Jedes Gerät verfügt über einen integrierten Taktgeber (Quarz), der eine bestimmte Genauigkeit aufweist. Nachdem die Uhr einmal gestellt wurde, sorgt die Ungenauigkeit des Taktgebers dafür, dass sie im Vergleich mit einer Referenz-Zeitquelle wie der internationalen Atomzeit (TAI, Temps Atomique International) wieder ungenau wird. Ohne entsprechende Zeitsynchronisations-Protokolle ist es mit bezahlbaren Taktgebern in den Geräten nicht möglich, eine präzise Uhrzeit zu gewährleisten. Diese wird von vielen industriellen Anwendungen jedoch zwingend gefordert. Das trifft insbesondere auf die Verwendung in der Datenanalyse zu, bei der die Zeitreihendaten von verteilten Geräten in einen Zusammenhang gebracht werden müssen. Die Gültigkeitsprüfung von Security-Zertifikaten sowie Zeitstempel in Alarmen und Ereignissen oder auf den Webseiten der Geräte setzen ebenfalls eine synchronisierte Zeit voraus.
Das offene Ecosystem PLCnext Technology unterstützt daher schon immer das verbreitete Uhrzeitsynchronisations-Protokoll NTP (Network Time Protocol), das sich zur exakten Übereinstimmung der Zeit einsetzen lässt. Mit der Einbindung der TSN-Standards in das Ecosystem kann jetzt auch das hochgenaue Precision Time Protocol (PTP) genutzt werden. Außer der Genauigkeit eröffnet PTP einige weitere Vorteile.
Konfiguration des Zeit-Servers entfällt
Gegenüber NTP ergeben sich aus der Verwendung von PTP zusätzliche positive Aspekte. So haben alle Zeitstempel eine Abweichung im Mikrosekundenbereich zur Synchronisationsquelle. Das ermöglicht eine hochaufgelöste Sortierung von verteilten Ereignissen zu einer Reihenfolge. Die Anwendung in der Steuerungsfamilie PLCnext Control kennt zudem den eigenen Synchronisationsstatus. Über einfache Systemvariablen lässt sich deshalb abfragen, ob die eigene Steuerung synchron arbeitet und wie groß die Abweichung zur Synchronisationsquelle ist. Darüber hinaus muss kein Zeit-Server konfiguriert werden. Da PTP direkt auf dem Ethernet-Protokoll aufsetzt, entfällt die Angabe der IP-Adresse des Zeit-Servers. Ein Gerät kann sich sofort beim Hochlaufen auf die Zeitquelle synchronisieren. Selbst nach einem Gerätetausch oder der Änderung des Zeit-Servers ist keine Konfiguration notwendig. Außerdem können die Steuerungen als Zeit-Gateway für PTP agieren. Auf diese Weise lässt sich die Zeit einer überlagerten Ebene (z.B. einer Produktionszelle) an eine unterlagerte Ebene (z.B. eine Fertigungsmaschine) weitergeben, obwohl sich beide in getrennten Netzwerken befinden. Die Applikation hat über Systemvariablen stets die volle Transparenz. Zusammengefasst bleibt festzustellen, dass der Einsatz von PTP im Vergleich zu NTP deutliche Vorteile bietet. Dazu ist allerdings eine Unterstützung in den Ethernet-Switches erforderlich.
Korrektur der Laufzeit in den Switches
Damit sich die angeführten Vorteile nutzen lassen, bedarf es entsprechender Switches. Beim Weiterleiten der PTP-Synchronisations-Telegramme werden die Laufzeiten auf den Leitungen und in den Switches gemessen und entsprechend korrigiert, sodass am Ende der Linie eine hochgenaue, berichtigte Uhrzeit zur Verfügung steht. Da die Synchronisations-Telegramme bei PTP zusätzlich die Zeit der Quelle enthalten, kann die Abweichung sofort ermittelt werden. Bei PTP handelt es sich um einen übergreifenden Standard (IEEE 802.1AS). Daher lassen sich nicht nur TSN-Switches von Phoenix Contact in der Anwendung verwenden. Auch Geräte anderer Anbieter sind einsetzbar.
Präzisere und einfachere Uhrzeitsynchronisation
Die exakte Zeit stellt eine notwendige Voraussetzung für viele Anwendungen dar. Diese reichen von der Datenanalyse und Prognose durch künstliche Intelligenz bis zur Zertifikatsprüfung für Security. Durch die Integration von PTP in PLCnext Technology lässt sich die Uhrzeitsynchronisation nun noch präziser und einfacher umsetzen. Und das mit der bestehenden Hardware der jeweiligen Produkte.
Funktionsweise von NTP und PTP
Die Uhrzeitsynchronisation in den Automatisierungsgeräten erfolgt durch den Abgleich der Gerätezeit mit einer externen Zeitquelle, die ihre Zeit (t) regelmäßig ins Netzwerk sendet. Aufgrund von Übertragungszeiten (d) entstehen dabei Verzögerungen und damit Abweichungen. Mit NTP sind typischerweise Genauigkeiten im Millisekundenbereich erreichbar. Eine höhere Präzision ist kaum möglich, da sich die Laufzeiten über die Netzwerkknoten addieren und das Endgerät diese Abweichung nicht kompensieren kann. PTP hingegen gleicht diese Latenzen aus: Mithilfe hardwaregestützter Zeitstempel messen die beteiligten Geräte die Laufzeiten der Synchronisationstelegramme und korrigieren sie aktiv. So wird eine deutlich präzisere, deterministische Uhrzeitsynchronisation erreicht.
