BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrei ben eines Netzwerkteilnehmers in einem Automatisierungskommu- nikationsnetzwerk .

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2018 129 189.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einen Datenaus tausch zwischen Netzwerkteilnehmern in einem Automatisie rungskommunikationsnetzwerk mittels im Automatisierungskommu nikationsnetzwerk verteilter Uhren zu synchronisieren. Bei spielhaft offenbart die EP2544389B1 ein Verfahren zur Ar beitstakt- und Zeittaktsynchronisation einer untergeordneten Domain eines Automatisierungsnetzwerks.

Zum Synchronisieren eines Datenaustauschs in einem Automati sierungskommunikationsnetzwerk werden typischerweise Uhren verwendet, die dazu ausgebildet sind, Zeiten als ganzzahlige Zählwerte bereitzustellen. Der Datenaustausch im Automatisie rungskommunikationsnetzwerk erfolgt mit einer festgelegten Taktfrequenz . Die Taktfrequenz kann derart festgelegt sein, dass eine Periodendauer pro Takt von den Uhren nicht als ganzzahliger Zählwert darstellbar ist. Werden die Uhren mit der Taktfrequenz inkrementiert, so ergeben sich Abweichungen der Zählwerte der Uhren von Vielfachen der Periodendauer. Ab weichungen der Zählwerte der Uhren von einem Vielfachen der Periodendauer können einen synchronen Datenaustausch negativ beeinflussen .

Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, die Uhren mit einer Frequenz zu inkrementieren, die von der Taktfrequenz abweicht und eine Taktdomäne der Uhren in eine Taktdomäne des Datenaustauschs zu transformieren. Eine solche Transformation ist allerdings nicht verzögerungsfrei. Diese Verzögerung ver ursacht Abweichung der von den Uhren bereitgestellten Zeiten von einer Referenzzeit. Eine solche Abweichung wird auch als Jitter bezeichnet. Ein Jitter kann beispielsweise dazu füh ren, dass ein im Rahmen des Datenaustauschs ausgetauschtes Datagramm mit einem inkorrekten Zeitstempel versehen wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbesser tes Verfahren zum Betreiben eines Netzwerkteilnehmers in ei nem Automatisierungskommunikationsnetzwerk anzugeben, einen Netzwerkteilnehmer, der dazu ausgebildet ist, das Verfahren durchzuführen, und ein Automatisierungskommunikationsnetzwerk mit zumindest zwei Netzwerkteilnehmern, die dazu ausgebildet sind das Verfahren durchzuführen, bereitzustellen.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Betreiben eines Netzwerkteilnehmers in einem Automatisierungskommunikations netzwerk mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, durch einen Netzwerkteilnehmer mit den Merkmalen des unabhän gigen Anspruchs 6 und durch ein Automatisierungskommunikati onsnetzwerk mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in abhängigen An sprüchen angegeben.

Ein Netzwerkteilnehmer eines Automatisierungskommunikations netzwerks ist dazu vorgesehen, Daten mit weiteren Netzwerk teilnehmern im Automatisierungskommunikationsnetzwerk mit ei ner festgelegten Taktfrequenz auszutauschen. Der Netzwerk teilnehmer weist eine interne Uhr zum Synchronisieren des Da tenaustauschs mit zumindest einem weiteren Netzwerkteilnehmer auf. Die interne Uhr ist dazu vorgesehen, eine Zeit als ganz zahligen Zählwert bereitzustellen. Die Taktfrequenz ist der art festgelegt, dass eine Periodendauer pro Takt von der in ternen Uhr nicht durch einen ganzzahligen Zählwert darstell bar ist. Ein Verfahren zum Betreiben des Netzwerkteilnehmers im Automatisierungskommunikationsnetzwerk umfasst folgenden Verfahrensschritt: Die interne Uhr wird mittels einer festge legten Sequenz von ganzzahligen Inkrementen inkrementiert .

Die Sequenz der ganzzahligen Inkremente ist derart festge legt, dass eine Summe der ganzzahligen Inkremente einem ganz zahligen Vielfachen der Periodendauer entspricht.

Vorteilhafterweise entspricht ein Zählwert der internen Uhr nach dem Inkrementieren der internen Uhr mittels der Sequenz von Inkrementen einem idealen Zählwert der internen Uhr. Der ideale Zählwert entspricht einem Vielfachen der Perioden dauer, die von der internen Uhr nicht als ganzzahliger Zähl wert darstellbar ist. Nach dem Inkrementieren der internen Uhr mittels der Sequenz von Inkrementen entspricht der ideale Zählwert dem ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer.

Dadurch ist die interne Uhr zumindest nach dem Inkrementieren mittels der Sequenz von Inkrementen an die Taktfrequenz des Datenaustauschs angepasst. Abweichungen von Zählwerten der internen Uhr von idealen Zählwerten nach einzelnen Inkremen tierungsschritten, d.h. bevor das Inkrementieren der internen Uhr mittels der Sequenz von Inkrementen vollständig erfolgt ist, können auf Rundungsfehler reduziert sein. Dadurch kann ein synchroner Datenaustausch des Netzwerkteilnehmers mit an deren Netzwerkteilnehmern im Automatisierungskommunikations netzwerk ermöglicht werden.

Das Generieren der Zeit der internen Uhr beruht auf der Takt frequenz des Datenaustauschs im Automatisierungskommunikati onsnetzwerk. Vorteilhafterweise muss die generierte Zeit der internen Uhr dadurch nicht in eine Taktdomäne des Datenaus tauschs transformiert werden. Eine solche Transformation ist nicht verzögerungsfrei, und die Verzögerung ist insbesondere nicht konstant, so dass sie nicht statisch eingerechnet wer den kann. Eine beim Datenaustausch durch die Verzögerung ver ursachte Abweichung der von der internen Uhr bereitgestellten Zeit von einer Systemzeit einer Referenzuhr wird auch als Jitter bezeichnet. Ein Jitter kann dazu führen, dass ein im Rahmen des Datenaustauschs ausgetauschtes Datagramm mit einem inkorrekten Zeitstempel versehen wird. Die Verzögerung durch die Transformation von einer Taktdomäne der internen Uhr in die Taktdomäne des Datenaustauschs im Automatisierungskommu nikationsnetzwerk entfällt vorteilhafterweise beim Verfahren. Dadurch können im Automatisierungskommunikationsnetzwerk aus getauschten Datagrammen akkurate Zeitstempel zugeordnet wer den .

In einer Ausführungsform ist die Sequenz von ganzzahligen In krementen eine alternierende Sequenz eines ersten Inkrements und eines zweiten Inkrements. Das erste Inkrement ist die größte ganze Zahl, die kleiner als die Periodendauer ist. Das zweite Inkrement ist die kleinste ganze Zahl, die größer als die Periodendauer ist. Vorteilhafterweise sind Abweichungen des Zählwerts der internen Uhr, wobei der Zählwert als ganze Zahl dargestellt wird, von einem idealen Zählwert für die al ternierende Sequenz nach jedem Inkrementierungsschritt bzw. nach jedem Takt auf Rundungsfehler beschränkt.

In einer Ausführungsform des Verfahrens ist eine Reihenfolge der Inkremente derart festgelegt, dass nach jedem Takt eine Abweichung einer Summe von Inkrementen von bereits erfolgten Takten von einem Vielfachen der Periodendauer minimal ist. Abweichungen des Zählwerts der internen Uhr von einem Vielfa chen der Periodendauer können den Datenaustausch im Automati sierungskommunikationsnetzwerk beeinflussen. Beispielsweise werden Empfangszeiten von Datagrammen mit Zeiten von internen Uhren versehen. Auch müssen verschiedene Netzwerkteilnehmer Signale zu festgelegten Zeiten ausgeben. Eine Abweichung des Zählwerts der internen Uhr von einem Vielfachen der Perioden dauer kann aus diesen Gründen einen synchronen Datenaustausch im Automatisierungskommunikationsnetzwerk negativ beeinflus sen. Vorteilhafterweise kann ein solcher Einfluss durch eine festgelegte Reihenfolge der Inkremente der Sequenz von Inkre menten minimiert werden.

In einer Ausführungsform wird eine Drift der internen Uhr des Netzwerkteilnehmers im Vergleich zu einer Referenzuhr des Au- tomatisierungskommunikationsnetzwerks durch Anpassen zumin dest eines Inkrements der Sequenz der Inkremente berücksich tigt. Vorteilhafterweise wird ein synchroner Datenaustausch gewahrt, wenn eine Drift der internen Uhr berücksichtigt und kompensiert wird.

In einer Ausführungsform wird das Inkrementieren der internen Uhr mittels der Sequenz der ganzzahligen Inkremente wieder holt. Dadurch bleibt die Synchronität des Datenaustauschs vorteilhafterweise erhalten.

Ein Netzwerkteilnehmer ist dazu vorgesehen, Daten mit weite ren Netzwerkteilnehmern in einem Automatisierungskommunikati onsnetzwerk mit einer festgelegten Taktfrequenz auszutau schen. Der Netzwerkteilnehmer weist eine interne Uhr zum Syn chronisieren des Datenaustauschs mit zumindest einem weiteren Netzwerkteilnehmer auf. Die interne Uhr ist dazu vorgesehen, eine Zeit in als ganzzahligen Zählwert bereitzustellen. Die Taktfrequenz ist derart festgelegt, dass eine Periodendauer pro Takt von der internen Uhr nicht durch einen ganzzahligen Zählwert darstellbar ist. Der Netzwerkteilnehmer weist eine interne Steuereinheit auf. Die interne Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die interne Uhr mittels einer festgelegten Se quenz von ganzzahligen Inkrementen zu inkrementieren. Die Se quenz der ganzzahligen Inkremente ist derart festgelegt, dass eine Summe der ganzzahligen Inkremente einem ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer entspricht.

Ein Automatisierungskommunikationsnetzwerk weist zumindest zwei Netzwerkteilnehmer auf. Die Netzwerkteilnehmer sind zum Austauschen von Daten über einen Feldbus miteinander verbun den. Zusätzlich weist das Automatisierungskommunikationsnetz werk eine mit den Netzwerkteilnehmern verbundene Steuerein heit des Automatisierungskommunikationsnetzwerks auf.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, sind klarer und deutlicher verständlich im Zusammen hang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wer den. Dabei zeigen in jeweils schematischer Darstellung:

Fig. 1 ein beispielhaftes Automatisierungskommunikationsnetz werk;

Fig. 2 ein Regelungsprinzip zum Regeln einer internen Uhr ei nes zu synchronisierenden Netzwerkteilnehmers im Automatisie rungskommunikationsnetzwerk; und

Fig. 3 eine Tabelle, die unterschiedliche Möglichkeiten eine interne Uhr eines Netzwerkteilnehmers mittels einer Sequenz von ganzzahligen Inkrementen zu inkrementieren zeigt.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Automatisierungskommunikations netzwerk 1.

Das Automatisierungskommunikationsnetzwerk 1 weist eine Mehr zahl von Netzwerkteilnehmern 2 und eine Steuereinheit 50 auf. Beispielhaft weist das Automatisierungskommunikationsnetzwerk 1 neunzehn Netzwerkteilnehmer 2 auf. Das Automatisierungskom munikationsnetzwerk 1 kann jedoch eine andere Anzahl von Netzwerkteilnehmern 2 aufweisen. Eine Topologie des Automati sierungskommunikationsnetzwerks 1 kann von der in Fig. 1 bei spielhaft gezeigten Topologie abweichen. Die Steuereinheit 50 weist einen Master 51 auf, der beispielsweise als Software ausgebildet ist und zumindest eine Kommunikation, sprich ei nen Datenaustausch zwischen den Netzwerkteilnehmern 2 und der Steuereinheit 50 auf einem Feldbus 3 steuern kann. Das Auto matisierungskommunikationsnetzwerk 1 weist einen übergeordne ten Netzwerkteilnehmer 4 auf. Der übergeordnete Netzwerkteil nehmer 4 kann auch als Buskoppler bezeichnet werden. Ferner weist das Automatisierungskommunikationsnetzwerk 1 dem über geordneten Netzwerkteilnehmer 4 untergeordnete Netzwerkteil nehmer 5 auf. Die Steuereinheit 50 ist mit dem übergeordneten Netzwerkteil nehmer 4 über den Feldbus 3 verbunden. Die Netzwerkteilnehmer 2 sind ebenfalls über den Feldbus 3 miteinander verbunden. Über den Feldbus 3 können die Netzwerkteilnehmer 2 und die Steuereinheit 50 Daten miteinander austauschen. Beispiels weise können die Netzwerkteilnehmer 2 und die Steuereinheit 50 dazu ausgebildet sein, Daten auszutauschen, die auf dem EtherCAT Protokoll basieren. Entsprechend ist der Master 51 ausgebildet, Datagramme entsprechend des EtherCAT-Protokolls zu versenden bzw. zu empfangen. Die untergeordneten Netzwerk teilnehmer 5 weisen jeweils eine Anschalteinheit zum Verar beiten von ausgetauschten Daten auf. Die Anschalteinheiten können auch als Slaves bezeichnet werden. Die Anschalteinhei ten können beispielsweise als anwendungsspezifische inte grierte Schaltungen (application-specific integrated Circuit, ASIC) oder beispielsweise als im Feld programmierbare Gatter Anordnungen (Field Programmable Gate Array, FPGA) ausgebildet sein. Die Anschalteinheiten der untergeordneten Netzwerkteil nehmer 5 sind in Fig. 1 nicht dargestellt.

Die untergeordneten Netzwerkteilnehmer 5 sind als Eingabe-/ Ausgabeeinheiten mit Anschlüssen 6 für Feldgeräte ausgebil det. Bei den Feldgeräten kann es sich beispielsweise um Sen soren und Aktoren handeln. Feldgeräte, die an das Automati sierungskommunikationsnetzwerk 1 angebunden sind, sind in Fig. 1 nicht dargestellt.

Die untergeordneten Netzwerkteilnehmer 5 weisen ferner je weils eine interne Steuereinheit auf. Die internen Steuerein heiten sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Die internen Steuer einheiten sind mit den Anschalteinheiten jeweils über eine Datenleitung verbunden. Die internen Steuereinheiten sind dazu ausgebildet, auf Grundlage von von den Anschalteinheiten verarbeiteten Daten die Feldgeräte anzusteuern.

Das Automatisierungskommunikationsnetzwerk 1 weist hinsicht lich des Datenaustauschs miteinander zu synchronisierende Netzwerkteilnehmer 7 auf. Beispielhaft weist das Automatisie rungskommunikationsnetzwerk 1 der Fig. 1 fünf miteinander zu synchronisierende Netzwerkteilnehmer 7 auf. Das Automatisie rungskommunikationsnetzwerk 1 kann jedoch auch eine andere Anzahl von miteinander zu synchronisierenden Netzwerkteilneh mern 7 aufweisen. Das Automatisierungskommunikationsnetzwerk 1 weist zumindest zwei miteinander zu synchronisierende Netz werkteilnehmer 7 auf. Zum Zweck des Synchronisierens des Da- tenaustauschs weisen die zu synchronisierenden Netzwerkteil nehmer 7 jeweils eine interne Uhr 8 auf. Nicht miteinander zu synchronisierende Netzwerkteilnehmer 9 weisen jeweils keine interne Uhr 8 auf. Eine Anordnung der zu synchronisierenden Netzwerkteilnehmer 7 und der nicht zu synchronisierenden Netzwerkteilnehmer 9 im Automatisierungskommunikationsnetz werk 1 kann von der Darstellung der Fig. 1 abweichen.

Die internen Uhren 8 der zu synchronisierenden Netzwerkteil nehmer 7 sind Bestandteil der Anschalteinheiten. Die internen Uhren 8 können beispielsweise als Schwingquarze ausgebildet sein. Die internen Uhren 8 sind jeweils als inkrementierende Zähler ausgebildet. Die internen Uhren 8 sind dazu vorgese hen, eine Zeit als ganzzahligen Zählwert bereitzustellen. Die internen Uhren 8 bilden ein System verteilter Uhren (distri- buted clocks) im Automatisierungskommunikationsnetzwerk 1.

Als Referenzuhr 10 dient die interne Uhr 8 einer Anschaltein heit, die im Automatisierungskommunikationsnetzwerks 1 als erster Slave mit einer internen Uhr 8 nach dem Master 51 an geordnet ist. Dies ist in Fig. 1 dadurch angedeutet, dass die interne Uhr 8 eines ersten untergeordneten Netzwerkteilneh mers 11 als größte Uhr dargestellt ist. Die Referenzuhr 10 kann beispielsweise an eine globale Uhr, beispielsweise an eine nach im IEEE 1588 Standard definierte Uhr (grandmaster clock), angepasst sein. Die Referenzuhr 10 ist dazu vorgese hen eine Systemzeit bereitzustellen. Die Referenzuhr 10 ist zur Synchronisation der Netzwerkteilnehmer 7 auf kurzen Zeit skalen, beispielsweise auf einer Sub-Millisekunden Zeitskala, vorgesehen. Dadurch betrifft die Synchronisation der Netz werkteilnehmer 7 anhand der Referenzuhr 10 insbesondere eine EchtzeitSynchronisation .

Als eine absolute globale Zeitreferenz dient die interne Uhr 8 der Steuereinheit 50, die Bestandteil des Masters 51 ist und als Masteruhr 12 bezeichnet werden soll. Die Masteruhr 12 kann beispielsweise auf einem globalen Zeitformat, beispiels weise auf dem Zeitformat des Zeitzeichensenders DCF77, oder beispielsweise auf einer innerhalb des Automatisierungskommu nikationsnetzwerks 1 geltenden Zeit, beispielsweise bereitge stellt von einer BlOS-Uhr, beruhen. Der Master 51 ist dazu ausgebildet, die Referenzuhr 10 zu initialisieren, die Sys temzeit unter Verwendung der Masteruhr 12 bereitzustellen und den gesamten Datenaustausch im Automatisierungskommunikati onsnetzwerk 1 zu synchronisieren. Da die sich nach der Refe renzuhr 10 richtende Echt _Z eitsynchronisation der Netzwerk teilnehmer 7 und die sich nach der Masteruhr 12 richtende Synchronisation des gesamten Datenaustauschs des Automatisie rungskommunikationsnetzwerks 1 auf verschiedenen Zeitskalen erfolgen, verletzt die Masteruhr 12 eine übergeordnete Stel lung der Referenzuhr 10 des Automatisierungskommunikations netzwerks 1 nicht.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Regelungsprinzip 13 zum Regeln einer internen Uhr 8 eines zu synchronisierenden Netzwerk teilnehmers 7 im Automatisierungskommunikationsnetzwerk 1.

Die interne Uhr 8 ist als inkrementierender Zähler ausgebil det und dazu vorgesehen, eine lokale Zeit 14 des zu synchro nisierenden Netzwerkteilnehmers 7 als ganzzahligen Zählwert bereitzustellen.

Die lokale Zeit 14 kann einem Synchronisationsmanager (Sync- Manager) 15 des Slaves bereitgestellt werden. Der Synchroni sationsmanager 15 ist für einen konsistenten und sicheren Da tenaustausch zwischen dem Master 51 und der mit dem Slave verbundenen internen Steuereinheit vorgesehen. Der Master 51 kann ein Datagramm an die Slaves übermitteln. Der erste Slave des ersten untergeordneten Netzwerkteilneh mers 11 kann seine auf der Referenzuhr 10 beruhende System zeit im Datagramm hinterlegen. Dann kann das Datagramm vom ersten Slave an weitere Slaves im Automatisierungskommunika tionsnetzwerk 1 weitergeleitet werden. Auf diese Weise können alle Slaves und der Master eine Kopie der Systemzeit erhal ten .

Die internen Uhren 8 des Automatisierungskommunikationsnetz werks 1 sind unabhängig voneinander ausgebildet. Dadurch, dass die internen Uhren 8 jeweils zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert werden können, können die internen Uhren 8 jeweils untereinander einen zeitlichen Versatz aufweisen. Insbeson dere können die internen Uhren 8 einen zeitlichen Versatz 16 im Vergleich zur Referenzuhr 10 aufweisen. Der zeitliche Ver satz 16 zur Referenzuhr 10 kann für jede interne Uhr 8 lokal im jeweiligen Slave kompensiert werden. Um eine einheitliche Systemzeit im gesamten Automatisierungskommunikationsnetzwerk 1 bereitstellen zu können, kann der zeitliche Versatz 16 der internen Uhren 8 zur Systemzeit vom Master 51 für jede in terne Uhr 8 ermittelt und jeweils in einem Register eines Slaves hinterlegt werden. Dadurch kann jedem Slave eine lo kale Kopie 17 der Systemzeit bereitgestellt werden.

Die lokalen Kopien 17 der Systemzeit können für SyncSignale 18 oder für LatchSignale 19 verwendet werden. SyncSignale 18 und LatchSignale 19 sind Signale, die einer Synchronisation lokaler Anwendungen mit dem Datenaustausch des Automatisie rungskommunikationsnetzwerk 1 dienen können. SyncSignale 18 werden von einem Slave ausgegeben. Ein SyncSignal 18 kann beispiesweise eine Unterbrechungsanforderung (interrupt) sein. LatchSignale 19 werden an einen Slave übermittelt.

SyncSignale 18 können auf Basis der lokalen Kopien 17 der Systemzeit zu definierten Zeitpunkten von den Slaves ausgege ben werden. An die Slaves übermittelte LatchSignale 19 können mit definierten Zeitstempeln versehen werden (time stamping) . Da Datagramme, die vom Master 51 an die Slaves übermittelt werden, in den Slaves verarbeitet und an andere Slaves wei tergeleitet werden müssen, kann es sein, dass eine Laufzeit verzögerung 20 beim Übermitteln eines Datagramms auftritt. Dies kann auch durch endliche Kabellängen zwischen den Slaves hervorgerufen werden. Zum Synchronisieren der Netzwerkteil nehmer 7 muss die Laufzeitverzögerung zwischen der Referenz uhr 10 und einer internen Uhr 8 berücksichtigt werden. Um den Effekt der Laufzeitverzögerung zu kompensieren, kann der Mas ter 51 ein Datagramm aussenden, dessen Empfangszeiten von je dem Slave auf Basis der jeweiligen lokalen Zeit 14 gespei chert werden. Diese lokalen Empfangszeiten 21 werden jeweils in einem Register 22 eines Slaves hinterlegt. Bei den lokalen Empfangszeiten 21 kann es sich beispielsweise um Zeiten han deln, zu denen ein Datenfeld des Datagramms an Anschlüssen der Slaves oder an Verarbeitungseinrichtungen der Slaves emp fangen wird. Das Datenfeld kann beispielsweise ein sogenann tes Start-of-Frame Datenfeld sein, dass an eine Präambel des Datagramms anschließt. Der Master 51 kann auf die lokalen Empfangszeiten 21 zugreifen und daraus eine Laufzeitverzöge rung 20 für jeden Slave ermitteln. Eine lokale Empfangszeit 21 kann also mittels der Laufzeitverzögerung 20 korrigiert werden. Unter zusätzlicher Berücksichtigung des zeitlichen Versatzes 16 resultiert eine verzögerungskorrigierte Emp fangszeit 23 auf Basis der lokalen Kopie 17 der Systemzeit.

Ein weiterer Effekt, der zu Abweichungen zwischen einer in ternen Uhr 8 und der Referenzuhr 10 führen kann, ist eine Drift, die durch unterschiedliche Uhrengeschwindigkeiten her vorgerufen werden kann. Wenn eine interne Uhr 8, die als in- krementierender Zähler die lokale Zeit 14 in einer Ganzzahl darstellung angibt, beispielsweise in einem Takt mit einer Periodendauer von 10ns ihren Zählwert der lokalen Zeit 14 um den Wert „10“ erhöht, die Referenzuhr 10 jedoch pro Takt um 9ns fortschreitet, so ist die interne Uhr 8 schneller als die Referenzuhr 10. Um den Effekt der Drift zu kompensieren, kann der Master 51 Systemzeiten an die Slaves in periodischen Abständen übermit teln. Die übermittelten Systemzeiten 24, bei denen auch eine Laufzeitverzögerung 20 berücksichtigt werden kann, und die verzögerungskorrigierte Empfangszeit 23 auf Basis der lokalen Kopie 17 der Systemzeit werden einer Vergleichseinrichtung 25 bereitgestellt. Die Vergleichseinrichtung 25 kann auch als Systemzeit-Differenzfilter bezeichnet werden. Die Vergleichs einrichtung 25 ist dazu ausgebildet, eine mittlere System- zeitdifferenz 26 zwischen den periodisch übermittelten Sys temzeiten 24 und der verzögerungskorrigierten Empfangszeit 23 auf Basis der lokalen Kopie 17 der Systemzeit zu ermitteln. Ist die mittlere Systemzeitdifferenz 26 positiv, ist die in terne Uhr 8 schneller als die Referenzuhr 10. Umgekehrt ist die interne Uhr 8 langsamer als die Referenzuhr 10, wenn die mittlere Systemzeitdifferenz 26 negativ ist.

Auf Basis der mittleren Systemzeitdifferenz 26 wird anschlie ßend eine Geschwindigkeitsdifferenz 29 zwischen der internen Uhr 8 und der Referenzuhr 10 ermittelt, geglättet und zum Kompensieren der Drift der internen Uhr 8 bereitgestellt.

Wenn eine interne Uhr 8 beispielsweise in einem Takt mit ei ner Periodendauer von 10ns ihren Zählwert der lokalen Zeit 14 um den Wert „10“ erhöht, eine Taktperiode der Referenzuhr 10 jedoch von der Periodendauer von 10ns abweicht, kann diese Abweichung über mehrere Takte hinweg zunehmen. Die Geschwin- digkeitsdifferenz 29 wird einer Regelungseinrichtung 30 be- reitgestellt . Die Regelungseinrichtung 30 kann die interne Uhr 8 auf Basis der Geschwindigkeitsdifferenz 29 an die Refe renzuhr 10 anpassen. Das Anpassen kann dadurch erfolgen, dass der Zählwert der internen Uhr 8 gelegentlich um den Wert „9“ oder um den Wert „11“ erhöht wird.

In einem Betrieb des Automatisierungskommunikationsnetzwerks 1 tauschen alle Netzwerkteilnehmer 2 Daten mit einer festge legten Taktfrequenz aus. Die Taktfrequenz kann beispielsweise 100MHz betragen. Das System der verteilten internen Uhren 8 des Automatisierungskommunikationsnetzwerks 1 kann ebenfalls mit einer lOOMHz-Logik betrieben werden. Eine Periodendauer pro Takt beträgt bei 100MHz 10ns. Es ist in diesem Fall zweckmäßig, dass eine interne Uhr 8 ihren Zählwert der loka len Zeit 14 in einem Takt mit einer Periodendauer von 10ns um den Wert „10“ erhöht. Eine Zeitauflösung beträgt in diesem Fall Ins. Unter diesen Bedingungen werden beispielsweise Datagramme mit einer Bitbreite von IBit mit einer Verarbei tungsrate von 100Mbit/s verarbeitet. Bei einer Kompensation der Drift kann der Zählwert der lokalen Zeit 14 im Takt mit der Periodendauer von 10ns statt um den Wert „10“ gelegent lich beispielsweise um dem Wert „9“ oder dem Wert „11“ erhöht werden .

Es kann festgelegt sein, dass die Verarbeitungsrate

1000Mbit/s betragen soll. In diesem Fall bietet es sich an, Datagramme mit einer Breite von lByte (8Bit) mit einer Takt frequenz von 125MHz zu verarbeiten. Die Periodendauer pro Takt beträgt 8ns. Wenn das System der verteilten internen Uh ren 8 an diesen Takt angepasst werden soll, so können die in ternen Uhren 8 ihre Zählwerte der lokalen Zeiten 14 in einem Takt mit einer Periodendauer von 8ns um den Wert „8“ erhöhen. Bei einer Kompensation der Drift kann der Zählwert der loka len Zeit 14 im Takt mit der Periodendauer von 8ns statt um den Wert „8“ gelegentlich beispielsweise um den Wert „7“ oder um den Wert „9“ erhöht werden.

In der nachfolgenden Beschreibung wird ein Verfahren zum Be treiben eines zu synchronisierenden Netzwerkteilnehmers 7 im Automatisierungskommunikationsnetzwerk 1 beschrieben. Das Verfahren ist dazu vorgesehen, einen Datenaustausch des zu synchronisierenden Netzwerkteilnehmers 7 im Betrieb des Auto matisierungskommunikationsnetzwerks 1 mit zumindest einem weiteren Netzwerkteilnehmer 7 zu synchronisieren. Alle Netz werkteilnehmer 2 des Automatisierungskommunikationsnetzwerks 1 sollen Daten bei einer Taktfrequenz austauschen, die derart festgelegt ist, dass die Periodendauer pro Takt von der in ternen Uhr 8 nicht durch einen ganzzahligen Zählwert dar stellbar ist.

Beispielsweise können für eine Verarbeitungsrate von

lO.OOOMbit/s beispielsweise 64Bit breite Datagramme bei einer Taktfrequenz von 156,25MHz verarbeitet werden. Eine Perioden dauer pro Takt beträgt in diesem Fall 6,4ns. Da die internen Uhren 8 dazu vorgesehen sind, lokale Zeiten 14 als ganzzah lige Zählwerte bereitzustellen, ist dies für die Perioden dauer von 6,4ns nicht möglich. Das Register 22 eines Slaves, in dem beispielsweise lokale Empfangszeitenzeiten 21 hinter legt werden, kann ebenfalls nur ganzzahlige Werte enthalten.

Grundsätzlich ist es zwar möglich, dass die lokalen Zeiten 14 mittels einer anderen Taktdomäne als einer Taktdomäne der Da tenverarbeitung generiert werden. Allerdings ist das System der verteilten internen Uhren 8 an die Datenverarbeitung ge koppelt. Beispielsweise werden dem Datagramm beim Ermitteln der Laufzeitverzögerung 20 lokale Empfangszeitenzeiten 21 zu geordnet. Wenn Datagramme im Automatisierungskommunikations netzwerk 1 mit einer festgelegten Taktfrequenz verarbeitet werden, das System der verteilten internen Uhren 8 jedoch in einer anderen Taktdomäne betrieben wird, müssen die lokalen Zeiten 14 aus ihrer Taktdomäne in die Taktdomäne der Daten verarbeitung transformiert werden. Diese Transformation ist allerdings nicht verzögerungsfrei und kann beim Datenaus tausch zu zusätzlichen Abweichungen der lokalen Zeiten 14 von der Systemzeit führen. Dadurch kann es sein, dass im Rahmen der Transformation die Empfangszeit eines Datagramms einen erhöhten Fehler aufweist. Aus diesem Grund soll beim Verfah ren zum Betreiben eines zu synchronisierenden Netzwerkteil nehmers 7 die lokale Zeit 14 des zu synchronisierenden Netz werkteilnehmers 7 anhand der Taktfrequenz der Datenverarbei tung generiert werden. Das Verfahren umfasst einen Verfahrensschritt, im Rahmen des sen die interne Uhr 8 des zu synchronisierenden Netzwerkteil nehmers 7 mittels einer festgelegten Sequenz von ganzzahligen Inkrementen inkrementiert wird. Die Sequenz der ganzzahligen Inkremente ist derart festgelegt, dass eine Summe der ganz zahligen Inkremente der Sequenz der Inkremente einem ganzzah ligen Vielfachen der Periodendauer entspricht, wobei die Pe riodendauer pro Takt von der internen Uhr 8 nicht durch einen ganzzahligen Zählwert darstellbar ist. Das Verfahren beruht also darauf, dass die Sequenz der ganzzahligen Inkremente derart festgelegt ist, dass eine Abweichung des Zählwerts der internen Uhr 8 von einem idealen Zählwert der internen Uhr 8 nach dem Inkrementieren der internen Uhr 8 mittels der Se quenz der Inkremente ausgeglichen wird. Der ideale Zählwert entspricht einem Produkt aus einer Anzahl der Takte bzw. ei ner Anzahl der Inkremente der Sequenz von Inkrementen und der nicht durch einen ganzzahligen Zählwert darstellbaren Perio dendauer, die als ideales Inkrement bezeichnet werden soll.

Für das Beispiel der 156, 25MHz-Logik kann beispielsweise eine Sequenz der Inkremente „6“ und „7“ gewählt werden. Beispiels weise liefert die Sequenz der Inkremente (6, 6, 6, 7, 7) eine Summe der Inkremente mit einem Wert von „32“. Dies entspricht einem fünffachen des idealen Inkrements mit einem Wert von „6,4“. Nach dem Inkrementieren der internen Uhr 8 mittels der Sequenz (6, 6, 6, 7, 7) weist der Zählwert der internen Uhr 8 also keine Abweichung zum idealen Zählwert „32“ auf.

In Fig. 3 ist eine Tabelle dargestellt, die unterschiedliche Möglichkeiten zeigt, eine interne Uhr 8 eines zu synchroni sierenden Netzwerkteilnehmers 7 mittels einer Sequenz von ganzzahligen Inkrementen zu inkrementieren. Beispielhaft soll das ideale Inkrement pro Takt „6,4“ betragen.

Die Tabelle der Fig. 3 zeigt eine Spalte 100, in welcher Num mern der Takte bzw. Nummern der Inkremente der Sequenz von Inkrementen „k“ eingetragen sind. In einer ersten Spalte 101 ist eine erste Sequenz von Inkrementen „N _k “ eingetragen. In einer zweiten Spalte 102 ist eine zweite Sequenz von Inkre menten „N _k “ eingetragen. In einer dritten Spalte 103 ist eine dritte Sequenz von Inkrementen „N _k “ eingetragen. Die erste, die zweite und die dritte Sequenz von Inkrementen unterschei den sich hinsichtlich einer Reihenfolge der ganzzahligen In kremente „6“ und „7“. Die erste Sequenz von Inkrementen lautet (6, 7, 6, 7, 6) . Die zweite Sequenz von Inkrementen lautet (7, 6, 6, 6, 7) . Die dritte Sequenz von Inkrementen lautet (6, 6, 6, 7, 7) .

In einer vierten Spalte 104 sind Summen „S N _k “ über die Inkre mente der ersten Sequenz eingetragen. Beispielsweise ist nach dem dritten Takt (k=3) S N _k = N _k + N ₂ + N ₃ . Nach dem fünften Takt (k=5) ist S N _k = Ni + N ₂ + N ₃ + N ₄ + N ₅ . Analog sind in einer fünften Spalte 105 und in einer sechsten Spalte 106 je weils Summen „S N _k “ über die Inkremente der zweiten Sequenz bzw. der dritten Sequenz eingetragen. Die Summen über die In kremente der ganzzahligen Inkremente der jeweiligen Sequenz von Inkrementen betragen jeweils nach dem fünften Takt (k =

5) „32“. Die jeweiligen Summen der Inkremente sind identisch und entsprechen einem ganzzahligen Vielfachen des idealen In krements „6,4“.

In einer siebten Spalte 107 sind Abweichungen „ (S N _k ) - nT“ des Zählwerts einer internen Uhr 8 nach einem Takt vom idealen Zählwert für die erste Sequenz von Inkrementen eingetragen.

„T“ entspricht dabei der Periodendauer bzw. dem idealen In krement. „n“ bezeichnet einen Endwert der Summen für den Takt „k“. Analog sind in einer achten Spalte 108 und in einer neunten Spalte 109 Abweichungen „ (S N _k ) - nT“ der Zählwerte von internen Uhren 8 nach einem Takt vom idealen Zählwert für die zweite bzw. die dritte Sequenz von Inkrementen eingetragen.

Anhand der Abweichungen „ (S N _k ) - nT“ ist zu erkennen, dass die Reihenfolge der Inkremente „6“ und „7“ einen Einfluss auf die Abweichungen hat. Beispielsweise weist die dritte Sequenz der Inkremente (6, 6, 6, 7, 7) eine maximale Abweichung von „-1,2“ nach dem dritten Takt auf. Bei der zweiten Sequenz der Inkremente (7, 6, 6, 6, 7) beträgt eine maximale Abweichung „+0,6“nach dem ersten Takt bzw. „-0,6" nach dem vierten Takt. Durch eine Verwendung der zweiten Sequenz von Inkrementen statt der dritten Sequenz von Inkrementen zum Inkrementieren einer internen Uhr 8, d. h. durch Anpassen der Reihenfolge der Sequenz von Inkrementen, kann beim Verfahren zum Betrei ben eines zu synchronisierenden Netzwerkteilnehmers 7 eine maximale Abweichung reduziert werden.

Die erste Sequenz von Inkrementen (6, 7, 6, 7, 6) ist eine alternierende Sequenz der Inkremente „6“ und „7“. Eine maxi male Abweichung beträgt in diesem Fall „-0,4“ nach dem ersten Takt bzw. „+0,4" nach dem vierten Takt. Durch eine Verwendung der ersten Sequenz von Inkrementen statt der zweiten Sequenz von Inkrementen zum Inkrementieren einer internen Uhr 8 kann beim Verfahren zum Betreiben eines zu synchronisierenden Netzwerkteilnehmers 7 also eine maximale Abweichung weiter reduziert werden. Die erste Sequenz von Inkrementen stellt eine Sequenz dar, für die die maximale Abweichung minimiert worden ist.

Allgemein kann beim Verfahren also eine Sequenz von ganzzah ligen Inkrementen gewählt werden, die eine alternierende Se quenz eines ersten Inkrements und eines zweiten Inkrements ist. Das erste Inkrement ist die größte ganze Zahl, die klei ner als die Periodendauer bzw. als das ideale Inkrement ist. Das zweite Inkrement ist die kleinste ganze Zahl, die größer als die Periodendauer bzw. als das ideale Inkrement ist.

Bei der ersten Sequenz von Inkrementen stellt das Inkrement „6“ das erste Inkrement dar. Das Inkrement „7“ stellt das zweite Inkrement dar. Ob die alternierende Sequenz mit dem ersten Inkrement oder mit dem zweiten Inkrement begonnen wer den sollte, hängt vom idealen Inkrement ab. Bei einem idealen Inkrement von „6,4“ ist es zweckmäßig die alternierende Se quenz mit dem ersten Inkrement zu beginnen, da eine Abwei chung des ersten Inkrements vom idealen Inkrement in diesem Fall kleiner ist, als eine Abweichung des zweiten Inkrements vom idealen Inkrement. Beträgt das ideale Inkrement bei spielsweise „6, 6“, ist es zweckmäßig, die alternierende Se quenz mit dem zweiten Inkrement zu beginnen.

Allgemein kann beim Verfahren also eine Sequenz von ganzzah ligen Inkrementen gewählt werden, deren Reihenfolge derart festgelegt ist, dass nach jedem Takt eine Abweichung einer Summe von Inkrementen von bereits erfolgten Takten von einem Vielfachen der Periodendauer minimal ist. Dies ist beispiels weise für die erste Sequenz von Inkrementen der Fall.

Im Betrieb des Automatisierungskommunikationsnetzwerks 1 bei einer Taktfrequenz , die derart festgelegt ist, dass die Peri odendauer pro Takt von einer internen Uhr 8 nicht durch einen ganzzahligen Zählwert darstellbar ist, kann das Verfahren wiederholt werden. Das Inkrementieren einer internen Uhr 8 mittels der Sequenz von ganzzahligen Inkrementen kann also wiederholt werden, um die Synchronität des Netzwerkteilneh mers 7 mit weiteren Netzwerkteilnehmern 7 zu wahren.

Beim Verfahren kann auch eine Drift der internen Uhr 8 des zu synchronisierenden Netzwerkteilnehmers 7 im Vergleich zur Re ferenzuhr 10 des Automatisierungskommunikationsnetzwerks 1 durch Anpassen zumindest eines Inkrements der Sequenz der In kremente berücksichtigt werden. Dabei sollte die Kompensation der Drift möglichst zu einem Zeitpunkt erfolgen, an dem die Drift festgestellt wurde, da sich ansonsten die mit der Drift einhergehende Abweichung mit zunehmender Anzahl von Takten akkumuliert .

Auch das Inkrementieren der internen Uhr 8 mittels der ange passten Sequenz der ganzzahligen Inkremente kann wiederholt werden, um eine Synchronität des Netzwerkteilnehmers 7 mit weiteren Netzwerkteilnehmern 7 zu wahren.