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Samstag, 17. Februar 2018

Messe SPS/IPC/Drives

Das einheitliche Zeitverständnis im Automatisierungsnetz ist Pflicht

Von Schürmann | 22. November 2013 | Ausgabe 47

Echtzeit ist ein wichtiges Schlagwort in der Automatisierungsbranche. Gerade vor dem Hintergrund von Industrie 4.0 ist es daher wichtig, dass die Uhren im Netz synchron laufen. Wenige Wochen vor der Branchenmesse SPS/IPC/Drives in Nürnberg trafen sich daher in Lemgo Fachleute zum International Symposium on Precision Clock Synchronization, kurz ISPCS.

Mensch-Maschine-Kommunikation
Foto: Manfred Baumann/Your Photo Today

Pünktlichkeit: Bei der Kommunikation zwischen Maschinen sind die Anforderungen höher als im menschlichen Zusammenleben. In der Technik geht es häufig um Millisekunden.

Überall dort, wo viele Komponenten vernetzt zusammenarbeiten, ist eine korrekte Einstellung der Uhrzeit absolut notwendig. Damit alle Systeme über das gleiche Verständnis von Zeit verfügen, gibt es Experten, die sich mit dem Thema der Uhrzeit-Synchronisation beschäftigen und Standards entwickeln, mit denen ein noch genauerer Abgleich der Zeit möglich wird.

„Plugfeste“ decken Kompatibilitätsschwächen auf

Über 140 dieser Experten aus 23 verschiedenen Ländern von Unternehmen wie Siemens, ABB, Cisco, General Electric, aber auch Phoenix Contact und Meinberg Funkuhren trafen sich kürzlich zur ISPCS in Lemgo. Auf dem dreitägigen Symposium ging es neben wissenschaftlichen Diskussionen und neuesten Erkenntnissen darum, Ideen zu entwickeln, mit denen es gelingt, die Zeit noch genauer abgleichen zu können.

"Mit der Verbreitung des Internets ist es immer wichtiger geworden, dass alle Geräte, die über Länder und Kontinente hinweg miteinander verbunden sind und miteinander agieren müssen, ein gleiches Zeitverständnis haben", erläuterte der Gastgeber der Veranstaltung, Prof. Jürgen Jasperneite, Leiter des Instituts für industrielle Informationstechnik (inIT) der Hochschule Ostwestfalen-Lippe (OWL) und dem Fraunhofer-Anwendungszentrum IOSB-INA, die Herausforderung.

Weil nicht jedes System mit einem Atomuhrempfänger ausgestattet werden kann, rüstet man Computer, Router und Server mit einem elektronischen Uhrwerk aus, das über ein Kommunikationsprotokoll synchron gehalten wird. "Dabei kommt es nicht immer darauf an, die absolut richtige Uhrzeit einzustellen, sondern den relativen Gleichlauf herzustellen", sagte Jasperneite.

Im Internet beispielsweise sorgt das Kommunikationsprogramm NTP – Network Time Protocol – dafür, dass jeder PC und jeder Netzwerkknoten mit einer Genauigkeit von einigen Millisekunden miteinander synchronisiert wird. "Diese Genauigkeit reicht aber heute längst nicht mehr aus. Vor allem im Bereich der Automatisierungs- und Messtechnik gibt es eine Reihe von Anwendungen, für die das Zeitverständnis viel exakter abgeglichen werden muss", ergänzte Sebastian Schriegel vom Fraunhofer-Anwendungszentrum.

Damit in einem Netzverbund das Ein- und Abschalten verschiedener Energiequellen nicht zu Komplikationen und Instabilitäten führt, müssen diese phasensynchron geschaltet werden. Das heißt, das Schalten erfolgt genau im Nulldurchgang der Phasen. Das funktioniert aber nur, wenn die Systeme zeitlich hochsynchron zueinander laufen. Um das zu erreichen, müssen auch die verschiedenen Messsysteme, die die Uhrzeit in den Einzelsystemen erfassen, zeitlich synchron sein. "Das gelingt nur, wenn alle miteinander verknüpften Systeme ein gleichlaufendes Uhrwerk haben", so Jasperneite.

Auch in der Automatisierungstechnik ist eine hochgenaue Uhrzeitsynchronisation entscheidend: Beim Papierdruck sichert z. B. eine "elektronische Königswelle" die synchrone Bewegung der verschiedenen Servoantriebe, sodass selbst bei hohen Geschwindigkeiten das Papier nicht reißt. Letzteres würde passieren, wenn die Antriebe aus dem Takt geraten.

Reibungslos ist der Ablauf nur dann, wenn die Antriebe hochgenau synchronisiert arbeiten. "Da würden selbst Zeitunterschiede im Millisekundenbereich zu Problemen führen, weil das Messen der Antriebsgeschwindigkeit und ein Ausgleich, wenn ein Antrieb zu schnell oder zu langsam läuft, in einem Zeitfenster ablaufen müssen, das weit darunter liegt", sagte Schriegel .

Im Jahr 2002 haben sich Techniker weltweit daher auf das Precision-Time-Protokoll (PTP) mit dem Namen IEEE-1588 als Kommunikationsstandard geeinigt. Damit ist im Softwarebereich die mikrosekundengenaue Uhrzeitsynchronisierung ermöglicht. Beientsprechender Hardware liegt sie sogar im Bereich von Nanosekunden.

"Allen ist zwar klar, dass es beispielsweise nicht gelingen wird, ein Echtzeit-Internet zu realisieren", erläutert Jasperneite die Herausforderung. Allerdings bestehe die Möglichkeit, verschiedene Knoten zu entkoppeln und ein gleiches Zeitverständnis innerhalb kleinerer Anwendungssysteme und Regelkreise mit Hilfe des IEEE-1588 zu erreichen.

Im kleineren Verbund, in einem PTP-Netz, gelinge es jedoch durch zusätzliche Maßnahmen, eine hochgenaue gleiche Uhrzeit herzustellen. Und wenn Steuerinformationen aus dem Internet das jeweilige PTP-Netz erreichen, werden sie einfach an die dort herrschende Uhrzeit angepasst. Weil bereits bei der Übertragung des Zeitsignals Differenzen entstehen, werden diese von den Laufzeiten verursachten Verzögerungen heute zusätzlich von Regelungsverfahren in den Geräten ausgeglichen.

Innovationen in der Luft- und Raumfahrt sowie Verkehrssysteme profitieren ebenso von der hochgenauen Zeitsynchronisation wie Computersysteme, die Transaktionen beim Aktienhandel automatisch abwickeln. Deshalb gibt es ständig Weiterentwicklungen. HANS SCHÜRMANN

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