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GPS時鐘在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的技術(shù)方案

隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，火電廠熱工自動化系統(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)一全廠各種系統(tǒng)的時鐘，已是目前火電廠設(shè)計中采用的標(biāo)準(zhǔn)做法。電廠內(nèi)的機組分散控制系統(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)、電廠管理信息系統(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)，從而達到全廠的時鐘同步。
一、GPS時鐘及輸出
1.1 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)星運行在6個地心軌道平面內(nèi)，根據(jù)時間和地點，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。
作為火電廠的標(biāo)準(zhǔn)時鐘，我們對GPS時鐘的基本要**：至少能同時跟蹤8顆衛(wèi)星，有盡可能短的冷、熱啟動時間，配有后備電池，有高精度、可靈活配置的時鐘輸出信號。
1.2 GPS時鐘信號輸出
目前，電廠用到的GPS時鐘輸出信號主要有以下三種類型：
1.2.1 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。
1.2.2 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*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)二進制當(dāng)天秒數(shù)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)。
1.2.3 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、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)時間的實例：

 

1.3 電力自動化系統(tǒng)GPS時鐘的應(yīng)用
電力自動化系統(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、微機保護裝置等。在確定GPS時鐘時應(yīng)注意以下幾點：
(1)這些系統(tǒng)分屬熱控、電氣、系統(tǒng)專業(yè)，如決定由DCS廠商提供的GPS時鐘實現(xiàn)時間同步(目前通常做法)，則在DCS合同談判前，就應(yīng)進行專業(yè)間的配合，確定時鐘信號接口的要求。(GPS時鐘一般可配置不同數(shù)量、型式的輸出模塊，如事先無法確定有關(guān)要求，則相應(yīng)合同條款應(yīng)留有可調(diào)整的余地。)
(2)各系統(tǒng)是否共用一套GPS時鐘裝置，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)時鐘接口配合的難易程度、系統(tǒng)所在地理位置等綜合考慮。各專業(yè)如對GPS時鐘信號接口型式或精度要求相差較大時，可各自配置GPS時鐘，這樣一可減少專業(yè)間的相互牽制，二可使各系統(tǒng)時鐘同步方案更易實現(xiàn)。另外，當(dāng)系統(tǒng)之間相距較遠(例如化水處理車間、脫硫車間遠離集控樓)時，為減少時鐘信號長距離傳送時所受的電磁干擾，也可就地單設(shè)GPS時鐘。分設(shè)GPS時鐘也有利于減小時鐘故障所造成的影響。
(3)IRIG-B碼可靠性高、接口規(guī)范，如時鐘同步接口可選時，可優(yōu)先采用。但要注意的是，IRIG-B只是B類編碼的總稱，具體按編碼是否調(diào)制、有無CF和SBS等又分成多種(如IRIG-B000等)，故時鐘接收側(cè)應(yīng)配置相應(yīng)的解碼卡，否則無法達到準(zhǔn)確的時鐘同步。
(4)1PPS/1PPM脈沖并不傳送TOD信息，但其同步精度較高，故常用于SOE模件的時鐘同步。RS-232時間輸出雖然使用得較多，但因無標(biāo)準(zhǔn)格式，設(shè)計中應(yīng)特別注意確認時鐘信號授、受雙方時鐘報文格式能否達成一致。
(5)火電廠內(nèi)的控制和信息系統(tǒng)雖已互連，但因各系統(tǒng)的時鐘同步協(xié)議可能不盡相同，故仍需分別接入GPS時鐘信號。即使是通過網(wǎng)橋相連的機組DCS和公用DCS，如果時鐘同步信號在網(wǎng)絡(luò)中有較大的時延，也應(yīng)考慮分別各自與GPS時鐘同步。