nadpis VMH

grafika
logo český spolek Horologický
grafika3b
www.orloj.eu
grafika3b
počitadla
grafika3b
Valid XHTML 1.0 Transitional
grafika
grafika 7b


HOME


Novinky


Mapa


Kontakt


Vyhledávání


  

 

 

grafika


Jednotně řízené hodiny a synchronizace času

aneb od žárovkového kompresoru po NTP servery

Potřebujeme, nebo si jen přejeme, hodiny, které jdou přesně a správně. K tomu vede několik cest. Buď je musíme stále přesnější vyrábět nebo je můžeme neustále dálkově řídit, či  pravidelně automaticky seřizovat podle jiných přesnějších hodin. Od nepaměti hodiny seřizujeme podle nějaké autority. Podle polohy Slunce, podle zvuku zvonů kostelů, podle mávnutí praporem, podle tůtání v rádiu či v televizi, nebo podle časové informace obsažené v televizním vysílání. V poslední době se nejčastěji využívá radiového vysílání, družicových signálů GPS nebo NTP serverů v počítačových sítích.  Po historickém přehledu se zaměříme na použití NTP serverů.

Hlavní způsoby řízení hodin a synchronizace času

Mechanické řízení a řízení vůbec

Typickým případem mechanického řízení je Pražský orloj, kde vlastní stroj orloje je v pravidelných minutových intervalech spouštěn mechanickým chronometrem s podstatně vyšší přesností než měl původní vlastní jicí stroj. Za mechanické řízení můžeme považovat i někdy docela složité rozvody k vedlejším číselníkům mechanických věžních hodin. Vedení pomocí soustavy hřídelů, křížových spojek, dilatačních spojek, šikmých odboček a pod. zaslouží obdiv k umění starých mistrů. I boční ciferníky Pražského orloje jsou takto připojeny na hlavní stroj orloje. 

Toto řízení je přímé, bez zpětné vazby. Řídící chronometr nijak nereaguje na hypotetickou situaci, kdy posun o minutu nebyl z nějakých důvodů proveden nebo se některý ciferník  uvolnil a neposunul. Tyto nevýhody mají všechny soustavy přímého řízení. Odstraňuje je teprve předávání kompletní časové informace v moderních systémech. Synchronizace času může probíhat s různou  periodou. 

Pneumatické řízení podružných hodin

Dnes trochu kuriózně působí pneumatický systém Elektronom z třicátých let minulého století, který na trh uvedl Junghans. Zavedl žárovkový kompresor (častěji překládáno jako kompresní žárovka) s pulzním elektrickým ohřevem. Získal tak nejenom nový způsob elektrického natahování hodin, ale i možnost rozvádět tyto tlakové pulzy po budově a pohánět tak až 6 podružných hodin. Na obrázku z patentového spisu vidíme princip natahování matečních hodin, způsob rozvodu tlakových pulzů a princip funkce podružných hodin. Český popis jsme si dovolili doplnit, takže neodpovídá přesně originálu.

Více najdete na již zmiňované stránce (v němčině) www.hwynen.de , odkud je obrázek převzat.

zakladní schema systému Elektronom
Zdroj tlakových pulzů Hlavní hodiny Podružné hodiny
  1 - kompresní žárovka
  2 - žhavicí vlákno
  3 - přívod elektrického proudu
  4 - přívod minutových pulzů
  5 - spínací kontakty
13 - gumová hadička pro
       natahování i pro
       pohon podružných hodin
  7 - kotva mechanického stroje
  8 - pérovník s rohatkou
10 - natahovací páka
11 - válec
12 - píst
20 - palec spínače
14 - gumová hadička pro
       pohon podružných hodin
15 - píst 
16 - rohatka
       minutového kola
17 - postrkovací páka
18, 19 - podružné hodiny

Řízení podružných hodin pomocí polarizovaných impulzů po speciálním vedení

V roce 1839 si profesor Carl August Steinheil dal patentovat mechanizmus vysílání časových značek z centrálních (matečních) hodin do hodin podružných. O rok později podobný patent získal  také pan Alexander Bain. Systém byl postupně vylepšován a stal se na dlouhou dobu ideálním systémem jednotného času v úřadech, v továrnách, na nádražích a v dalších velkých budovách v celém světě. Polarizované impulzy  těchto soustav nás provázely v minulosti a provází nás dodnes.

Hodinám jednotného času se v Čechách věnovalo a věnuje několik firem. Nejznámější je asi firma Elektročas - Pragotron, která stále působí v oblasti hodin jednotného času, exteriérových, věžních a fasádních hodin a také v oblasti rozsáhlých informačních systémů a synchronizačních systémů všeho druhu. Dále můžeme jmenovat současné firmy ELEKON, PIK  a další...

Řízení frekvencí rozvodné sítě

Elektrické hodiny mohou využívat frekvenci rozvodné sítě jako časový normál. Jde o časový normál snadno dostupný a dnes již pro běžnou potřebu dostatečně přesný. Elektrárenské společnosti úspěšně frekvenci rozvodné sítě stabilizují. Ještě nedávno frekvence vlivem různé zátěže sítě kolísala. Jako historickou zajímavost uveďme, že první elektrické hodiny v Rakousku-Uhersku, hodiny LAPLACE pana Roberta Michla, byly ve spojení s přesnými kyvadlovými hodinami používány právě ke kontrole a řízení frekvence sítě. Dnes se hodiny se synchronním motorem používají zejména v aplikacích i jinak související s rozvodem elektrické energie, zejména v různých spínacích hodinách. 


Nevýhodou jednoduše řízených skupin hodin je závislost na nepřetržitém chodu časového normálu a závislost na kvalitě vedení. Dojde-li například k výpadku sítě, některé hodiny se synchronním motorem se již sami nerozejdou, některé nastartují, ale ukazují čas zpožděný o dobu výpadku. Novější systémy jednotného času s polarizovaným impulzem v době výpadku impulzy nevysílají, ale pamatují si buď počet nevyslaných impulzů nebo čas nastavený na podružných hodinách. Po obnovení dodávky elektrické energie, centrální hodiny zrychleně impulzy odvysílají. Ani tento systém není bezobslužný, neboť nekvalitou vedení či jiným problémem se může stát, že některé hodiny v soustavě ukazují odlišný čas. V současnosti se proto častěji používají hodin, které jsou schopny samostatného chodu a jsou nadřízenou autoritou pouze v různých intervalech synchronizovány.


Distribuce časové informace radiovými vysílači OMA 50 a DCF 77

(Zkráceně podle stránky www.hw.cz/teorie-a-praxe/dokumentace/vysilani-casoveho-signalu-a-dcf77.html  kterou napsal pan Martin Pouta )

Nápad používat pro šíření časové informace radiově vysílané se objevil v USA a v Kanadě již roku 1905. Roku 1910 jako první v Evropě začalo vysílat Německo a Francie. Významným podnětem rozvoje časových signálů byl Mezinárodní geofyzikální rok 1957/58. Pokusné vysílání přesného kmitočtu a časového signálu z hodin vyvinutých v ÚRE AV ČR u nás začalo rokem 1955, kolektivní stanicí OK1KAA na frekvenci 3,5 MHz, a dále pokračovalo vysíláním krátkovlnných stanic OMA 2,5 MHz a OLB5 3,170 MHz. OMA 50Dlouhovlnné vysílání začalo 17. května 1957 stanicí OLP 48,6 kHz a vyústilo v dubnu 1958 vysíláním stanice OMA 50 na kmitočtu 50 kHz. Tato stanice šířila svou normálovou frekvenci a časové signály vysílačem OMA 50 z Liblice u Českého Brodu výkonem 50 kW do NT antény. Výhoda dlouhých vln byla v dosahu vysílače. Byli jsme tehdy první stanicí na světě šířící časové signály na dlouhých vlnách. Po definování Pražského koordinovaného času UTC(TP) (TP znamená Tempus Pragense) v lednu 1969 vysílala OMA 50 tento čas v mikrosekundové shodě se světovým koordinovaným časem UTC odvozovaným z cesiových atomových hodin v ÚRE. Od roku 1974 bylo zavedeno kódování v BCD tvořeném klíčováním fáze nosné o 180°, což byl sice technicky vyspělejší systém, než v té době používal vysílač DCF 77, který však vyžadoval náročnější přijímač. Výrobky řízené tímto signálem se na trhu neprosadily. V sedmdesátých letech vyrobila firma Elektročas - Pragotron několikery hodiny s lístkovou překlápěcí indikací, řízené signálem OMA 50.  Pragotron ve vývoji hodin uvažoval i o synchronizi chodu hlavních hodin EH 40 tímto signálem. Pozůstatkem tohoto vývoje je kontrolka na hodinách se symbolem antény.  Zájem o vysílání vysílače OMA 50 stále klesal, až bylo financování jeho provozu neúnosné a vysílač byl na jaře roku 1995 vypnut.

 Šíření časové informace televizními vysílači 

Zánikem sdělování přesného času a kmitočtu pomocí dlouhovlnného vysílače u nás ale chronometrie nezanikla. Koordinovaný čas UTC(TP), Tempus Pragense, platný od ledna 1969 je i nadále udržován v mikrosekundové shodě se světovým koordinovaným časem UTC pracovníky časové laboratoře ÚRE AV ČR v Praze-Kobylisích, kde jsou umístěny dva základní cesiové etalony, hlavní hodiny udržující čas UTC(TP) a měřicí technika GPS. Další dva cesiové normály jsou v budově ÚTB SPT Telecom v Praze na Žižkově. Pro koordinaci UTC(TP) s UTC bylo zpočátku používáno unikátní československé televizní metody, poté bylo využíváno navigačního systému LORAN-C a od září 1991 je využíván družicový navigační systém GPS, přičemž koordinace systémem LORAN-C zůstávala jako doplňková metoda a od televizních měření bylo upuštěno. Od kmitočtového normálu ÚRE AV ČR jsou se submikrosekundovou přesností odvozovány řádkové a snímkové synchronizační impulzy programu ČT 1 a ČT 2. Dále nosné kmitočty některých středovlnných vysílačů, které jsou provozovány Českými radiokomunikacemi, jsou dnes odvozovány od signálu vysílače DCF 77. S ÚRE úzce spolupracuje Astronomický ústav AV ČR (AsÚ), který na ondřejovské observatoři fotografickým zenit teleskopem určuje vztah mezi UT1 a UTC(TP). Výsledky těchto měření jsou pak AsÚ publikovány např. ve Hvězdářských ročenkách.

DCF 77 je německá stanice, která vysílá nepřetržitě na dlouhé vlně z vysílače v Mainflingen (50° 01" severní šířky, 09° 00" východní délky), asi 25 km jihovýchodně od Frankfurtu nad Mohanem. Provoz zajišťují společně Spolková pošta Telekom, která provozuje vlastní vysílač a antény, a Spolkový fyzikálně-technický ústav PTB Braunschweig, který odpovídá za řídící signál odvozovaný od atomových hodin. Stanice začala vysílat v září roku 1970. Vysílač má výkon 50 kW s odhadovaným vyzářeným výkonem (ERP) asi 30 kW. Dosah vysílače je dle údajů PTB kolem 2000 km. K vysílání je určena 150 m vysoká (200 m vysoká záložní) vertikální všesměrová anténa s kapacitním nástavcem.

Vysílač pracuje v trvalém provozu 24 hodin denně. Krátká přerušení (několik minut) jsou možná, pokud musí být přepnuto na rezervní vysílač nebo rezervní anténu při rušení nebo při údržbových pracích. Za bouřek mohou přicházet v úvahu i delší výpadky. Volací značka vysílače je přenášena třikrát v hodině v 19., 39. a 59. minutě každé hodiny tónovou modulací nosné vlny kmitočtem 250 Hz znaky Morseovy abecedy bez přerušení vysílání časových značek. Vysílač DCF 77 od konce roku 1995 jediný svého druhu na evropském kontinentě.

Signál DCF77 dnes nese dvě složky modulace zároveň - původní amplitudovou modulaci i později uvedenou fázovou složku. Modulační schéma je vymyšleno tak, aby AM demodulátory "neviděly" fázovou složku, a naopak fázové detektory mají signál na vstupu "zarovnaný" limiterem, takže AM složku ignorují. Dražší přijímače s fázovou demodulací (PZF) vykazují mnohem lepší odolnost proti rušení. Firma Meinberg tvrdí, že PZF přijímač leckdy ukazuje bezchybná demodulovaná data ještě i na signálu, kde užitečná amplitudová modulace je zcela překryta rušením. Kvalita signálu závisí na mnoha faktorech a zdrojích rušení. Více... 

Synchronizace historických mechanických hodin

Zdálo by se, že téma synchronizace se týká pouze elektronických hodin a hodinek. Ale i u historického exempláře věžních hodin může být synchronizace provedena. Petr Skála navrhl zařízení (chráněné Úřadem průmyslového vlastnictví v Praze), které umožňuje i mechanickému věžnímu hodinovému stroji jít s několika vteřinovou přesností. Jde o počítačově řízený záchyt kyvadla. Synchronizaci času zajišťuje DCF 77 přijímač. Umožňuje dokonce automatickou změnu letního času.

Ukázka zde i jinde na webu www.veznihodiny.cz/ukaz19.htm

Časová informace GPS

Systém GPS je tvořen 24 družicemi NOVASTAR GPS (3 slouží jako záložní) kroužícími na přesně specifikovaných oběžných drahách asi 20 tisíc km nad zemí. Družice jsou vybaveny přijímačem, vysílačem, atomovými hodinami a dalšími přístroji pro navigaci a speciální účely. Každá družice vysílá kódované informace o přesném čase, signál PPS, informaci o své poloze ve vesmíru a přibližné poloze ostatních družic systému. Pro příjem a zpracování vysílaných signálů byly vyvinuty speciální přijímače. Každý přijímač GPS zpracovává vysílané informace ze tří až dvanácti družic. Na jejich základě určí přesnou pozici uživatele. Součástí vysílaného signálu je časová informace ve formátu UTC (Universal Time Coordinated), ke kterému jsou vztaženy časové základny hlavních hodin a časových center. Lokální čas lze zadat přidělením časové zóny s informací o změně letního času. Výhodou tohoto systému je celosvětový dosah a vysoká přesnost časové informace. S rozšiřováním "chytrých telefonů" nabývá tato synchronizace stále většího objemu. 

Čas v počítačích a časové informace v síti INTERNET

Podobně jako u naprosté většiny v současné době vyráběných hodin, je i čas počítače odměřován kmity krystalu křemene. Stabilita těchto kmitů však není pro samotný chod PC nijak podstatná a tomu také odpovídá kvalita používaných krystalů - i v levných náramkových hodinkách se používají krystaly kvalitnější (s vyšší přesností nominální frekvence, s nižší závislostí na změnách teploty). Dalším faktorem, který ovlivňuje chod hodin, je zátěž procesoru. V době, kdy je počítač vypnut, udržují čas tzv. hodiny reálného času (RTC). Po zapnutí počítače převezmou jejich čas systémové hodiny, řízené procesorem. Ten nemá při velké zátěži vždy čas přijmout signál pro jejich posun, vyslaný obvodem krystalu. Přenosné počítače navíc, ve snaze ušetřit energii, mění v závislosti na zátěži i takt procesoru. Zkrátka, hodiny počítače jsou nespolehlivé. Je nutné je nějak synchronizovat. Nabízí se prostředek, který je nejsnáze k dispozici - síť internet. 

Paketový přenos dat, který je základním způsobem práce v Internetu, však nemá zaručenou rychlost šíření a zdánlivě se moc pro synchronizaci času nehodí.  Rychlost šíření časové informace je poněkud nestabilní na rozdíl od mnohem stabilnější rychlosti zvuku, světla či přenosu časové informace v rozhlasovém a televizním vysílání. Je však také celosvětově dostupný a dostupný je i v místech bez výhledu na oblohu. Dosažení potřebné přesnosti vyžaduje mnohem sofistikovanějšíšíření paketů NTP způsob práce. 

Základem synchronizace času v Internetu je dnes Network Time Protokol, případně jeho zjednodušení varianta Simle NTP. hierarchie stratum Umožňuje synchronizaci s přesností na zlomky sekundy. Základní myšlenka protokolu je "synchronizovat všechny počítače v síti" podle jednotného zdroje "správního" času. Aby to bylo proveditelné, je vytvořena v Internetu struktura časových serverů různé úrovně (Stratum) a různé přesnosti. Primární NTP servery Stratum 1 jsou ty servery, které jsou synchronizovány pouze externími referenčními zdroji - např. synchronizované cesiové či rubidiové hodiny, satelitní systém GPS, případně radiový signál, např. DCF77. Servery Stratum 1 obvykle dosahují lepší než submilisekundové přesnosti. Používá se čas UTC se speciálními příznaky pro přestupné sekundy. Nejlevnějším řešením je instalace NTP démona na běžné PC s Linuxem.

NTP Servery klientskou částí vyhodnocují stabilitu a důvěryhodnost jednotlivých zdrojů. Z odpovědí nejprve vyloučí servery se zřejmě nesmyslným časem. Poté ponechají skupinu serverů s největším společným průnikem. Používají Marzullův algoritmus pro stanovení času z nepatrně se lišících odpovědí různých časových serverů. Běžně se jím dosahuje přesnosti hodin v řádu milisekund. NTP verze 4 obvykle dovede po internetu udržovat čas s chybou pod 10 milisekund (1/100 s), v lokální síti může při ideálních podmínkách dosáhnout přesnosti až 200 mikrosekund (1/5000 s).  Nonitor NTP serveru

Vlastní synchronizaci počítačových hodin zajišťuje operační systém počítače nebo lze použít specializovaných programů. Počítač, který chce synchronizovat své hodiny, pošle pár dotazů několika NTP serverům a ty mu v odpovědi pošlou svůj přesný čas. 

Zajímavou možností umožňující systém lépe pochopit je spustit na vlastním počítači NTP server s vhodným monitorem. Doporučujeme i pro Windows server - ntpd - Network Time Protocol Daemon. Na obrázku dole vidíte monitor tohoto serveru pod windows. Server i monitor ke stažení na stránce Meinberg

V okně monitoru vidíme situaci, kdy pokusný NTP server je nainstalován na počítači s OS W XP připojeném ADSL linkou k internetu. Jeden ze NTP serverů používaných k synchronizaci je server lx.ujf. cas.cz což je NTP server Ústavu Jaderné fyziky AV ČR. Server je na prvním žlutém řádku označen jako použitelný (znak +). Zelený řádek se znakem * označuje server, který program vybral k synchronizaci. Jde o server Stratum 1, tedy server s nejvyší autoritou synchronizován DCF rádiem. Tmavozelený řádek se znakem - představuje server vyloučený ze synchronizace pro velkou rozdílnost korekce (údaj Offset) od ostatních.

Aby nedocházelo k přetěžování konkrétních NTP serverů, zadává se místo konkrétního počítače, jméno poolu NTP serverů. Pool obsahuje dynamický seznam počítačů dobrovolně přidaných do projektu. Dotazy jsou tak posílány cca každou hodinu jiným serverům. Popis problematiky synchronizace času v Internetu přesahuje rámec této stránky. Podrobnější informace najdete na www.ntp.org nebo česky třeba zde nebo zde

Čas v autonomní síti

Lokální NTP servery nacházejí uplatnění jako lokální zdroje časové synchronizace v intranetových sítích výrobních podniků a finančních i dalších organizací, které nemohou či spíše nechtějí využívat NTP servery pracující v síti Internetu, většinou z bezpečnostních důvodů. Příkladem vhodných výrobků mohou být servery firmy Meinberg. Seznámit se s nimi můžete například v českém zastoupení firmy. Rozhodnutí mezi použitím veřejné časového serveru nebo vlastního časového serveru, závisí na různých faktorech:

ToE - synchronizace hodinových systémů přes Ethernet

Informace z NTP serverů může být předávána nejen počítačům, ale do mnoha zařízení včetně samostatných hodin připojených k LAN. Na obrázku převzatém od firmy ELEKON vidíme celý jednotný časový systém s vlastním NTP serverem  synchronizovaným GPS přijímačem. 

System s NTP Mobatime

V Vpravo nahoře je přijímač časového signálu GPS. Časovou informaci zpracovává NTP server, který ji bude následně předávat mnoha zařízením. GPS signál je zde kromě vnitřních profesionálních hodin serveru jediným zdrojem časové informace.  Nejběžnější využití časové informace z NTP serveru je synchronizace jednotlivých počítačů v síti. Může jít i o průmyslové počítače využité k řízení technologií. Aplikaci by prospělo ještě záložní řešení.

K síti mohou být připojeny i speciální strojky podružných hodin, které časovou informaci přímo zpracují. Dále mohou být s určitým omezením připojeny přes převodníky síťových interfaců  i hodiny řízené signálem MOBALine či s DCF synchronizací.

Poslední naznačená spolupráce různých technologií je asi budoucnost komerčního šíření časové informace s "rozumnou" přesností. 

Odkazy:


Telefon: 603 502 735, email: info (kyselá ryba) orloj . eu