GPS衛星時鐘（衛星對時服務器）在DCS集散控制系統應用方案

前言

    隨著計算機和網絡通信技術的飛速發展，各行業自動化系統數字化、網絡化的時代已經到來。這一方面為各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、另一方面對各種實時和歷史數據時間標簽的準確性也提出了更高的要求、使用價格并不昂貴的GPS時鐘來統一各種系統的時鐘，已是目前各大系統設計中采用的標準做法。如大型的機組分散控制系統(DCS)、輔助系統可編程控制器(PLC)、廠級監控信息系統(SIS)、廠站的管理信息系統(MIS)等的主時鐘通過合適的GPS時鐘信號接口，得到標準的TOD(年月日時分秒)時間，然后按各自的時鐘同步機制，將系統內的從時鐘偏差限定在足夠小的范圍內，從而達到整個系統的時鐘同步。

一、 DCS集散控制系統時鐘同步

1.1 DCS集散控制系統

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

1.2 DCS系統時鐘同步意義

    DCS集散控制系統的時鐘改造前同步信號是由工作站所產生的，由于計算機時鐘都會有秒漂移導致工作站時間基準不夠精確，其他工作站也不例外。因此DCS系統的時間和標準時鐘每月大約會產生6~10分鐘的積累誤差。這些誤差會造成系統報警、SOE順序事故記錄、趨勢記錄等不能正確記錄事件發生的正確時間。要采用人工定期校準DCS系統時間坐標的方式來調準時鐘，但頻繁的調整易造成歷史趨勢記錄錯誤、歸檔數據丟失等故障，使工作站歷史紀錄功能紊亂。也由于建廠初期引進了不同廠家的自動化裝置、微機保護裝置、故障錄波裝置、電能量計費系統、計算機監控系統、DCS系統、以及輸煤、除灰等控制裝置。各種裝置大多數采用各自獨立的時鐘，而各時鐘都有一定的偏差。各系統不能在統一時間基準的基礎上進行數據分析，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場運行維護。DCS一體化改造時若各系統實施統一的GPS對時方案，可實現對整個系統在GPS時間基準下的運行監控和故障分析。

二、GPS時鐘及信號輸出
2.1 GPS時鐘
    全球定位系統(Global Positioning System，GPS)由一組美國國防部在1978年開始陸續發射的衛星所組成，共有24顆衛星運行在6個地心軌道平面內，根據時間和地點，地球上可見的衛星數量一直在4顆至11顆之間變化。GPS時鐘是一種接受GPS衛星發射的低功率無線電信號，通過計算得出GPS時間的接受裝置。為獲得準確的GPS時間，GPS時鐘必須先接受到至少4顆GPS衛星的信號，計算出自己所在的三維位置。在已經得出具體位置后，GPS時鐘只要接受到1顆GPS衛星信號就能保證時鐘的走時準確性。作為DCS系統的時鐘標準，我們對GPS時鐘的基本要求是：至少能同時跟蹤8顆衛星，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幾種編碼標準(IRIG Standard 200-98)。其中在時鐘同步應用中使用最多的是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制0、1和位置標志位(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(自當年1月1日起天數)用BCD碼表示，控制功能碼(Control Functions，CF)和標準二進制當天秒數碼(Straight Binary Seconds Time of Day，SBS)則以一串二進制“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標準串行接口發送一串以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、時鐘狀態、診斷信息等。此輸出目前無標準格式，下圖為一個用17個字節發送標準時間的實例：
         

2.2.4 NTP網絡對時輸出

NTP 協議全稱網絡時間協議（Network Time Procotol）它的目的是在國際互聯網上傳遞統一、標準的時間。具體的實現方案是在網絡上指定個時鐘源設備，為網絡中的計算機提供授時服務，通過這個時鐘源產品可以使網絡中的眾多電腦和網絡設備都保持時間同步，其精度高達毫秒級。

通過上面的介紹我們了解了DCS系統和GPS時鐘裝置，下面結合DCS現場實例來分析；
三、DCS系統現場時鐘同步應用分析
3.1 DCS系統現場

DCS系統內有眾多需與GPS時鐘同步的系統或裝置，如DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、故障錄波器、微機保護裝置等。由于現場設備的復制性，GPS時鐘一般可配置不同數量、模塊化輸出形式，這樣可為后期的維護和再增需求留有余地。

3.2西門子TXP-DCS系統時鐘同步方式分析
    這里以西門子公司的TXP-DCS系統為例，看一下DCS內部及時鐘是如何同步的。
    
    TXP系統總線是以CSMA/CD為基礎的以太網，在總線上有二個主時鐘：實時發送器(RTT)和一塊AS620和CP1430通訊/時鐘卡。正常情況下，RTT作為TXP系統的主時鐘，當其故約40s后，作為備用時鐘的CP1430將自動予以替代(實際上在ES680上可組態2塊)CP1430作為后備主時鐘)。見圖2-1。
    RTT可自由運行(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、9600波特、1個啟動位、8個數據位、2個停止位)和秒/分脈沖二種方式。
    RTT在網絡層生成并發送主時鐘對時報文，每隔10s向電廠總線發送一次。RTT發送時間報文最多等待1ms。如在1ms之內無法將報文發到總線上，則取消本次時間報文的發送：如報文發送過程被中斷，則立即生成一個當前時間的報文。時鐘報文具有一個多播地址和特殊幀頭，日期為從1984.01.01至當天的天數，時間為從當天00：00：00，000h至當前的ms值，分辨率為10ms。
    OM650從電廠總線上獲取時間報文。在OM650內，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作為時間服務器，其他OM650設備登錄為是境客戶。
    AS620的AP在啟動后，通過調用“同步”功能塊，自動與CP1430實現時鐘同步。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系統內各進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系統時鐘接線及系統拓撲介紹

4.1時鐘同步接線分析

DCS系統網絡上的主時鐘與各設備間通過“硬接線”方式進行同步。一般通過DCS某站點內的時鐘同步卡（即設備的對時接口）接受GPS時鐘輸出的標準時間編碼、硬件。例如，如在接受端是RS-232輸出的ASCII碼字節，GPS主時鐘必須輸出同樣格式的字節信號，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，現場設備廠家提供接口通信格式，結下來的事情全交給我們，舉例說明：

某廠DCS系統基本情況是：＃704、＃705機組DCS系統是RS232/RS485接口；220kV母差保護、110kV母差保護、220kV線路保護、110kV五條線路保護的對時接口均是脈沖接口；微機穩定控制裝置、220kV故障錄波器、110kV故障錄波器是脈沖接口；該系統的＃704、＃705機組DCS系統使用配備RS232C接口的對時集線器對其所管轄的設備提供對時信號，故接入DCS的鍋爐、汽機等輔機系統可從DCS系統獲得標準的時標；該廠的＃704、＃705機發變組保護由于投運時間較早，不具備對時接口，也沒有空閑的接口用于對時；其它的保護和自動裝置未配置對時接口。

根據以上情況，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1路NTP網絡對時接口為DCS服務器網絡提供時間基準。4.2 DCS系統拓撲介紹

下面我們通過DCS系統拓撲圖來介紹：

上圖分兩大部分：紅線為信息管理網、藍線為終端通訊網；

分析信息管理部分網絡環境， 如大型DCS系統其圖只是一小部分，但再大的系統也是由這樣的小部分組成；大DCS系統首先要考慮所有的小部分網絡數據是否互通，如互通采用1路NTP網絡對時接口即可，將此網絡接口配置唯一IP作為時間服務器，圖中各站點作為客戶端時刻跟時間服務器保持時間一致；如不互通，各個部分信息孤島，數據完全物理隔離，那么有多少這樣的小部分就應采用多少路NTP網絡對時接口，這種情況基本很少；

分析終端通訊部分網絡環境， 首先要知道要時間同步終端的數量，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主時鐘設計為插卡式結構，根據客戶需求任意組合所需板卡，共可插7塊板卡，如此數量還不能滿足DCS系統現場實現，可從擴展接口上增加擴展裝置，來滿足現場接口數量要求；

五、結束語
5.1 目前各控制系統已不再是各自獨立的信息孤島，大量的實時數據需在不同地方打上時戳，然后送至SIS、MIS，用于各種應用中。因此，在設計中應仔細考慮各種系統的時鐘同步方案。
5.2 在DCS設計中不僅要注意了解系統主、從時鐘的絕對對時精度，更應重視時鐘之間的相對誤差。因為如要將SOE點分散設計的同時又不過分降低事件分辨率，其關鍵就在于各時鐘的偏差應盡可能小。
5.3 完全有理由相信，隨著網絡時鐘同步技術的不斷發展，通過網絡對系統各時鐘進行高精度的同步將變得十分平常。今后各系統的對時準確性將大大提高，像SOE點分散設計這種基于高精確度時鐘的應用將會不斷出現。

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