Echtzeit und Zeit-Synchronisierung in der Robotik – Bedeutung und Technologien für AMRs, vernetzte Fahrzeuge und die Industrie

Echtzeit und Zeit-Synchronisierung in der Robotik – Bedeutung und Technologien für AMRs, vernetzte Fahrzeuge und die Industrie

Wenn Systeme ohne signifikante Verzögerungen auf Eingaben oder Sensordaten reagieren, spricht man von Real-Time- oder Echtzeit-Fähigkeit. Tatsächlich ist der Begriff komplexer – und umso mehr, wenn die Zeit-Synchronisierung systemübergreifend erfolgen soll. Wir zeigen Ihnen, was dahintersteckt – und welche Technologien es für Industrie-Automatisierung, kollaborative Roboter und In-Vehicle-Anwendungen gibt.

Was ist Echtzeit-Fähigkeit und welche Latenz ist erlaubt?

Echtzeit-Fähigkeit bedeutet, dass ein System Daten erfassen, verarbeiten und reagieren kann, ohne dass es zu einer signifikanten Verzögerung kommt. Tatsächlich haben aber auch Echtzeit-Systeme eine Latenz, die üblicherweise im Bereich von Millisekunden liegt. Ausschlaggebend ist, dass die Reaktion auf ein Ereignis hinreichend schnell erfolgt, ohne dass die Gesamtanwendung beeinträchtigt wird. Insbesondere in Anwendungen wie der Industrieautomatisierung oder der Qualitätskontrolle ist darüber hinaus nicht nur eine möglichst geringe Latenzzeit ausschlaggebend, sondern die genaue zeitliche Zuordnung von Ereignissen und Datenpunkten.

Zeitstempel: Taktgeber für Echtzeit-Anwendungen

Dazu arbeiten Echtzeit-Systeme mit Zeitstempeln, die Datenpunkten zugeordnet werden. Sie stellen sicher, dass verschiedene Systemkomponenten synchronisiert werden und die Verarbeitung der Daten in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt wird. Ein Beispiel: In einer Anwendung zur Qualitätssicherung werden Dosen mit einer Geschwindigkeit von über 100.000 Dosen pro Stunde verarbeitet – das sind mehr als 25 Dosen pro Sekunde. Wird eine fehlerhafte Dose erkannt, ist nicht ausschlaggebend, wie lange es dauert, diese auszuschließen. Wichtig ist, dass genau die richtige Dose von der weiteren Verarbeitung ausgeschlossen wird. Echtzeit bedeutet in diesem Fall also, dass die Reaktionszeit des Systems ebenso bekannt sein muss wie die Geschwindigkeit der Dose auf dem Fließband. Nur eine Synchronität der Zeitstempel stellt sicher, dass die Zuordnung der als fehlerhaft erkannten Dose und der Dose zum Ausschuss übereinstimmen. Darüber hinaus helfen Zeitstempel bei Diagnose und Fehlerbehebung sowie bei der Optimierung von Anlagen. Sie sind damit auch eine wichtige Grundlage für die Steigerung von Effizienz und Produktivität.

Wie wird Echtzeit-Synchronität erreicht?

Die Herausforderung ist es, verschiedene Komponenten in einer Maschine oder Anlage aufeinander abzustimmen und so eine Echtzeit-Kommunikation – sprich: einen Austausch von Daten mit Zeitstempeln – zu erreichen. Dazu gibt es verschiedene Technologien:

Wie wird Echtzeit-Synchronität erreicht?


Protokolle für die Zeit-Synchronisierung

Protokolle wie das Network Time Protocol (NTP) oder das Precision Time Protocol (PTP) ermöglichen die Synchronisierung interner Uhren in verschiedenen Anwendungen und Systemen. Sie gewährleisten eine gemeinsame Zeitbasis und zeitlich abgestimmte Operationen.

Zeitgesteuerte Kommunikationsprotokolle

Eine weitere Möglichkeit sind zeitgesteuerte Kommunikationsprotokolle wie das Time-Triggered Protocol (TTP), das die Kommunikation zwischen verschiedenen Komponenten synchronisiert. Im Gegensatz zur Synchronisierung der Zeit basiert TTP auf einem Vergleich der Uhrzeiten zwischen Sender und Empfänger.

Hardware-Unterstützung

Die genannten Protokolle erfordern spezielle Echtzeit-Clocks oder Timer-Chips in Rechensystemen, die eine Zeitmessung ermöglichen oder die Zeitstempel vergeben können.

GNSS: Echtzeit-Synchronität über Systemgrenzen hinweg

Noch komplexer wird die Einhaltung von Echtzeit-Anforderungen, wenn dabei unabhängige Systeme synchronisiert werden sollen – zum Beispiel Autonomous Mobile Robots (AMRs), autonome Fahrzeuge und In-Vehicle-Anwendungen. Dafür kommen globale satellitenbasierte Navigationssysteme (GNSS – Global Navigation Satellite Systems) wie GPS, GLONASS oder Galileo als Referenzplattformen zum Einsatz. Ihre Vorteile liegen in der weltweiten Abdeckung und der Verfügbarkeit für alle Systeme, die mit entsprechenden Sensoren ausgestattet sind. Durch Triangulation mehrerer Satelliten sowie die Kombination von beispielsweise GPS und GLONASS sorgen GNSS für eine extrem hohe Positioniergenauigkeit und gleichzeitig für exakte Zeit-Synchronisierung. Dafür verfügen die Satelliten über hochpräzise Atomuhren, deren Zeitinformationen gemeinsam mit den Positionsdaten übertragen werden. GNSS-Empfänger auf der Erde empfangen die Signale, dekodieren die Zeit- und Positionsdaten und bestimmen basierend auf der Laufzeit der Signale die eigene Position und Zeit. Komplexe Technologien wie Differential-GNSS mit mehreren integrierten Empfängern oder Korrektursignale von Referenzstationen auf der Erde können die Genauigkeit weiter optimieren, um so höchst präzise Positionierungen im Zentimeterbereich und absolute Echtzeit-Synchronität auch für nicht direkt vernetzte Anwendungen zu ermöglichen.

GNSS: Echtzeit-Synchronität über Systemgrenzen hinweg

Time Sync Lösungen: Echtzeit-Technologien in einem Gerät

Echtzeit-Anforderungen können auf verschiedene Weise erfüllt werden. Oftmals treffen in einer Anwendung aber unterschiedliche Systeme aufeinander, die jeweils mit anderen Methoden arbeiten. Time Sync Lösungen ermöglichen hier eine präzise Zeitabstimmung, indem sie als zentraler Taktgeber auftreten, unterschiedliche Formate für Zeitstempel senden und empfangen können und ihrerseits Taktgeber über verschiedene Protokolle synchronisieren. Je nach System, Anwendung und Ausstattung der Time Sync Box können dabei vorhandene Rechner als Master-Zeitgeber definiert werden oder hochpräzise Signale wie GNSS mit Korrektursignalen kombiniert werden, um eine systemunabhängige Echtzeit-Synchronisierung zu erreichen.

Für welche Echtzeit-Anforderung benötigen Sie die passende Lösung?

Für welche Echtzeit-Anforderung benötigen Sie die passende Lösung?

Qualitätssicherung oder Industrie-Automatisierung, kollaborativer Roboter, AMR in der Intralogistik, In-Vehicle-Systeme für Bahnanwendungen oder autonome Fahrzeuge: Je nach Anwendung unterscheiden sich die Anforderungen an Echtzeit-Synchronisierung und die optimalen Lösungen, um diese Anforderungen zu erfüllen. Sprechen Sie gerne mit unseren Experten über Ihre individuellen Einsatzgebiete, Vorgaben und Wünsche. Wir befassen uns intensiv mit Ihrem Projekt und finden gemeinsam mit Ihnen die passenden Komponenten und Lösungen. Dabei profitieren Sie von unserer langjährigen Erfahrung und einem kompetenten Ansprechpartner für Ihre Gesamtlösung. Wir freuen uns auf Ihre Herausforderung.



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