleichens eine Laufzeitstörung auf dem Kommunikationsnetzwerks (KN) anhand eines Vergleichs der jeweils verstrichenen Zeit seit dem Erstellen des erstens der Telegramme und dem Erstellen der jeweiligen nachfolgenden Telegramme und der entsprechenden vierten zeitlichen Differenz berechnet.
System ausgestaltet zum Durchführen des Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend einen Absender (AB) und einen Empfänger (EM), welche mittels eines Kommunikationsnetzwerks (KN) in Kommunikationsverbindung stehen.
System nach Anspruch 12, wobei es sich bei dem Absender (AB) um eine Automatisierungskomponente (FG1, FG2, ED) handelt, insbesondere umfassend eine Sensoreinheit zum Erfassen einer verfahrenstechnischen Messgröße und/oder eine Aktoreinheit zum Stellen einer verfahrenstechnischen Messgröße.
System nach Anspruch 12 oder 13, wobei es sich bei dem Empfänger (EM) um eine Datenbank oder um eine Cloud (CL) handelt, wobei der Empfänger (EM) eine Applikation (CA1, CA2, CA3) aufweist, welche die Schritte des Zuordnens der Zeitpunkte des Empfangs der Telegramme und des zeitlichen Abgleichens durchführt.