Serie Grundlagen der Technik, Teil 3

Protokollanalyse und Bestimmung der Phasenabweichung

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Die Synchronisierung von Netzwerken ist von höchster Bedeutung Bild: Rynio Productions/Fotolia.com
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Gerade in Zeiten von TSN ist die Zeitsynchronisierung ein essenzieller Mechanismus, um deterministische Kommunikation mit geringer Latenz in Netzwerken zu ermöglichen. Um die Zeitsynchronisierung gemäß IEC 1588v2 PTP (Precision Time Protocol) sicherzustellen, ist eine Protokollanalyse und die Bestimmung der Phasenabweichung zweier Takte − beispielsweise in zeitkritischen Ethernet/IP-Anwendungen − der Automatisierungstechnik unerlässlich. Mit diesem Thema beschäftigt sich auch die Technische Akademie Esslingen e.V. in Seminaren und Veranstaltungen.

Helmut Otto, Viavi Solutions Deutschland GmbH in Eningen

Die Automatisierung erfordert einen robusten Mechanismus, der eine globale Zeit bereitstellt und die Grundlage für die Planung des Datenverkehrs für jede teilnehmende Netzwerkkomponente bildet. So erstellt der aktuelle TSN-Standard gemäß IEEE-802.1AS ein Profil des IEEE-1588-PTP-Synchronisationsprotokolls, das die Kompatibilität der Zeitsynchronisation zwischen verschiedenen Komponenten im Netzwerk einschließlich TSN-fähiger Geräte ermöglicht.

Zeitbasis für alle Teilnehmer

Ethernet und IP sind Oberbegriffe für die Bestrebungen, einen weltweiten Vernetzungsstandard von Geräten auch in Bereichen der industriellen Kommunikation nutzbar zu machen. Das Steuern und Überwachen von maschinellen Endgeräten nutzt dazu zum Großteil die gleichen Kommunikationsprotokolle (IP/TCP/UDP), die bisher in der lokalen Netzwerk-Welt eingesetzt werden.

Die Synchronisierung von Netzwerken ist eine Aufgabe von höchster Bedeutung und die Grundlage für eine optimale Leistung und Übertragungsgüte für alle Teilnehmer im Netzwerk. In verteilten Systemen wird eine gemeinsame Zeitbasis durch verschiedene Kommunikationsvorgänge bereitgestellt. Dies kann auf unterschiedlichen Arten geschehen. Durch den Empfang einer Meldung werden gemeinsame Aktionen ausgeführt, oder es werden Protokolle eingesetzt, die zyklische Nachrichten versenden. In jedem Knoten sind Uhren implementiert. Eine Synchronisation wird erreicht, indem die Uhren abgeglichen werden. Sobald diese Uhren synchronisiert sind, können Anwendungen in der Mess- und Automatisierungstechnik ausgeführt werden. Synchronisation bedeutet, dass alle Netzelemente von digitalen Übertragungsstrecken mit exakt dem gleichen Übertragungsmodus arbeiten. Abweichungen davon führen zu mehr oder weniger häufigen Informationsverlusten.

In einem lokalen Netzwerk mit einem zentralen System ist die Zeit eindeutig festgelegt. In einem verteilten System mit vielen verschiedenen Uhren müssen diese für ihre weiteren Aufgaben synchronisiert werden. Zeitsynchronisierte Uhren sind unabhängig von ihrem geografischen Standort und haben den gleichen Zeitbezug zu einer Referenz-Zeitquelle.

Protokoll-Analyse

Synchronisationsnetzwerke wie 1588v2 PTP erfordern zwischen den Kommunikationspartnern einen kontinuierlichen und konstanten Austausch von Nachrichten. Dies ist erforderlich, um die Synchronisation aufrecht zu erhalten. Ein Fehler im Austausch der Synchronisationspakete führt zu einer ungenauen Synchronisation oder eventuell zum Verlust der Synchronisation. Laufzeitschwankungen wirken sich unmittelbar auf die Genauigkeit der Synchronisation aus. Eine PDV-Messung (Packet Delay Variation) kann eine Aussage über die Größe dieser Schwankungen liefern.

Die notwendigen Netzprozesse und die dazugehörigen Protokolle müssen analysiert werden. Um ein methodisches Vorgehen bei der Fehlersuche in Echtzeit-Netzwerken durchzuführen, muss das Zusammenwirken der verschiedenen Protokollebenen von Netzwerkebene bis hin zur Transport-und Anwendungsebene analysiert werden. Durch den Einsatz von Netzanalyse- und Überwachungssystemen soll die Fehlerbehebungszeit so kurz wie möglich gehalten werden.

Jitter- und Wandermessungen

Neben der Protokoll- und der Analyse des Nachrichtenaustauschs ist eine Kontrolle der Frequenz-und Phasenabweichung der Synchronisationssignale unerläslich. Frequenz-, Zeit- und Phasenfehler können zu Synchronisationsproblemen führen. Wander ist Jitter mit sehr langsamen Phasenänderungen. Die Grenze wurde von der ITU-T G.810 bei 10 Hz festgelegt. Gibt es Probleme mit einer Station, bietet sich die 1-PPS-Analyse an. Mit der 1-PPS-Time-Error-Delay-Messung lassen sich kritische, konstante, asymmetrische Laufzeiten erkennen und lokalisieren. Mit der 1-PPS-Wander-Analyse können dynamische Effekte erkannt werden.

Für die Wandermessung ist eine externe, möglichst genaue Referenztaktquelle notwendig. Es kann auch das nächst höherwertige Taktsignal der Synchronisationskette verwendet werden. Das zu messende Signal wird der Eingangsbuchse des Messgerätes zugeführt. Für die Zuführung des Referenztaktes steht eine separate Buchse zur Verfügung. An dieser Buchse können Taktsignale sowie Datensignale zugeführt werden.

Als Maßeinheit für die Wanderamplitude hat sich der absolute Betrag im ns-Bereich als praktikabel erwiesen. Die niedrigen Frequenz-Komponenten erfordern entsprechend lange Messzeiten. Als Messergebnisse bekommt man den TIE (Time Interval Error) über der Zeit. Dieser Messwert ist die Basis für weitere Messanalysen (MTIE, TDEV).

www.tae.de

Details zum Thema und zu

den Verantaltungen der TAE

http://hier.pro/E4WZJ


info

Gemeinsam mit der Technische Akademie Esslingen e.V. stellt die elektro AUTOMATION in dieser Serie Hintergründe und Einsatzszenarien in aktuellen Technikfeldern zusammen. Tipps zu Seminarangeboten erleichtern die Planung einer praxisorientierten Weiterbildung: hier.pro/E4WZJ


PLUS

Das Precision Time Protocol

Das PTP ist laut IEEE 1588 und IEC 61588 ein spezielles Netzwerkprotokoll, dessen Aufgabe darin besteht, eine gemeinsame Zeitbasis für die in einem Netzwerk verknüpften Geräte zu schaffen. Dabei liegt der Fokus auf einer hohen Genauigkeit sowie auf räumlich begrenzten Netzwerken, wie sie in der Automatisierung bzw. in der Antriebstechnik weit verbreitet sind. Mithilfe des PTP lassen sich Genauigkeiten im Bereich von Nano- bis zu wenigen Mikrosekunden erreichen. Die in einem PTP-Netzwerk kommunizierenden Uhren werden als Master- und Slave-Clocks definiert. Über den sogenannten Best-Master-Clock-Algorithmus wird der Netzwerkteilnehmer ermittelt, der die genaueste Zeitbasis darstellt. Diese Referenz bzw. Grandmaster-Uhr muss bei jeder Änderung der Topologie des Netzes erneut definiert und das Netz synchronisiert werden. Netzwerkteilnehmer, die sowohl Master- als auch Slave-Funktion übernehmen, werden als sogenannte Boundary Clocks bezeichnet.

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