Zeitsynchronisation

Die Geschichte der Zeitzeichensender und der Zeitsynchronisation begann bereits im 19. Jahrhundert. Es wurden und werden verschiedenste Zeitsignale und Zeitcodes verwendet. Ein in Europa weit verbreiteter Zeitzeichensender ist DCF77, welcher als Referenz sowohl für Wanduhren als auch Netzwerkteilnehmer dient.

Es gibt verschiedene Verfahren der Echtzeitkommunikation und Zeitsynchronisation in verteilten Netzwerken. Die Möglichkeiten umfassen unter anderem GPS-Synchronisation oder eine Abstimmung mit Zeitreferenzsignalen wie DCF77. Es gibt über hundert verschiedene Protokolle zur Echtzeitkommunikation. Im Zuge der Entwicklung neuer Standards soll eine solche Vielfalt vermieden werden. Die Merkmale aktuell geeigneter Protokolle sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.

Zeitsynchronisations-Vergleich
Figure 1. Zeitsynchronisations-Vergleich


Das “Precision Time Protocol (PTP)” gemäß IEEE 1588 wird dort eingesetzt, wo zeitabhängige Vorgänge synchronisiert werden müssen. Das bisher größte Anwendungsgebiet ist die Automatisierungstechnik. PTP wird hier schwerpunktmäßig in Motion-Control Anwendungen wie beispielsweise bei Druck- und Verpackungsmaschinen bzw. -anlagen verwendet. Denn es ermöglicht eine exakte Abstimmung der einzelnen Arbeitsschritte aufeinander mit einer Genauigkeit im Sub-Mikrosekundenbereich. Ein weiterer Vorteil des Protokolls besteht darin, dass das Ausführen von Prozessen komplett von der Kommunikation und der Verarbeitung der Steuerbefehle entkoppelt ist. Dadurch wird die Anlage weniger störanfällig.

Auch außerhalb der Automatisierungstechnik gibt es Ansätze für Anwendungen mit dem PTP. So werden in Energieverteileranlagen Ströme und Spannungen mit verschiedenen verteilten Sensoren gemessen, in Turbinensteuerungen wird die Effizienz erhöht und bei der Überwachung von Prozessen werden dezentral erfasste Ereignisse mit präzisen Zeitinformationen versehen und an ein zentrale Leitstelle gesendet. Eine weitere Anwendung von PTP basierter Zeitsynchronisation ist die gleichzeitige Messung an verschiedenen Orten in einem Netzwerk. Eine Anwendung der verteilten synchronen Datenerfassung ist obonic-synet. Der IEEE 1588 Standard wurde aufgrund der Anwendungsweiterentwicklung kontinuierlich weiter entwickelt. Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich der IEEE 1588 Versionen PTP v1 und PTP v2.

PTP v1 PTP v2

Zeitauflösung

1 ns

15,26 fs

Zeitdarstellung

Epoche (16 Bit), Sekunden (32 Bit), Nanosekunden (32 Bit)

Sekunden (48 Bit), Nanosekunden (32 Bit)

Nachrichtenintervalle

minimal 1 Sekunde

Konfigurierbar pro Nachrichtentyp

Nachrichtentypen

Sync, Follow_Up, Delay_Request, Delay_Response, Management

Sync, Follow_Up, Announce, Delay_Request, Delay_Response, Management, Pdelay_Req, Pdelay_Resp, Pdelay_Resp_Follow_Up

Kommunikation

UDP/IPv4

UDP/IPv4, UDP/IPv6, Ethernet IEEE 802.3, u.a.

Erweiterungen

Profile, Sicherheitsprotokoll

Die Implementierung der Zeitsynchronisierung muss eine wichtige Regel beachten:

Important
Die Zeitsynchroniserung darf nicht zu Zeitsprüngen oder Zeitstillstand führen.

Ein Vergleich der Uhren kann in den zwei wesentliche Parameter einer Uhr erfolgen:

  • Genauigkeit, d.h. geringe Abweichung gegenüber einer Referenz

  • Präzision, kleine Streuung, bzw Jitter / Phasenrauschen

In unserem Projekt OBONIC-SYNET wurde das IEEE 1588 Protokoll implementiert und einem ausführlichen Test unterzogen. Weitere Informationen können wir gerne auf Anfrage zur Verfügung stellen.

obonic-synet
Figure 2. obonic-synet IEEE 1588 test setup