Přesný čas a synchronizace procesů v průmyslových distribuovaných systémech

Abstract

Cílem této práce je zlepšení přesnosti synchronizace v distribuovaných průmyslových systémech s využitím levných GNSS přijímačů. Tyto přijímače mají nižší krátkodobou stabilitu a horší přesnost generování časové stupnice oproti specializovaným high-end zařízením. Práce se zabývá synchronizací zejména v rozsáhlých distribuovaných systémech, kde je finančně náročné nebo nemožné využít synchronizace pomocí metalických či optických spojů. V rámci této práce byla navržena a realizována metoda pro distribuci a přesné měření času a časových intervalů pomocí GPS. Tato metoda staví na použití levného GPS přijímače LEA-6T od firmy uBlox. Výsledky měření získaných pomocí této metody byly použity pro návrh specializovaného zařízení umožňujícího distribuci časové stupnice GPS, resp. UTC. Toto zařízení dále umožňuje záznam událostí v podobě časových značek synchronních se stupnicí GPS. Součástí zařízení je i software pro jeho konfiguraci a sběr dat. Zařízení bylo dlouhodobě testováno a v rámci ověření přesnosti bylo provedeno porovnání s komerčním metrologickým GNSS přijímačem, a to v několika laboratořích času a frekvence v ČR. Dále bylo provedeno ověření metody měřením s využitím přenosu času pomocí optických vláken. Zde bylo pro měření použito výše popsaných zařízení založených na přijímači LEA-6T a paralelně bylo prováděno srovnávací měření pomocí metrologických GNSS přijímačů GTR 50 a GTR 51 metodou Common View. Tato metoda se často využívá pro stanovení odchylky lokálních časových stupnic. Byly vytvořeny nástroje pro automatizovaný sběr dat potřebné pro vyhodnocení odchylky touto metodou. Tyto nástroje umožňují automatizovanou centralizaci měřených dat. Přijímač LEA-6T byl spolu s rubidiovým časovým normálem FS725 využit pro generování časové stupnice synchronizované na stupnici GPS. Tato stupnice byla porovnána se stupnicí UTC(TP). Toto měření ukázalo, že takto konstruovanou časovou stupnici je možné použít pro průmyslové systémy. Díky kombinaci dlouhodobě stabilního GPS přijímače a krátkodobě stabilního rubidiového normálu je výsledný systém přesný a je schopen překlenout krátkodobé výpadky GPS signálu. Byly navrženy a implementovány metody pro měření stability interních časových základen měřicích přístrojů, zejména pak digitalizátorů. Tyto metody umožňují měření parametrů časové základny přístroje bez nutnosti externího hodinového výstupu. Metody byly otestovány na digitalizátorech LXI, PXI a osciloskopu LeCroy. Pro potřeby zpracování dat z metrologických GNSS přijímačů používaných pro ověření funkčnosti navrženého zařízení byly navrženy a implementovány metody zpracování dat a byl proveden odhad nejistoty měření s těmito přijímači.