Schwerpunkte

Teil 7 der TSN-Serie

Die Zeitsynchronisation

07. Januar 2021, 12:01 Uhr   |  Meinrad Happacher


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Die Qualität der Synchronisation

Bild 2. Zeitstempel-Ungenauigkeit auf verschiedenen Ebenen des Netzwerk-Stacks.
© NetTimeLogic

Bild 2. Zeitstempel-Ungenauigkeit auf verschiedenen Ebenen des Netzwerk-Stacks.

Die erreichbare Genauigkeit hängt stark von der Stabilität der Zeitquelle, der Topologie und der daraus folgenden Anzahl an Hierarchien im PTP-Synchronisationsbaum ab. Dazu kommt ebenfalls der zu erwartende systembedingte Fehler pro Knoten in der Hierarchie (Zeitstempel-Granularität, Aufenthaltsdauer, Oszillator-Stabilität). Und schlussendlich hängt die Genauigkeit natürlich von der Implementation des zu synchronisierenden Endknotens ab (Zeitstempel-Granularität, Filter- und Regel-Parameter, Oszillator-Stabilität). 

Aus der Synchronisationshierarchie in Bild 1 ist ersichtlich, dass mit zunehmender Zahl an Ebenen (Hops) zwischen der Zeitquelle und Zeitsenke die erreichbare Genauigkeit abnimmt. Dies ist hauptsächlich der Zeitstempel-Genauigkeit in den einzelnen Hops und den darauf basierenden Berechnungen sowie der Stabilität der Oszillatoren geschuldet. Grundsätzlich legt PTP nicht fest, wie ein Zeitstempel eines Pakets genommen wird, jedoch legt es fest, wann ein Zeitstempel genommen wird. Dies ist genau dann, wenn der Start-of-Frame-Delimiter (SFD) das Kabel am jeweiligen Knoten verlässt beziehungsweise erreicht. Wie es nun zu den entsprechenden Zeitstempeln kommt, ist implementationsabhängig. Zudem gibt es verschiedene Ebenen, wo Zeitstempel genommen werden können (siehe Bild 2 oben). In den unteren Ebenen erfolgt die Zeitstempelung dabei in Hardware, in den oberen in Software.

Vereinfacht gesagt gilt, je höher die Schicht im OSI Model, desto fehlerbehafteter ist der Zeitstempel. Um eine Synchronisationsgenauigkeit <1 μs zu erreichen, ist eine Hardware-Unterstützung notwendig. Dies gilt auch, weil der Zeitstempel nur einer von drei entscheidenden Teilen ist, welcher für hochgenaue Synchronisation und deren Nutzen nötig ist. Die Zeitstempel basieren schlussendlich auf einer Zeit, welche entsprechend in Phase und Frequenz angepasst werden muss, was den zweiten entscheidenden Teil darstellt: eine anpassbare Uhr.

Je genauer die Uhr geregelt werden kann, desto genauer sind schlussendlich die Zeitstempel und dementsprechend auch wieder die Berechnungen der neuen Regelparameter. Die Genauigkeit der Regelung hängt in dem Zusammenhang aber auch sehr stark von der Oszillator-Stabilität der Taktquelle für die Uhr ab. Es bringt also nichts, wenn die Frequenz der Uhr mit einer Auflösung von etwa 1 ppb (1 ns/s) geregelt wird, die Taktquelle aber einen Jitter von 10 ppm hat (10 μs/s) hat.

Glücklicherweise sind auch viele low-cost Kristall-Oszillatoren mit 50 ppm – bei konstanter Temperatur, Vibration – sehr frequenzstabil (<10 ppb). Der absolute Frequenzfehler ist hier irrelevant, da dieser einfach weggeregelt werden kann. Es geht hier also rein um die Frequenzstabilität. Um mit weniger stabilen Oszillatoren eine passable Genauigkeit zu erreichen, kann die Frame-Rate erhöht werden. Dies führt dazu, dass ein Knoten öfters nachregeln kann und entsprechend weniger weit wegdriftet als bei niedrigeren Raten, dies jedoch auf Kosten der Netzwerklast. Das dritte und letzte entscheidende Puzzleteil ist die Möglichkeit, die hochgenaue Uhr nutzen zu können. Dabei geht es entweder darum, zeitgesteuert Events auszulösen (Phasen und Zyklen in TSN, synchrones Sampling von ADCs, synchrone Ansteuerung von Motoren oder OPC-UA Frame Trigger) oder Events mit der hochgenauen Uhr mit einem Zeitstempel zu versehen (etwa asynchrone Events für zentrale Korrelation). Auch hier gilt wie bei den Zeitstempeln, je mehr Hardware- Unterstützung desto präziser.

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1. Die Zeitsynchronisation
2. Die Qualität der Synchronisation
3. Die Optionen der Implementierung
4. Die Hardware-Lösung
5. Übersicht: IEC-61156-Standards für Single Pair-Ethernet-Leitungen.

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