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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Signalen innerhalb
einer zentralen Erfassungseinheit, wobei die Signale von räumlich getrennt
angeordneten dezentralen Einheiten abgeben werden.
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Derartige
dezentrale Einheiten sind beispielsweise Anlagenkomponenten, Kontroll-
oder Überwachungsgeräte in einer
industriellen Anlage. Bei einer automatisierten industriellen Anlage
mit räumlich
weit voneinander getrennten dezentralen Einheiten ist für die Steuerung
und Überwachung
des industriellen Prozesses die zeitliche Abfolge der von den einzelnen
dezentralen Einheiten abgegebenen Signale von Bedeutung. Insbesondere
bei einer Störung
ist zur Ermittlung der auslösenden
Ursache eine hochgenaue Erfassung der zeitlichen Abfolge der von
den dezentralen Einheiten abgegebenen Signale erforderlich.
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Um
dies zu ermöglichen,
wird üblicherweise in
einer zentralen Erfassungseinheit, in der die Einzelsignale zusammenlaufen
und ausgewertet werden, eine so genannte Zeitstempelung der Signale vorgenommen.
Die dezentral abgegebenen Signale werden in der Zentraleinheit also
mit einem Zeitstempel versehen, d. h. den eingehenden Signalen wird eine
Uhrzeit zugewiesen. Dies ermöglicht
eine spätere
Auswertung der Signale im Hinblick auf ihre zeitliche Abfolge.
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Bei
räumlich
weit getrennten dezentralen Einheiten, die beispielsweise mehrere
100 Meter und darüber
auseinander liegen, besteht allerdings das Problem, dass z. B. auf
Grund der unterschiedlichen Laufzeiten der Signale von den dezentralen
Einheiten zu der zentralen Erfassungseinheit die Zeitstempelung
eine gewisse Unschärfe
aufweist, so dass unter Umständen eine
klare Aussage über
die zeitliche Abfolge zweier Signale nicht möglich ist.
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Aus
Lukas Grunwald: Ausgrabungen (Heise Zeitschriften Verlag, iX 10/2002)
ist ein Verfahren zur Erfassung von Log-Meldungen in einem zentralen Log-Server
bekannt, wobei die Log-Meldungen
von räumlich
getrennt angeordneten dezentralen Einheiten, wie z.B. einer Firewall,
eines Intrusion-Detection-Systems
oder einzelner Server einer Server-Farm, abgegeben werden. Diese
Log-Meldungen können
beispielsweise mittels des Network Time Protocol mit einem Zeitstempel
versehen werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine hochgenaue Zeitstempelung
zu ermöglichen.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe gelöst
durch ein Verfahren zur Erfassung von Signalen in einer zentralen
Erfassungseinheit mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen.
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Die
Erfindung geht hierbei von der Überlegung
aus, Fehler in der Zeitstempelung der erfassten Signale dadurch
zu eliminieren, dass der Zeitstempel unmittelbar vor Ort, also dezentral
vorgenommen wird. Da die einzelnen Signale bereits an der dezentralen
Einheit den Zeitstempel aufweisen, ist die Datenübertragungszeit zu der zentralen
Erfassungseinheit unkritisch. Da weiterhin der Zeitstempel an allen Einheiten
zur Verfügung
steht, ist zudem gewährleistet,
dass beispielsweise gleichzeitig auftretende gleichen Ereignisse
auch mit dem gleichen Zeitstempel, also mit der Zeitangabe versehen
werden. Die hochgenaue Abbildung der zeitlichen Abfolge der Signale ist
daher gegeben. Unter hochgenau wird hierbei eine μsec-genaue
Zeitstempelung verstanden, so dass selbst Signale, die lediglich
eine μsec
oder weniger beabstandet sind, im Hinblick auf ihre zeitliche Abfolge
ausgewertet werden können.
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Gemäß einer
zweckdienlichen Weiterbildung ist vorgesehen, die dezentralen Einheiten über ein Bussystem
miteinander zu verbinden und über
das Bussystem den Zeitstempel zur Verfügung zu stellen. Diese Ausgestaltung
nutzt daher übliche
technische und insbesondere standardisierte Komponenten der Datenübertragung
aus, um die gleichzeitige Verfügbarkeit
der Zeit stempelung an den dezentralen Einheiten zu gewährleisten.
Da die dezentralen Einheiten üblicherweise
sowieso miteinander vernetzt sind, ist hierfür allenfalls ein geringer Mehraufwand
notwendig. Die Verbindung über
das Bussystem kann hierbei drahtgebunden oder drahtlos erfolgen.
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Zweckdienlicherweise
wird der Bustakt des Bussystems als Zeitangabe für den Zeitstempel herangezogen.
Der Bustakt gibt daher unmittelbar und direkt die Zeit an, mit der
das jeweilige Signal versehen wird. Es wird also auf ein standardmäßig im Bussystem
integriertes Zeitelement zurück
gegriffen, so dass die Zeitstempelung ohne besonderen Mehraufwand
erfolgen kann.
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Bevorzugt
zählt der
Bustakt periodisch von 0 auf eine vorgegebene Endzeit hoch. Bei
der Zeitstempelung über
den Bustakt handelt es sich daher um eine relative Zeitstempelung,
da die über
den Bustakt abgegebenen Zeitangaben sich nach Durchlauf einer Bustakt-Periode
wiederholen.
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Insbesondere
handelt es sich hierbei um ein standisiertes Bussystem, insbesondere
um das Bussystem mit der Bezeichnung IEEE 1394. Dieses Bussystem
ist auch unter dem Namen Firewire bekannt und wird beispielsweise
in der Unterhaltungselektronik für
Videogeräte
eingesetzt. Der Vorteil insbesondere von IEEE 1394 ist u. a. darin
zu sehen, dass über
den zur Verfügung
gestellten Bustakt eine besonders hochgenaue Zeitangabe und damit
Zeitstempelung möglich
ist.
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Um
den an den dezentralen Einheiten über den Bustakt mit einer relativen
Zeitangabe versehenen Signalen auch absolute Zeiten zuordnen zu
können,
ist gemäß einer
zweckdienlichen Weiterbildung vorgesehen, dass die vom Bustakt vorgegebene Zeitangabe
des Zeitstempels in der Erfassungseinheit in eine absolute Zeitangabe
umgerechnet wird. Dies ist mit vergleichsweise geringem Aufwand
möglich,
da lediglich die einzelnen Perioden des Bustakts in der zentralen
Erfassungsein heit mitgezählt
und die vom Bustakt übermittelten
Zeitangaben aufaddiert werden müssen.
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Um
insbesondere bei einer Störung
die die Störung
verursachende dezentrale Einheit ausfindig machen zu können, ist
vorzugsweise vorgesehen, dass die mit dem Zeitstempel versehenen
Signale im Hinblick auf ihre zeitliche Abfolge ausgewertet werden.
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Bei
der Umrechnung der vom Bustakt vorgegebenen relativen Zeitangabe
auf eine von der zentralen Erfassungseinheit vorgegebene absolute
Zeitangabe besteht das Problem, dass zwei unterschiedliche Zeitsysteme
miteinander abgeglichen werden müssen.
Allgemein formuliert besteht das Problem, dass mehrere zu einem
Gesamtsystem verbundene digitale Teilsysteme mit einer für alle Teilsysteme
gleichen Gesamtsystemzeit arbeiten sollen. In diesem Fall muss eine
Synchronisation der einzelnen Teilsystemzeiten erfolgen. Üblicherweise
wird hierbei die Uhrzeit eines Teilsystems, das so genannte Zielsystem,
als gemeinsame Uhrzeit verwendet und die Systemzeiten der anderen
Teilsysteme, die als Quellsysteme bezeichnet werden, werden auf
die Uhrzeit des Zielsystems abgebildet, also synchronisiert. Bei
der Analyse von Störungen
oder der Optimierung in Automatisierungsanlagen mittels verteilten
Einheiten ist für
eine genaue Datenauswertung eine Synchronisation bis auf Mikrosekunden
genau notwendig.
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Bei
der Synchronisation müssen
hierbei insbesondere zwei Probleme gelöst werden. Zum einen bestehen
Unterschiede in der Geschwindigkeit der Zeitgeber, die für die Ermittlung
der jeweiligen Systemzeit herangezogen werden. Diese resultieren
aus Unterschieden oder Ungenauigkeiten bei den als Zeitgeber vorgesehenen
Quarzen. Ein weiteres Problem der Synchronisation besteht darin,
dass Ungenauigkeiten in der Zeitnehmung bestehen, da der Zeitpunkt
der Zeitnehmung bei räumlich
getrennten Systemen in der Regel nicht identisch bestimmt werden
kann.
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Bei
dem beschriebenen Verfahren zur Zeitstempelung der Signale über den
Bustakt werden daher gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Zeitgeber des Zeitstempels, also der
Bustaktgeber, und ein weiterer Zeitgeber der Erfassungseinheit miteinander
synchronisiert. Durch die Synchronisation wird hierbei insbesondere
auch eine hochgenaue Aussage über
den absoluten Zeitabstand zwischen den Zeitangaben zweier Zeitstempel
ermöglicht.
Bei Fehlen einer solchen Synchronisation wäre nämlich beispielsweise nicht
gewährleistet,
dass der über
den Bustakt ermittelte zeitlich Abstand zweier Zeitstempel tatsächlich auch
dem absoluten zeitlichen Abstand in der Gesamtsystemzeit, also in
der absoluten Zeit der zentralen Erfassungseinheit, entspricht.
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Zur
Synchronisation ist vorzugsweise vorgesehen, dass zu verschiedenen
Messzeitpunkten eine jeweilige von dem weiteren Zeitgeber der Erfassungseinheit
vorgegebenen Sollzeit oder Zielzeit mit einer jeweiligen Istzeit
oder Quellzeit des Zeitgeber des Zeitstempels verglichen wird. Aus
diesem Vergleich wird dann ein Fitparameter für eine Approximation der Abbildung
der Istzeit auf die Sollzeit ermittelt. Der Fitparameter wird dabei
wiederholt ermittelt, so dass er und damit die Abbildung zunehmend
genauer wird.
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Durch
diese Maßnahme
werden daher Abweichungen in den Geschwindigkeiten der einzelnen Zeitgeber
berücksichtigt,
so dass über
den Umrechnungsfaktor des Fitparameters aus der Istzeit die tatsächliche
Sollzeit abgeleitet werden kann.
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Um
eine möglichst
einfache Abbildung der Istzeit (Quellzeit oder Quellsystem) auf
die Sollzeit (Zielzeit oder Zielsystem) zu ermöglichen, wird gemäß einer
zweckdienlichen Weiterbildung eine lineare Approximation vorgenommen.
Bevorzugt wird hierbei die Approximation abschnittsweise für jedes Messintervall
zwischen zwei Messzeitpunkten wiederholt vorgenommen, so dass der
Fitparameter über
die lineare Approximation zusehends genauer bestimmt wird.
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Die
vorgesehene abschnittsweise Approximation der Abbildung der Istzeit
auf die Sollzeit erfolgt dabei vorzugsweise gemäß Patentanspruch 9 und insbesondere
gemäß den Formeln
nach Patentanspruch 10.
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Die
hier beschriebene Synchronisation zweiter Uhren kann allgemein für die Synchronisation zweier
Zeitsysteme, die innerhalb eines Gesamtsystems auf eine gemeinsame
Gesamtsystemzeit abgebildet werden sollen, verwendet werden. Die
Synchronisation ist daher nicht auf den Anwendungsfall der Zeitstempelung über das
Bussystem beschränkt.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
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1 eine
ausschnittsweise Blockbild-Darstellung einer industriellen Anlage
mit räumlich
weitverteilten dezentralen Einheiten und einer zentralen Erfassungseinheit,
und
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2 ein
Diagramm zur Erläuterung
der linearen abschnittsweisen Approximation zur Synchronisation
zweier Uhren.
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Gemäß 1 umfasst
ein System mehre dezentrale Einheiten 2a, 2b, 2c sowie
eine zentrale Erfassungseinheit 4. Die dezentralen Einheiten 2a, 2b, 2c sind über ein
Bussystem 6, insbesondere dem so genannten Bussystem IEEE
1394, miteinander verbunden. Hierüber stehen die Einheiten 2a, 2b, 2c in Kommunikationsverbindung,
wie durch die Doppelpfeile angedeutet ist. Über dieses Bussystem 6 ist bevorzugt
auch die zentrale Erfassungseinheit 4 angebunden, wie durch
die gestrichelte Linie angedeutet ist.
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Das
schematisch dargestellte System ist beispielsweise ein Mess-, Diagnose-
und/oder Automatisierungssystem eines indus triellen Prozesses. Das System
ist insbesondere Teil einer großindustriellen Anlage
mit räumlich
weit voneinander angeordneten einzelnen Komponenten. Die dezentralen
Einheiten 2a, 2b, 2c können einzelne
Anlagenkomponenten, wie Maschinen, Kontroll- oder Messapparate zur Überwachung
des industriellen Prozesses sein. Von diesen dezentralen Einheiten
werden Datensignale Sa, Sb,
Sc an die zentrale Erfassungseinheit 4 übermittelt
und dort ausgewertet.
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Um
einen Aufschluss über
die zeitliche Abfolge der unterschiedlichen an den dezentralen Einheiten 2a,
b, c ablaufenden Prozesse zu erhalten, werden die Signale Sa, Sb, Sc mit
einem Zeitstempel ta, tb, tc, versehen. Diese Zeitstempelung wird unmittelbar an
der jeweiligen dezentralen Einheit 2a, b, c vorgenommen.
Als Zeitangabe für
die Zeitstempelung wird hierbei direkt auf den Bustakt zurückgegriffen,
der gleichermaßen
allen dezentralen Einheiten 2a, b, c zur Verfügung steht.
Durch die Verwendung des Bustaktes zur Zeitstempelung ist daher
eine hochgenaue Zeitstempelung bis hinein in den Nanosekundenbereich
vorgenommen.
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Der
Bustakt wird hierbei von einem Zeitgeber 8, dem so genannten
Bustaktgeber, vorgegeben. Der Bustaktgeber wird von einer der dezentralen
Einheiten 2a, b, c, zur Verfügung gestellt, im Ausführungsbeispiel
von der dezentralen Einheit 2a. Bei der Verwendung des
Bussystems IEEE 1394 zählt
der Zeitgeber 8 periodisch von 0 auf 128 Sekunden hoch. Über den
Bustaktgeber steht daher eine relative Zeitstempelung zur Verfügung.
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Die
mit dem hochgenauen Zeitstempel versehenen Signale Sa(ta), Sb(tb),
Sc(tc) werden an
die zentrale Erfassungseinheit 4 übermittelt. Dort wird die Zeitangabe
der relativen Zeitstempelung in eine absolute Zeitangabe umgewandelt.
Hierzu wird die Systemzeit der zentralen Erfassungseinheit 4 herangezogen,
die wiederum von einem der Erfassungseinheit 4 zugeordneten
weiteren Zeitgeber 10 bestimmt ist. Jedem Signal Sa(ta), Sb(tb), Sc(tc)
wird daher eine hochgenaue absolute Zeitangabe zugewiesen.
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Durch
die beschriebe Zeitstempelung unmittelbar an der dezentralen Einheit 2a, 2b, 2c insbesondere über das
Bussytem 6 und die nachfolgende zentrale Umwandlung in
einen absoluten Zeitstempel ist ein einfaches und kostengünstiges
System zur hochgenauen Zeitstempelung gebildet. Die wesentlichen
Vorteile sind darin zu sehen, dass mit üblichen Standard-Komponenten und Produkten,
insbesondere dem standardisierten Bussystem 6, in einfacher Weise
eine hochgenaue Zeitstempelung dezentral vorgenommen wird. Aufgrund
der dezentralen Zeitstempelung spielen Laufzeitunterschiede der
Signale Sa, Sb,
Sc zu der zentralen Erfassungseinheit 4 keine Rolle.
Die Datenübertragung
sowie deren Weiterverarbeitung kann mit einfachen und damit kostengünstigen
Maßnahmen
und Komponenten durchgeführt werden,
ohne dass die Genauigkeit der Zeitstempelung beeinflusst ist. Die
eigentliche Übertragung
der Signaldaten erfolgt vorzugsweise, jedoch nicht zwingend über das
Bussystem 6.
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Um
zu gewährleisten,
dass beispielsweise Zeitdifferenzen zwischen den relativen Zeitangaben der über den
Bustakt vorgenommen Zeitstempelung auch tatsächlich den absoluten Zeitdifferenzen
in der Systemzeit der zentralen Erfassungseinheit 4 entsprechen,
ist ein Abgleich, also eine Synchronisation der beiden Zeitgeber 8, 10 gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung vorgesehen. Die Synchronisation der
beiden Zeitgeber 8, 10 wird im folgenden anhand
der 2 näherer
erläutert.
Die Systemzeit der Erfassungseinheit bildet hierbei die Zielzeit
oder das Zielsystem und das Bussystem mit dem Bustakt bilden das
Quellsystem oder die Quellzeit.
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In
dem dargestellten Diagramm ist auf der Ordinate die Zeit tZ im Zielsystem gegenüber der Zeit tQ im
Quellsystem aufgetragen. Bei identisch ausgebildeten Zeitgebern 8, 10 und
gleicher Taktgeschwindigkeit der Quarze würden sich die Zei ten in den
beiden Systemen entsprechen und es würde sich die als durchgezogene
Gerade eingezeichnete Ideallinie I ergeben. Bei Nichtidentität der Zeitgeber 8, 10 laufen die
beiden Zeiten im Zielsystem und im Quellsystem auseinander. Dies
führt dazu,
dass zu einem Messzeitpunkt MZ die vom Zielsystem
vorgegebene Sollzeit t2,soll von der auf
das Zielsystem abgebildeten Istzeit des Quellsystems t2,ist abweicht.
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Zur
Synchronisation also zur Abbildung des Quellsystems auf das Zielsystem,
wird eine lineare abschnittsweise Approximation vorgenommen. Hierbei
wird folgendermaßen
vorgegangen:
Ausgehend von einer Startzeit 0 werden nach Durchlaufen
eines Messintervalls ΔM
zyklisch zu Messzeitpunkten M1, M2 usw. zeitgleich die Istzeit t2,ist und
die Sollzeit t2,soll erfasst. Aus der Differenz
im Zielzeitsystem zwischen der Sollzeit tx+1,soll zum
Messzeitpunkt Mx+1 und der Istzeit tx,ist zum vorhergehenden Messzeitpunkt Mx wird ein Fitparameter mx für eine lineare Approximation
ermittelt. Hierzu wird die Differenz mit dem Messintervall ΔM zwischen
den Messzeitpunkten Mx und Mx+1 zur
Bestimmung des einen Steigungswert charakterisierenden Fitparameters
mx nach folgender Gleichung gewichtet: mx =
(tx+1,soll – tx,ist)/(tx+1,soll – Mx) (1)
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Der
Index x gibt hierbei einen Laufindex für die Messintervalle ΔM an, wobei
das Messintervall ΔM
zwischen den Messzeitpunkten M1 und M2 den Laufindex 1 zugewiesen bekommt. M ist
die Variable für
den Messzeitpunkt, tist die zum Messzeitpunkt
erfasste Istzeit im Zielsystem und tsoll die
zum Messzeitpunkt gemessene Sollzeit im Zielsystem. Zur Bestimmung
der Zeit tx+1,soll wird auf die Zeit tx,soll das angenommene Messintervall ΔM (z. B.
100 sec) aufsummiert.
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Der
nach Formel (1) ermitteltet Fit- oder Approximationswert wird in
die folgende Gleichung eingesetzt: tZ(tQ)[im
Intervall Mx bis Mx+1]
= tx,ist + mx-1·(tQ – Mx) (2)tZ(tQ) ist hierbei
die auf die Sollzeit im Zielsystem abgebildete Istzeit tQ im Quellsystem für das Messintervall ΔM zwischen
den Messzeitpunkten MX und MX+1. Der
Verlauf der Approximationskurve A für die nach obigen Formeln abgebildete
Istzeit tZ(tQ) nähert sich durch
die wiederholten Approximationsschritte für die einzelnen Messintervalle ΔM abschnittsweise
der Ideallinie I an. Die lineare Approximation wird also sukzessive
und abschnittsweise für
weitere Messintervalle ΔM
vorgenommen, so dass der Fitparameter mX zunehmend
genauer wird und die Quellsystemzeit genau auf die Zielsystemzeit
abgebildet wird.
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Die
Messintervalle ΔM
zwischen zwei Messzeitpunkten sind vorzugsweise in etwa gleich groß, wobei
dies nicht zwingend erforderlich ist. Die Messintervall-Zeiten werden
vorzugsweise möglichst groß und insbesondere
im Bereich von einigen zehn Sekunden gewählt, um die Fehler bei der
Bestimmung des Fitparameters mX möglichst
gering zu halten. Durch die Wahl eines großen Messintervalls ΔM ist es
für die
Güte der
Approximation auch nicht entscheidend, dass die Erfassung von tist und tsoll hochgenau
zeitgleich erfolgen.
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Das
Messintervall ΔM
ist aus Eindeutigkeitsgründen
nach oben durch die Periode des Bustaktes begrenzt. Bei der Verwendung
des IEEE 1394-Bussystems zählt
der Bustakt periodisch von 0 auf 128 Sekunden hoch, so dass Messintervalle ΔM bis über 100
Sekunden eingestellt werden können.
Die Messintervalle ΔM
zwischen wiederholten Messzeitpunkten brauchen hierbei nicht identisch
zu sein.
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Durch
diese hier beschriebene Synchronisation zweier Zeitsysteme, nämlich einerseits
des durch den Zeitgeber 8 vorgegebenen Zeitsystems im Bussystem 6 und
andererseits des durch den weiteren Zeitgeber 10 vorgegebenen
Zeitsystems der Erfassungseinheit 4, ist gewährleistet,
dass die zu der 1 beschriebene hochgenaue lokale
und dezentrale Zeitstempelung auch noch nach der Umrechnung auf
eine absolute Zeit in der zentralen Erfassungseinheit 4 erhalten
bleibt.