Verfahren und Vorrichtung zur einfachen Zeitsynchronisation einer Kommunikation im Industriellen Umfeld

Die fortschreitende Digitalisierung in der Industrie wäre oh ne moderne Kommunikationstechnologien undenkbar. Gerade bei Anwendungen, bei denen das Verlegen von Kabeln zu aufwändig oder sogar unmöglich wäre, sind drahtlose Lösungen gefragt.

Um den Unternehmen die bestmögliche Infrastruktur für den Austausch von Daten aller Art zu bieten, wurden besondere In dustrial Wireless LAN (IWLAN)-Produkte mit speziellen Zusatz funktionen entwickelt - für die spezifischen Ansprüche von WLAN in der Industrie.

Insbesondere Anwendungen in der Automatisierung, wie z. B. der Automobilherstellung, bei Transport und Logistik, aber auch in der Öl- und Gasindustrie profitieren davon.

Der wesentliche Unterschied zu dem im Privatbereich stark verbreiteten WLAN liegt in der zeitgenauen Übertragung der Steuer- und Datensätze, was für den Einsatz in der Industrie zwingend erforderlich ist, um Maschinen sicher steuern zu können. Außerdem sind solche Geräte für einen größeren Tempe raturbereich von -40 °C bis +70 °C ausgelegt.

Das Netz arbeitet mit einem speziellen Verschlüsselungsver fahren, um Manipulationen zu unterbinden.

Drahtlose Kommunikation über Industrial Wireless LAN (IWLAN) ist als Lösung schon in vielen Applikationen im Einsatz, bei spielsweise bei mobilen Netzwerkteilnehmern wie fahrerlosen Transportsystemen oder bei Krananwendungen. Nicht nur die Hardware,sondern auch die Software der Geräte muss in der In dustrie besondere Anforderungen erfüllen.

Die schnelle und sichere Übertragung der Datenpakete ist ein Muss in der Kommunikation für viele Einsatzfälle, Echtzeit- kommunikation nach dem PROFINET und EtherNet/IP Protokoll sollte daher problemlos umsetzbar sein.

Werden Funksysteme, z, B. basierend auf Wi-Fi, in Real-time- Applikationen eigesetzt, ist häufig eine Uhrzeitsynchronisa- tion erforderlich. Die gilt insbesondere dann, wenn das Funk system in ein Bussystem für Real-time-Anwendungen wie z. B. TSN oder PROFINET integriert ist.

Kommerzielle Wi-Fi-Systeme sind aber nicht optimal für (hoch)genaue Zeitsynchronisation im Bereich von 1 ps und da runter geeignet.

Aktuelle Systeme stellen nur rudimentär Funktionen zur Zeit synchronisation zur Verfügung.

Die in den zugrunde liegenden Standards IEEE 802.11 und 802.1 spezifizierten Funktionen sind nicht vollständig ausspezifi ziert und nur als Hilfestellung zu verstehen.

In aktuellen Implementierungen sind zeitkritische Funktionen daher meist entweder in Hardware realisiert und damit unver änderlich oder als Firmware auf einem Embedded Mikro- Controller .

Weiterhin ist die Dauer des Ablaufs von, mittels Software re alisierten, Funktionen nicht genau vorhersagbar bzw. messbar.

Eine genaue Zeitmessung erfordert immer den direkten Zugriff auf in Hardware realisierte Zähler oder Uhren. Ohne diesen entsteht immer ein mehr oder weniger großer Jitter, also die Varianz der Laufzeit der übertragenen Datenpakete.

Derzeit kann nur auf die vom Hersteller bereitgestellten Funktionen zurückgegriffen werden. Allerdings sind die Imple mentierungen meist nicht offengelegt und damit kaum für Drit te verwendbar.

Derzeit sind in dem beschriebenen technischen Umfeld keine kommerziellen Lösungen für eine hochgenaue Uhrzeitsynchroni- sation ohne die oben geschilderten Nachteile bekannt. Lösun gen basieren auf der Propagierung der Uhrzeit unter Inkauf nahme von größerer Latenz (Verzögerung) und Jitter. Bekannt ist beispielsweise die Realisierung mit dem Network Time Pro tokoll (NTP, RFC 5905 ...), einen Standard zur Synchronisierung von Uhren in Computersystemen über paketbasierte Kommunikati onsnetze. NTP sieht eine Referenzuhr vor, die als Fixpunkt für sämtliche Synchronisierungsprozesse fungiert. Alle Uhren werden also nach dieser Uhr bzw. Uhrzeit ausgerichtet. Es wurde speziell entwickelt, um eine zuverlässige Zeitangabe über Netzwerke mit variabler Paketlaufzeit zu ermöglichen.

Das Protokoll ist allerdings aufwändig zu realisieren und weist Sicherheitslücken auf.

Es ist Aufgabe der Erfindung, in dem oben beschriebenen Um feld der industriellen Drahtloskommunikation ein Kommunikati onsverfahren und eine Kommunikationsvorrichtung anzugeben, welches einfach zu realisieren ist.

Es wird ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruch 1 vorgeschlagen, welches die Aufgabe löst.

Das Verfahren zur Zeitsynchronisation einer Kommunikation zwischen Kommunikationselementen in einem industriellen Um feld verfügt über eine erste, drahtlose Verbindung für die eigentliche Nutzdatenübertragung, wobei direkt von einer HW- Einheit, die für die Zeitsynchronisation zuständig ist und über eine hochgenaue Uhr verfügt, Synchronisationszeitpunkte initiiert bzw. auf der zu synchronisierenden Seite einer sol chen zugeführt werden, wobei die Synchronisationszeitpunkte in Synchronisationssignale umgewandelt werden, wobei zur Übertragung der Synchronisationssignale ein zweiter, vom ers ten verschiedener Übertragungskanal genutzt wird, und dieser zweite Übertragungskanal ebenfalls als drahtlose Verbindung ausgeprägt ist.

Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung, welche die Merkmale aufweist gemäß Patentanspruch 11.

Das erfindungsgemäße Kommunikationselement zur Zeitsynchroni- sation einer Kommunikation in einem industriellen Umfeld, um fasst folgende Elemente: - ein erstes Verbindungselement zum Aufbau einer ersten drahtlosen Verbindung zur Nutzdatenübertragung,

- ein erstes Element für die Zeitsynchronisation, welches Synchronisationszeitpunkte initiiert bzw. auf der zu synchro nisierenden Seite einer solchen zugeführt werden, wobei die Synchronisationszeitpunkte in Synchronisationssignale umge wandelt werden, mit

- einer hochgenauen Uhr, insbesondere einer Echtzeituhr, und

- ein zweites Verbindungselement zur Übertragung der Synchro nisationssignale über einen zweiten, vom ersten verschiedener Übertragungskanal, wobei dieser zweite Übertragungskanal ebenfalls als drahtlose Ver bindung ausgeprägt ist.

Erfindungsgemäß wird für die Synchronisation ein zusätzlicher

- idealerweise drahtloser - Kanal genutzt. Dafür kommt in ei ner vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein einfaches Funksystem zum Einsatz.

Als paralleler zweiter Kanal kommen beispielsweise in Frage:

• Einfache Systeme, die in den lizenzfreien Frequenzbän dern 868 MHz (z. B. auf Basis des CC1100 von Texas In struments) oder 2,4 GHz z. B. auf Basis des CC2500 von Texas Instruments) arbeiten,

• 868 MHz: Bei Impulsen ist der geforderte Duty Cycle kein Problem

• 2,4 GHz: bei max. 10 mW kein Duty Cycle, kein LBT gefor dert

• Einfache UWB-Systeme (Ultra-Wideband), z. B. im Fre quenzband 3 - 7 GHz

• Mit UWB-Systemen lassen sich sehr kurze Impulse erzeugen

(Pikosekunden - wenige Nanosekunden), was eine sehr ge naue Synchronisation ermöglicht

• Optische Systeme. Über dieses werden Synchronisationszeitpunkte in Form einfa cher Impulse oder kurzer Telegramme übertragen. Dies ist so wohl zyklisch als auch azyklisch möglich.

Im Weiteren wird die Erfindung durch eine Figur erläutert, die auch das bevorzugte Ausführungsbeispiel darstellt.

Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes System mit Sender 1 und Empfänger 2. Die Elemente 1 und 2 sind jeweils über einen Da tenbus 10, 20 mit weiteren Netzelementen verbunden, die in der Figur nicht dargestellt sind.

Über eine erste drahtlose Verbindung werden die eigentlichen Daten, DATA, übermittelt. Hierfür weisen die Elemente 1, 2, jeweils eine entsprechende Sende- und Empfangseinrichtung 13, 23 mit passender Antenne 131, 231 auf. Diese kommen bzw. ge hen zu einer geeigneten Kommunikationsschnittstelle 11, 21. Für die Zeitsynchronisierung wichtig ist die Echtzeituhr 12, 22, welche sowohl bei der Erzeugung der Synchronisationstakte als auch bei der Verarbeitung nach Empfang benötigt werden.

Erfindungsgemäß weisen die Einheiten 1, 2 auch eine zweite drahtlose Übertragungsmöglichkeit für die Signale zur Zeit synchronisation auf, 14, 24, welche von der ersten, Daten übertragungsmöglichkeit getrennt ist und, wie bereits oben dargestellt, technisch sehr einfach ausgestaltet sein kann. Insbesondere ist es ausreichend, wenn die Übertragung der Zeitsynchonisierungsnachrichten unidirektional erfolgen kann.

Diese Impulse oder Telegramme zur Zeitsynchronisierung werden direkt von einer als Hardware ausgeführte Einheit, die für die Zeitsynchronisation zuständig ist und über eine hochge naue Uhr 12, 24 verfügt, initiiert bzw. auf der zu synchroni sierenden Seite einer solchen zugeführt. Das Funksystem kann sehr einfach und unidirektional ausgeführt sein. Der Sende vorgang wird ohne Verzögerung gestartet, um variable Verzöge rungen zu vermeiden. Es kann beispielsweise ein Mechanismus analog dem Listen-before-Talk, auch bekannt als LBT, verwen- det werden, d. h. es wird vor dem Senden geprüft, ob der Sen dekanal von einem anderen Sender aktuell verwendet wird.

Die Laufzeit von der Sendevorrichtung (bspw. Antenne) des Initiators zur Empfangsvorrichtung des Empfängers ist damit nur noch die reine Signallaufzeit in den Komponenten und durch die Luft. Sollte eine variable Verzögerung des Sende vorganges (z. B. durch regulatorische Anforderungen) nicht zu vermeiden sein, kann die obige Hardware-Einheit diese bestim men und den Wert als Korrekturwert selbst verwenden oder über das eigentliche Funksystem der zu synchronisierenden Seite übermitteln .

Im Wesentlichen parallel zum Synchronisationsimpuls oder - telegramm - kurz davor, gleichzeitig oder auch kurz danach - wird über die erste Kommunikationsverbindung (beispielsweise Wi-Fi) der genaue Zeitpunkt übertragen, an dem das Synchroni sationssignal initiiert wurde. Dieser wird in der Zeitmess einheit des Initiators ermittelt und der Wi-Fi-Komponente übergeben. Damit weiß der Empfänger, welcher Zeit der empfan gene Impuls zuzuordnen ist. Der Empfang der Zeit und des Im pulses kann dem Sender bestätigt werden.

Synchronisationssignale unterschiedlicher Systeme lassen sich auseinanderhalten, indem sie z. B. auf unterschiedlichen Fre quenzen und/oder mit unterschiedlichen Kodierungen gesendet werden.

Mit der vorgeschlagenen Lösung wird es ermöglicht, für die eigentliche Datenübertragung eine bewährte und kommerziell verfügbare Funktechnik wie z. B. Wi-Fi oder Bluetooth einzu setzen und trotzdem eine hochgenaue Uhrzeitsynchronisation zu integrieren .

Die hochgenaue Uhrzeitsynchronisation erleichtert der Einsatz von Funksystemen in Real-Time-Ethernet-Systemen wie TSN oder PROFINET. Die für die Übertragung von Impulsen oder einfachen Telegram men erforderliche Hardware und Software ist einfach und kos tengünstig verfügbar.