GPS卫星授时系统（NTP授时服务器）在DCS集散控制系统应用方案

GPS卫星授时系统（NTP授时服务器）在DCS集散控制系统应用方案

前言
    随着计算机和网络通信技术的飞速发展，各行业自动化系统数字化、网络化的时代已经到来。这一方面为各控制和信息系统之间的数据交换、分析和应用提供了更好的平台、另一方面对各种实时和历史数据时间标签的准确性也提出了更高的要求、使用价格并不昂贵的GPS时钟来统一各种系统的时钟，已是目前各大系统设计中采用的标准做法。如大型的机组分散控制系统(DCS)、辅助系统可编程控制器(PLC)、厂级监控信息系统(SIS)、厂站的管理信息系统(MIS)等的主时钟通过合适的GPS时钟信号接口，得到标准的TOD(年月日时分秒)时间，然后按各自的时钟同步机制，将系统内的从时钟偏差限定在足够小的范围内，从而达到整个系统的时钟同步。

一、 DCS集散控制系统时钟同步

1.1 DCS集散控制系统

DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。DCS系统硬件共分三大部分：通信网络、人系统接口（HSI）、现场控制单元（HCU）；

1.2 DCS系统时钟同步意义

    DCS集散控制系统的时钟改造前同步信号是由工作站所产生的，由于计算机时钟都会有秒漂移导致工作站时间基准不够精确，其他工作站也不例外。因此DCS系统的时间和标准时钟每月大约会产生6~10分钟的积累误差。这些误差会造成系统报警、SOE顺序事故记录、趋势记录等不能正确记录事件发生的正确时间。要采用人工定期校准DCS系统时间坐标的方式来调准时钟，但频繁的调整易造成历史趋势记录错误、归档数据丢失等故障，使工作站历史纪录功能紊乱。也由于建厂初期引进了不同厂家的自动化装置、微机保护装置、故障录波装置、电能量计费系统、计算机监控系统、DCS系统、以及输煤、除灰等控制装置。各种装置大多数采用各自独立的时钟，而各时钟都有一定的偏差。各系统不能在统一时间基准的基础上进行数据分析，不利于市场化的综合效益分析。各种对时装置同时存在不利于现场运行维护。DCS一体化改造时若各系统实施统一的GPS对时方案，可实现对整个系统在GPS时间基准下的运行监控和故障分析。

二、GPS时钟及信号输出
2.1 GPS时钟
    全球定位系统(Global Positioning System，GPS)由一组美国国防部在1978年开始陆续发射的卫星所组成，共有24颗卫星运行在6个地心轨道平面内，根据时间和地点，地球上可见的卫星数量一直在4颗至11颗之间变化。GPS时钟是一种接受GPS卫星发射的低功率无线电信号，通过计算得出GPS时间的接受装置。为获得准确的GPS时间，GPS时钟必须先接受到至少4颗GPS卫星的信号，计算出自己所在的三维位置。在已经得出具体位置后，GPS时钟只要接受到1颗GPS卫星信号就能保证时钟的走时准确性。作为DCS系统的时钟标准，我们对GPS时钟的基本要求是：至少能同时跟踪8颗卫星，有尽可能短的冷、热启动时间，有高精度、可灵活配置的时钟输出信号。
2.2 GPS时钟信号输出
    目前，DCS系统用到的GPS时钟输出信号主要有以下四种类型：
2.2.1 1PPS/1PPM输出
    此格式时间信号每秒或每分时输出一个脉冲。显然，时钟脉冲输出不含具体时间信息。
2.2.2 IRIG-B输出
    IRIG(美国the Inter-Range Instrumentation Group)共有A、B、D、E、G、H几种编码标准(IRIG Standard 200-98)。其中在时钟同步应用中使用最多的是IRIG-B编码，有bc电平偏移(DC码)、1kHz正弦载波调幅(AC码)等格式。IRIG-B信号每秒输出一帧(1fps)，每帧长为一秒。一帧共有100个码元(100pps)，每个码元宽10ms，由不同正脉冲宽度的码元来代表二进制0、1和位置标志位(P)，见图1.2.2-1。
         
        
    为便于理解，图1.2.2-2给出了某个IRIG-B时间帧的输出例子。其中的秒、分、时、天(自当年1月1日起天数)用BCD码表示，控制功能码(Control Functions，CF)和标准二进制当天秒数码(Straight Binary Seconds Time of Day，SBS)则以一串二进制“0”填充(CF和SBS可选用，本例未采用)。
2.2.3 RS-232/RS-422/RS-485输出
    此时钟输出通过EIA标准串行接口发送一串以ASCII码表示的日期和时间报文，每秒输出一次。时间报文中可插入奇偶校验、时钟状态、诊断信息等。此输出目前无标准格式，下图为一个用17个字节发送标准时间的实例：
         

2.2.4 NTP网络对时输出

NTP 协议全称网络时间协议（Network Time Procotol）它的目的是在国际互联网上传递统一、标准的时间。具体的实现方案是在网络上指定个时钟源设备，为网络中的计算机提供授时服务，通过这个时钟源产品可以使网络中的众多电脑和网络设备都保持时间同步，其精度高达毫秒级。

通过上面的介绍我们了解了DCS系统和GPS时钟装置，下面结合DCS现场实例来分析；
三、DCS系统现场时钟同步应用分析
3.1 DCS系统现场

DCS系统内有众多需与GPS时钟同步的系统或装置，如DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、故障录波器、微机保护装置等。由于现场设备的复制性，GPS时钟一般可配置不同数量、模块化输出形式，这样可为后期的维护和再增需求留有余地。

3.2西门子TXP-DCS系统时钟同步方式分析
    这里以西门子公司的TXP-DCS系统为例，看一下DCS内部及时钟是如何同步的。

    TXP系统总线是以CSMA/CD为基础的以太网，在总线上有二个主时钟：实时发送器(RTT)和一块AS620和CP1430通讯/时钟卡。正常情况下，RTT作为TXP系统的主时钟，当其故约40s后，作为备用时钟的CP1430将自动予以替代(实际上在ES680上可组态2块)CP1430作为后备主时钟)。见图2-1。
    RTT可自由运行(free running)，也可与外部GPS时钟通过TTY接口(20mA电流回路)同步。与GPS时钟的同步有串行报文(长32字节、9600波特、1个启动位、8个数据位、2个停止位)和秒/分脉冲二种方式。
    RTT在网络层生成并发送主时钟对时报文，每隔10s向电厂总线发送一次。RTT发送时间报文最多等待1ms。如在1ms之内无法将报文发到总线上，则取消本次时间报文的发送：如报文发送过程被中断，则立即生成一个当前时间的报文。时钟报文具有一个多播地址和特殊帧头，日期为从1984.01.01至当天的天数，时间为从当天00：00：00，000h至当前的ms值，分辨率为10ms。
    OM650从电厂总线上获取时间报文。在OM650内，使用Unix功能将时间传送给终端总线上的SU、OT等。通常由一个PU作为时间服务器，其他OM650设备登录为是境客户。
    AS620的AP在启动后，通过调用“同步”功能块，自动与CP1430实现时钟同步。然后CP1430每隔6s与AP对时。
    TXP时钟的精度如下：
    
    从上述TXP时钟同步方式及时钟精度可以看出，TXP系统内各进钟采用的是主从分级同步方式，即下级时钟与上级时钟同步，越是上一级的时钟其精度越高。
四、DCS系统时钟接线及系统拓扑介绍

4.1时钟同步接线分析

DCS系统网络上的主时钟与各设备间通过“硬接线”方式进行同步。一般通过DCS某站点内的时钟同步卡（即设备的对时接口）接受GPS时钟输出的标准时间编码、硬件。例如，如在接受端是RS-232输出的ASCII码字节，GPS主时钟必须输出同样格式的字节信号，同时我司GPS主时钟所有输出接口（除B码）均可提供可编程接口，现场设备厂家提供接口通信格式，结下来的事情全交给我们，举例说明：

某厂DCS系统基本情况是：＃704、＃705机组DCS系统是RS232/RS485接口；220kV母差保护、110kV母差保护、220kV线路保护、110kV五条线路保护的对时接口均是脉冲接口；微机稳定控制装置、220kV故障录波器、110kV故障录波器是脉冲接口；该系统的＃704、＃705机组DCS系统使用配备RS232C接口的对时集线器对其所管辖的设备提供对时信号，故接入DCS的锅炉、汽机等辅机系统可从DCS系统获得标准的时标；该厂的＃704、＃705机发变组保护由于投运时间较早，不具备对时接口，也没有空闲的接口用于对时；其它的保护和自动装置未配置对时接口。

根据以上情况，需配置：2路RS232串口输出、2路RS485串口输出，4路IRIG-B信号，4路分脉冲1PPM信号，2路秒脉冲1PPS信号；建议增设1路NTP网络对时接口为DCS服务器网络提供时间基准。4.2 DCS系统拓扑介绍

下面我们通过DCS系统拓扑图来介绍：

上图分两大部分：红线为信息管理网、蓝线为终端通讯网；

分析信息管理部分网络环境， 如大型DCS系统其图只是一小部分，但再大的系统也是由这样的小部分组成；大DCS系统首先要考虑所有的小部分网络数据是否互通，如互通采用1路NTP网络对时接口即可，将此网络接口配置唯一IP作为时间服务器，图中各站点作为客户端时刻跟时间服务器保持时间一致；如不互通，各个部分信息孤岛，数据完全物理隔离，那么有多少这样的小部分就应采用多少路NTP网络对时接口，这种情况基本很少；

分析终端通讯部分网络环境， 首先要知道要时间同步终端的数量，各个终端对时接口类型及通信格式，接下来就是通过图中I\O总线连接主时钟，主时钟接口为端子形式（如下图）建议使用屏蔽线，GPS主时钟设计为插卡式结构，根据客户需求任意组合所需板卡，共可插7块板卡，如此数量还不能满足DCS系统现场实现，可从扩展接口上增加扩展装置，来满足现场接口数量要求；

五、结束语
5.1 目前各控制系统已不再是各自独立的信息孤岛，大量的实时数据需在不同地方打上时戳，然后送至SIS、MIS，用于各种应用中。因此，在设计中应仔细考虑各种系统的时钟同步方案。
5.2 在DCS设计中不仅要注意了解系统主、从时钟的绝对对时精度，更应重视时钟之间的相对误差。因为如要将SOE点分散设计的同时又不过分降低事件分辨率，其关键就在于各时钟的偏差应尽可能小。
5.3 完全有理由相信，随着网络时钟同步技术的不断发展，通过网络对系统各时钟进行高精度的同步将变得十分平常。今后各系统的对时准确性将大大提高，像SOE点分散设计这种基于高精确度时钟的应用将会不断出现。