Präzise Systemsynchronisierung mithilfe des Precision Time Protocol (PTP) nach IEEE 1588

HERAUSFORDERUNG: Das Erstellen von Software-Zwischenlösungen für die Synchronisierung Ihres Inspektionssystems ist zu zeitaufwendig.

Lösung:

Verwenden Sie das IEEE-1588 Precision Time Protocol (PTP) mit FLIR-Kameras, um Geräte innerhalb von wenigen Mikrosekunden zu synchronisieren, ohne das Zwischenlösungen erforderlich sind. Das Synchronisieren von Systemen mit einer gemeinsamen Zeitbasis ermöglicht vereinfachte Systementwürfe, die Jitter minimieren und den Durchsatz maximieren.

Was ist das IEEE-1588 Precision Time Protocol (PTP)?

Das IEEE-1588 PTP ist eine bewährte Technologie, die die internen Uhren der PTP-fähigen Ethernet-Geräte (z. B. Roboter, Kontrollsysteme und Komponenten) synchronisiert, um synchronisierte, systemweite Zeitstempel zu erstellen. Seine Entwicklung wurde dadurch angetrieben, dass Stromversorgungs- und Telekommunikationsunternehmen eine Möglichkeit finden mussten, die Energieversorgungs- und Mobilfunknetze zu synchronisieren. 

Mit dem IEEE-1588 PTP können Sie ganz einfach PTP-fähige Geräte innerhalb von weniger Mikrosekunden synchronisieren – ein klarer Vorteil gegenüber dem Network Time Protocol (NTP), dessen Genauigkeit beim Zeitabgleich im Millisekundenbereich liegt.

Abbildung 1: Die Pfadverzögerung wird berechnet und beim Synchronisieren  der 
Uhren zwischen Geräten berücksichtigt. Das Primärgerät  sendet zwei Signale an den 
Slave an (1) und (2). Das Sekundärgerät  sendet dann ein Signal zurück (3), die Pfadverzögerung  wird berechnet und angewandt, um die Uhren zu synchronisieren (4).

Wie funktioniert das IEEE-1588 PTP?

Das Primärgerät (Master) und das Sekundärgerät (Slave) tauschen zeitgestempelte Meldungen aus und vergleichen sie, um die Pfadverzögerung zwischen ihnen festzustellen. Basierend auf dieser Berechnung des zeitlichen Versatzes passt das Sekundärgerät die interne Uhr an, um sie mit dem Primärgerät zu synchronisieren (siehe Abb. 1). Eine langfristige Frequenzstabilität wird erreicht, indem die Uhren regelmäßig synchronisiert werden, um Drifteffekte zu kompensieren (siehe Abb. 2).

Abbildung 2: Uhren, die auf derselben Frequenz laufen, driften mit der Zeit auseinander.
IEEE 1588 Geräte synchronisieren sich regelmäßig, um dies zu kompensieren.

Wie sieht eine einfache IEEE-1588 PTP-Implementierung aus?

Bei einer einfachen IEEE-1588 PTP-Implementierung werden einige PTP-fähige Ethernet-Geräte an einen Switch angeschlossen, wobei ein Gerät als Master-Uhr fungiert. Die Geräte werden mit der Primäruhr synchronisiert, um innerhalb des Netzwerks eine gemeinsame Zeitbasis zu schaffen. Wenn kein Gerät als Primäruhr agiert, fragen die PTP-fähigen Geräte sich gegenseitig ab, um die beste Uhrzeit für die Synchronisierung zu ermitteln.

Wenn Sie in Ihrem Netzwerk eine reale Zeitbasis benötigen, schließen Sie eine Referenzuhr (z. B. eine Trimble Thunderbolt GM100) an, die das Zeitsignal aus einem GPS-System verwendet (siehe Abb. 3).

Was sind die Hauptvorteile des EEE-1588 PTPs für maschinelles Sehen?

Präzise Zeitstempel, die den Systemdurchsatz stabilisiert werden 

Automatisierungssystem-Kontrollpläne, die darauf basieren, dass in jedem Schritt eines Prozesses separate Sensoren vorhanden sind, haben viele Jitter-Quellen, die als Unterschied zwischen idealen und tatsächlichen periodischen Signalen (siehe Abb. 4) definiert sind. Das IEEE-1588 PTP ermöglicht die präzise Koordinierung der Geräte basierend auf Zeitstempeln anstatt auf Sensorsignalen. Dies reduziert Jitter, ermöglicht eine straffe Systemkoordinierung und macht den Durchsatz vorhersehbarer.

Abbildung 4: Signal-Jitter

Beispiel: In einer einfachen Industrieanwendung, in der sensorbasierte Signale verwendet werden, wird ein Teil auf dem Förderband transportiert, um schließlich ein Etikett anzubringen. Mithilfe einer Kamera wird dann die Kennzeichnung geprüft. Wie kann das System feststellen, ob ein Fehler aufgetreten ist, wenn das Etikett fehlt? Vielleicht ist das Teil zu spät an der Station eingetroffen und hat den Etikettierungsschritt verpasst oder die Kamera wurde zu früh ausgelöst. In einem System, in dem das IEEE-1588 PTP eingesetzt wird, wird jede Aktion im Prozess mit einem Zeitstempel versehen, der der gemeinsamen Zeitbasis entspricht. Dies ermöglicht die Identifizierung der genauen Abfolge der Ereignisse und den Zeitpunkt des ersten Fehlers.

Geringere Bandbreite und reduzierter Verarbeitungsaufwand

Das IEEE-1588 PTP beansprucht im Vergleich zu Zwischenlösungen, die häufige Sensorabfragen umfassen, weniger Netzwerkbandbreite und CPU-Zyklen. Es ermöglicht vereinfachte Systementwürfe, die sich schnell bereitstellen und einfach warten lassen. Das IEEE-1588 PTP funktioniert in großen, komplexen Netzwerktopologien zuverlässig – ohne Beaufsichtigung eines Anwenders. 

Wenn Sie GigE Vision-Kameras verwenden, müssen Sie bei der Aktivierung von PTP Ihre bestehenden Anwendungen nicht ändern, da der GigE Vision-Standard IEEE-1588 PTP Zeitstempel unterstützt.

IEEE-1588 PTP Systeme sind zukunftssicher

Das Industrial Internet of Things (IIoT) und Industry 4.0 werden einen immensen Einfluss auf die Gestaltung der Automatisierungssysteme der nächsten Generation haben. Ziel des IIoT ist eine Effizienzsteigerung, indem aus „intelligenten Objekten“ (z. B. Robotern, Kontrollsystemen, Kameras und anderen Sensoren) Netzwerke geschaffen werden, um dann mithilfe einer Big Data-Analyse eine erweiterte Prozessoptimierung durchzuführen. Präzise Zeitstempel für jeden Prozessschritt sind entscheidende Komponenten dieser Netzwerke. Wenn Sie heute IEEE-1588 PTP-fähige Geräte in Ihr System integrieren, sind Sie für das IIoT von morgen gerüstet.

Wie helfen Ihnen die FLIR-Kameras dabei, von den IEEE-1588 PTP-Vorteilen zu profitieren?

Die FLIR Blackfly S GigE-Kamera und die demnächst erhältliche Oryx 10 GigE-Kamera unterstützen das IEEE-1588 PTP. Sie bieten einen Ausgangspunkt für die Implementierung des IEEE-1588 PTPs in Ihr Inspektionssystem, um Ihren Durchsatz zu stabilisieren, die Bandbreite und den Verarbeitungsaufwand zu reduzieren und Sie auf die Technologie der Zukunft vorzubereiten. Wenn Sie weitere Informationen zu diesen und anderen Vorteilen der FLIR-Kameras  Blackfly S  und  Oryx  wünschen, können Sie uns gerne noch heute  kontaktieren . 

Harris, Ken. "An application of IEEE 1588 to industrial automation." Precision Clock Synchronization for Measurement, Control and Communication (2008): 71-76.
Srinivasan, Seshadhri, und andere. "Verifying response times in networked automation systems using jitter bounds." Software Reliability Engineering Workshops (ISSREW), 2014 IEEE International Symposium on. IEEE, 2014.