データ収集および試験における高精度時間プロトコル

過去数十年間、デバイスを互いに同期するために多種多様な計時メカニズムが規定されました。ネットワークタイムプロトコル(NTP)は最初に標準化されたEthernetベースの時刻同期プロトコルの1つでした。NTPは1982年に規定され、1994年にローカルまたはパブリックの時刻源を使用するためにNTPバージョン4として大幅に更新されました。

1956年の研究に基づいたInter-Range Instrumentation Group(IRIG)Bタイムコードは分散システムを同期するためのもう1つのオプションです。この場合、高精度の時刻源として衛星を利用したレシーバがしばしば使用されます。ここでは、時刻情報はアナログまたはデジタル信号として直接転送されます。

FireWireは1985年から使用され、使いやすい自動時刻同期メカニズムを提供するためにIEEE1394bとして2002年に標準化されました。この標準は消費者向け市場と専門家向け市場の両方で周辺装置に幅広く使用されています。例えば、すべてのHBM QuantumXモジュールにFireWireポートが2つ搭載されています。

NTP、IRIG B、IEEE1494bなどの標準でも、確立されたEthernetインフラストラクチャを使用して分散システムを同期する必要がありました。とりわけ、少ない費用で柔軟性と利便性を高めるための新しいアプローチが必要でした。産業用ITインフラストラクチャから消費者市場の一般家庭に至るまで、Ethernetは全世界でマシン間通信または人間とマシンの通信の事実上の標準となっています。スマートフォンなどのモバイル機器や、さらには自動車でさえ、LTE、EDGE、GSMなどのモバイル電気通信ネットワークを通してEthernetベースのネットワークに接続できます。


時刻同期はどのくらいの精度ですか

私たちは会議などのイベントに時間どおりに参加するために時計に頼っています。スポーツでは、コンマ何秒で勝敗が決まることもあります。証券取引所の高速取引では、わずか数マイクロ秒の時間差で売買価格が何千ドルも変わってしまいます。試験および計測アプリケーションでは、同一の時点で補足された同じ物理プロセスを表す高精度のタイムスタンプが付いた信号入力は、リアルタイムまたは後処理モードでの計測データの絞り込みと分析に重要な役割を果たします。上記の例でもその他の場合でも、時計の「精度」の定義は当然特定のアプリケーションに応じて変わります。

絶対時間と相対時間の違いは何ですか

絶対時間が必要になるのは、計測データを現実の特定のイベントに対応付ける必要がある場合、または2つ以上のDAQシステムが同一ネットワーク上にない場合です。絶対時間が関連する例は、橋を渡る列車の積荷の影響をモニタリングし、過積載の警告などの業務をサポートするために列車を識別する必要がある場合です。絶対時間は、時計で表される場合は明示的に使用できます。

絶対時間の時刻源には以下のものを使用できます。

  • 高精度時間プロトコル(PTP)グランドマスタクロック
    • 研究室用はMeinberg社のGPS基準
    • モバイル用はOMICRON社のGPS基準
  • GPSセンサ
    • GPSセンサの高精度測位サービス(PPS)を直接使用
    • DAQジョブを開始する場合、プロトコルベースの絶対時間を継承
  • ネットワークタイムプロトコル(NTP)マスタ
    • 例えば、NIST(http://tf.nist.gov/tf-cgi/servers.cgi)によるインターネットアクセスで一般使用可能
    • ローカルで配信され、Hopf社またはMeinberg社のGPS基準
    • PC上で動作し、オペレーティングシステムの絶対時間を取得
  • 低周波数の地上波で送信される無線信号
    • 例:ドイツでPTBが運用しているDCF-77(原子時計)
  • シンプルネットワークタイムプロトコル(SNTP)タイムサーバ

ほとんどの試験および計測アプリケーションまたはプロセスでは、特に試験が再現可能で、複数の信号間の相対時間が最も重要である場合、相対的なシステム時間を使用できます。必要に応じて、絶対時間をMETAデータの一部にしたり、ファイル名自体に組み込んだりすることができます(例:2015-08-03_RLDA-test_Viper_No12)。

時間の精度は、反応、待ち時間、またはリアルタイムと関わる場合もあります。リアルタイム機能は、EtherCAT、ProfiNET、EtherNET/IPなどのリアルタイムバスや、その他の多数の独自仕様フィールドバスを使用して実現することができます。

1つのDAQソリューションでリアルタイムでの高速分析を行い課題を解決する場合には、何を考慮する必要がありますか

試験および計測では多種多様なアプリケーションを扱います。試験および計測の1つの側面では、同期した計測およびデータ分析に焦点を合わせます。例としては、構造負荷試験、車両試験、車載試験(RLDA)、橋のモニタリングが挙げられます。シミュレーション、刺激、コントロール、またはループに焦点を合わせた動的アクチュエータに基づく研究室試験が扱われることもあります。ここでは、分析のためのデータ収集は重要ではありません。以下のリストは主要な検討事項の一部です。

  • 一部のアプリケーションでは、データ分析用にチャンネルあたり100 kS/sまたはそれ以上のサンプリングレートを使用します。リアルタイム応答は主要な基準ではなく、通常のリアルタイムバスでは不可能です。複雑性が増し、自由度が低下します
  • 高精度の計測器は、24ビットシグマデルタADコンバータおよびフィルタとともに動作し、位相偏移および時間遅延を発生させます。リアルタイムアプリケーションはミリ秒範囲の決定論に焦点を合わせてあり、短い応答時間を必要とします。HBMのQuantumXなどの現代のDAQソリューションは、センサ入力を2つの信号に分割して異なる用途に使用することができます(1つ目はリアルタイム、2つ目は高速でタイムスタンプおよびフィルタを適用されたデータ)
  • 「分析」と「コントロール」の両方とも、特性、ワークフロー、目的、そしてしばしば責任が異なります。両方を単一のソリューションにまとめると衝突が発生する場合があります。つまり、動力試験台または電力負荷を駆動し、並行して試験対象システムの駆動系から高速で動的データを収集する場合です。したがって、コントロールと分析が必要な場合、責任とワークフローを分割することが意味を持ちます
  • 現在、世界的に確立された高パフォーマンスリアルタイムバス標準はありません。ProfiNET RTやEtherCATなどのソリューションはすべて、自社の市場で独自の技術をサポートするグローバル企業が推進しています。また、その大部分は特定のアプリケーション向けです。時間依存ネットワーク(TSN)タスクグループは、世界標準を規定するために、IEEE802.1ASの一部としてIEEE標準化リアルタイムEthernetバスに取り組んでいます。DAQソリューションは、ゲートウェイを使用することで、多種多様なリアルタイムバスへのリンクが開かれています
  • リアルタイムには、リアルタイムで動作するマスタアプリケーションが必要です。何らかの再構成のためにこのマスタを停止することはできません

リアルタイムとは何を意味し、待ち時間とは何ですか

リアルタイムとは「決定」や「応答」などの決定論的な動作を一定の期間内に実行する必要があることを意味し、制御タスクまたは自動化タスク(センサ->制御アルゴリズム->反応/アクチュエータ)で主に使用されます。

待ち時間は、制御アルゴリズムを設計する場合または一定時間内に応答する必要がある場合に考慮する必要がある側面です。リアルタイム制御アプリケーションは通常、センサからコントローラまで、一定の非常に小さい待ち時間を必要とします。Ethernet TCP/IPやCANbusなどの非決定論的なプロトコル、またはPCベースのアクティビティでは、待ち時間は不定です。待ち時間は、データ値とともに送信されたタイムスタンプを考慮しない、または考慮できない場合のモニタリングのために、データがリアルタイムコントローラにストリーミングされるときにも重要です。


高精度時間プロトコル(IEEE1588:2008またはPTPv2)とは?どのように動作しますか

PTPはIEEE1588で規定された国際規格であり、2008年にバージョン2に改訂されました。高精度時間プロトコル(PTPv2)はネットワークベースの時刻同期通信プロトコルであり、時間の精度がマイクロ秒未満の範囲である場合、異なるデバイス型のクロックの同期に使用できます。PTPv2はEthernetベースです。NTPと比較すると、PTPv2は物理層に埋め込まれています。そこで、Ethernetネットワークの全関係者の高精度時刻同期を行うための真のハードウェアベースのタイムスタンプについてご説明します。

PTPv2は相対的な時刻同期メカニズムです。いずれかのデバイスがマスタクロックとして動作するように選択され、すべてのスレーブに時刻同期メッセージを配信します。同期プロセスはネットワークへの時刻同期電信から始まります。すべてのデバイス(スレーブ)がローカル時間と特定のマスタクロックの時間差(遅延)を計算して、段階的に2 µs未満の時間差に調整します。例えば、PTP時刻源が時刻1:00:00 pmを通知するPTPメッセージを送信したとします。問題は、このメッセージが宛先に到達するまでに時間がかかるということです。PTPパケットが到達するまでに1秒かかる場合、1:00:00 pmを通知するPTPパケットを受信するのは1:00:01 pmです。そこで、次の図に示すようにマスタクロックとスレーブクロックの間で一連のメッセージ交換を行い、ネットワーク待ち時間を補正する必要があります。

  1. マスタクロックは同期メッセージを送信します。同期メッセージがマスタから送信された時刻にはt1というタイムスタンプが付けられます。このタイムスタンプは、同期メッセージ自体に埋め込むことも(1ステップ動作)、Follow_Upメッセージで送信することも(2ステップ動作)できます
  2. スレーブは同期メッセージを受信します。t2はスレーブが同期メッセージを受信した時刻です
  3. スレーブはDelay_Reqメッセージを送信します。このメッセージには、スレーブから送信されるときにt3、マスタが受信するときにt4というタイムスタンプが付けられます
  4. マスタはタイムスタンプt4が含まれたDelay_Respメッセージで応答します

例:当初、マスタ時刻は100秒、スレーブ時刻は80秒です。このようにしてスレーブの時刻が調整されます。

すべてのPTPデバイスがPTPに対応している必要があります。これにはEthernetスイッチが含まれますが、データ受信装置(つまり、DAQソフトウェアを実行するPC)は含まれません。DAQモジュール内のクロックは通常クロックと呼ばれます。Ethernetスイッチ内のクロックは境界クロックと呼ばれます。絶対時間情報を配信するグランドマスタクロックが存在しない場合、マスタは自動的に選択されます。このメカニズムは最適マスタクロックアルゴリズム(BMC)と呼ばれます。

一部のDAQトポロジーは多数のスイッチが含まれる線構造または環状構造であるため、境界クロックは独自の時間管理ループを使用します。もしくは、いわゆる透過クロック(TC)によるエンドツーエンド(E2E)の同期制御メッセージおよび追跡メッセージを使用することもできます。TCを導入すると、はるかに簡単なソリューションで変動するスイッチ待ち時間を補正することができます。TCの基本的な考え方は、PTPイベントメッセージがスイッチ内にある時間(いわゆる滞留時間)を計測するというものです。滞留時間は、メッセージ自体、またはその後のFollow_upメッセージもしくはDelay_Respメッセージによってレシーバに報告されます。このために新しいメッセージフィールドが追加されました。いわゆる補正フィールドは、メッセージの経路に沿って滞留時間を蓄積するために使用できる時間間隔の型であり、他の種類の補正に使用することもできます。主要な利点は以下のとおりです。

  • 設定は必要ありません。透過クロックは計算する必要も、BMCアルゴリズムの計算で考慮する必要もありません。そのため、管理メッセージの送受信も不要です
  • 障害時にネットワークをすばやく再構成できます
  • セットアップ時間が短縮されます。初期段階とトポロジーの変更後、透過クロックはマスタクロックへの再同期をせずに有効な同期パスの一部と見なせます
  • 小規模構成に最適です

ピアツーピア(P2P)を使用する透過クロックは、サブネットに接続されたデバイスの数に適切に対応し、ネットワークトポロジーの変更に対してすばやく復旧することができます。そのため、このメカニズムによって拡張性が向上し、多重にカスケード接続されたトポロジー(デイジーチェーン内で多数のスイッチを使用する大規模システム)に最適です。

PTPv2の利点は何ですか

  • 標準化されたプロトコルを使用することで、異なるベンダの異なるデバイス型の間で時刻同期が可能
  • DAQモジュール間の距離を増大
  • 異なるHBM製品ラインで互いに同期可能。QuantumXシリーズSomatXRシリーズ、およびGenesis High SpeedシリーズはPTPv2を実装しており、以下のようなあらゆる状況でデータ収集が可能
    • 分散、モバイル、屋外の過酷な環境
    • 何百ものチャネルがある、または各チャネル1秒ごとに多数のサンプルがある研究室または現場での試験
  • 高速計測時、すべてのデバイス間でマイクロ秒未満の範囲の高精度時間
  • 標準でEthernetを使用
    • 電気:最大100 mの標準Ethernetケーブル
    • 光学:モジュール間は長距離(数マイル)、ガルバニック絶縁
    • 追加の同期ラインは不要
  • 簡単で管理不要のセットアップ
    • 自動マスタ選択
    • マスタの障害に対する堅牢性(スマートスレーブ)
    • トポロジーの変更に対する堅牢性
    • 連続的な時間尺度(タイムスタンプの「飛躍」なし、ロールオーバなし)
  • 必要に応じて絶対時間を使用
    • 同一ネットワーク内で1つまたは複数のDAQシステムが動作していないが、データをすばやく分析する必要がある場合には、GPSに基づくグランドマスタクロックを組み込み、絶対時間として使用可能

PTP時刻同期を使用した典型的な試験および計測アプリケーションは何ですか

以下は、PTPの利点を際立たせる典型的なアプリケーションのリストです。

  • 以下の用途に使用される、広く分散したデータ収集モジュール
    • 大型の地上車両(列車、建設機械)の移動試験:ブレーキ、動力、構造など
    • 航空機の研究室試験:機械(アイアンバード)、構造(耐久性)
    • 大型構造物のモニタリング:GPSベースの絶対時間を使用する橋、塔、風力発電所
  • 以下の用途に使用されるハイブリッドデータ収集システム
    • チャネルあたり2 MS/sで電圧および電流を収集する高速データ収集システムGenesis High Speedシリーズと、機械センサおよび温度センサのデータを収集する中速のQuantumXシリーズを組み合わせた電気自動車またはハイブリッド車の動力試験
    • 航空機の研究室試験:電気(カッパーバード)
    • 機械類または発電機の研究室試験:電気、機械、熱
    • アナログまたはデジタルの自動車バスデータに対してカメラ、ホイール力変換器、またはその他の追加機器を使用した移動車両試験またはモニタリング
    • 異なるベンダの異なるDAQシステムを任意の用途で組み合わる場合
  • 従来のアナログデータ収集システムをカメラまたはその他の情報源と組み合わせた混成システムアーキテクチャ

QuantumXシリーズに基づいて広く分散したDAQシステムトポロジー 

 

ハイブリッドDAQシステムGenesis High SpeedシリーズおよびQuantumXシリーズ

DAQソフトウェアでPTPをパラメータ化するための手順は何ですか

QuantumXシリーズは異なる時刻同期メカニズムをサポートするので、初めてネットワークをセットアップするときにパラメータ化が必要です。デフォルトまたはAUTOのシステムクロック調整メカニズムはFireWireです。それに加えて、以下の時刻源またはメカニズムを選択できます。

  • PTPv2
  • NTP
  • IRIG-B
  • EtherCAT

catmanEasyソフトウェア、MX Assistantソフトウェア、またはperceptionソフトウェアを使用してPTPv2をパラメータ化できます。スクリーンショットをクリックすると拡大します。

推奨のEthernet PTPスイッチおよびグランドマスタクロックは何ですか

PTPv2スイッチを選択する場合は、以下の基本的な特性が必要です。

  • IEEE1588:2008(PTPv2)対応
  • 透過クロック(TC)
  • 遅延メカニズム:エンドツーエンド(E2E)またはピアツーピア(P2P)
  • 転送メカニズム:IPv4またはIPv6

推奨のスイッチ

  • HBM:以下のパラメータを持つギガビットEthernetスイッチEX23-R
    • システム設計:屋外用の高耐久化バリアント、10ポート、DC 10~30 V 電源、IP65/IP67、耐衝撃
    • 遅延メカニズム:E2E
    • 転送メカニズム:IPv4、IPv6
  • Siemens:Scalance XR324-12M
    • システム設計:ラックサイズバリアント、最大16ポート(電気式または光学式)
    • 遅延メカニズム:E2E
    • 転送メカニズム:IPv4/UDP
    • モード:透過クロック
  • Hirschmann:RSP Ethernetスイッチ
    • システム設計:DINレール設置型、合計11ポート
    • 遅延メカニズム:E2E
  • Oregano Systems:syn1588®ギガビットEthernetスイッチ
    • システム設計:卓上用バリアント、8ポート
    • 遅延メカニズム:1ステップE2E
    • 転送メカニズム:IP4(IPv6は未検証)
    • モード:透過クロック(パラメータ化なし)
  • B&K:LAN-XIシリーズのPTPv2スイッチ
    • システム設計:卓上用、電気式8ポート、光学式2ポート

その他のスイッチ(市販されているが未検証):

  • CISCO:IE 3000スイッチ
  • MOXA:PT-7728-PTPラック型スイッチ
  • MOXA:EDS-405A-PTPシリーズ

推奨のEthernetグランドマスタクロック

PTPには「最適クロック」メカニズムが搭載されているので、ネットワークにグランドマスタクロックを組み込むのは必須ではありませんが、一部のアプリケーションでは絶対的なクロック情報が必要です。

  • Meinberg:LANTIME M600 - IEEE 1588-2008グランドマスタクロック(GPSベース)
    • システム設計:ラック設置型ソリューション、AC 110~230 V 電源
    • ポート:合計6(RJ45)
  • Omicron:OTMC 100(GPS内蔵)
    • システム設計:小型、屋外設置用(IP67、DC 24 V 電源、-40°C~+70°C/-40°F~+158°F)
    • ポート:合計1、IEEE 802.3afに準拠したPower over Ethernet(PoE)に対応、2 W未満
  • PCをグランドマスタクロックとして使用可能
    • その場合、Intel i210チップを搭載したネットワークアダプタの使用を推奨

PTPv2はPTPv1との後方互換性がありますか

PTPバージョン1は主に、試験、計測、および工業自動化を対象としていました。これはNTPの機能を超える性能を持つLANで使用するためのマルチキャストプロトコルです。

PTPバージョン2またはIEEE-1588-2008はバージョン1の拡張です。両バージョンに互換性はありません。新しいPTPv2標準には、以下のような多数の機能があります。

  • マルチキャストメッセージ
  • 2ステップクロック
  • ピアツーピア(P2P)またはエンドツーエンド(E2E)の遅延メカニズム
  • 同期間隔:1、2、4、8、16、32、64、128パケット/秒
  • 遅延要求間隔:1、2、4、8、16秒
  • 転送プロトコルのサポート:IPv4および最新のIPv6

PTPv2を使用するとどの程度の精度を得られますか

時間の精度はネットワークの型とデバイスに大きく依存します。ネットワーク上のすべてのデバイスに対してPTPv2に完全に対応しているプライベートLANを設定することを推奨します。この構成では、デバイスからデバイスおよびチャネルに対して時間の精度を100ナノ秒まで上げることができます。ただし、異なる計測速度およびフィルタによって、タイミングジッタと位相遅延が発生する可能性があることを考慮する必要があります。

ハードウェアタイムスタンプとソフトウェアタイムスタンプの違いは何ですか

主な違いは実現可能な同期精度にあります。NTPなどで使用されるソフトウェアベースのタイムスタンプは、小規模ネットワークにおいてはスレーブ同期精度を100マイクロ秒まで上げることができますが、通常は1 msです。ハードウェアタイムスタンプの場合は、時刻同期精度を100ナノ秒まで上げることができます。ただし、このレベルの精度を得るには、スイッチなどのネットワークトポロジーとスレーブハードウェアがハードウェアタイムスタンプをサポートする必要があります。

標準的なスイッチを使用することもできますか、また、その場合どのような影響がありますか

PTP非対応のスイッチを使用することにはリスクが伴います。PTPメッセージの送信はトラフィックに依存するため、トラフィックは計時全体において重要です。スイッチがQoSに対応する場合、これはPTPパッケージの優先度を上げる規則によって解決することができます。一般に、PTPv2対応でないスイッチの使用はお勧めしません。最悪の場合、PTPパケットが失われ、時間の信頼性、ひいては必要なデータの信頼性が確保できなくなります。

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