Standardisierte Uhrzeit-Kommunikationsprotokolle schaffen eine gemeinsame Zeitbasis für räumlich verteilte Datenerfassungssysteme – typischerweise mit einer Genauigkeit von 1 ms. Nun präsentiert ein Hersteller ein Zeitsynchronisationsmodul, das eine Genauigkeit von 1 µs erreicht. Ein Beispiel aus der Energietechnik – die Hochspannungsgleichstromübertragung – zeigt, wofür diese hohe Genauigkeit benötigt wird.

Große technische Anlagen – gleich welcher Art – bestehen immer aus räumlich verteilten Systemen. In Zusammenhang mit Industrie 4.0 und der Maßgabe, Informationen dezentral zu erfassen, ist eine exakte Uhrzeitsynchronisierung der einzelnen Geräte und Sensoren unerlässlich, damit die Informationsebene auf konsistente Daten zurückgreifen kann. Um Abhängigkeiten und Wechselwirkungen zwischen Anlagenkomponenten und Sensoren in einem räumlich verteilten System zu erkennen oder um Signale, die an verschiedenen Orten und von verschiedenen Quellen zum selben Zeitpunkt aufgenommen wurden, miteinander vergleichen zu können, müssen die aufgezeichneten Daten zeitlich zueinander in Beziehung gesetzt werden. Dazu ist es notwendig, alle Messsysteme zu synchronisieren.
Das kann mittels standardisierter Uhrzeit-Kommunikationsprotokolle geschehen, die heute eigentlich von jedem Automatisierungssystem verstanden werden: IEEE 1588 (PTP), das ethernet-basierte Protokoll NTP/SNTP oder das binäre Protokoll DCF77. Hinzu kommen leitungsgebundene Uhrzeitprotokolle wie Timecode IRIG-B. Am Markt befindliche Geräte erreichen mithilfe dieser Protokolle üblicherweise eine Genauigkeit im Bereich von 1 ms. Iba-Systeme hingegen können mittels des neuen Zeitsynchronisationsmoduls IbaClock auch über Lichtwellenleiter (LWL) synchronisiert werden. Damit erreicht Iba Genauigkeiten besser als 1 µs.

Energietechnik fordert hohe Abtastraten
Stelleingriffen öder Störeinflüssen bringen in der Energietechnik sehr schnelle Ausgleichsvorgänge mit sich. Bei der Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) werden diese mittels digitaler Störschreiber (TFR, Transient Fault Recorder) überwacht. So wird eine stabile Energieversorgung sichergestellt. Im Vergleich zu herkömmlichen TFR-Geräten sind die Störschreiber von Iba nicht als Black-Box, sondern als herstellerübergreifendes, autarkes Messdatenerfassungssystem mit hohen Abtastraten von bis zu 100 kHz aufgebaut. Herzstück des Systems ist die Prozessdaten-Aufzeichnung IbaPDA. Damit können Daten isochron, dass heißt, in einem synchronen Zeitraster, aufgezeichnet werden. Auf diese Weise bleibt die Kausalität der aufgezeichneten Signale erhalten.
Die meisten Signale liegen bereits in digitaler Form vor, befinden sich jedoch in unterschiedlichen Quellen und müssen unterschiedlich erfasst werden. Für signifikante Signale, bei denen Verfälschungen durch die Verarbeitung in der Leittechnik ausgeschlossen werden sollen, sind darüber hinaus hochwertige analoge Anschaltungen erforderlich. Dies betrifft insbesondere die elektrischen Größen Strom und Spannung sowohl auf der Drehspannungs- als auch auf der Gleichspannungsseite einer HGÜ-Anlage, deren Zeitverläufe im Falle auftretender Störfälle möglichst unverfälscht analysiert werden sollen.

Genauigkeit dank Master-Slave-Prinzip
Das Multistation-Konzept von IbaPDA berücksichtigt, dass in elektrischen Systemen ein Ereignis an einer Stelle nur wenige Mikrosekunden später Auswirkungen an anderer Stelle zur Folge haben kann. Dementsprechend müssen alle beteiligten IbaPDA-Systeme die Signale absolut zeitsynchron und mit einer Gleichlaufgenauigkeit von weniger als einem Sample erfassen und aufzeichnen können. Dies wird erreicht, indem ein IbaPDA-System als Multistation-Master betrieben wird, die anderen Systeme als Multistation-Slave. Über eine spezielle LWL-Verbindung synchronisiert der Master alle verbundenen Slaves über deren LWL-Anschaltbaugruppen (IbaFob) mit einer Abweichung von weniger als einer Mikrosekunde. Die Samples werden so auf allen beteiligten Systemen im Gleichtakt erfasst. Eine entsprechend genaue Synchronisation der Uhrzeit auf den einzelnen Rechnern ist dabei nicht zwingend erforderlich, da für alle Stationen die Zeit des Multistation-Masters verwendet wird.
Beim Einsatz als TFR werden die Aufzeichnungen in Messdateien in der Regel durch vorher definierte Ereignisse, sogenannte Trigger, ausgelöst. Bei einem Multistation-Verbund handelt es sich um autarke IbaPDA-Systeme, deren Aufzeichnungen unabhängig voneinander starten und stoppen können. Dabei besteht die Forderung, dass beim Auslösen der Aufzeichnung einer Station die anderen Stationen ebenfalls mit der Aufzeichnung beginnen. Daher sind die Rechner eines Multistation-Verbunds über ein eigenes Ethernet-Netzwerk miteinander verbunden, das der Übertragung von Zeit-, Start-, Stopp und Triggerinformationen dient.

Zeitsynchronisation über GPS-Signal
Mit dem oben beschriebenen Konzept des Multistation-Verbundes können Entfernungen bis zu 2.000 Meter überbrückt werden. Müssen Daten korreliert werden, die von weiter entfernten Messsystemen erfasst werden oder besteht die Notwendigkeit einer Messung mit absoluter Zeit, so müssen sämtliche Messsysteme auf ein globales Uhrzeitsignal synchronisiert werden. Das Modul IbaClock gibt die Zeitbasis für angeschlossene IbaPDA-Systeme vor und ermöglicht so eine zeitsynchrone Messung der Daten über Systemgrenzen hinweg. In Verbindung mit Iba-Komponenten ermöglicht die IbaClock eine sample-synchrone Abtastung mehrerer, auch räumlich sehr weit auseinander liegender Messsysteme bis zu Abtastraten von 100 kHz. Dafür sind LWL-Verbindungen von IbaClock zum jeweiligen Messrechner notwendig. Die Synchronisation erfolgt über die bidirektionale Lichtwellenleitertechnik.
Das Modul IbaClock kann die Zeitinformation aus unterschiedlichen Quellen empfangen. Für hohe Präzision wird das durch GPS bereitgestellte Uhrzeitsignal verwendet. Um das GPS-Signal praxisgerecht einkoppeln zu können, wird eine aktive Antenne, die Leitungslängen bis zu 400 Meter erlaubt, verwendet. Ist in der Anlagenumgebung bereits ein Uhrzeitsender verfügbar, so kann dessen Uhrzeitinformation über IRIG-B oder IEEE 1588 (PTP) als Zeitquelle für die IbaClock verwendet werden.
Zur Zeitsynchronisation externer Leittechnik durch IbaClock stehen mehrere Ausgangssignale zur Verfügung. Externe Systeme können über DCF77 oder die Ethernet-basierten Netzwerkprotokolle IEEE 1588 (PTP) beziehungsweise NTP synchronisiert werden.