GPS時鐘系統
GPS時鐘系統是壹種高科技產品，用於為自動化系統中的計算機和控制設備計時。GPS數字產品從GPS衛星獲得標準時間信號，並通過各種接口類型將這些信息傳輸到自動化系統中的設備(計算機、保護裝置、故障錄波器、事件順序記錄器、安全自動裝置和遠程RTU)，從而實現整個系統的時間同步。隨著計算機和網絡通信技術的飛速發展，火電廠熱工自動化系統的數字化和網絡化時代已經到來。壹方面為各種控制和信息系統之間的數據交換、分析和應用提供了更好的平臺，另壹方面也對各種實時和歷史數據時間戳的準確性提出了更高的要求。用便宜的GPS時鐘統壹全廠各系統的時鐘。
俊峰葉巍公司時鐘系統圖片
，已成為火力發電廠設計中采用的標準做法。發電廠中的分散控制系統(DCS)、輔助系統可編程控制器(PLC)、廠級監控信息系統(SIS)和電廠管理信息系統(MIS)的主時鐘通過合適的GPS時鐘信號接口獲得標準的TOD(年、月、日、分、秒)時間，然後根據各自的時鐘同步機制，將系統中的從時鐘偏差限制在足夠小的範圍內，從而實現全廠時鐘同步。1.GPS時鐘和輸出1.1 GPS時鐘全球定位系統(GPS)由美國國防部於1978年發射的壹組衛星組成。* * *有24顆衛星在6個地心軌道平面上運行。按照時間和地點，地球上可見的衛星數量壹直是4到160。GPS時鐘是壹種接收設備，接收GPS衛星發射的低功率無線電信號，計算GPS時間。為了獲得精確的GPS時間，GPS時鐘必須首先從至少四顆GPS衛星接收信號，並計算其三維位置。得到具體位置後，GPS時鐘只要接收到1個GPS衛星信號，就能保證時鐘的精度。作為火電廠的標準時鐘，我們對GPS時鐘的基本要求是:至少能同時跟蹤8顆衛星，冷熱啟動時間盡可能短，配備備用電池，時鐘輸出信號高精度、靈活。1.2 GPS時鐘信號輸出目前電廠使用的GPS時鐘輸出信號主要有三種:1.2 . 1 PPS/1 ppm。這種格式的時間信號每秒或每分鐘輸出壹個脈沖。顯然，時鐘脈沖輸出不包含特定的時間信息。1.2.2 IRIG-B輸出IRIG(美國靶場儀器組)* *有A、B、D、E、G、H幾種編碼標準(IRIG標準200-98)。其中，IRIG-B編碼在時鐘同步應用中應用最為廣泛，包括bc電平移位(DC碼)、1kHz正弦載波調幅(交流碼)等格式。IRIG-B信號每秒輸出壹幀(1fps)，每幀長壹秒。壹個幀* * *有100個符號(100pps)，每個符號的寬度為10ms。二進制0，1和位置標誌(P)用不同正脈沖寬度的符號表示，如圖1.2.2-65442所示。為了便於理解，圖1.2.2-2給出了壹個IRIG-B時間幀的輸出示例。其中，秒、分、小時和日(65438年6月+65438年10月+0日以來的天數)用BCD碼表示，而控制函數(CF)和標準二進制秒時(SBS)用壹系列二進制零填充(CF和SBS是可選的，但在本例中不使用)。1 . 2 . 3 RS-232/RS-422/RS-485輸出該時鐘輸出通過EIA標準串行接口發送壹串ASCII碼的日期時間報文，每秒輸出壹次。奇偶校驗、時鐘狀態、診斷信息等。可以插入到時間消息中。目前這種輸出沒有標準格式。下圖以17字節發送標準時間為例:1.3 GPS時鐘在電力自動化系統中的應用。電力自動化系統中需要與GPS時鐘同步的系統或設備很多，如DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、故障錄波器、微機保護裝置等。確定GPS時鐘需要註意以下幾點:(1)這些系統屬於熱控、電氣、系統專業。如果決定由DCS廠家提供的GPS時鐘實現時間同步(目前通行的做法)，則應在DCS合同談判前進行專業間的配合，確定時鐘信號接口的要求。(通常，GPS時鐘可以配置不同數量和類型的輸出模塊。如果不能提前確定相關要求，在相應的合同條款中應有調整的余地。(2)各系統* * *是否使用壹套GPS時鐘設備，應根據系統時鐘接口協調的難易程度和系統所處的地理位置綜合考慮。如果不同專業之間對GPS時鐘信號的接口類型或精度要求有較大差異，可以配置自己的GPS時鐘，這樣可以減少專業之間的相互制約，使各系統的時鐘同步方案更容易實現。此外，當系統相距較遠時(如化學水處理車間和脫硫車間距離集控樓較遠)，為了減少時鐘信號遠距離傳輸帶來的電磁幹擾，也可在現場設置壹個GPS時鐘。單獨的GPS時鐘也有利於減少時鐘故障帶來的影響。(3)IRIG-B碼具有高可靠性和標準接口。如果時鐘同步接口是可選的，可以先使用。但需要註意的是，IRIG-B只是B類碼的統稱，根據編碼是否調制，是否有CF、SBS等分為很多類型(如IRIG-B000)。因此，時鐘接收器應配備相應的解碼卡，否則無法實現精確的時鐘同步。(4)1PPS/1PPM脈沖不傳輸TOD信息，但同步精度高，常用於SOE模塊的時鐘同步。雖然廣泛使用RS-232時間輸出，但由於缺乏標準格式，需要特別註意確認時鐘信號發送方和接收方的時鐘報文格式是否能達成壹致。(5)火電廠中的控制和信息系統雖然是互聯的，但是各個系統的時鐘同步協議可能不同，所以仍然需要單獨接入GPS時鐘信號。即使是網橋連接的DCS和公用DCS，如果時鐘同步信號在網絡中有較大延遲，也要考慮分別與GPS時鐘同步。二、西門子TELEPERMXP時鐘同步方法這裏以西門子TXP系統為例，看看DCS和時鐘是如何同步的。TXP電廠總線是基於CSMA/CD的以太網，總線上有兩個主時鐘:實時發送器(RTT)和壹個AS620和CP1430的通信/時鐘卡。正常情況下，RTT是TXP系統的主時鐘。當它死了40秒左右，作為備份時鐘的CP1430會自動替換(其實在ES680上可以配置兩塊)。參見圖2-1。RTT可以自由運行或通過TTY接口(20mA電流回路)與外部GPS時鐘同步。與GPS時鐘同步包括串行消息(32字節長，9600波特，1起始位，8數據位和2停止位)和秒/分鐘脈沖。RTT在網絡層生成並發送主時鐘同步消息，每隔10秒發送到電廠總線。RTT發送時間信息最多可以等待1ms。如果消息不能在1ms內發送到總線，則取消本次消息的發送；如果消息發送過程中斷，將立即生成當前時間的消息。時鐘報文有組播地址和特殊的幀頭，日期從1984.01到當天的天數，時間從當天的00: 00: 00，000 h到當前的ms值，分辨率為10 ms，OM650從電廠總線獲取時間報文。在OM650中，Unix函數用於向SU、OT等傳輸時間。在終點站公共汽車上。通常，PU用作時間服務器，其他OM650設備作為入站客戶登錄。AS620的AP在啟動後通過調用“同步”功能塊自動實現與CP1430的時鐘同步。然後CP1430每6s與AP同步壹次。TXP時鐘的精度如下:從上面提到的TXP時鐘同步方式和時鐘精度可以看出，TXP系統中每個進來的時鐘都采用主從分層同步方式，即下位時鐘與上位時鐘同步，精度越高。三、時鐘和時鐘同步誤差3.1時鐘誤差眾所周知，電腦時鐘壹般采用石英晶體振蕩器。晶體振蕩器連續產生壹定頻率的時鐘脈沖，計數器累加這些脈沖得到時間值。由於時鐘振蕩器的脈沖受環境溫度、負載分擔電容、激勵電平、晶體老化等諸多不穩定因素的影響，時鐘本身不可避免地存在誤差。例如，壹個精度為20ppm的鐘的小時誤差為(1×60×60×1000 ms)×(20/10.6)= 72 ms，壹天的累計誤差可達1.73s；如果工作環境溫度從額定的25℃變為45℃，將增加25ppm的額外誤差。由此可見，DCS中的時鐘如果不定時同步，其自由運行壹段時間後的誤差在系統應用中可以達到無法承受的程度。隨著晶體振蕩器制造技術的發展，在需要高精度時鐘的應用中，有各種高穩定度的晶體振蕩器可供選擇，如TCXO(溫度補償晶體振蕩器)、VCXO(壓控晶體振蕩器)和OCXO(恒溫晶體振蕩器)。3.2時鐘同步誤差如果分析類似TXP的時鐘同步方法，不難發現，時鐘自上而下同步過程中產生的DCS絕對授時誤差可以由以下三部分組成:3.2 . 1 GPS時鐘與衛星發射的UTC(協調世界時)之間的誤差，由GPS時鐘的精度決定。對於1PPS的輸出，以脈沖前沿為點狀沿，精度壹般在幾十ns到1μs之間；以IRIG-B碼和RS-232的串行輸出為例，基於1PPS的前沿或參考符號開頭與前沿的偏差，中科院國家授時中心地面時鐘產品的同步精度分別為0.3μs和0.2ms。3 . 2 . 2 DCS主時鐘和GPS時鐘同步錯誤DCS網絡上的主時鐘和GPS時鐘是通過“硬連線”同步的。通常，標準時間編碼和GPS時鐘輸出的硬件通過DCS站中的時鐘同步卡接收。例如，如果在接收端補償RS-232輸出的ASCII碼字節的發送延遲，或者如果用符號載波周期計數或高頻pin相位的解碼卡對IRIG-B碼進行編碼，則主時鐘和GPS時鐘之間的同步精度可以達到很高的精度。3 . 2 . 3 DCS各站主、從時鐘同步誤差各站DCS主、從時鐘通過網絡同步，時鐘報文的發送、傳播和處理存在時間延遲。如下圖所示:(1)在主時鐘產生並發送時間報文時，內核協議處理，操作系統對同步請求的調用開銷，發送時間報文到網絡通信接口的時間等。(2)時間報文上線前，必須等待網絡空閑(針對以太網)再重發，以防沖突；(3)上網後，時間報文需要在壹定時間內通過DCS網絡介質從主時鐘端傳輸到從時鐘端(電磁波在光纖中的傳播速度是光速的2/3，對於DCS局域網來說，傳播延遲是幾百ns，可以忽略不計)；(4)從時鐘終端的網絡通信接口確認是時間報文後，需要時間接受報文，記錄報文到達時間，發送中斷請求，計算並校正從時鐘等。這些延遲或多或少會導致DCS的主時鐘和從時鐘之間以及從時鐘之間的時間同步誤差。當然，不同的DCS網絡類型，不同的時鐘通信協議，不同的同步算法，都會使網絡授時的同步精度不同。以上分析只是基於壹般原理。事實上，隨著人們對網絡時鐘同步技術的不懈研究，各種復雜但高效、高精度的時鐘同步協議和算法已經出現並在實踐中得到應用。例如，互聯網上廣泛使用的網絡時間協議(NTP)已經能夠在DCS局域網(如GE的IC集散控制系統)上提供1 ms的授時精度，而基於IEEE1588的標準精確時間協議(PTP)可以實時同步以太網上的主從時鐘。四、時鐘精度和SOE設計雖然DCS中壹般開關的掃描速率已經達到了1 ms，但為了滿足SOE分辨率≤1 ms的要求，長期以來人們壹直沿用這種設計方法，即將所有SOE點置於壹個控制器下，將事件觸發的開關信號硬連線到SOE模塊中。原因是不同控制器的時鐘存在壹定的誤差。對此，西門子描述了其TXP系統中FUN B模塊分散配置的工程實踐，但無法實現1ms SOE對不同步時鐘的SOE解析，甚至由於近100 ms的時鐘差導致SOE事件記錄順序顛倒..那麽，如何在不過度降低SOE分辨率的情況下，滿足項目對SOE分散化設計的要求(例如設置公共DCS後，機組的SOE應與公共系統的SOE分離，或者想進入控制器的MFT和ETS的跳閘信號可用於SOE而不輸出再返回SOE模塊)？通過對DCS產品的分析不難發現，通常的方法是將控制器或SOE模塊的時鐘直接與外部GPS時鐘信號同步。例如在ABB Symphony中，SOEServerNode(壹般位於公共DCS網絡上)的守時主模塊(INTKM01)接受IRIG-B時間編碼，其產生的RS-485時鐘同步信號鏈接到各控制器(HCU)的SOE時間同步模塊(LPD250A)，其板載硬件定時器時鐘可外接65430。再比如，Max 1000+Plus的分布式處理單元(DPU 4E)可以和IRIG-B同步，這樣DPU的DI點可以同時作為SOE使用。由於采用了1PPM或RS-485的“外同步”和IRIG-B硬線時鐘，避免了網絡同步後DCS時鐘精度仍然較差的問題，使控制時鐘可以相互同步。可見，SOE的設計方案應結合工程設計中DCS的特點來確定。1ms的開關掃描速率或1ms的控制器(或SOE模塊)時鐘相對誤差不能等同於1ms的SOE分辨率，從而簡單地將SOE點分散在整個系統中。同時需要註意的是，雖然SOE點“分散”的分辨率低於“集中”的分辨率，但只要時鐘的相對誤差很小(例如離1ms相差壹個數量級)，就完全可以滿足電廠事故分析的實際需要。五、結論5.1目前火電廠的控制系統不再是壹個個獨立的信息孤島，大量的實時數據需要在異地打上時間戳，然後發送到SIS和MIS進行各種應用。因此，在設計中應仔細考慮各種系統的時鐘同步方案以及要達到的時鐘同步精度。5.2在DCS的設計中，不僅要註意主、從時鐘的絕對計時精度，還要註意時鐘之間的相對誤差。因為要想在不過度降低事件分辨率的情況下，分散設計SOE點，關鍵是每個時鐘的偏差要盡可能小。5.3完全有理由相信，隨著網絡時鐘同步技術的不斷發展，通過網絡高精度同步系統的時鐘將變得非常普遍。未來電廠各系統的授時精度將大幅提升，基於高精度時鐘的應用，如SOE點分散設計等將不斷出現。