GPS對時裝置（衛星時鐘裝置）讓DCS控制系統更精準

GPS對時裝置（衛星時鐘裝置）讓DCS控制系統更精準

GPS對時裝置（衛星時鐘裝置）讓DCS控制系統更精準

前言

    隨著計算機和網路通訊技術的飛速發展，各行業自動化系統數字化、網路化的時代已經到來。這一方面為各控制和資訊系統之間的資料交換、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資料時間標籤的準確性也提出了更高的要求、使用價格並不昂貴的 GPS 時鐘來統一各種系統的時鐘，已是目前各大系統設計中採用的標準做法。如大型的機組分散控制系統 (DCS) 、輔助系統可程式設計控制器 (PLC) 、廠級監控資訊系統 (SIS) 、廠站的管理資訊系統 (MIS) 等的主時鐘透過合適的 GPS 時鐘訊號介面，得到標準的 TOD( 年月日時分秒 ) 時間，然後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範圍內，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是分散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訊網路為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機，通訊、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系統硬體共分三大部分：通訊網路、人系統介面（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訊號是由工作站所產生的，由於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鍾每月大約會產生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。要採用人工定期校準DCS系統時間座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、歸檔資料丟失等故障，使工作站歷史紀錄功能紊亂。也由於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。各種裝置大多數採用各自獨立的時鐘，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資料分析，不利於市場化的綜合效益分析。各種對時裝置同時存在不利於現場執行維護。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時間基準下的執行監控和故障分析。

二、 GPS 時鐘及訊號輸出
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 顆衛星執行在 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訊號，透過計算得出 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 衛星的訊號，計算出自己所在的三維位置。在已經得出具體位置後， GPS 時鐘只要接受到 1 顆 GPS 衛星訊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，有儘可能短的冷、熱啟動時間，有高精度、可靈活配置的時鐘輸出訊號。
2.2 GPS 時鐘訊號輸出
    目前， DCS 系統用到的 GPS 時鐘輸出訊號主要有以下四種型別：
2.2.1 1PPS/1PPM 輸出
    此格式時間訊號每秒或每分時輸出一個脈衝。顯然，時鐘脈衝輸出不含具體時間資訊。
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 訊號每秒輸出一幀 (1fps) ，每幀長為一秒。一幀共有 100 個碼元 (100pps) ，每個碼元寬 10ms ，由不同正脈衝寬度的碼元來代表二進位制 0 、 1 和位置標誌位 (P) ，見圖 1.2.2-1 。       
             

為便於理解，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 碼錶示，控制功能碼 (Control Functions ， CF) 和標準二進位制當天秒數碼 (Straight Binary Seconds Time of Day ， SBS) 則以一串二進位制 “0” 填充 (CF 和 SBS 可選用，本例未採用 ) 。
2.2.3 RS-232/RS-422/RS-485 輸出
    此時鐘輸出透過 EIA 標準序列介面傳送一串以 ASCII 碼錶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、診斷資訊等。此輸出目前無標準格式，下圖為一個用 17 個位元組傳送標準時間的例項：
         

2.2.4 NTP 網路對時輸出

NTP 協議全稱網路時間協議（Network Time Procotol）它的目的是在國際網際網路上傳遞統一、標準的時間。具體的實現方案是在網路上指定個時鐘源裝置，為網路中的計算機提供授時服務，透過這個時鐘源產品可以使網路中的眾多電腦和網路裝置都保持時間同步，其精度高達毫秒級。

透過上面的介紹我們瞭解了 DCS 系統和 GPS 時鐘裝置，下面結合 DCS 現場例項來分析；
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。由於現場裝置的複製性， GPS 時鐘一般可配置不同數量、模組化輸出形式，這樣可為後期的維護和再增需求留有餘地。

3.2 西門子TXP-DCS系統時鐘同步方式分析
    這裡以西門子公司的 TXP-DCS 系統為例，看一下 DCS 內部及時鐘是如何同步的。
    
    TXP 系統匯流排是以 CSMA/CD 為基礎的乙太網，在匯流排上有二個主時鐘：實時傳送器 (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 後，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 作為後備主時鐘 ) 。見圖 2-1 。
    RTT 可自由執行 (free running) ，也可與外部 GPS 時鐘透過 TTY 介面 (20mA 電流回路 ) 同步。與 GPS 時鐘的同步有序列報文 ( 長 32 位元組、 9600 波特、 1 個啟動位、 8 個資料位、 2 個停止位 ) 和秒 / 分脈衝二種方式。
    RTT 在網路層生成併傳送主時鐘對時報文，每隔 10s 向電廠匯流排傳送一次。 RTT 傳送時間報文最多等待 1ms 。如在 1ms 之內無法將報文發到匯流排上，則取消本次時間報文的傳送：如報文傳送過程被中斷，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，解析度為 10ms 。
    OM650 從電廠匯流排上獲取時間報文。在 OM650 內，使用 Unix 功能將時間傳送給終端匯流排上的 SU 、 OT 等。通常由一個 PU 作為時間伺服器，其他 OM650 裝置登入為是境客戶。
    AS620 的 AP 在啟動後，透過呼叫 “ 同步 ” 功能塊，自動與 CP1430 實現時鐘同步。然後 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 系統內各進鍾採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 系統網路上的主時鐘與各裝置間透過 “ 硬接線 ” 方式進行同步。一般透過 DCS 某站點內的時鐘同步卡（即裝置的對時介面）接受 GPS 時鐘輸出的標準時間編碼、硬體。例如，如在接受端是 RS-232 輸出的 ASCII 碼位元組， GPS 主時鐘必須輸出同樣格式的位元組訊號，同時我司 GPS 主時鐘所有輸出介面（除 B 碼）均可提供可程式設計介面，現場裝置廠家提供介面通訊格式，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介面；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介面均是脈衝介面；微機穩定控制裝置、220kV故障錄波器、110kV故障錄波器是脈衝介面；該系統的＃704、＃705機組DCS系統使用配備RS232C介面的對時集線器對其所管轄的裝置提供對時訊號，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機發變組保護由於投運時間較早，不具備對時介面，也沒有空閒的介面用於對時；其它的保護和自動裝置未配置對時介面。

根據以上情況，需配置： 2 路 RS232 串列埠輸出、 2 路 RS485 串列埠輸出， 4 路 IRIG-B 訊號， 4 路分脈衝 1PPM 訊號， 2 路秒脈衝 1PPS 訊號；建議增設 1 路 NTP 網路對時介面為 DCS 伺服器網路提供時間基準。 4.2 DCS 系統拓撲介紹

下面我們透過 DCS 系統拓撲圖來介紹：

上圖分兩大部分：紅線為資訊管理網、藍線為終端通訊網；

分析資訊管理部分網路環境， 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路資料是否互通，如互通採用 1 路 NTP 網路對時介面即可，將此網路介面配置唯一 IP 作為時間伺服器，圖中各站點作為客戶端時刻跟時間伺服器保持時間一致；如不互通，各個部分資訊孤島，資料完全物理隔離，那麼有多少這樣的小部分就應採用多少路 NTP 網路對時介面，這種情況基本很少；

分析終端通訊部分網路環境， 首先要知道要時間同步終端的數量，各個終端對時介面型別及通訊格式，接下來就是透過圖中 I\O 匯流排連線主時鐘，主時鐘介面為端子形式（如下圖）建議使用遮蔽線， 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，可從擴充套件介面上增加擴充套件裝置，來滿足現場介面數量要求；

五、結束語
5.1 目前各控制系統已不再是各自獨立的資訊孤島，大量的實時資料需在不同地方打上時戳，然後送至 SIS 、 MIS ，用於各種應用中。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 設計中不僅要注意瞭解系統主、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解析度，其關鍵就在於各時鐘的偏差應儘可能小。
5.3 完全有理由相信，隨著網路時鐘同步技術的不斷髮展，透過網路對系統各時鐘進行高精度的同步將變得十分平常。今後各系統的對時準確性將大大提高，像 SOE 點分散設計這種基於高精確度時鐘的應用將會不斷出現。