用于工业环境中的通信的简单时间同步的方法和设备与流程

用于工业环境中的通信的简单时间同步的方法和设备


背景技术：

1.在没有现代通信技术的情况下无法想象工业中正在进行的数字化。刚好在线缆的布设过于复杂或甚至不可行的应用中考虑无线的解决方案。
2.为了向企业提供用于交换所有类型数据的最佳可行的基础设施，开发了具有特殊附加功能的特殊的工业无线局域网(iwlan)产品，以满足工业中的wlan的特定要求。
3.特别是在自动化、即例如汽车制造中、在运输和物流中、但是还有在石油和天然气行业中的应用从中获益。
4.与在私人领域中广泛使用的wlan的主要区别在于控制和数据集的时间精确的传输，这对于在工业中的使用是绝对必要的，以便能够安全地控制机器。此外，这种设备针对-40℃至+70℃的较大温度范围设计。
5.网络借助特定的加密方法工作，以禁止篡改。
6.经由工业无线局域网(iwlan)进行的无线通信作为解决方案已经在大量应用中使用，例如在移动网络参与者、如无人驾驶运输系统中或在起重机应用中使用。不仅硬件，而且设备的软件也必须满足工业中的特殊要求。
7.数据包的快速的和安全的传输是用于许多应用情况的通信中的必要条件，因此，根据profinet和ethernet/ip协议的实时通信应该能够毫无问题地实施。
8.如果在实时应用中使用无线电系统，例如基于wi-fi的无线电系统，则通常需要时间同步。这尤其当无线电系统集成到用于实时应用、即例如时间敏感型网络(tsn)或profinet的总线系统中时是适用的。
9.但是，商业wi-fi系统对于1μs及以下范围内的(高)精度的时间同步并不是最佳的和适合的。
10.当前的系统仅提供用于时间同步的基本功能。
11.在所基于的标准ieee 802.11和802.1中指定的功能并未完全指定彻底，并且仅应被理解为辅助。
12.在当前的实现方案中，时间关键的功能因此通常要么以硬件实现，进而不可变地实现或作为嵌入式微控制器上的固件实现。
13.此外，无法精确预测或测量借助于软件实现的功能流程的持续时间。
14.精确的时间测量总是需要直接访问以硬件实现的计数器或时钟。在没有该计数器或时钟的情况下，总会形成或多或少的大的抖动，即形成所传输的数据包的运行时间的变化。
15.目前，只能访问由制造商提供的功能。当然，该实施方案通常不会被公开，进而难以由第三方使用。
16.在所描述的工程环境中，目前还没有已知用于高精度时间同步的商业解决方案，而没有上述缺点。解决方案基于时间的传播，代价是更大的等待(延迟)和抖动。例如，已知地是，具有网络时间协议(ntp，rfc 5905...)的实现方案是用于经由基于分组的通信网络同步计算机系统中的时钟的标准。ntp设有参考时钟，参考时钟作为全部同步过程的定点。
因此，所有时钟都根据该时钟或时间对准。其被专门开发，以便经由具有可变的数据包运行时间的网络实现可靠的时间说明。
17.但是，该协议需耗费地实现并且具有安全漏洞。


技术实现要素：

18.本发明的目的是：在工业无线通信的上述环境中给出易于实现的通信方法和通信设备。
19.提出一种根据权利要求1的特征的、实现该目的的方法。
20.用于对在工业环境中的通信元件之间的通信进行时间同步的方法具有用于真正的应用数据传输的第一无线连接，其中，同步时间点直接由硬件单元启动或者被输送给硬件单元的待同步的一侧，该硬件单元负责时间同步并且具有高精度的时钟，其中，同步时间点被转换成同步信号，其中，将与第一传输信道不同的第二传输信道用于传输同步信号，并且该第二传输信道同样设计为无线连接。
21.此外，该目的通过具有根据权利要求11的特征的设备来实现。
22.根据本发明的用于在工业环境中对通信进行时间同步的通信元件包括以下元件：
[0023]-第一连接元件，用于构建用于应用数据传输的第一无线连接，
[0024]-用于时间同步的第一元件，第一元件启动同步时间点或者在输送至第一元件的待同步的一侧，其中，同步时间点被转换成同步信号，第一元件具有
[0025]-高精度的时钟，尤其是实时时钟，和
[0026]-第二连接元件，用于经由与第一传输信道不同的第二传输信道传输同步信号，其中
[0027]
第二传输信道同样设计为无线连接。
[0028]
根据本发明，为了同步使用附加的(理想无线的)信道。为此，在本发明的一个有利的设计方案中使用简单的无线电系统。
[0029]
作为并行的第二信道例如考虑：
[0030]
·
简单的系统，该系统在免许可频段868mhz(例如基于德州仪器的cc1100)或2.4ghz(例如b.基于德州仪器的cc2500)中工作，
[0031]
·
868mhz：所需的占空比对于脉冲不成问题
[0032]
·
2.4ghz：在最大10mw的情况下无需占空比，无需对话前监听(lbt)
[0033]
·
简单的uwb系统(超宽带ultra-wideband)，例如在3-7ghz频段内
[0034]
·
利用uwb系统能够产生非常短的脉冲(皮秒-几纳秒)，这实现非常精确的同步
[0035]
·
光学系统。
[0036]
经由通信元件以简单脉冲或短电报的形式传递同步时间。这能够是周期性的也能够是非周期性的。
附图说明
[0037]
下面通过示出优选的实施例的附图来解释本发明。
具体实施方式
[0038]
该附图示出根据本发明的、具有发送器1和接收器2的系统。元件1和2分别经由数据总线10、20与附图中未示出的其他的网络元件连接。
[0039]
经由第一无线连接传输实际的数据data。为此，元件1、2分别具有相应的发送和接收装置13、23，发送和接收装置具有匹配的天线131、231。天线来自或到达合适的通信接口11、21。实时时钟12、22对于时间同步是重要的，实时时钟在产生同步时钟信号时和在接收后处理时都是必需的。
[0040]
根据本发明，单元1、2还具有用于时间同步的信号的第二无线传输选项14、24第二无线传输选项与第一数据传输选项分开，并且如上所示的那样，能够技术上非常简单地设计。特别地，足够的是：能够单向地进行时间同步消息的传输。
[0041]
用于时间同步的脉冲或电报直接由实施为硬件单元启动或者在被输送至硬件单元的待同步的一侧，其中，实施为硬件的单元负责时间同步并具有高精度时钟12、24。无线电系统能够非常简单且单向地实施。在无延迟的情况下开始发送过程，以便避免能改变的延迟。例如，能够使用类似于对话前监听的机制，也作为lbt被已知，即在发送之前检查：发送信道当前是否正被另一发送器使用。
[0042]
因此，从发起者的发送设备(例如天线)到接收者的接收设备的运行时间仅还是部件中的且穿过空气的单纯的信号运行时间。如果(例如通过监管要求)无法避免发送过程的能改变延迟，则上述硬件单元能够使确定该延迟并且本身将值用作为校正值，或者经由实际的无线电系统传输至待同步的一侧。
[0043]
基本上与同步脉冲或同步电报并行地(在其之前不久、同时或者也在其之后不久)经由第一通信连接(例如wi-fi)传输精确的时间点，在该时间点启动同步信号。该时间点在发起者的时间测量单位中被求出并被传输给wi-fi部件。因此，接收者知道：应将接收到的脉冲与何种时间相关联。能够向发送方确认时间和脉冲的接收。
[0044]
不同系统的同步信号能够通过其例如以不同的频率和/或以不同编码发送的方式来区分。
[0045]
利用所提出的解决方案能够实现：对于实际的数据传输使用经验证的且可商用的无线电技术(即例如wi-fi或蓝牙)，并且尽管如此集成了高精度的时间同步。
[0046]
高精度的时间同步简化了无线电系统在实时以太网系统(如tsn或profinet)中的使用。
[0047]
对于传输脉冲或简单电报所需的硬件和软件简单和便宜地可用。