Zeitkonverter Nicht-PTP-Geräte in IEEE 1588 einbinden

Auf IEEE 1588-2008 basierende Zeitsynchronisationslösungen finden in der Industrie zum Beispiel in der Energietechnik immer weitere Verbreitung, da das Precision-Time-Protokoll (PTP) als erste netzwerkbasierte Synchronisationsmethodik eine Genauigkeit von unter 1 µs bietet. Bisherige, beispielsweise in Umspannwerken eingesetzte Schutzgeräte und andere Intelligent Electronic Devices (IEDs) verfügen in der Regel nur über einen IRIG-B- oder DCF77-Eingang zur Zeitsynchronisation und sind zu dem neuen Standard nicht kompatibel.

Eine Umstellung auf PTP ohne den kostspieligen Austausch dieser IEDs ist nur möglich, wenn das Signal in die älteren Standards umgewandelt wird. Zu diesem Zweck hat Omicron Lab mit dem »Ticro 100« einen kompakten Zeitkonverter entwickelt, der PTP in Zeitcodes wie IRIG-B und DCF77 sowie verschiedene Pulssignale (PPX) umsetzt.

Dank eines internen Oszillators kann bei einem Ausfall des Signals für 24 Stunden lokal eine genaue Zeit generiert werden. Darüber hinaus erzeugt der Ticro 100 auch eine 10-MHz-Referenzfrequenz, die sich beispielsweise zur Synchronisation von Messgeräten einsetzen lässt (Bild 1).

Der Ticro 100 kommuniziert mit der PTP-Grandmaster-Clock, der zentralen IEEE-1588-Zeitreferenz, wahlweise über eine konventionelle oder eine optische Ethernet-Schnittstelle. Durch die Anbindung eines hochstabilen internen Oszillators liefert er eine präzise Zeitbasis, um lokal unterschiedliche Zeitcodes und Zeitreferenzsignale in einem FPGA zu generieren. Der Zeitkonverter besitzt frei konfigurierbare koaxiale, optogekoppelte und optische Ausgänge, an denen durch den Benutzer selbst konfigurierte Zeitreferenzsignale und Triggerimpulse ausgegeben werden können (Bild 2). Die Konfiguration, Bedienung und Überwachung des Ticro 100 ist sowohl über Webinterface als auch über Remoteschnittstellen wie SSH und SOAP möglich.

Weiterverwendung von bisherigem Equipment

Neben dem IEEE-1588-2008-Default-Profile mit End-to-End- (E2E) und Peer-to-Peer-Mechanismus (P2P) unterstützt Ticro 100 auch das Power-Profile gemäß IEEE C37.238-2011 für Anwendungen in der Energietechnik. Sind beispielsweise in einem Umspannwerk viele IEDs mit IRIG-B-Eingang vorhanden, so ist eine wirtschaftlich vertretbare Umstellung auf PTP nur möglich, wenn die bestehenden Schutzgeräte nicht ausgetauscht werden müssen. Zu diesem Zweck kann der Ticro 100 eingesetzt werden. Die bestehende IED-Infrastruktur kann nicht direkt mit IEEE 1588 synchronisiert werden, da den Geräten der Eingang für PTP-Signale fehlt. Daher müssen diese erst in IRIG-B konvertiert werden. Bestehende IEDs lassen sich dann weiterverwenden und müssen nicht ersetzt werden.

Ein positiver Effekt des Einsatzes von PTP in solchen Umgebungen ist neben der automatischen Redundanz durch den Best-Master-Clock-Algorithmus (BMCA) auch die mögliche Nutzung der Redundanz einer vorhandenen Ring-Netzwerktopologie für die sichere Zeitsynchronisation: Bei IRIG-B beispielsweise liegt eine Sternverteilung ohne Redundanz vor. Bei einem Kabelbruch, geht das Signal verloren. PTP-Signale dagegen können auch in Ringtopologien verwendet werden, wo diese Gefahr nicht besteht. Da der Zeitkonverter auch über Glasfaser mit dem Netzwerk verbunden werden kann, ist eine galvanische Trennung des Ticro 100 vom restlichen Netzwerk leicht realisierbar. In diesem Fall spielen elektromagnetische Störungen bei der Datenübertragung keine Rolle.

Darüber hinaus bietet der Zeitkonverter die Möglichkeit, PTP-Signalausfälle mithilfe des internen, hochstabilen Referenzoszillators zu überbrücken, indem lokal eine genaue Zeit generiert wird. Der Ticro 100 ist je nach Anforderung in zwei Ausführungen erhältlich: mit einem Standardoszillator für 100 µs oder einem Oszillator für 25 µs Freilaufgenauigkeit in jeweils 24 Stunden. Ohne diese Funktion des Ticro 100 würde das Endgerät bei einem PTP-Signalausfall in einen Fehlerstatus gehen, eine Fehlermeldung generieren oder sich sogar abschalten. Nur wenn der Zeitkonverter in Hold-over geht, ist noch ausreichend Zeit vorhanden, um den Fehler in der Anlage zu beseitigen.

Referenzfrequenz für Messgeräte

Eine weitere Besonderheit des Ticro ist die Möglichkeit, aus dem empfangenen Zeitsignal eine genaue 10-MHz-Referenzfrequenz zu generieren, die beispielsweise in Elektroniklabors für die Synchronisation von Messgeräten benötigt wird. Für verschiedene Aufgaben ist es zwingend erforderlich, Messgeräte wie Frequenzzähler oder Spektrum-Analysatoren an ein genaues Referenzsignal anzubinden. Deswegen ist an solchen Geräten ein 10-MHz-Eingang vorhanden. Erst durch diese Anbindung des Gerätes ist sichergestellt, dass aussagekräftige Messungen vorgenommen werden können. Bislang wird die 10-MHz-Referenz in vielen Labors über Koaxialkabel verteilt, ein hohet Installationsaufwand. Mit dem Ticro kann das über Ethernet verteilte PTP-Signal genutzt werden. Das hat einen entscheidenden Vorteil: Wo auch immer ein 10-MHz-Referenzsignal benötigt wird, kann der Ticro 100 einfach an der nächsten Netzwerkdose angeschlossen werden.

Zeitgleiche Triggerung von Messungen

Wenn an zwei unterschiedlichen Standorten zeitgleich gemessen werden soll, kann man mithilfe des Ticro 100 Messsysteme triggern (Bild 3).

Im Zeitkonverter kann der absolute Zeitpunkt des Triggerimpulses ganz einfach über das Webinterface programmiert werden. Für den portablen Einsatz kann die von Omicron Lab entwickelte antennenintegrierte PTP-Grandmaster-Clock »OTMC 100« direkt an den Ticro 100 angeschlossen werden (Bild 4). Dieser liefert die für den Betrieb des OTMC 100 benötigte Betriebsspannung über Ethernet (Power over Ethernet) und wird von der Grandmaster-Clock mit einem präzisen PTP-Signal versorgt. Dadurch kann der Zeitkonverter auch ohne PTP-fähige Ethernet-Infrastruktur an beliebigen Standorten eingesetzt werden.

Über den Autor:

Markus Pfitscher ist verantwortlicher Sales- und Business-Development-Manager bei Omicron Lab.