在自动化网络中实现工作节拍和时间节拍同步的方法 |
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| 申请号 | CN201210236570.1 | 申请日 | 2012-07-06 | 公开(公告)号 | CN103001719B | 公开(公告)日 | 2017-06-09 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | 弗朗茨-约瑟夫·格茨; 京特·施泰因德尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种在自动化网络中用于实现工作 节拍 ‑和时间节拍同步的方法，该自动化网络包括多个要调整的同步‑辅机（212，218，224）和时间‑同步‑主机（200），其中同步‑辅机（212，218，224）由时间‑同步‑主机（200）参照时间节拍（202，214，220，226）实现同步，其中同步‑辅机（212，218，224）从时间节拍（202）中导出其工作节拍（216，222，228）。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于在自动化网络中实现工作节拍和时间节拍同步的方法，所述自动化网络包括多个要协调的同步辅机(212，218，224)和时间同步主机(200)，其中所述同步辅机(212， |
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| 说明书全文 | 在自动化网络中实现工作节拍和时间节拍同步的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种用于在自动化网络中实现工作节拍和时间节拍同步的方法，一种用于在自动化网络中实现工作节拍和时间节拍同步的装置，也就是说一方面是整套的自动化网络，而另一方面是一种同步辅机，以及一种计算机程序产品。 背景技术[0002] 至今为了使自动化网络的部件参照工作节拍和时间节拍实现同步，至少使用两个不同的同步域。至今涉及网络部件的工作节拍和时间节拍的现有技术可以由下列标准化的网络时间协议得出： [0003] -IEEE 1588v2， [0004] -IEEE 802.1AS， [0005] -IETF RFC，，(S)NTP“， [0006] -IEC 61158TYPE 10–PTCP。 [0007] 以下的文件也反映了现有技术： [0008] DE 10 2005 039771B3(Halang Wolfgang A[DE]；Skambraks Martin[DE])在2006年12月28日公开了用于管理无异步中断的实时过程的一种单元或者说一种方法。 [0009] US 2011/15005 A1(Chen Han-Chiangb[TW]et al)在2011年6月23日公开了一种在利用类似于精确时间协议(Precision Time Protocols PTP)的网络协议情况下，使网络的辅机在时间上同步的方法。 [0010] WO 02/075509 A2(西门子公司(Siemens AG)[DE])在2002年9月26日公开了一种借助于相对时刻使联网的通信系统在通信节拍方面实现同步的方法和系统。 [0011] EP 1 079 559 A2(西门子公司(Siemens AG)[DE])在2001年2月28日公开了一种使系统单元实现同步的方法和装置，其中特别是通过异步传输的连接而相互连接的系统单元的工作节拍可以通过这种连接实现同步。 发明内容[0012] 因此本发明的目的在于，提出一种用于自动化网络的同步辅机的工作节拍和时间节拍同步的改进方法，一种用于自动化网络的同步辅机的工作节拍和时间节拍同步的改进装置，确切地说，一方面是整套自动化网络并且另一方面是同步辅机，以及一种改进的计算机程序产品。 [0013] 在此提出了一种用于在自动化网络中实现工作节拍和时间节拍同步的方法，该自动化网络包括多个要调整的同步辅机和一个时间同步主机，其中同步辅机由时间同步主机参照时间节拍实现同步，其中同步辅机从时间节拍中导出其工作节拍。 [0014] 也就是说，例如通过自动化网络的一个时间同步主机，借助于同步信息将通用的钟面时刻、例如国际原子时间(TAI)传输给单个的同步辅机，其中自动化网络的每个单个的同步辅机接收时间同步主机的钟面时刻或者说时间节拍，并且每个单个的同步辅机按照规定的法则从该时间节拍中推导出其工作节拍。这例如意味着：使每个同步辅机相应的本地系统时间与时间同步主机的全球预定的通用钟面时刻同步，然而其中由于从时间节拍推导出工作节拍，因此取消了直接的工作节拍同步。 [0015] 同步信息因此只包含一种关于由时间同步主机预定的钟面时刻的信息，然而并没有关于工作节拍的信息。其优点在于，对于自动化网络的部件在时间节拍和工作节拍方面的同步来说，只需要一个唯一的同步信息，并因此也只需要一个唯一的同步域。由此作为另外一个优点，又降低了联网度并且减少了对附加硬件的需要，这最终导致成本的节省。 [0016] 同步域在本文中是指一组同步辅机，它们布置在上级的时间同步主机或者说节拍同步主机的下级，并在时间方面跟随时间同步主机，而在工作节拍方面跟随节拍同步主机。 [0017] 所谓的同步辅机是指一种自动化部件，它们在时间节拍和工作节拍方面通过上级的时间同步主机或节拍同步主机进行调整。自动化网络的时间同步主机的任务例如是使技术设备的自动化部件在时间上进行调整。节拍同步主机作为上级的网络组件接收单个的应用部件在工作节拍方面的同步节拍。 [0018] 自动化网络例如可以设计成工业自动化网络。这样的工业自动化网络例如可以设计、设置和/或规定用于控制和/或调节工业设备(例如生产设备，输送设备等等)、机器和/或装置。自动化网络或者说工业自动化网络尤其可以具有实时通信协议(例如Profinet，Profibus，RealTimeEthernet)，用于至少在参与控制和/或调节任务的部件之间(例如在控制单元和所要控制的设备和/或机器之间)实现通信。同样也通过存储介质可以可靠地传输数据。 [0019] 但是此外除了一种实时通信协议之外，也还可以在自动化网络或者说工业自动化网络中规定至少另外一种通信协议(其例如并不需要是能够实时的)，例如用于对自动化网络中的一个或者多个控制单元进行监测、设置、修改编程和/或修改参数化。自动化网络例如可以包括具有有线通信部件和/或无线通信部件。此外自动化网络可以包括至少一个自动化装置。 [0020] 自动化装置例如可以是计算机、PC机和/或具有控制任务或者说控制能力的控制器。自动化装置尤其例如可以是工业自动化装置，其例如可以设计、设置和/或规定专门用于控制和/或调节工业设备。这样的自动化装置或工业自动化装置尤其可以是实时的，也就是说，可以实现实时的控制或调节。为此自动化装置或工业自动化装置例如包括实时工作系统，和/或至少还有一个实时通信协议来支持通信(例如Profinet，Profibus，Real-Time-Ethernet)。 [0021] 自动化网络包括多个传感器和执行部件。执行部件和传感器由至少一个控制装置来控制。执行部件、传感器和至少一个控制装置相互交换数据。为了交换数据而应用自动化协议。至少一个控制装置这样控制执行部件、传感器和数据交换，即进行机器的加工过程，在该过程中例如制造一种产品。 [0022] 工业自动化装置例如可以是或者包括有可存储编程的控制装置、可存储编程的控制装置的模块或者部件、集成在计算机或者PC中的可存储编程的控制装置以及对应的现场设备、传感器和/或执行部件、输入/输出装置或者用于连接在可存储编程的控制装置上的类似装置。作为根据本发明意义的自动化协议是指每种这样的协议，其根据本说明书规定了、适合于和/或设置用于与自动化装置实现通信。这样的自动化协议例如可以是PROFIBUS协议(例如按照IEC61158)、PROFIBUS-DP协议、PROFIBUS-PA协议、PROFINET协议、PROFINET-IO协议、根据AS-接口的协议、根据IO-Link的协议、KNX协议、根据多点接口(Multipoint-Interface，MPI)的协议、点到点连接(Point-to-Point，PtP)的协议、根据S7通信规范的协议(其例如规定和设置用于实现西门子公司的可存储编程的控制装置的通信)、或者也可以是工业以太网协议、或者实时以太网协议、或者是其它用于与自动化装置实现通信的特定协议。作为根据本说明书的自动化协议也可以规定为上述协议的任意组合。 [0023] 根据本发明的一种实施形式，同步辅机总是在预定的时刻导出工作节拍，其中通过时间上的周期函数给出该时间节拍，其中通过周期函数的周期重复的参照点来定义时刻。换句话说，人们定义时间节拍的周期性函数的某个重复的参照点，在这个参照点上同步辅机导出其工作节拍。优点在于：同步辅机为了导出其工作节拍，只需要关于由时间同步主机所预定的钟面时刻或时间节拍的信息，然而并不需要关于在工作节拍和时间节拍之间差值的信息。 [0024] 根据本发明的一种实施形式，周期重复的参照点是周期函数的过零点。如果例如作为规则来定义：同步辅机的工作节拍总是在本地的系统时钟的过零点(其中例如“时钟指针”在0秒和0ns)处开始，那么就不需要在同步信息中，与工作节拍和时间节拍之间的差值有关地进行信息传输了。其优点在于：整个同步辅机仅仅仍需要参照钟面时刻实现同步，这意味着减少了联网度和对附加硬件部件的需要。此外应用过零点的优点还在于：在此周期性函数通常变化最大，因此可以精确地确定这个参照点。周期函数例如可以是一种正弦函数、一种矩形函数或者一种三角形函数。当然也可以是其它适合的周期函数。 [0025] 根据本发明的一种实施形式，同步辅机的时间节拍的频率匹配于时间同步主机的时间节拍，从而使同步辅机和时间同步主机之间的时钟误差值最小化。因此同步辅机似乎可以接收上级时间同步主机的时间节拍的频率。这意味着：基本上可以消除每个单个同步辅机的和时间同步主机的有专属权的振荡频率之间的差别。 [0026] 在节拍同步主机或时间同步主机的时间节拍和各个同步辅机的时间节拍之间的差值由此得出，即各个部件的系统固有的石英具有不同所有权的振荡频率。由此相应地得出一种在纳秒范围中的时钟误差值，这就是说，自动化网络的各个部件的系统时钟开始并不同步运行。 [0027] 本发明的这种实施形式的优点通过近似为零的“比率补偿值(Rate Compensation)”而在于：自动化网络的所有自动化部件利用同一个钟面时刻作为参照时间，并且因此可以定义一种统一的规则来触发重新起动工作循环。 [0028] 根据本发明的一种实施形式，本地地为每个同步辅机的频率进行匹配。这意味着：在每个单个的同步辅机中，单独地将系统固有石英的专属权的振荡频率与由时间同步主机所规定的钟面时刻、或者说与预定的时间节拍单独匹配。其优点在于：本地地在每个同步辅机中，可以在振荡频率方面实现对匹配方法的优化。每个单个的同步辅机的频率匹配相应地总与自动化网络中另一个同步辅机的频率匹配过程无关地进行。因此局部地在每个单个的自动化部件中、并且与其它自动化部件的匹配过程独立无关地进行对于每个单个同步辅机的频率匹配的控制。 [0029] 根据本发明的一种实施形式，在现场总线系统中实施该方法。在本文中，自动化设备中的现场总线将自动化部件连接，用于与一个控制器实现通信。通过在现场总线系统中实施这方法得出的优点在于，明确地确定了哪个网络部件在确定的时刻给另一个网络部件通信传输确定的信息。因此在开始就固定地预定了时间同步主机、节拍同步主机和同步辅机的滚动分配。 [0030] 此外通过使用现场总线技术取消了两个信号的并联连接，以及模拟信号传输。部件在现场总线系统的现场区域中的串联联网此外也基板上较为成本低廉，这是因为平行线束形式的现场总线通过一个唯一的总线电缆来替代，并且同时连接所有从现场平面直至导线平面的平面。此外通过使用现场总线系统通过短信号路径获得较高的可靠性和更好的可用性。此外一种自诊断功能通过具有明码指示的现场总线系统明确地缩短了故障和维护时间。可以简单地实施对现场总线系统的扩展或者改变，并且保证了灵活性和未来的安全性。 [0031] 根据本发明的一种实施形式，同步辅机通过时间同步主机参考时间节拍方面实现同步，其中同步辅机从时间节拍中导出其工作节拍。自动化网络的每个单个的同步辅机因此有能力，借助于定义的规则由时间同步主机所规定的时间节拍导出其单独的工作节拍。因此例如之前借助于同步信息已经匹配于时间同步主机的钟面时刻的同步辅机的本地系统时间可以作为基础用于导出单个的同步辅机的工作节拍。这例如包含了以下优点：当由同步辅机局部的、之前同步化的时间节拍在同步辅机中局部化地并且单独地导出工作节拍时，类似地排除了误差的重复和累积，因此避免在自动化网络中增大误差。 [0032] 根据本发明的一种实施形式，由时间节拍导出工作节拍包括对单个的同步信息的，其中同步信息在节拍同步主机和同步辅机之间进行通信，其中节拍同步主机布置在同步辅机上级，并且提供主机节拍，其中该方法包括：在利用同步信息的情况下，传达在时间节拍和主机节拍之间的差值，其中这个差值作为附加信息被接收到同步信息中，其中工作节拍由差值和时间节拍导出。 [0033] 通过这种实施形式可以对例如通过时间同步主机提供的钟面时刻进行调整，而工作节拍并不因此改变，也就是说例如不会出现工作节拍的突变。对此例如夏令时和冬令时之间的转换，在这种情况下，时间同步主机引起时间突变一小时。通过传输差值，借助于同步信息中的附加信息将这种信息“时间突变一个小时”传输给同步辅机，然而同步辅机的工作节拍并不由于这种改变而受到影响。 [0034] 在另外一个方面，本发明涉及一种具有工作节拍和时间节拍同步的自动化网络，其包括多个要调整的同步辅机和时间同步主机，其中同步辅机可以通过时间同步主机参考时间节拍实现同步，其中同步辅机设计用于由时间节拍导出其工作节拍。 [0035] 本发明还涉及一种用于在自动化网络中实现工作节拍和时间节拍同步的同步辅机，其中同步辅机可以由时间同步主机参照时间节拍实现同步，其中同步辅机设计用于，从时间节拍中导出其工作节拍。 [0037] 以下按照下面的附图对本发明的优选实施形式进行详细叙述。所示为： [0038] 图1是一个流程图，其说明了在自动化网络中实现工作节拍和时间节拍同步的方法步骤； [0039] 图2是用于说明在自动化网络中实现工作节拍和时间节拍同步的方法和装置的框图。 具体实施方式[0040] 图1表示了用于说明在自动化网络中实现工作节拍和时间节拍同步的方法步骤的框图。在步骤100中，时间同步主机由通用的钟面时刻导出其工作节拍。然后在步骤102中，时间同步主机借助于同步信息将外部预定的钟面时刻传输给自动化网络中的第一同步辅机。 [0041] 在步骤104中，这个同步辅机接收由时间同步主机借助于同步信息发送出的钟面时刻或者说时间节拍，从而使同步辅机的本地系统时间现在与外部预定的钟面时刻一致。在步骤106中，同步辅机由匹配的本地系统时间或者说匹配的时间节拍中导出其工作节拍。 在步骤108中，同步辅机借助于同步信息将由时间同步主机发送出的钟面时刻、或者说时间节拍传输给下一个同步辅机。 [0042] 在步骤110中下一个同步辅机接收由时间同步主机预定的未改变的外部钟面时刻、或者说时间同步主机的未改变的时间节拍，作为其固有的系统时间或者说其固有的时间节拍。在步骤112中，同步辅机现在由匹配的本地系统时间或时间节拍求出其工作节拍。 [0043] 在步骤114中，同步辅机借助于同步信息将由时间同步主机预定的钟面时刻不变地传输给下一个同步辅机。自动化网络中的每个同步辅机使其本地系统时间匹配于由时间同步主机已经预定的外部钟面时刻，并且利用匹配的系统时间作为用于导出其相应的工作节拍的参照。 [0044] 图2表示了具有自动化网络的部件的框图，其中时间同步主机200用一个钟面时刻作为本地系统时间202，其例如可以是通用的钟面时刻、如国际原子时间(TAI)。在步骤100中，时间同步主机200由该钟面时刻202导出其工作节拍204。时间同步主机200在步骤102中将具有关于通用的钟面时刻208的信息的同步信息206发送给下一个同步辅机212。 [0045] 同步辅机212接收由时间同步主机200发送的钟面时刻208，作为固有的本地系统时间214，并在步骤106中由匹配的时间节拍214导出其工作节拍216。同步辅机212借助于同步信息206将由时间同步主机200传输的钟面时刻208不变地传输给下一个同步辅机218。 [0046] 在步骤110中，同步辅机218同样也接收由时间同步主机200最初发送的钟面时刻208，作为固有的本地系统时间220。在步骤112中，同步辅机218由匹配的本地系统时间求出其工作节拍222。在步骤214中，同步辅机218借助于同步信息206将钟面时刻208不变地传输给下一个同步辅机224。 [0047] 同步辅机224不变地接收钟面时刻208作为固有的本地系统时间226，并由该本地系统时间导出其工作节拍228。 |
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