Zaman Senkronizasyonu

Endüstriyel ağ ve sistemlerin bir çok uygulamasında zaman senkronizasyonu sağlamak gittikçe önemli hale gelmiştir. Bu makalede zaman senkronizasyonunun temelini oluşturan bazı kavramlar temel seviyede açıklanacaktır.

A- A+

06.07.2015 tarihli yazı 15943 kez okunmuştur.

Siemens Endüstri Zaman Protokol Uydu İletişim

Ağa bağlı istasyonlar belli bir merkezden periyodik olarak güvenilir bir zaman bilgisi ile beslenebiliyorsa, en uygun işletme koşulları sağlanabilir. Sistemdeki hatalar doğruluğu yüksek zaman damgaları ile daha etkin takip edilebildiğinden, üretim duruşları daha az olacak, emre amadelik ve verimlilik artacaktır.

Uydu Sistemleri

Çeşitli ülkeler dünya yörüngesindeki uydular yoluyla zaman ve konum belirlemeyi olanaklı kılarlar. İlk ve en yaygın olan GPS sistemi ile beraber diğer uydu sistemleri aşağıda tanıtılmaktadır.

GPS

Küresel konumlama sistemi (GPS) uyduları Amerika Brileşik Devleti tarafından yönetilirler. Dünya çapında zaman ve konum bilgileri dağıtırlar. Askeri amaçlı başlayan bu uygulama sonradan sivil kullanıma da açılmıştır. Her yörüngede dört uydu olmak üzere, dünyanın 20.200 km yukarısındaki altı yörüngede yaklaşık en az 24 uydu dolanır. Bu 24 uydulu düzenleme, dünyanın herhangi bir noktasından en az dört uydunun görülebilir olmasını sağlar. Yörüngede bulunan ilave uydular, bazı asıl uydular bakıma girdiğinde, kapsamanın düşmesini engeller.

Her uyduda doğruluğu en az 10^-12 saniye olan atomik saat bulunur. Uydu sürekli bir şekilde konumunu, UTC zaman bilgisi (eski GMT) ile beraber 1.57542 GHZ frekansında yeryüzüne gönderir. Yeryüzündeki bir GPS alıcısı görüş alanına giren uyduların sinyallerini toplar.

GPS ile Anten Konumu Hesaplama

Hassas zaman hesaplaması için, ilk önce alıcının anten konumunu bilmek gerekir. Bir algoritma sinyalin uydudan alıcıya ulaşma süresini, sinyalin gönderilme anındaki uydu konumu ve zamanına göre hesaplar. Sonuç uydu etrafında bir küredir ve anten konumu bu kürenin dış çeperindedir. Alcının iç saati, uydunun atomik saati kadar hassas olmadığından, hesaplanan ulaşma süresi hatalı olacak ve konum hesabı gerektiği kadar hassas olmayacaktır.

En az dört uydudan sinyal alındığında, üç boyutlu konum bilgisi (enlem, boylam ve yükseklik) yüksek hassasiyetli alıcılarda bir metreden küçük bir doğrulukla oluşturulur. Üç uydudan sinyal alındığında, sadece iki boyutlu konum (enlem ve boylam) hesaplanabilir. Üçten az sayıda uydu doğru bir sonuç vermez.

GPS ile Zaman Hesaplama

Anten konumunun hesaplanması ile GPS alıcısı, hesaplanan sinyal ulaşma süresine göre kendi saatini, uyduların yüksek hassasiyetteki saatlerine göre ayarlar. Hesaplanan konum ne kadar doğru ise, alıcının dahili saati de o oranda doğru olacaktır.
GPS alıcısı kendi saatini senkron tutabilmek için asgari bir uyduyu takip etmek zorundadır. Alıcı daha fazla uydu görürse, iç saati daha hassas olur ve standart alıcılarla ±1µs doğruluk sağlanabilir.

GPS Anten Montajı

Aşağıdaki şekilde sol taraftaki anten tüm gökyüzünü serbest bir şekilde görebilmektedir. Aynı anda dört uydunun takibi bu şekilde sorunsuz yapılabilir. Sağ taraftaki anten yarım bir görüş açısına sahip olduğundan sürekli olarak dört uyduyu takip edemeyecektir.

Çatıdaki anten bina dışında kaldığından, binanın yıldırım koruma sistemi ile korunamayabilir. Bu nedenle anten ile alıcı arasında bir yıldırım koruma kutusu konulmasında fayda vardır.

GLONASS

Rusya Federasyonu tarafından sağlanan GLONASS, küresel kapsama ve karşılaştırılabilir doğruluk açısından işletmede olan ikinci alternatiftir. İşletmede olan 24 uydusu vardır.

GALILEO

Avrupa Birliği tarafından planlanan GALILEO’nun, henüz sadece 4 uydusu yörüngededir. Tamamlandığında asgari 24 uydu sağlayacaktır.

BDS

Çin tarafından geliştirilen BDS halen Asya Pasifik bölgesinde 10 uyduyla hizmet vermektedir. 35 uydu ile küresel bazda hizmet vermesi planlanmaktadır.

IRNSS

Hindistan tarafından planlanmaktadır. Hindistan ve çevresinde bölgesel hizmet verecektir. Toplam planlanan yedi uydu olup, üçü halen yörüngededir.

Karasal Sistemler

Dünya çapında bazı karasal radyo istasyonları zaman sinyali yayınlamaktadır. Ne yazık ki, bu istasyonlar birbiriyle uyumlu olmayan farklı protokoller kullanırlar. Her istasyonun farklı frekansı vardır ve nerede hangisinin kullanılacağına bağlı olarak, farklı alıcılar gerekir. Aşağıdaki tablo sadece uzun dalga yayın yapan istasyonları listeler. Kısa dalgada yayın yapan istasyonlar da vardır. Uzun dalganın avantajı sinyalin dağlar ve binalar gibi engellerden daha kolay geçmesidir.

DCF77

DCF77 sinyali Avrupa’nın büyük bir kısmında alınabilir. İyi hava koşullarında gündüz 1900 km, gece 2100 km menzili vardır. Sinyalin zayıfladığı veya alınamadığı durumları atlatabilmek için alıcılarda dahili saat de bulunur ve 1500 km’ye kadar iyi çalışırlar.

Uzun dalga sinyalleri parazitlerden kolay etkilenirler, ki bunlara örnek olarak verici yakınındaki fırtına gibi atmosferik olumsuzluklar ve alıcı yakınındaki elektro-manyetik kaynaklar verilebilir. Sinyal duvarlardan zayıflayarak geçer. Bu nedenlerle alıcı anteni dikkatli bir şekilde yerleştirmek gerekir.

NTP Zaman Protokolü

NTP, ağ zaman protokolü kelimelerinin (Network Time Protocol) baş harfleridir. Bilgisayarların saatlerinin Internet protokolü ile bir zaman kaynağına göre eşzamanlı olmasını sağlar.

NTP’nin bazı özellikleri şöyledir:

► NTP gerçek zamanı gösteren bir referans kaynağına ihtiyaç duyar. Bütün takipçiler üzerinde beraberce anlaşılan bir zamana değil, o gerçek zamana yönelirler.

► NTP, UTC zamanını referans olarak kullanır.

► NTP hata toleransı olan bir protokoldür. Ulaşılabilir olan bir kaç kaynaktan en iyisini otomatik olarak seçer. Birikmiş hatayı en aza indirmek için bir kaç kaynağı birleştirir. Hatalı
zaman kaynaklarını tespit edip kaçınır.

► Eşzamanlı bir ağda bir kaç zaman referansı olabilir. Ağın her üyesi zaman bilgisi alışverişini tek yönlü veya çift yönlü olarak yapabilir. Bir üyeden diğerine zamanın yayılması
hiyerarşik bir grafik oluşturur ki, referans saatler en üstte yer alır.

► Bir kaç ulaşılabilir kaynak olduğunda, zamanı hesaplamak için NTP en iyi adayları seçer. Doğruluğu yüksek olan bir protokoldür. Çözünürlüğü nanosaniyeden küçüktür.

► Ağ bağlantısı geçici olarak kurulamadığında bile, NTP geçmişteki ölçümleri kullanarak şimdiki zamanı ve hatayı tahmin etmeye çalışır.

NTP zaman damgası alıp gönderirken, 123 nolu port üzerinde UDP kullanıcı datagram protokolünü kullanır. Yerel ağlarda (LAN) ideal koşullarda 1 ms doğruluğu sağlar. Yerel zaman zonları bilgisini veya yaz saati bilgisini iletmez.

Hiyerarşideki her seviye “stratum” olarak anılır ve en tepeden “0” ile başlayan sayılarla numaralanır. “0” ile “15” arasındaki değerler geçerlidir. “16” değeri cihazın eşzamanlı olmadığını belirtir.

SPPA-T3000 DCS Sisteminde Zaman Senkronizasyonu

Siemens SPPA-T3000 DCS otomasyon sisteminde eşzamanlı çalışma NTP, GPS ve DCF77’nin birlikte kullanımı ile sağlanmaktadır.

“0” seviyesinde antenler GPS sinyalini, suni DCF77 sinyaline çevirerek, “1” seviyesinde yer alan yedekli zaman sunucularına gönderir. Zaman sunucuları bir Ethernet ağı olan otomasyon ağına bağlıdırlar. Bu sunucular zaman bilgisini ağda NTP ile dağıtırlar. “2” seviyesinde uygulama ağındaki uygulama sunucusu ile otomasyon ağındaki otomasyon sunucuları yer alır. “3” seviyesinde uygulama ağında yer alan diğer istemciler ve girdi çıktı cihazları vardır, ki uygulama ve otomasyon sunucularını referans olarak alırlar.

Otomasyon sistemi ile NTP protokolü kullanılırken, protokolün yayın veya çoklu noktaya yayın özelliği yerine, talep ve cevap özelliği kullanılır. Yani her istemci kendi referansına talep gönderir, ve zaman değerini kalite bilgisi ile beraber alır. Bu değeri baz alan istemcinin NTP yazılımı, ağ iletişimindeki gecikmeye de dikkate alarak gerçek zaman için en iyi zamanı hesaplar.