前言
    隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展,，各行業(yè)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(tǒng)一各種系統(tǒng)的時鐘,，已是目前各大系統(tǒng)設(shè)計中采用的標準做法。如大型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）,、廠站的管理信息系統(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(tǒng)內(nèi)的從時鐘偏差限定在足夠小的范圍內(nèi)，從而達到整個系統(tǒng)的時鐘同步,。

一、 DCS分散控制系統(tǒng)時鐘同步

1.1 DCS分散控制系統(tǒng)

DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫（Distributed Control System）,，在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機,，通信,、顯示和控制等4C技術(shù),，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(tài)方便,。DCS系統(tǒng)硬件共分三大部分：通信網(wǎng)絡(luò)、人系統(tǒng)接口（HSI）,、現(xiàn)場控制單元（HCU）；

1.2 DCS系統(tǒng)時鐘同步意義

    DCS分散控制系統(tǒng)的時鐘改造前同步信號是由工作站所產(chǎn)生的,，由于計算機時鐘都會有秒漂移導(dǎo)致工作站時間基準不夠,，其他工作站也不例外,。因此DCS系統(tǒng)的時間和標準時鐘每月大約會產(chǎn)生6~10分鐘的積累誤差,。這些誤差會造成系統(tǒng)報警,、SOE順序事故記錄,、趨勢記錄等不能正確記錄事件發(fā)生的正確時間。要采用人工定期校準DCS系統(tǒng)時間坐標的方式來調(diào)準時鐘,，但頻繁的調(diào)整易造成歷史趨勢記錄錯誤、歸檔數(shù)據(jù)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(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng),、DCS系統(tǒng),、以及輸煤、除灰等控制裝置,。各種裝置大多數(shù)采用各自獨立的時鐘,，而各時鐘都有一定的偏差。各系統(tǒng)不能在統(tǒng)一時間基準的基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)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(xiàn)場運行維護。DCS一體化改造時若各系統(tǒng)實施統(tǒng)一的GPS對時方案,，可實現(xiàn)對整個系統(tǒng)在GPS時間基準下的運行監(jiān)控和故障分析,。

二,、GPS時鐘及信號輸出
2.1 GPS時鐘
    定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）由一組美國*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確性。作為DCS系統(tǒng)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(wèi)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(tǒng)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(yīng)用中使用zui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）和標準二進制當(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）,。
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(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,。此輸出目前無標準格式,，下圖為一個用17個字節(jié)發(fā)送標準時間的實例：
         

2.2.4 NTP網(wǎng)絡(luò)對時輸出

NTP 協(xié)議全稱網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（Network Time Procotol）它的目的是在互聯(lián)網(wǎng)上傳遞統(tǒng)一、標準的時間,。具體的實現(xiàn)方案是在網(wǎng)絡(luò)上個時鐘源設(shè)備,，為網(wǎng)絡(luò)中的計算機提供授時服務(wù)，通過這個時鐘源產(chǎn)品可以使網(wǎng)絡(luò)中的眾多電腦和網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(tǒng)和GPS時鐘裝置，下面結(jié)合DCS現(xiàn)場實例來分析,；
三,、DCS系統(tǒng)現(xiàn)場時鐘同步應(yīng)用分析
3.1 DCS系統(tǒng)現(xiàn)場

DCS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,。由于現(xiàn)場設(shè)備的復(fù)制性，GPS時鐘一般可配置不同數(shù)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(tǒng)時鐘同步方式分析
    這里以西門子公司的TXP-DCS系統(tǒng)為例，看一下DCS內(nèi)部及時鐘是如何同步的,。
    
    TXP系統(tǒng)總線是以CSMA/CD為基礎(chǔ)的以太網(wǎng),，在總線上有二個主時鐘：實時發(fā)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(tǒng)的主時鐘,，當(dāng)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(tài)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(jié),、9600波特、1個啟動位,、8個數(shù)據(jù)位,、2個停止位）和秒/分脈沖二種方式。
    RTT在網(wǎng)絡(luò)層生成并發(fā)送主時鐘對時報文,，每隔10s向電廠總線發(fā)送一次,。RTT發(fā)送時間報文zui多等待1ms。如在1ms之內(nèi)無法將報文發(fā)到總線上,，則取消本次時間報文的發(fā)送：如報文發(fā)送過程被中斷，則立即生成一個當(dāng)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(dāng)天的天數(shù)，時間為從當(dāng)天00：00：00,，000h至當(dāng)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(nèi),，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(wù)器,，其他OM650設(shè)備登錄為是境客戶。
    AS620的AP在啟動后,，通過調(diào)用“同步”功能塊,，自動與CP1430實現(xiàn)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(tǒng)內(nèi)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(tǒng)時鐘接線及系統(tǒng)拓撲介紹

4.1時鐘同步接線分析

DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上的主時鐘與各設(shè)備間通過“硬接線”方式進行同步。一般通過DCS某站點內(nèi)的時鐘同步卡（即設(shè)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(jié),，GPS主時鐘必須輸出同樣格式的字節(jié)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(xiàn)場設(shè)備廠家提供接口通信格式,，結(jié)下來的事情全交給我們,，舉例說明：

某廠DCS系統(tǒng)基本情況是：＃704、＃705機組DCS系統(tǒng)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(wěn)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(tǒng)的＃704、＃705機組DCS系統(tǒng)使用配備RS232C接口的對時集線器對其所管轄的設(shè)備提供對時信號,，故接入DCS的鍋爐,、汽機等輔機系統(tǒng)可從DCS系統(tǒng)獲得標準的時標；該廠的＃704,、＃705機發(fā)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(jù)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(shè)1路NTP網(wǎng)絡(luò)對時接口為DCS服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)提供時間基準。4.2 DCS系統(tǒng)拓撲介紹

下面我們通過DCS系統(tǒng)拓撲圖來介紹：

上圖分兩大部分：紅線為信息管理網(wǎng),、藍線為終端通訊網(wǎng),；

分析信息管理部分網(wǎng)絡(luò)環(huán)境， 如大型DCS系統(tǒng)其圖只是一小部分，但再大的系統(tǒng)也是由這樣的小部分組成,；大DCS系統(tǒng)首先要考慮所有的小部分網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是否互通,，如互通采用1路NTP網(wǎng)絡(luò)對時接口即可，將此網(wǎng)絡(luò)接口配置*IP作為時間服務(wù)器,，圖中各站點作為客戶端時刻跟時間服務(wù)器保持時間一致,；如不互通，各個部分信息孤島,，數(shù)據(jù)*物理隔離,，那么有多少這樣的小部分就應(yīng)采用多少路NTP網(wǎng)絡(luò)對時接口，這種情況基本很少,；

分析終端通訊部分網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,， 首先要知道要時間同步終端的數(shù)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IO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(shè)計為插卡式結(jié)構(gòu),，根據(jù)客戶需求任意組合所需板卡,，共可插7塊板卡，如此數(shù)量還不能滿足DCS系統(tǒng)現(xiàn)場實現(xiàn),，可從擴展接口上增加擴展裝置,，來滿足現(xiàn)場接口數(shù)量要求；

五,、結(jié)束語
5.1 目前各控制系統(tǒng)已不再是各自獨立的信息孤島,，大量的實時數(shù)據(jù)需在不同地方打上時戳，然后送至SIS,、MIS，用于各種應(yīng)用中,。因此,，在設(shè)計中應(yīng)仔細考慮各種系統(tǒng)的時鐘同步方案。
5.2 在DCS設(shè)計中不僅要注意了解系統(tǒng)主,、從時鐘的對時精度,，更應(yīng)重視時鐘之間的相對誤差。因為如要將SOE點分散設(shè)計的同時又不過分降低事件分辨率,，其關(guān)鍵就在于各時鐘的偏差應(yīng)盡可能小,。
5.3 *有理由相信，隨著網(wǎng)絡(luò)時鐘同步技術(shù)的不斷發(fā)展,，通過網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)各時鐘進行高精度的同步將變得十分平常,。今后各系統(tǒng)的對時準確性將大大提高，像SOE點分散設(shè)計這種基于高度時鐘的應(yīng)用將會不斷出現(xiàn)