用一个同步域将系统集成到全球钟面时刻同步域中的方法

摘要

本发明涉及一种使自动化网络的一个下级域（236）的工作节拍-和时间节拍同步的方法，自动化网络包括多个时间上要协调一致的同步-辅机（218，224，230），它们由上级域的上级时间-同步-主机（200）参照时间节拍（204）实现同步，其中同步-辅机（218，224，230）由节拍-同步-主机（206）参照工作节拍（216）实现同步，其中节拍-同步-主机（206）是下级域的一部分（200），其中单个的同步信息用于使同步-辅机（218，224，230）参照其工作节拍（216）和时间节拍（204）实现同步，其中该方法在利用同步信息（212）的情况下，传达在时间节拍（204）和工作节拍（216）之间的差值（214），其中这个差值（214）作为附加信息接收到同步信息（212）中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于使自动化网络的下级域的工作节拍-和时间节拍 同步的方法、一种使自动化网络的下级域的工作节拍-和时间节拍同步的 装置以及一种计算机程序产品。

背景技术

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 有技术可以由标准化的网络-时间-协议IETF SMTP，IEEE1588v2，IEEE 802.1AS，IETF RFC，，(S)NTP“，IEC61158TYPE 10-PTCP得出。

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DE102005039771B3(Halang Wolfgang A[DE];Skambras Martin [DE])在2006年12月28日公开了一种用于无非同步中断地管理实时过 程的单元。DE10345231A1(Siemens AG[DE])在2004年6月24日公开 了一种方法，用于使至少一个辅机控制单元与一个主机控制单元协调协调 一致。

发明内容

为此本发明的目的在于，提出一种用于使自动化网络的下级域的同步 -辅机既实现工作节拍-又实现时间节拍同步的改进方法、一种使自动化网 络的下级域的同步-辅机同时实现工作节拍-和时间节拍同步的改进装置以 及一种改进的计算机程序产品。

本发明的目的相应地利用独立权利要求的特征来实现。本发明的优选 实施形式在从属权利要求给出说明。

在此提出了一种用于使自动化网络的下级域的工作节拍-和时间节拍 同步的方法，自动化网络包括多个时间上要协调一致的同步-辅机，其通 过上级域的上级时间-同步-主机参照时间节拍实现同步，其中节拍-同步- 主机是下级域的一部分，其中单个的同步信息用于使同步-辅机在其工作 节拍和时间节拍方面实现同步，其中该方法包括了在利用同步信息的情况 下，传达在时间节拍和工作节拍之间的一个差值，其中这个差值和同步信 息作为附加信息被接收。

换句话说，通过自动化网络的上级域的时间-同步-主机，借助于同步 信息使通用的钟面时刻、例如国际原子时间（TAI）传输给自动化网络的 下级域的节拍-同步-主机。自动化网络的下级域的节拍-同步-主机接收上 级域的时间-同步-主机的钟面时刻或者说时间节拍，并同时求出在下级域 的节拍-同步-主机的时间节拍和工作节拍之间的差值。这个差值作为附加 信息集成在同步信息中，同步信息然后被节拍-同步-主机分配给下级域内 的所有下级的同步-辅机。下级域内的每个同步-辅机识别关于时间节拍和 工作节拍之间差值的这种附加信息，并由其计算出本地系统时间。

理论上可以用该方法使任意多的时间节拍，或者说各种具有不同时间 的任意多的逻辑时钟，在一个由多个独立子域组成的网络系统中实现同 步。

这种方法的优点在于，只是需要一个唯一的同步信息。由于借助于仅 仅一个唯一的同步信息，使工作节拍以及时间节拍同时地同步，作为另外 一个优点是降低了联网度的和减少了对附加硬件的需要。

所谓自动化网络的域是指一组自动化部部件，在本文中称之为同步- 辅机，其工作节拍由一个在域内布置在同步-辅机上级的节拍-同步-主机来 预定，并在时间上实现同步。节拍-同步-主机属于在分级等级中较高的“全 球”域，并且例如给各个不同下级域的单个的节拍-同步-主机提供通用的 时间。

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，Real-Time-Ethernet）， 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。

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。

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）。

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。

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。

根据本发明的一种实施形式，当下级域集成在自动化网络的上级域中 时，下级域部件的工作节拍保持不变。

该方法因此可以应用在连接和多个分开的域中，而不会对运行过程或 者漫长的匹配过程产生干扰，其中自动化网络的任意多的下级域既可以串 联，也可以并联。

这种方法的一个优点在于：要相应地集成在自动化网络中的域的部件 的工作节拍即使在集成过程中、也或者在不被中断和不受影响的情况下分 离时，也连续地继续运行，从而自动化部件的运行在集成过程或分离过程 中不中断。这意味着：同步-辅机和节拍-同步-主机的本地系统时间非间歇 性地继续进行。因此每个单个的自动化部件可以连续地继续运行，而不会 例如中断生产。此外在自动化设备的单个的独立模块中，不会由于工作节 拍的不同而产生人为的依赖关系。

根据本发明的一种实施形式，在将下级域集成在上级域中时，下级域 的时间节拍与上级域的时间节拍直接同步。换句话说，这意味着：在全球 域的时间-同步-主机的通用钟面时刻和下级域的节拍-同步-主机的本地系 统时间之间的比率补偿值设定等于0。因为节拍-同步-主机将其时间发送 器对准例如外部国际原子时间（TAI）的同步信息（所谓紧随其后），接着 该国际原子时间（TAI）的所有同步-辅机、即每个单个的同步-辅机的本地 系统时间与外部的、由时间-同步-主机所规定的钟面时刻相同。其优点在 于：例如在协议中时间戳被标明时，事实上将国际原子时间（TAI）用作 共同的参考量。

根据本发明的一种实施形式，工作节拍和时间节拍通过绝对时间规范 （absolute Zeitangaben）给定。其优点在于：固有石英的每个同步-辅机的 振荡频率表现为统一的，并因此是可以比较的，而且工作节拍和时间节拍 因此大小相同。由此也可以更好地虚拟、并且也以更简单的方式计算出在 工作节拍和时间节拍之间的差值。

根据本发明的一种实施形式，下级域的每个单个的同步-辅机可以读 取包含在同步信息中的差值，并由这个差值计算出本地的系统时间。每个 同步-辅机因此具有能力和接口，来阅读和评估特定配置的同步信息。这 意味着：每个单个的同步-辅机设置用于，仅仅借助于一个单个的、关于 工作节拍和时间节拍的同步信息实现同步。其优点在于：不需要另外的同 步信息或者说不需要另外的同步帧，使联网度保持最小，并且不需要附加 的硬件部件。

根据本发明的一种实施形式，当在下级域和另一个下级域之间实现时 间节拍-同步时，由工作节拍和差值计算出时间-同步-主机的时间节拍，并 且使这样计算出的时间节拍在另一个同步信息中没有该差值的情况下被 传输给另一个下级域。例如下级域最后的同步-辅机，将时间节拍和工作 节拍之间的累计差值相加用于同步信息的延时域（Delay-Feld），并使时间 节拍和工作节拍之间的差值等于0，通过该最后的同步-辅机使其他下级域 实现直接连接。其优点在于：例如在连接若多个域时，将一个没有差值的 钟面时刻、即最终已由全球域的时间-同步-主机所规定的通用钟面时刻继 续传输给下一个下级域的节拍-同步-主机。

根据本发明的一种实施形式，节拍-同步-主机的频率匹配与时间-同步 -主机的频率，从而使节拍-同步-主机和时间-同步-主机之间的时钟误差最 小化。其优点在于：节拍-同步-主机的本地系统时间与外部规定的钟面时 刻基本协调一致。

节拍-同步-主机和时间-同步-主机的时间节拍之间的差值，以及在各 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，这就是说，各个部件的系统时钟开始并不同步运行。

根据本发明的一种实施形式，同步信息作为唯一的节拍具有工作节 拍。其优点在于：同步信息的功能主要集中于使自动化设备的域的自动化 部件节拍相同，而无需承受附加实施指令。由于在同步-辅机的本地系统 时间与外部规定的钟面时刻之间的偏差只是作为附加信息包含在同步信 息中，节拍-同步-主机的主要任务基本集中于自动化部件的节拍同步。因 此例如基本上可以使节拍-同步-主机的任务重点放在例如生产机器的连续 运行上。

在另外一个方面，本发明涉及一种用于使自动化网络的下级域实现工 作节拍-和时间节拍同步的装置，自动化网络包括多个时间上要协调一致 的同步-辅机，这些同步-辅机可以由上级域的上级时间-同步-主机参照时 间节拍实现同步，其中同步-辅机可以由节拍-同步-主机参照工作节拍实现 同步，其中节拍-同步-主机是下级域的一部分，其中装置包括有一个模块， 用于在利用同步信息的情况下来传达时间节拍和工作节拍之间的差值，其 中同步信息用于同步-辅机参照其工作节拍实现同步，其中该差值作为附 加信息包含在同步信息中。

在另外一个方面，本发明涉及一种计算机程序产品，其具有能由处理 器执行的、用于实施上面所述方法的指令。

附图说明

以下根据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：

图1是一个流程图，其说明了在具有规定钟面时刻的时间-同步-主机 的上级全球域的下级域的工作节拍-和时间节拍同步；

图2是用于说明使自动化网络的下级域实现工作节拍-和时间节拍同 步的方法和系统的框图。

具体实施方式

图1表示了一种用于使自动化网络的下级域的工作节拍-和时间节拍 同步的方法的流程图。方法首先在步骤100中开始，其中一个上级域的时 间-同步-主机将通用的钟面时刻发送到一个下级域的节拍-同步-主机中。 在步骤102中，节拍-同步-主机接收时间-同步-主机的时间节拍，其中节 拍-同步-主机也同时求出在外部预定的时间节拍和域的工作节拍之间的差 值。

在步骤106中，节拍-同步-主机借助于一个单个的同步信息识别出第 一同步-辅机的工作节拍和在时间节拍和工作节拍之间的差值。在步骤108 中，同步-辅机通过接收的同步信息读取工作节拍和在时间节拍和工作节 拍之间的差值。在步骤110中，同步-辅机由这个差值计算出其本地的系 统时间。

然后在步骤112中，同步-辅机又借助于一个唯一的同步信息将有关 工作节拍的和时间节拍和工作节拍之间差值的信息传输给域的下一个同 步-辅机。在步骤114中，使同步信息继续传输给其余的同步-辅机，其中 每个单个的同步-辅机由差值计算出其本地的系统时间。

下级域的最后的同步-辅机在步骤116中，将时间节拍和工作节拍之 间累计的差值相加成同步信息的延时域，并使差值为0。因此在步骤118 中向外给出的时间节拍是无差值的。在下级域串联连接时，因此使通用的 钟面时刻无差值地在步骤120中，从前面域最后的同步-辅机继续传输至 随后的下级域的节拍-同步-主机，其中又是只需要一个单个的同步信息。 在随后的下级域中，根据步骤122重复同样的过程-如上所述-正如它在前 面的域中发生的那样。

可替换地或者除了下级域的串联连接，也可以使下级域并联连接，其 中全球域的下级时间-同步-主机将钟面时刻直接传输给一个下级域的每个 节拍-同步-主机，而没有频率偏移。

图2表示了一个用于实现两个上级域的工作节拍-和时间节拍同步的 装置的框图，这些域与全球域的上级时间-同步-主机200并联。全球域的 上级时间-同步-主机200将包含关于钟面时刻204的信息的同步信息202 发送给上级域236的节拍-同步-主机206，其中节拍-同步-主机206接收上 级时间-同步-主机200的钟面时刻203作为其固有的系统时间208。

节拍-同步-主机206通过新设定的系统时间208和系统固有的工作时 钟210之间的差值求出时间节拍和工作节拍之间的差值。这样求出的差值 214作为同步信息216的附加信息被继续传输，该信息主要将工作节拍212 转送、继续传输给下一个同步-辅机218。

同步-辅机218有能力读取差值214，并由这个差值214计算出其本地 系统时间220。在同步信息212中所提供的关于工作节拍216的信息决定 了同步-辅机的工作节拍，该节拍表示为系统固有的工作时钟222。

同步-辅机218将同步信息212继续传输给下一个同步-辅机224，后 者同样也通过随同步信息212一起提供的、关于在工作节拍和时间节拍之 间的差值214的信息重新计算出其本地系统时间226。用同步信息212提 供的工作节拍216又影响同步-辅机224的工作节拍，后者作为系统固有 的工作时钟228来表示。这个过程重复进行，并且域236的网络的最后的 同步-辅机230最终是由前面的同步-辅机得到同步信息212的那个同步- 辅机。

同步-辅机同样也通过差值214计算出其本地系统时间232，并且使其 工作节拍匹配于随同步信息一起提供的工作节拍316，这在系统固有的工 作时钟234中可实行。在域236的网络中最后的同步-辅机230将工作节 拍和时间节拍之间的累计差值加到离开域的同步信息244的延时域中，该 同步信息同样也如由上级时间-同步-主机202最初发送的同步信息202那 样，只是还包含有钟面时刻246。这种同步信息244则可以被传输给全球 上级域的时间-同步-主机238，或者在另外一种实施形式中传输给另一个 下级域的节拍-同步-主机。