DE10253534B4 - Synchronisation der lokalen Uhren an ringförmigen Übertragungsmedien angeschlossener Einheiten - Google Patents

Abstract

Auf Laufzeitdifferenzmessung beruhendes Verfahren zur Synchronisation lokaler Uhren an ringförmigen Übertragungsmedien angeschlossener Einheiten, wobei die Richtung der Übertragung von Datenpaketen über Einzelringbusse zur Laufzeitdifferenzmessung von einem Paket zum nächsten alterniert, womit für Einzelringbusse in den Empfängereinheiten empfängerspezifische Differenzzeiten bestimmt werden können, aus denen sich mit Hilfe einer über einen Zeitgeber in der Sendeeinheit ermittelten Gesamtumlaufzeit empfängerspezifische Übertragungszeiten über die einzelnen Ringe berechnen lassen, die dann zusammen mit einer von der Sendeeinheit übertragenen Referenzzeit zur Uhrensynchronisation in den einzelnen Empfängern eingesetzt werden können, wobei die Genauigkeit der synchronisierten Empfängeruhren lediglich von der Auflösung der Zeitgeber abhängt.

Description

• In der Automatisierungstechnik, insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen, ist die Synchronität verteilter Prozesse von größter, Wichtigkeit und muss unter harten Industriebedingungen stets gegeben sein. Je höher die von einem Prozess geforderte Präzision ist, desto genauer muss die Zeitinformation in den Automatisierungssystemen abgestimmt sein. In marktgängigen Realzeitsystemen können die lokalen Uhren verteilt angeordneter Rechnerknoten aber nur sehr ungenau mittels programmtechnisch implementierter Funktionen oder relativ teuer durch in jedem Knoten installierte Funkuhren miteinander synchronisiert werden. Da der Aufwand für die genaue Zeitsynchronisation nicht nur teuer, sondern in den meisten Fällen auch sehr hoch ist, versucht man heutzutage sehr oft, das Problem der Synchronisierung durch leistungsstarke Feldbussysteme mit Hilfe ihrer Geschwindigkeit zu lösen. Da konventionelle Bussysteme für die Mehrzahl aller Anwendungen ausreichten, wurde von der Industrie kein großes Bedürfnis an neuen Synchronisationstechniken entwickelt.
• Bisher versuchte man die Synchronisation von Automatisierungsanlagen auf verschiedene Arten zu lösen. So sind in diesem Bereich sowohl geräte- als auch programmtechnische Lösungen entstanden, welche aber bedingt durch ihre Nachteile nicht überall einsetzbar sind.
• Aus den Veröffentlichungen von ERDNER, T.[u.a.]: A fault tolerant and jitter free dual ring fieldbus system with GPS based time synchronisation. In: Proceedings of IFAC Conference on New Technologies for Computer Control, NTCC 2001, Hong Kong 2001, S. 159-164 und ERDNER, T. [u.a.]: Eine Feldbusarchitektur mit GPS-synchronisierten Zeitgebern. In: Elektrotechnik und Informationstechnik, 117. Jahrg., 2000, Heft 5, S. 349-352 sowie den Schriften DE 199 17 354 A1 und JP 61-6954 A sind z.B. Verfahren zur Synchronisation der lokalen Uhren in Doppelringbus-Systemen bekannt.
• Weiterhin ist aus der DE 30 45 315 A1 ein Verfahren zur Umschaltung der Telegrammlaufrichtung in einem Einzelringbussystem bekannt.
• Die Nachteile der programmtechnischen Lösungen liegen in der Regel im erhöhten Rechenaufwand für die Synchronisierungen. Dieser Aufwand muss durch die Prozessoren in den Steuerungen erbracht werden und vermindert somit die effektive Leistung der Systeme.
• Gerätetechnische Lösungen sind im Bereich der Synchronisation von Automatisierungsanlagen relativ teuer und auch sehr aufwändig. Eine Variante der gerätetechnischen Lösungen sind sehr genaue Zeitgeberbausteine, welche in verteilten Steuerungskomponenten integriert werden. Dieses Verfahren benötigt genau wie eine programmtechnische Lösung zusätzliche Übertragungskapazitäten des Feldbusses für die Synchronisationsdaten der Zeitgeber. Diese Übertragungskapazitäten belasten den meist stark in Anspruch genommenen Feldbus zusätzlich durch ihre speziellen Quittierungssequenzen [4].
• Eine andere Möglichkeit der gerätetechnischen Lösung besteht darin, in jeden Knoten hochgenaue Funkuhren zu integrieren. Allerdings liegt das Problem der Funkuhren bei den hochsensiblen Empfängern, welche sich in elektromagnetisch stark verseuchten Umgebungen nur mit speziellen externen Antennen betreiben lassen. Da jeder Knoten eine eigene Funkuhr benötigt, sind die Kosten für ein System mit vielen Steuerungskomponenten entsprechend hoch.
• Eine weitere Einschränkung im Bereich der Feldbussysteme ist die Laufzeit der Programme zur Bearbeitung von Telegrammen. In der Regel wird diese Zeit nicht oder sehr unzuverlässig [5] angegeben, zudem ist sie vom verwendeten Prozessor abhängig. Diese Zeit muss in bestehenden Feldbussystemen messtechnisch ermittelt werden.
• Zusätzliche Probleme gibt es bei der Bestimmung der Zykluszeit durch die Wärmeabhängigkeit von Halbleiterbauelementen [3]. Da Halbleiter ihre Eigenschaften unter Temperatureinflüssen sehr stark ändern können, ist besonders in industriellen Umgebungen keine exakte Bestimmung von Signallaufzeiten über längere Zeiträume hinweg möglich. Desweiteren kommen speziell in Senderbaugruppen kurzzeitige Änderungen der Zykluszeit (Jitter) [1] [2] hinzu, welche durch die Prozessoren und die implementierten Programme bedingt sind. Aus diesen Gründen ist es kaum möglich, eine wirklich exakte Aussage über die Übertragungszeit eines bestehenden Feldbussystems zu machen. Das Bestreben, besonders in sicherheitskritischen Anwendungen eine völlige Determiniertheit zu erreichen, ist daher mit den bislang entwickelten Systemen kaum zu realisieren.
• Eine Verbesserung in Hinsicht auf die Realzeitfähigkeit stellen folgende Lösungen für Einzel- und Doppelringbussysteme dar. Da die Telegramme zur Laufzeitmessung beide Ringbusse gegensinnig durchlaufen müssen, sind für jedes der beiden Verfahren spezielle Anforderungen nötig.
• Ein Einzelringbus (1) benötigt zur Ermittlung der Datenübertragungszeiten in den Empfängern sowie auch im Sender Senderichtungsumschalter (3). Die Senderichtungsumschalter ermöglichen die bidirektionale Telegrammübertragung auf dem Einzelringbus. Zur Umschaltung der Übertragungsrichtung werden bei der Übertragungszeitmessung spezielle Zeitinitialisierungstelegramme eingesetzt, welche die Senderichtungsumschalter in den Empfängern anweisen, die Senderichtung nach Empfang eines Zeitinitialisierungstelegramms umzuschalten. Somit wird nach Durchlauf des ersten Teils der Übertragungszeitmessung auf dem ganzen Einzelringbus die Übertragungsrichtung gewechselt und der zweite, gegensinnige Teil der Übertragungszeitmessung wird gestartet. Nach Abschluss beider Übertragungszeitmessungen kann der Einzelringbus für die Übertragung üblicher Nutzdaten in einer festen Übertragungsrichtung verharren, da die Umschaltung nur für die Übertragungszeitmessung benötigt wird.
• Im Gegensatz zu einem Einzelringbus benötigt ein Doppelringbus (2) keine Senderichtungsumschalter. Der hier betrachtete Doppelring besteht aus zwei gleichartigen, voneinander unabhängig aufgebauten Datenkanälen (Kanal 1 und Kanal 2), über die gegenläufig die gleichen Nachrichten gesendet werden. Zur Zeitmessung müssen daher diese beiden Datenkanäle vollkommen identisch sein, d.h. ein bestimmtes Signal muss auf beiden Kanälen die gleiche Übertragungszeit erfordern. Die Einhaltung dieser Bedingung kann während des Betriebes vom Sendemodul durch Vergleichsmessungen auf beiden Kanälen überprüft werden. Um die Übertragungszeiten von Sender zu den entsprechenden Empfängern auf beiden Ringbussystemen bestimmen zu können, müssen lediglich die Kanalumlaufzeit T_UK und die Differenzzeit des jeweiligen Empfängers ΔT_Si beim Ein zelringbus bzw. die Kanalumlaufzeit T_UKD und die Differenzzeit des jeweiligen Empfängers ΔT_SiD beim Doppelringbus im Sendebetrieb ermittelt werden.
• Die Kanalumlaufzeit wird bei beiden Verfahren im Sender gemessen und um fasst die Zeit, welche ein Telegramm zum Durchlauf des ganzen Ringes benötigt. Die Differenzzeiten in den Empfängern werden aus der Differenz der Telegrammempfangszeiten von Telegramm 1 und Telegramm 2 beim Einzelringbus bzw. der Differenz der Telegrammempfangszeiten über Kanal 1 und Kanal 2 beim Doppelringbus ermittelt. Diese Messaufgaben lassen sich sehr einfach. durch Zählerbausteine in den Sende- und Empfangsmodulen lösen.
• Die ermittelten Differenzzeiten ΔT_Si bzw. ΔT_SiD werden von den Empfängern zum Sender übertragen und im Sender zwischengespeichert. Dort lassen sich aus der Kanalumlaufzeit und den gespeicherten Differenzzeiten die spezifischen Übertragungszeiten T_T1Si und T_2aSi (s. Gl. (1) u. (2)) für den Einzelringbus bzw. T_K1SiD und T_K2SiD (s. Gl. (3) u. (4)) für den Doppelringbus vom Sender zu den entsprechenden Empfängern ermitteln.
• Mittels der spezifischen Übertragungszeiten ist der Sender nach Übertragung der Differenzzeiten in der Lage, die Versatzzeiten für die Uhrensynchronisation zu bestimmen und zu addieren. Zur Bestimmung der empfängerspezifischen Versatzzeiten müssen lediglich die aufgelaufenen Zählerwerte mit der zeitlichen Auflösung der Zählers multipliziert werden. Aus diesem Grund ist die Genauigkeit der ein- zustellenden Zeit lediglich von der Auflösung der Zählerbausteine im Sender und in den Empfängern abhängig. Zur Synchronisation wird die einzustellende Zeit mit dem entsprechenden Versatz addiert und an die Empfänger gesendet.
• Zur Ermittlung der absoluten Zeit benötigt man aus diesem Grund nur ein Funkuhrmodul [6] in der Senderbaugruppe. Ausgehend von dieser Referenzzeit können alle Empfänger mit der Genauigkeit der Zählerbausteine eingestellt werden. Somit werden nicht nur Kosten für die Funkuhrmodule gespart, sondern auch aufwändige externe Antennenbauten vermieden. Daraus folgend erhöht sich der Vorteil der Einsparung mit steigender Anzahl der Empfängermodule:
• Desweiteren kann die Übertragungszeit vom Sender zu den Empfängern permanent und kontinuierlich im Sendebetrieb überprüft und gegebenfalls bei eventu ellen Abweichungen korrigiert werden. Somit können temperaturabhängige Laufzeitänderungen nicht nur kompensiert, sondern letztendlich auch ausgeschlossen werden.
• Schließlich ist der Sender durch Kenntnis der Übertragungszeit in der Lage, selbständig die Sendezeiten der Telegramme für Protokollfunktionen zu erzeugen, ohne die Sendezeiten der Empfänger übertragen bekommen zu müssen. Somit wird das Bussystem zusätzlich von der Übertragung der Sendezeiten entlastet.
• Literatur
• [1] Byrne, C.J., Karafin, B.J., and Robinson, D.B., Jr.:Systematic Jitter in a Chain of Digital Regenerators. The Bell Systems Technical Journal, Nov. 1963.
• [2] Otis K.: Jitter Accumulation in Token Ring UTP Networks. Chipcom, IEEE 802.5N/91/7-09
• [3] Popp, Alois V.: Low-Cost-Netzwerkkonzept, Der Physical Layer des CAN-Busses. Hallwag AG, Handbuch der Automatisierungstechnik – Ausgabe 1996/97, 1996
• [4] Riegelmager, Wolfgang P.: Verkabelungskonzepte, Grundlagen und Praxis, Vogel Buchverlag, 1. Aufl., 1995
• [5] Schwager, Jürgen: Auswahlkriterien für Feldbusse. Ludwig Drebinger GmbH, iNet '92 – Conference Proceedings, 1992
• [6] Sterzbach, B.: GPS-based Clock Synchronization in a Mobile, Distributed Real-Time System. Real-Time Systems 12, 1, 63 – 75, 1997

Claims (1)

1. Auf Laufzeitdifferenzmessung beruhendes Verfahren zur Synchronisation lokaler Uhren an ringförmigen Übertragungsmedien angeschlossener Einheiten, wobei die Richtung der Übertragung von Datenpaketen über Einzelringbusse zur Laufzeitdifferenzmessung von einem Paket zum nächsten alterniert, womit für Einzelringbusse in den Empfängereinheiten empfängerspezifische Differenzzeiten bestimmt werden können, aus denen sich mit Hilfe einer über einen Zeitgeber in der Sendeeinheit ermittelten Gesamtumlaufzeit empfängerspezifische Übertragungszeiten über die einzelnen Ringe berechnen lassen, die dann zusammen mit einer von der Sendeeinheit übertragenen Referenzzeit zur Uhrensynchronisation in den einzelnen Empfängern eingesetzt werden können, wobei die Genauigkeit der synchronisierten Empfängeruhren lediglich von der Auflösung der Zeitgeber abhängt.