Sistema di sincronizzazione di precisione con il Precision Time Protocol (PTP) IEEE-1588

DIFFICOLTÀ: Eccessivo tempo necessario per la creazione di software temporanei per la sincronizzazione dei dispositivi nel sistema di ispezione.

Soluzione:

Utilizzo del Precision Time Protocol (PTP) IEEE-1588 con telecamere FLIR per sincronizzare i dispositivi in pochi microsecondi, senza bisogno di soluzioni temporanee. La sincronizzazione dei sistemi a tempistiche comuni consente una progettazione semplificata del sistema, che minimizza il jitter e massimizza la capacità di trasmissione.

Che cos'è il Precision Time Protocol (PTP) IEEE-1588?

Il PTP IEEE-1588 è una tecnologia comprovata che sincronizza gli orologi interni di dispositivi Ethernet con PTP abilitato come robot, sistemi di controllo e componenti per creare marcature temporali sincronizzate in tutto il sistema. Il suo sviluppo è stato dettato dalla necessità di sincronizzare reti mobili e ad alta tensione da parte di strutture che si occupano di telecomunicazioni ed elettricità. 

Il PTP IEEE-1588 consente di sincronizzare facilmente dispositivi con PTP abilitato in pochi microsecondi, rispetto al Network Time Protocol (NTP) che opera in millisecondi.

Figura 1: Il ritardo viene calcolato e scomposto in fattori sincronizzando i 
clock dei diversi dispositivi. Il dispositivo primario invia due segnali a quello 
secondario a (1) e (2). Poi, il dispositivo secondario rinvia un segnale (3) e il ritardo viene calcolato e applicato per sincronizzare i clock (4).

Come funziona il PTP IEEE-1588?

Il dispositivo primario (master) e quello secondario (slave) si scambiano messaggi sulle marcature temporali e le confrontano per determinare il ritardo del segnale fra di esse. In base al questo calcolo di compensazione, il dispositivo secondario regola il proprio clock interno per sincronizzarsi con quello primario (cfr. Fig. 1). La stabilità della frequenza a lungo termine viene raggiunta sincronizzando periodicamente i clock per compensare la deviazione (cfr. Fig. 2).

Figura 2: Clock alla stessa frequenza che deviano nel corso del tempo.
I dispositivi IEEE 1588 si sincronizzano periodicamente per compensare questo fatto.

Come funziona una semplice implementazione PTP IEEE-1588?

In una semplice implementazione PTP IEEE-1588, alcuni dispositivi Ethernet con abilitazione PTP sono collegati a uno switch e uno dei dispositivi funge da master. I dispositivi si sincronizzano con il clock primario, stabilendo una tempistica comune all'interno della rete. Se nessun dispositivo funge da clock primario, i dispositivi con PTP abilitato si confrontano fra loro per determinare il miglior clock a cui sincronizzarsi.

Se la rete necessita di tempistiche basate sul mondo reale, connettere un grandmaster clock come il Trimble Thunderbolt® GM100, che utilizza il segnale temporale di un sistema GPS (cfr. Fig. 3).

Quali sono i principali vantaggi del PTP IEEE-1588 per un sistema di visione?

Marche temporali accurate che stabilizzano la capacità di trasmissione del sistema 

Gli schemi di controllo di sistema automatizzati che fanno affidamento su sensori discreti in ogni fase del processo hanno numerose fonti di jitter, definito come la differenza fra segnali periodici ideali e reali (cfr. Fig. 4). Il PTP IEEE-1588 consente una coordinazione precisa dei dispositivi basata su marche temporali anziché sui segnali dei sensori. Ciò riduce il jitter, consente una miglior coordinazione del sistema e rende più prevedibile la capacità di trasmissione.

Figura 4: Jitter del segnale

Ad esempio, in una semplice applicazione industriale che utilizza segnali basati su sensori, un pezzo si sposta su un nastro trasportatore, vi viene applicata un'etichetta e una telecamera lo ispeziona per verificare l'etichettatura. Se l'etichetta non è presente, in che modo il sistema può determinare dove si è verificato il problema? Forse il pezzo è arrivato in ritardo e ha saltato la fase di etichettatura, o forse la telecamera si è attivata in anticipo. In un sistema che utilizza il PTP IEEE-1588, ogni azione del processo viene contrassegnata da una marca temporale rispetto a una base temporale comune. Ciò consentirebbe l'identificazione della sequenza esatta degli eventi e del punto in cui si è verificato il primo errore.

Riduzione dell'ampiezza di banda e dei costi di elaborazione

Il PTP IEEE-1588 libera ampiezza di banda e cicli CPU della rete rispetto alle soluzioni temporanee che richiedono frequenti controlli del sensore. Ciò consente la progettazione di sistemi semplificati caratterizzati da implementrazione rapida e semplice manutenzione. Inoltre, il PTP IEEE-1588 offre affidabilità senza necessità di supervisione da parte dell'utente di topologie di rete estremamente ampie e complesse. 

Se si utilizzano telecamere GigE Vision, l'abilitazione del PTP non richiedere la modifica delle applicazioni esistenti, perché GigE Vision standard supporta le marche temporali PTP IEEE-1588.

I sistemi PTP IEEE-1588 sono pronti per il futuro

L'Industrial Internet of Things (IIoT) e l'Industria 4.0 avranno un impatto profondo sulla progettazione della nuova generazione di sistemi automatizzati. Lo scopo dell'IIoT è aumentare l'efficienza costruendo reti di “oggetti smart” come robot, sistemi di controllo, telecamere e altri sensori e utilizzando l'analisi dei big data per l'ottimizzazione dei processi migliorati. L'utilizzo di marche temporali accurate in ogni fase del processo sarà un componente essenziale di queste reti. Includere fin da ora dispositivi con PTP IEEE-1588 abilitato nei propri sistemi garantirà di essere pronti in futuro per l'IIoT.

In che modo le telecamere FLIR aiutano a trarre vantaggio da PTP IEEE-1588?

Le telecamere Blackfly S GigE FLIR e Oryx 10 GigE, presto in arrivo, supportano il PTP IEEE-1588. Queste telecamere forniscono un punto di partenza per l'implementazione del PTP IEEE-1588 nel proprio sistema di ispezione per stabilizzare la capacità di trasmissione, ridurre l'ampiezza di banda e i costi di elaborazione; inoltre, consentono di essere pronti ad accogliere le tecnologie del futuro. Per saperne di più su questi e altri grandi vantaggi offerti dalle telecamere  Blackfly S e Oryx di FLIR, contattateci subito. 

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