Eine optimale Zeitsynchronisation spielt in Industriebetrieben eine wichtige Rolle, denn die Genauigkeit der Arbeitsabläufe kann sich erheblich auf Sicherheit, Produktivität und Kosten auswirken. Technologien wie NTP, IEEE 1588v2 (PTP) oder IEEE 802.1AS sind unverzichtbar, um Systeme in einem Netzwerk untereinander oder mit Referenzuhren zu synchronisieren.
Besondere Anforderungen der Industrie
Industrieanlagen arbeiten in der Regel mit synchronisierten Abläufen. Dies erfordert einen genauen Zeitstempel, der von allen Maschinen, die an einer Aufgabe beteiligt sind, gemeinsam genutzt wird. Die Anforderungen unterscheiden sich je nach Art des Systems.
In einer Produktionsanlage gibt es beispielsweise drei verschiedene Arten von Systemen.
- Zum einen gibt es Fertigungslinien, die eine mehr oder weniger genaue Synchronisation zwischen Maschinen (z. B. das Abfüllen von Flüssigkeiten in Behälter) oder auch eine präzise Zeitstempelfähigkeit (z. B. für die Nulldurchgangserkennung) erfordern.
- Dann gibt es noch Inspektions- und Überwachungssysteme (SCADA-Systeme – Supervisory Control and Data Acquisition, zu deutsch: Überwachung, Steuerung und Datenerfassung). Diese Systeme sammeln, aggregieren und liefern alle Daten, die mit dem Betrieb der Anlage in Zusammenhang stehen. Um ein kohärentes und wahrheitsgetreues Bild der Gegebenheiten zu erhalten, wird hier eine möglichst zuverlässige Zeitverteilung benötigt.
- Beim dritten Systemtyp geht es um die Gesamtsteuerung der Fabrik. Es handelt sich um das zentrale System, das mithilfe einer primären Referenzuhr sicherstellt, dass alle Vorgänge rechtzeitig und mit korrekter Rückverfolgbarkeit durchgeführt werden. Wir sprechen hier von Betriebsvorgängen im weitesten Sinne: Produktionsplanung, Analysen der Gesamtanlageneffektivität, Ablauf-, Personal-, Qualitäts- und Wartungsmanagement usw.
Und schließlich besteht wie in jedem Unternehmen ein Bedarf an Zeitsynchronisation für sämtliche gängigen Geschäftsvorgänge, wie z. B. IS-Protokollierung, Buchführung, Telekommunikation, Zugangskontrolle, Videoüberwachung usw.
Welches Zeitsynchronisationsprotokoll für welchen Bedarf?
Wenngleich große Industrieanlagen im Wesentlichen noch immer die gleichen sind, haben sie sich in den letzten Jahren doch deutlich weiterentwickelt. Anfangs funktionierten sie rein mechanisch, später elektromechanisch und schließlich elektronisch. Die Zukunft der Industrie liegt nun in Produktionsrobotern, die ihre Analyse-, Informationsspeicher- und Kommunikationsfähigkeiten in die Cloud verlagern, im Einsatz von Drohnen zur Inspektion, Überwachung und zum Transport von Material und schließlich in der Nutzung von Smart Grids.
Das ideale Zeitsynchronisationsprotokoll für die Industrie muss daher viele Aspekte berücksichtigen und abwägen:
- Relative oder absolute Synchronisierung. In vielen Fällen ist eine relative Synchronisierung völlig ausreichend. Zu diesem Zweck dient ein Zeitserver als Referenzuhr, an dessen Zeit sich alle Industriegeräte ausrichten. In Fällen, in denen eine absolute Referenz erforderlich ist, wird in der Regel eine Uhr mit einer GPS-Quelle verwendet. Hier stellt sich jedoch die Frage, wie robust dieses System über die Qualität der Synchronisationsprotokolle hinaus ist.
- Synchronisierung über WLAN oder kabelgebundenes Ethernet-Netzwerk. Im industriellen Bereich stellen sich bei drahtlosen Netzwerken besondere Herausforderungen. Ein Beispiel dafür sind Sensornetzwerke, die erfasste Ereignisse mit Zeitstempeln versehen und an ein SCADA-System weiterleiten. Diese Sensoren haben selten eine interne Uhr. Zudem haben sie eine Verbindungs- und Energiemanagementdynamik, die spezielle Protokolle wie IEEE 802.14.4 (kommerziell bekannt als zigbee) erfordert. Die Synchronisierung in einem kabelgebundenen IP-Netzwerk ist besser abgesteckt und die Protokolle dafür sind gut bekannt (z. B. NTP). Dies gilt auch für alles, was auf Ethernet basiert.
- Verfügbarkeit der Uhren. Viele Industrieanlagen erfordern eine reibungslose Verfügbarkeit auf Zeitserverebene. Einige Protokolle, wie PTP, bieten Mechanismen zur Verbesserung der Fehlertoleranz (über PTP-Profile) und alternative Referenzuhren, um Umschaltzeiten zu verkürzen. Standards wie IEEE 802.1AS trennen die Übertragung von Synchronisations- und Datenframes, um die Umschaltzeiten zwischen verschiedenen Uhren zu minimieren.
Welches System eignet sich am besten?
Unabhängig davon, ob es sich um eine relative oder absolute Synchronisation handelt – die Wahl eines Zeitservers unerlässlich. Je nach Anwendung sind der Bedarf an Genauigkeit und Interoperabilität maßgeblich für die Wahl der am besten geeigneten Lösung.
In Bezug auf die Genauigkeit ermöglicht das PTP-Protokoll die Synchronisierung von Geräten bis zu zehn Nanosekunden – gerade bei kritischen Industrieanwendungen. Für die Implementierung ist eine spezielle Hardware erforderlich, die eine großflächige Anwendung einschränken kann.
Das NTP-Protokoll mit einer Genauigkeit im Millisekundenbereich ist für allgemeine Anwendungen geeignet. Sein Einsatz empfiehlt sich für Bereiche, in denen mehrere Systeme oder Produktionseinheiten zusammenarbeiten.
Kurz gesagt: Es gibt keine Patentlösung. Deshalb sollte eine hybride Zeitsynchronisationsarchitektur in Betracht gezogen werden, um das bestmögliche Verhältnis zwischen Genauigkeit, wo nötig, und Flexibilität, wo möglich, zu erreichen.
Als Experte der Zeiterfassung und einer Präsenz in mehr als 140 Ländern ist Bodet Time ein führender französischer Akteur auf dem Gebiet der Zeitsynchronisation und Zeitfrequenz.
Die lokal installierten Netsilon-PTP-Zeitserver synchronisieren Industrieanlagen, die exakte Zeitstempel und eine genaue Protokollierung von Vorgängen benötigen. Die Installation eines Netsilon-NTP-Zeitservers ermöglicht darüber hinaus, die Sicherheit des Computernetzwerks eines Industriestandorts zu erhöhen und alle mit diesem Netzwerk verbundenen Ausrüstungen (Zugangskontrolle, Videoüberwachung, PCs usw.) zu synchronisieren.