JP2006148907A - 周期的に作動するコミュニケーションシステムにおける時間同期化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周期的に作動するコミュニケーションシステムにおける、より簡単な時間同期化方法を提供すること。
【解決手段】周期的に作動するコミュニケーションシステムを介して接続された加入者を時間的に同期させる方法であって、同期されるべき加入者に時間情報を送信する形式の方法において、初期化のために、絶対的時間情報を、同期されるべき全ての加入者に同時に伝送し、少なくとも、既知の周期時間の１つまたは複数の周期後にそれぞれ、前記絶対的時間情報と前記周期時間から前記加入者のローカルタイムを再計算することによって同期化を行う、ことを特徴とする、時間同期化方法。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、周期的に作動するコミュニケーションシステムを介して接続される加入者の時間同期化方法に関する。ここでは時間情報が、同期されるべき加入者へ伝送される。本発明はさらに、このようなコミュニケーションシステムの加入者並びにコミュニケーションシステム自体に関する。

コミュニケーションシステムにおける加入者の高精度な時間同期化は、オートメーション化領域および測定技術領域における多くの将来的なリアルタイムアプリケーションの基礎である。精確な時間情報が端末機器（加入者）内に存在することによって、分散した高精度同期プロセスを実現することが可能になる。このようなプロセスは、例えば運動制御アプリケーション、測定技術および制御技術または機械工学においてますます必要とされている。従って、時間同期化は、コミュニケーションシステムにおけるほぼ全てのリアルタイムアプリケーションの前提条件である。

周期的な時間同期化のためにしばしばＩＥＥＥ１５８８規格が使用される。この規格のタイトルは、「Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Mesurement and Control Systems」である。Precision Time Protocolは省略して"PTP"である。このような規格は、空間的に別個にされた多くのリアルタイムクロックを同期化させる方法を規定する。これらのリアルタイムクロックは、パケット式ネットワーク（例えばイーサーネット）を介して相互に接続されている。PTPでは１人の加入者がマスタークロックとして構築され、ソフトウェア的に生成された第１の同期テレグラムを送信し、続いてこの第１のテレグラムの正確な時点のデータを含むフォローアップテレグラムを残りの加入者（スレーブ）に送る。受信加入者は、この第１のテレグラムないしフォローアップテレグラムおよび自身の固有のクロックに基づいて、自身のクロックと、マスタークロックの間の時間差を計算し、これによって同期化を行う。このような同期化プロセスは、同期テレグラムサイクルで繰り返される。

さらなる公知の方法は、時間的な伝送遅延が少ない場合の、時間同期化のための絶対的時間情報（例えばSYNAX−接続）を周期的に伝送することである。

従来の、部分的に複雑なメカニズムで作動していた解決方法は、絶対的時間情報をアクティブに伝送することによって、加入者内での時間情報を周期的に同期させていた。本発明は、周期的に作動するコミュニケーションシステムにおける、より簡単な時間同期化方法を提案する。

周期的に作動するコミュニケーションシステムにおける、より簡単な時間同期化方法を提供すること。

上述の課題は、初期化のために、絶対的時間情報を、同期されるべき全ての加入者に同時に伝送し、少なくとも、既知の周期時間の１つまたは複数の周期後にそれぞれ、前記絶対的時間情報と前記周期時間から前記加入者のローカルタイムを再計算することによって同期化を行う、ことを特徴とする時間同期化方法によって解決される。また上述の課題は、周期的に作動するコミュニケーションシステムの加入者であって、当該加入者は計算ユニットを有しており、当該計算ユニットは時間同期化のために次のように構成されている、すなわち、絶対的時間情報の受信後に、少なくとも、既知の周期時間の１つまたは複数の周期後に、当該加入者のローカルタイムが前記絶対的時間情報と前記周期時間から再計算されるように構成されている、ことを特徴とする加入者によって解決される。さらに上述の課題は、前述の加入者を伴う、周期的に作動するコミュニケーションシステムによって解決される。

発明の利点
本発明の同期化方法では、絶対的時間情報が初期化のために、コミュニケーションシステムの同期化されるべき全ての加入者に同時に伝送される。ここでは少なくとも、既知の周期時間の１つの周期後（または複数の周期後）にそれぞれ、この絶対時間情報と各周期時間を知っていることに基づいて、同期されるべき各加入者のローカルタイムを新たに計算することによって同期化が行われる。従って、初期化のために、一度だけ絶対的時間情報が伝送され、引き続き、時間は分散的にドリフトすることなく案内される。絶対的時間情報は、全てのステーション（加入者）に一度、同時に伝送されなければならない。その後、時間は全てのステーションで分散したメカニズムによって同期して経過する。しかも新たな伝送が行われる必要はない。このようなメカニズムは、簡易な計算演算に限られる。伝送される絶対時間（絶対的時間情報）から出発して、各周期後にローカルタイムを再計算するのは有利である。これは、絶対時間に既知の周期時間を加算すること（第１のステップ）ないしは最後に計算された時間に加算すること（ｎ番目のステップ）によって行われる。

別の構成では、この計算は次のようにして行われる。すなわち各再計算時に、絶対時間から出発して、これまでに行われた周期、すなわち初期化から加えられた周期の既知の周期時間を、この絶対時間に加算して行われる。

加入者内で周期時間自体が既知である場合には、本発明は可変周期時間の場合にも使用可能である。

「絶対的時間情報」および「ローカルタイム」という概念によって、必ずしも通常の時間が意図される必要はないということに注意されたい。この概念は、時間情報のそれぞれ可能な形態を意図している。これは日付であっても、時間であってもまたは継続したカウント（Aufzaehlung）であってもよい（増大するまたは低減する数のシーケンス）。これは例えば周期の加算である（周期カウント）。従って本願の枠内では絶対的時間情報とは、上述した形式の初期化する時間情報が意図されている。これは、さらなる時間カウントないし時間計算の基礎として用いられる。このような絶対的時間情報は、時間同期ステーションの初期化のために、同期されるべき全ての加入者に同時に送信される。ここで本願の枠内では、コミュニケーションクオリティに対して伝播時間を伴う区間は存在しないまたは無視できるものであるということが前提とされるので、加入者での絶対的時間情報の同時受信という言葉が十分な正確さをもって用いられる。

コミュニケーションシステムの加入者のうちの一人が、時間基準マスタの役割を担うのは有利である。この時間基準マスタは、上述した絶対的時間情報を残りの加入者に送信する。しかし次のような別のコミュニケーションシステム（ＮＴＰ，ＧＰＳ）も存在する。このコミュニケーションシステムでは複数のクロックジェネレータが相互に同期し、時間基準マスタとして機能する。特別に、オートメーション化技術においては次のことも可能である。すなわちここでは制御部が時間基準マスタとして構築され、この制御部に他の制御部が同期し、同じように、この制御部に依存している別のエレメントが、自身に割り当てられている制御部に関連して下位同期することが可能である。

絶対的時間情報の送信は、有利にはグローバルテレグラムとして、ブロードキャストの形式で行われる。これは全ての加入者と通信することができる。

オートメーション化技術内のコミュニケーションシステムは通常はコミュニケーションマスタによって作動する。このコミュニケーションマスタは、いつどの時間であるのかを通知し、残りの加入者は自身のローカルタイムを、相応の信号が到達したときに、相応する時間にセットすることができる。本発明ではこの加入者は引き続き、同期テレグラムが周期的に到来したときに、自身のローカルタイムを、既知の周期時間に相応して新たにセットすることができる。

本発明に相応した時間同期化のためには、システムが周期的に同期しているイベントを実施することが必要とされる。ここではこのために例えば同期テレグラムが使用される。

所定のラスタ（細かい書入れ「Feininterpolation」を参照）に従って、同期化を、周期時間毎に複数回行うことも可能である。

周期的に作動するコミュニケーションシステムの、本発明と相応に構成された加入者は計算ユニットを有する。この計算ユニットは時間同期のために次のように設計されている。すなわち絶対的時間情報の受信後に、少なくとも、既知の周期時間の１つまたは複数の周期後に、加入者のローカルタイムが再計算されるように構成されている。計算方法は上述してある。この計算ユニットは、加入者内に既に存在しているＣＰＵである。

周期的に作動するコミュニケーションシステムの、このように設計された計算ユニットによって、上述した本発明による方法が実現される。

本発明のコミュニケーションシステムは上述した加入者を、時間的に同期されるべきステーションとして有している。

図面の説明
以下で本発明および本発明の利点を、図示された実施例に基づいてより詳細に説明する。

図１には、本発明によるコミュニケーションシステムの基本が示されている。ここでコミュニケーションシステム１は、コミュニケーションシステム１の加入者２，３，４，５間のリアルタイムコミュニケーションを変換する。加入者２，３，４および５は、物理的な伝送レベル６を介して相互に接続されている。図１に示されたコミュニケーションシステム１の例は、イーサーネットまたはＳＥＲＣＯＳインターフェースをあらわしている。図示された実施例では、加入者２はコミュニケーションマスタとして構築されており、残りの加入者３，４および５はコミュニケーションスレーブとして機能する。図示された例では、コミュニケーションマスタ２は通常のＰＣであり、残りの加入者は例えば制御部、ＳＰＳ（Speicherprogrammierbare Steuerungen：記憶部プログラマブル制御部）またはセンサないしアクチュエータであり得る。図示されたコミュニケーションシステム１の典型的な使用領域は、オートメーション化技術領域である。

図１Ａには、本発明による時間同期化の初期化の第１のステップが示されている。ここではまず、データテレグラム７が、同期すべき加入者３，４および５に、時間基準マスタであるコミュニケーションマスタ２から同時に伝送される。このようなデータテレグラム７は絶対的時間情報、言い換えれば、時間情報を有する時間基準を含む。例えばデータダイヤグラムは、日付データ並びにミリ秒まで正確な時間のデータを含む。上述したようにこの絶対的時間情報は単に、任意の数を示すこともできる。この数から、さらなる時間カウントが行われる。例えば時間カウントは、コミュニケーションシステム内の周期のカウントをあらわす。

図１Ｂは、この初期化に続くステップを概略的に示している。ここではそれぞれ、コミュニケーションマスタ２から周期情報が、同期されるべき加入者３，４および５に送られる。

周期的に作動するコミュニケーションシステム１内で、この種の周期情報は同期テレグラム８として存在する。その後にそれぞれ、この種の同期テレグラム８が送信される周期時間は、加入者３，４および５には同じように知られている。初期化後に、送信される時間基準（絶対的時間情報）にこの周期時間を容易に付加することによって、各加入者３，４，５のローカルタイムは再計算される。加入者３，４，５のクロックは再び同期する。

典型的な周期時間は０．１〜１００ｍｓであり、殊に、１〜１０ｍｓである。本発明では、各周期時間が全てのステーション（加入者）において公知である限りは、コミュニケーションシステム内での可変周期時間も可能であることに注意されたい。絶対的時間情報（時間基準）は同時に加入者３，４，５に送信される（ブロードキャスト）。ここでは、伝播時間遅延が生じない、ないしは後続する時間同期に対する伝播時間遅延が無視できるものであることを前提とする。従って結果的に、絶対的時間情報が同期すべき加入者３，４，５に同時に達することが想定される。

図１（および２）に示された概略図から、本発明の利点が明らかになる。本発明の利点は、これまで通常の時間同期と比べて、各周期後に絶対的時間情報（データテレグラム７）が残りの加入者に送信される必要がないということである。この種のデータテレグラムの読み出しは、ハードウェア技術によってまたはソフトウェア技術によって解決される。しかし、クロック発生器信号（同期テレグラム８）の登録よりもコストがかかり、かつ時間がかかる。従って本発明では時間周期は分散して、ドリフトなしで実行される。

図２にはこれに対して２つのタイムダイヤグラムが示されている。ここで図２Ａには、コミュニケーションマスタ２の出力側のタイムダイヤグラムが示されており、図２Ｂにはコミュニケーションスレーブ、すなわち同期されるべき加入者側３，４，５のタイムダイヤグラムが示されている。概念的に図２では、図１に関して同じ参照番号は同じエレメントを示している。

図２に示されている時間同期の例では、時間基準送出部（この例では、コミュニケーションマスタないしは同期信号送出部と同じ）によって特定のインターバルで同期テレグラム（Sync-テレグラム８）が、コミュニケーションシステムの全ての残りの加入者に送出される。このインターバルの間隔は、固定された周期時間に相当する。相応する時点には参照符号ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４等が付与されている。時点ｔ_１とｔ_２の間には、初期化のためにデータテレグラム７が伝送される。このデータテレグラムはこの実施例では、フォーマット"２０００−０４−０１，１６：０５：３０,１２３"の時間基準をあらわしている。このような初期化後、時間基準送出部（ここではコミュニケーションマスタ２（図１を参照））は、単に同期テレグラム８を、コミュニケーション周期に相応して、すなわち言及された時点ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３等で送出する。周期時間はこの実施例では１０ｍｓである。

図２Ｂにはコミュニケーションスレーブ、すなわち加入者３，４，５の入力側のタイムダイヤグラムが示されている。時点ｔ_１とｔ_２の間には、目下の時間Ｔ_ｒｅｆで、コミュニケーションスレーブはデータテレグラム７を得る。このデータテレグラムは、時間基準"２０００−０４−０１，１６：０５：３０,１２３"を伴う。これらの加入者（コミュニケーションスレーブ）の計算ユニットは次のように設計されている。すなわちデータテレグラム７をあらわすこの絶対的時間情報を受信した後で、次の周期時間ｔ_２に対してこの加入者のローカルクロックが再計算されるように設計されている。従ってこの実施例では、１０ｍｓの既知の周期時間が時点ｔ_２で、データテレグラム７における絶対的時間情報に加算される。従って、新たに計算された、時点ｔ_２でのコミュニケーションスレーブのローカルタイムは、"２０００−０４−０１，１６：０５：３０,１３３"である。

この実施例から分かるように、本発明の時間同期化には次のことだけが必要である。すなわち初期化するデータテレグラム７がｔ_１〜ｔ_２のインターバルの間に加入者３，４，５に達することだけが必要である。

時間同期化の別のステップは上述した過程と同じように経過する。従って、時点ｔ_３でコミュニケーションスレーブのローカルタイムは"２０００−０４−０１，１６：０５：３０,１４３"であり、時点ｔ_４では"２０００−０４−０１，１６：０５：３０,１５３"であり、このようにして続いていく。

従って図２に示された実施例では各周期時間で、すなわち１０ｍｓ毎に同期化が行われる。これは図１に示されたコミュニケーションシステムにおいて、リアルタイムコミュニケーションを可能にする。この種のリアルタイムコミュニケーションは、オートメーション化技術において、非常に重要である。

図３には、階層を有するコミュニケーションシステムが示されている。ここでは２つの階層レベル１０および２０が示されている。階層レベル１０は、加入者２，３，４および５間でのリアルタイムコミュニケーションを含み、階層レベル２０は、それぞれ下位加入者３１，３２ないし４１，４２ないし５１，５２を有する加入者３，４，５をそれぞれ含む。加入者３，３１および３２の間でいわゆる下位同期化が行われる。すなわち加入者３１および３２は加入者３と同期し、相応に加入者４１および４２は加入者４と同期し、加入者５１および５２は加入者５と同期する。示された矢印は、階層レベルまたは同期レベルを示す。加入者３，４および５は、上述したように、ハードウェア制御部または記憶部プログラミング可能な制御部のことである。また各下位加入者は、センサないしアクチュエータ（例えば駆動部またはこれと同様のもの）のことである。これらはそれぞれ、上位制御部によって駆動制御される。下位加入者３１，３２に関しては、加入者３は、コミュニケーションマスタとして機能し、同様のことが階層レベル２０における残りの分岐部に対して当てはまる。

時間同期化のための本発明による方法は、周期的に作動するコミュニケーションシステム内の分散した（dezentrale）、迅速かつドリフトの無い加入者同期化を可能にし、ひいては加入者間でのエラーのないリアルタイムコミュニケーションを可能にする。これは殊にオートメーション化技術にとって非常に重要である。

リアルタイムコミュニケーションの初期化（Initialisierung）の本発明によるステップを伴う、周期的に作動するコミュニケーションシステムの概略図 続いて行われる本発明に相応する同期を伴う、周期的に作動するコミュニケーションシステムの概略図 コミュニケーションマスタとして構築された加入者の出力側を示す、本発明による時間同期を示すタイムダイヤグラム 同期されるべき加入者の入力側を示す、本発明による時間同期を示すタイムダイヤグラム 階層を有するコミュニケーションシステムを示す図

符号の説明

１ コミュニケーションシステム、 ２，３，４，５ コミュニケーションシステムの加入者、 ６ 伝送レベル、 ７ データテレグラム、 ８ 同期テレグラム、 １０ 階層レベル、 ２０ 階層レベル、 ３１，３２，４１，４２，５１，５２ 下位加入者

Claims (10)

1. 周期的に作動するコミュニケーションシステム（１）を介して接続された加入者（２，３，４，５）を時間的に同期させる方法であって、
   同期されるべき加入者（２，３，４，５）に時間情報を送信する形式の方法において、
   初期化のために、絶対的時間情報を、同期されるべき全ての加入者（２，３，４，５）に同時に伝送し、
   少なくとも、既知の周期時間の１つまたは複数の周期後にそれぞれ、前記絶対的時間情報と前記周期時間から前記加入者（２，３，４，５）のローカルタイムを再計算することによって同期化を行う、
   ことを特徴とする、時間同期化方法。
2. 前記絶対的時間情報を、コミュニケーションシステム（１）の加入者（２）から、同期されるべき残りの加入者（３，４，５）へ伝送する、請求項１記載の方法。
3. 各周期後に、前記既知の周期時間を最後に計算された時間に加えることによって前記ローカルタイムを再計算する、請求項１または２記載の方法。
4. 前記ローカルタイムを再計算する度に、初期化で伝送された前記絶対的時間情報から出発し、これまでに行われた周期の既知の周期時間を当該絶対的時間情報に加える、請求項１または２記載の方法。
5. 前記ローカルタイムをそれぞれ、これまでに行われた周期の数として再計算する、請求項１または２記載の方法。
6. 同期されるべき加入者のローカルタイムを、各到来する同期テレグラム（８）の後に再計算する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記加入者のローカルタイムを周期毎に複数回、再計算する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 初期化のために、前記絶対的時間情報を、グローバルテレグラム（７）を用いてブロードキャストとして、同期されるべき加入者に伝送する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 周期的に作動するコミュニケーションシステム（１）の加入者であって、
   当該加入者は計算ユニットを有しており、
   当該計算ユニットは時間同期化のために次のように構成されている、すなわち、絶対的時間情報の受信後に、少なくとも、既知の周期時間の１つまたは複数の周期後に、当該加入者のローカルタイムが前記絶対的時間情報と前記周期時間から再計算されるように構成されている、
   ことを特徴とする加入者。
10. 請求項９記載の加入者を伴う、周期的に作動するコミュニケーションシステム。

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