GPS衛(wèi)星時鐘（衛(wèi)星對時服務(wù)器）在DCS集散控制系統(tǒng)應(yīng)用方案

前言

    隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，各行業(yè)自動化系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的時代已經(jīng)到來。這一方面為各控制和信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換、分析和應(yīng)用提供了更好的平臺、另一方面對各種實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)時間標(biāo)簽的準(zhǔn)確性也提出了更高的要求、使用價格并不昂貴的GPS時鐘來統(tǒng)一各種系統(tǒng)的時鐘，已是目前各大系統(tǒng)設(shè)計中采用的標(biāo)準(zhǔn)做法。如大型的機(jī)組分散控制系統(tǒng)(DCS)、輔助系統(tǒng)可編程控制器(PLC)、廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)、廠站的管理信息系統(tǒng)(MIS)等的主時鐘通過合適的GPS時鐘信號接口，得到標(biāo)準(zhǔn)的TOD(年月日時分秒)時間，然后按各自的時鐘同步機(jī)制，將系統(tǒng)內(nèi)的從時鐘偏差限定在足夠小的范圍內(nèi)，從而達(dá)到整個系統(tǒng)的時鐘同步。

一、 DCS集散控制系統(tǒng)時鐘同步

1.1 DCS集散控制系統(tǒng)

DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫（Distributed Control System），在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計算機(jī)，通信、顯示和控制等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。DCS系統(tǒng)硬件共分三大部分：通信網(wǎng)絡(luò)、人系統(tǒng)接口（HSI）、現(xiàn)場控制單元（HCU）；

1.2 DCS系統(tǒng)時鐘同步意義

    DCS集散控制系統(tǒng)的時鐘改造前同步信號是由工作站所產(chǎn)生的，由于計算機(jī)時鐘都會有秒漂移導(dǎo)致工作站時間基準(zhǔn)不夠精確，其他工作站也不例外。因此DCS系統(tǒng)的時間和標(biāo)準(zhǔn)時鐘每月大約會產(chǎn)生6~10分鐘的積累誤差。這些誤差會造成系統(tǒng)報警、SOE順序事故記錄、趨勢記錄等不能正確記錄事件發(fā)生的正確時間。要采用人工定期校準(zhǔn)DCS系統(tǒng)時間坐標(biāo)的方式來調(diào)準(zhǔn)時鐘，但頻繁的調(diào)整易造成歷史趨勢記錄錯誤、歸檔數(shù)據(jù)丟失等故障，使工作站歷史紀(jì)錄功能紊亂。也由于建廠初期引進(jìn)了不同廠家的自動化裝置、微機(jī)保護(hù)裝置、故障錄波裝置、電能量計費(fèi)系統(tǒng)、計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、以及輸煤、除灰等控制裝置。各種裝置大多數(shù)采用各自獨(dú)立的時鐘，而各時鐘都有一定的偏差。各系統(tǒng)不能在統(tǒng)一時間基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，不利于市場化的綜合效益分析。各種對時裝置同時存在不利于現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)。DCS一體化改造時若各系統(tǒng)實(shí)施統(tǒng)一的GPS對時方案，可實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)在GPS時間基準(zhǔn)下的運(yùn)行監(jiān)控和故障分析。

二、GPS時鐘及信號輸出
2.1 GPS時鐘
    全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)由一組美國國防部在1978年開始陸續(xù)發(fā)射的衛(wèi)星所組成，共有24顆衛(wèi)星運(yùn)行在6個地心軌道平面內(nèi)，根據(jù)時間和地點(diǎn)，地球上可見的衛(wèi)星數(shù)量一直在4顆至11顆之間變化。GPS時鐘是一種接受GPS衛(wèi)星發(fā)射的低功率無線電信號，通過計算得出GPS時間的接受裝置。為獲得準(zhǔn)確的GPS時間，GPS時鐘必須先接受到至少4顆GPS衛(wèi)星的信號，計算出自己所在的三維位置。在已經(jīng)得出具體位置后，GPS時鐘只要接受到1顆GPS衛(wèi)星信號就能保證時鐘的走時準(zhǔn)確性。作為DCS系統(tǒng)的時鐘標(biāo)準(zhǔn)，我們對GPS時鐘的基本要求是：至少能同時跟蹤8顆衛(wèi)星，有盡可能短的冷、熱啟動時間，有高精度、可靈活配置的時鐘輸出信號。
2.2 GPS時鐘信號輸出
    目前，DCS系統(tǒng)用到的GPS時鐘輸出信號主要有以下四種類型：
2.2.1 1PPS/1PPM輸出
    此格式時間信號每秒或每分時輸出一個脈沖。顯然，時鐘脈沖輸出不含具體時間信息。
2.2.2 IRIG-B輸出
    IRIG(美國the Inter-Range Instrumentation Group)共有A、B、D、E、G、H幾種編碼標(biāo)準(zhǔn)(IRIG Standard 200-98)。其中在時鐘同步應(yīng)用中使用最多的是IRIG-B編碼，有bc電平偏移(DC碼)、1kHz正弦載波調(diào)幅(AC碼)等格式。IRIG-B信號每秒輸出一幀(1fps)，每幀長為一秒。一幀共有100個碼元(100pps)，每個碼元寬10ms，由不同正脈沖寬度的碼元來代表二進(jìn)制0、1和位置標(biāo)志位(P)，見圖1.2.2-1。
         
             為便于理解，圖1.2.2-2給出了某個IRIG-B時間幀的輸出例子。其中的秒、分、時、天(自當(dāng)年1月1日起天數(shù))用BCD碼表示，控制功能碼(Control Functions，CF)和標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制當(dāng)天秒數(shù)碼(Straight Binary Seconds Time of Day，SBS)則以一串二進(jìn)制“0”填充(CF和SBS可選用，本例未采用)。
2.2.3 RS-232/RS-422/RS-485輸出
    此時鐘輸出通過EIA標(biāo)準(zhǔn)串行接口發(fā)送一串以ASCII碼表示的日期和時間報文，每秒輸出一次。時間報文中可插入奇偶校驗(yàn)、時鐘狀態(tài)、診斷信息等。此輸出目前無標(biāo)準(zhǔn)格式，下圖為一個用17個字節(jié)發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時間的實(shí)例：
         

2.2.4 NTP網(wǎng)絡(luò)對時輸出

NTP 協(xié)議全稱網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（Network Time Procotol）它的目的是在國際互聯(lián)網(wǎng)上傳遞統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的時間。具體的實(shí)現(xiàn)方案是在網(wǎng)絡(luò)上指定個時鐘源設(shè)備，為網(wǎng)絡(luò)中的計算機(jī)提供授時服務(wù)，通過這個時鐘源產(chǎn)品可以使網(wǎng)絡(luò)中的眾多電腦和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都保持時間同步，其精度高達(dá)毫秒級。

通過上面的介紹我們了解了DCS系統(tǒng)和GPS時鐘裝置，下面結(jié)合DCS現(xiàn)場實(shí)例來分析；
三、DCS系統(tǒng)現(xiàn)場時鐘同步應(yīng)用分析
3.1 DCS系統(tǒng)現(xiàn)場

DCS系統(tǒng)內(nèi)有眾多需與GPS時鐘同步的系統(tǒng)或裝置，如DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、故障錄波器、微機(jī)保護(hù)裝置等。由于現(xiàn)場設(shè)備的復(fù)制性，GPS時鐘一般可配置不同數(shù)量、模塊化輸出形式，這樣可為后期的維護(hù)和再增需求留有余地。

3.2西門子TXP-DCS系統(tǒng)時鐘同步方式分析
    這里以西門子公司的TXP-DCS系統(tǒng)為例，看一下DCS內(nèi)部及時鐘是如何同步的。
    
    TXP系統(tǒng)總線是以CSMA/CD為基礎(chǔ)的以太網(wǎng)，在總線上有二個主時鐘：實(shí)時發(fā)送器(RTT)和一塊AS620和CP1430通訊/時鐘卡。正常情況下，RTT作為TXP系統(tǒng)的主時鐘，當(dāng)其故約40s后，作為備用時鐘的CP1430將自動予以替代(實(shí)際上在ES680上可組態(tài)2塊)CP1430作為后備主時鐘)。見圖2-1。
    RTT可自由運(yùn)行(free running)，也可與外部GPS時鐘通過TTY接口(20mA電流回路)同步。與GPS時鐘的同步有串行報文(長32字節(jié)、9600波特、1個啟動位、8個數(shù)據(jù)位、2個停止位)和秒/分脈沖二種方式。
    RTT在網(wǎng)絡(luò)層生成并發(fā)送主時鐘對時報文，每隔10s向電廠總線發(fā)送一次。RTT發(fā)送時間報文最多等待1ms。如在1ms之內(nèi)無法將報文發(fā)到總線上，則取消本次時間報文的發(fā)送：如報文發(fā)送過程被中斷，則立即生成一個當(dāng)前時間的報文。時鐘報文具有一個多播地址和特殊幀頭，日期為從1984.01.01至當(dāng)天的天數(shù)，時間為從當(dāng)天00：00：00，000h至當(dāng)前的ms值，分辨率為10ms。
    OM650從電廠總線上獲取時間報文。在OM650內(nèi)，使用Unix功能將時間傳送給終端總線上的SU、OT等。通常由一個PU作為時間服務(wù)器，其他OM650設(shè)備登錄為是境客戶。
    AS620的AP在啟動后，通過調(diào)用“同步”功能塊，自動與CP1430實(shí)現(xiàn)時鐘同步。然后CP1430每隔6s與AP對時。
    TXP時鐘的精度如下：
    
    從上述TXP時鐘同步方式及時鐘精度可以看出，TXP系統(tǒng)內(nèi)各進(jìn)鐘采用的是主從分級同步方式，即下級時鐘與上級時鐘同步，越是上一級的時鐘其精度越高。
四、DCS系統(tǒng)時鐘接線及系統(tǒng)拓?fù)浣榻B

4.1時鐘同步接線分析

DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上的主時鐘與各設(shè)備間通過“硬接線”方式進(jìn)行同步。一般通過DCS某站點(diǎn)內(nèi)的時鐘同步卡（即設(shè)備的對時接口）接受GPS時鐘輸出的標(biāo)準(zhǔn)時間編碼、硬件。例如，如在接受端是RS-232輸出的ASCII碼字節(jié)，GPS主時鐘必須輸出同樣格式的字節(jié)信號，同時我司GPS主時鐘所有輸出接口（除B碼）均可提供可編程接口，現(xiàn)場設(shè)備廠家提供接口通信格式，結(jié)下來的事情全交給我們，舉例說明：

某廠DCS系統(tǒng)基本情況是：＃704、＃705機(jī)組DCS系統(tǒng)是RS232/RS485接口；220kV母差保護(hù)、110kV母差保護(hù)、220kV線路保護(hù)、110kV五條線路保護(hù)的對時接口均是脈沖接口；微機(jī)穩(wěn)定控制裝置、220kV故障錄波器、110kV故障錄波器是脈沖接口；該系統(tǒng)的＃704、＃705機(jī)組DCS系統(tǒng)使用配備RS232C接口的對時集線器對其所管轄的設(shè)備提供對時信號，故接入DCS的鍋爐、汽機(jī)等輔機(jī)系統(tǒng)可從DCS系統(tǒng)獲得標(biāo)準(zhǔn)的時標(biāo)；該廠的＃704、＃705機(jī)發(fā)變組保護(hù)由于投運(yùn)時間較早，不具備對時接口，也沒有空閑的接口用于對時；其它的保護(hù)和自動裝置未配置對時接口。

根據(jù)以上情況，需配置：2路RS232串口輸出、2路RS485串口輸出，4路IRIG-B信號，4路分脈沖1PPM信號，2路秒脈沖1PPS信號；建議增設(shè)1路NTP網(wǎng)絡(luò)對時接口為DCS服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)提供時間基準(zhǔn)。4.2 DCS系統(tǒng)拓?fù)浣榻B

下面我們通過DCS系統(tǒng)拓?fù)鋱D來介紹：

上圖分兩大部分：紅線為信息管理網(wǎng)、藍(lán)線為終端通訊網(wǎng)；

分析信息管理部分網(wǎng)絡(luò)環(huán)境， 如大型DCS系統(tǒng)其圖只是一小部分，但再大的系統(tǒng)也是由這樣的小部分組成；大DCS系統(tǒng)首先要考慮所有的小部分網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是否互通，如互通采用1路NTP網(wǎng)絡(luò)對時接口即可，將此網(wǎng)絡(luò)接口配置唯一IP作為時間服務(wù)器，圖中各站點(diǎn)作為客戶端時刻跟時間服務(wù)器保持時間一致；如不互通，各個部分信息孤島，數(shù)據(jù)完全物理隔離，那么有多少這樣的小部分就應(yīng)采用多少路NTP網(wǎng)絡(luò)對時接口，這種情況基本很少；

分析終端通訊部分網(wǎng)絡(luò)環(huán)境， 首先要知道要時間同步終端的數(shù)量，各個終端對時接口類型及通信格式，接下來就是通過圖中I\O總線連接主時鐘，主時鐘接口為端子形式（如下圖）建議使用屏蔽線，GPS主時鐘設(shè)計為插卡式結(jié)構(gòu)，根據(jù)客戶需求任意組合所需板卡，共可插7塊板卡，如此數(shù)量還不能滿足DCS系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)，可從擴(kuò)展接口上增加擴(kuò)展裝置，來滿足現(xiàn)場接口數(shù)量要求；

五、結(jié)束語
5.1 目前各控制系統(tǒng)已不再是各自獨(dú)立的信息孤島，大量的實(shí)時數(shù)據(jù)需在不同地方打上時戳，然后送至SIS、MIS，用于各種應(yīng)用中。因此，在設(shè)計中應(yīng)仔細(xì)考慮各種系統(tǒng)的時鐘同步方案。
5.2 在DCS設(shè)計中不僅要注意了解系統(tǒng)主、從時鐘的絕對對時精度，更應(yīng)重視時鐘之間的相對誤差。因?yàn)槿缫獙?/span>SOE點(diǎn)分散設(shè)計的同時又不過分降低事件分辨率，其關(guān)鍵就在于各時鐘的偏差應(yīng)盡可能小。
5.3 完全有理由相信，隨著網(wǎng)絡(luò)時鐘同步技術(shù)的不斷發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)各時鐘進(jìn)行高精度的同步將變得十分平常。今后各系統(tǒng)的對時準(zhǔn)確性將大大提高，像SOE點(diǎn)分散設(shè)計這種基于高精確度時鐘的應(yīng)用將會不斷出現(xiàn)。

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