山东唯尚电子有限公司
时钟同步服务器,NTP时间服务器,时间同步服务器,GPS时钟同步服务器,网络时间服务器,GPS网络时间服务器
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主营:GPS时间服务器,NTP时间服务器,网络时间服务器,GPS对时服务器,GPS同步时钟,CDMA同步时钟,北斗卫星同步时钟,时钟服务器,电厂/变电站时间同步系统等
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产品目录
PRODUCT
NTP时间服务器
PCI计算机对时卡
卫星同步时钟
CDMA时间服务器
北斗卫星时间服务器
电厂/变电站时间同步服务器
GPS时间服务器
技术中心
GPS时钟在网络系统中的应用方案
前言
随着计算机和网络通信技术的飞速发展,火电厂热工自动化系统数字化、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
时钟来统一全厂各种系统的时钟,已是目前火电厂设计中采用的标准做法。电厂内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)
、电厂管理信息系统
(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,从而达到全厂的时钟同步。
一、
GPS
时钟及输出
1.1 GPS
时钟
全球定位系统
(Global PositioningSystem
,
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。
作为火电厂的标准时钟,我们对
GPS
时钟的基本要**:至少能同时跟踪
8
颗卫星,有尽可能短的冷、热启动时间,配有后备电池,有高精度、可灵活配置的时钟输出信号。
1.2 GPS
时钟信号输出
目前,电厂用到的
GPS
时钟输出信号主要有以下三种类型:
1.2.1 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。
1.2.2 IRIG-B
输出
IRIG(
美国
the Inter-Range InstrumentationGroup)
共有
A
、
B
、
D
、
E
、
G
、
H
几种编码标准
(IRIG Standard200-98)
。其中在时钟同步应用中使用多的是
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 ofDay
,
SBS)
则以一串二进制
“0”
填充
(CF
和
SBS
可选用,本例未采用
)
。
1.2.3 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:
1.3
电力自动化系统
GPS
时钟的应用
电力自动化系统内有众多需与
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。在确定
GPS
时钟时应注意以下几点:
(1)
这些系统分属热控、电气、系统**,如决定由
DCS
厂商提供的
GPS
时钟实现时间同步
(
目前通常做法
)
,则在
DCS
合同谈判前,就应进行**间的配合,确定时钟信号接口的要求。
(GPS
时钟一般可配置不同数量、型式的输出模块,如事先无法确定有关要求,则相应合同条款应留有可调整的余地。
)
(2)
各系统是否共用一套
GPS
时钟装置,应根据系统时钟接口配合的难易程度、系统所在地理位置等综合考虑。各**如对
GPS
时钟信号接口型式或精度要求相差较大时,可各自配置
GPS
时钟,这样一可减少**间的相互牵制,二可使各系统时钟同步方案更易实现。另外,当系统之间相距较远
(
例如化水处理车间、脱硫车间远离集控楼
)
时,为减少时钟信号长距离传送时所受的电磁干扰,也可就地单设
GPS
时钟。分设
GPS
时钟也有利于减小时钟故障所造成的影响。
(3)IRIG-B
码可靠性高、接口规范,如时钟同步接口可选时,可优先采用。但要注意的是,
IRIG-B
只是
B
类编码的总称,具体按编码是否调制、有无
CF
和
SBS
等又分成多种
(
如
IRIG-B000
等
)
,故时钟接收侧应配置相应的解码卡,否则无法达到准确的时钟同步。
(4)1PPS/1PPM
脉冲并不传送
TOD
信息,但其同步精度较高,故常用于
SOE
模件的时钟同步。
RS-232
时间输出虽然使用得较多,但因无标准格式,设计中应特别注意确认时钟信号授、受双方时钟报文格式能否达成一致。
(5)
火电厂内的控制和信息系统虽已互连,但因各系统的时钟同步协议可能不尽相同,故仍需分别接入
GPS
时钟信号。即使是通过网桥相连的机组
DCS
和公用
DCS
,如果时钟同步信号在网络中有较大的时延,也应考虑分别各自与
GPS
时钟同步。
二、西门子
TELEPERMXP
时钟同步方式
这里以西门子公司的
TXP
系统为例,看一下
DCS
内部及时钟是如何同步的。
TXP
的电厂总线是以
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**的时钟其精度越高。
三、时钟及时钟同步误差
3.1
时钟误差
众所周知,计算机的时钟一般都采用石英晶体振荡器。晶振体连续产生一定频率的时钟脉冲,计数器则对这些脉冲进行累计得到时间值。由于时钟振荡器的脉冲受环境温度、匀载电容、激励电平以及晶体老化等多种不稳定性因素的影响,故时钟本身不可避免地存在着误差。例如,某精度为
±20ppm
的时钟,其每小时的误差为:
(1×60×60×1000ms)×(20/10.6)
=
72ms
,**的累计误差可达
1.73s
;若其工作的环境温度从额定
25
℃
变为
45
℃
,则还会增加
±25ppm
的额外误差。可见,
DCS
中的时钟若不经定期同步校准,其自由运行一段时间后的误差可达到系统应用所无法忍受的程度。
随着晶振制造技术的发展,目前在要求高精度时钟的应用中,已有各种高稳定性晶振体可供选用,如
TCXO(
温度补偿晶振
)
、
VCXO(
压控晶振
)
、
OCXO(
恒温晶振
)
等。
3.2
时钟同步误差
如果对类似于
TXP
的时钟同步方式进行分析,不难发现时钟在自上而下的同步过程中产生的
DCS
的**对时误差可由以下三部分组成:
3.2.1 GPS
时钟与卫星发射的
UTC(
世界协调时
)
的误差
这部分的误差由
GPS
时钟的精度所决定。对
1PPS
输出,以脉冲前沿为准时沿,精度一般在几十
ns
至
1μs
之间;对
IRIG-B
码和
RS-232
串行输出,如以中科院国家授时中心的地钟产品为例,其同步精度以参考码元前沿或起始相对于
1PPS
前沿的偏差计,分别达
0.3μs
和
0.2ms
。
3.2.2 DCS
主时钟与
GPS
时钟的同步误差
DCS
网络上的主时钟与
GPS
时钟通过
“
硬接线
”
方式进行同步。一般通过
DCS
某站点内的时钟同步卡接受
GPS
时钟输出的标准时间编码、硬件。例如,如在接受端对
RS-232
输出的
ASCII
码字节的发送延迟进行补偿,或对
IRIG-B
编码采用码元载波周期计数或高频销相的解码卡,则主时钟与
GPS
时钟的同步精度可达很高的精度。
3.2.3 DCS
各站点主从时钟的同步误差
DCS
主时钟与各站点从时钟通过网络进行同步,其间存在着时钟报文的发送时延、传播时延、处理时延。表现在:
(1)
在主时钟端生成和发送时间报文时,内核协议处理、操作系统对同步请求的调用开销、将时间报文送至网络通信接口的时间等;
(2)
在时间报文上网之前,还必须等待网络空闲
(
对以太网
)
,遇冲突还要重发;
(3)
时间报文上网后,需一定时间通过
DCS
网络媒介从主时钟端传送到子时钟端
(
电磁波在光纤中的传播速度为
2/3
光速,对
DCS
局域网而言,传播时延为几百
ns
,可忽略不计
)
;
(4)
在从时钟端的网络通信接口确认是时间报文后,接受报文、记录报文到达时间、发出中断请求、计算并校正从时钟等也需要时间。这些时延或多或少地造成了
DCS
主从时钟之间、从从时钟之间的时间同步误差。
当然,不同网络类型的
DCS
、不同的时钟通信协议和同步算法,可使网络对时的同步精度各不相同,上述分析只是基于一般原理上探讨。事实上,随着人们对网络时钟同步技术的不懈研究,多种复杂但又高效、高**的时钟同步协议和算法相继出现并得到实际应用。例如,互联网上广为采用的网络时间协议
(Network Time Protocol
,
NTP)
在
DCS
局域网上已能提供
±1ms
的对时精度
(
如
GE
的
ICS
分散控制系统
)
,而基于
IEEE1588
的标准**时间协议
(Standard Precision TimeProtocol
,
PTP)
能使实时控制以太网上的主、从时钟进行亚微秒级同步。
四、时钟精度与
SOE
设计
虽然
DCS
的普通开关量扫描速率已达
1ms
,但为满足
SOE
分辨率
≤1ms
的要求,很长一段时间内,人们都一直都遵循这样的设计方法,即将所有
SOE
点置于一个控制器之下,将事件触发开关量信号以硬接线接入
SOE
模件,其原因就在于不同控制器其时钟存在着一定的误差。关于这一点,西门子在描述其
TXP
系统的
FUN B
模件分散配置的工程实际情况来看,由于时钟不能同步而无法做到
1ms SOE
分辩率,更有甚至因时钟相差近百
ms
,造成
SOE
事件记录顺序的颠倒。
那么,如何既能满足工程对于
SOE
分散设计的要求
(
如设置了公用
DCS
后,机组
SOE
与公用系
SOE
应分开,或希望进入控制器的
MFT
、
ETS
的跳闸信号无需经输出再返至
SOE
模件就能用于
SOE
等
)
,又不过分降低
SOE
分辨率呢
?
通过对
DCS
产品的分析不难发现,通常采用的办法就是将控制器或
SOE
模件的时钟直接与外部
GPS
时钟信号同步。例如,在
ABB Symphony
中,
SOEServerNode(
一般设在公用
DCS
网上
)
的守时主模件
(INTKM01)
接受
IRIG-B
时间编码,并将其产生的
RS-485
时钟同步信号链接到各控制器
(HCU)
的
SOE
时间同步模件
(LPD250A)
,其板载硬件计时器时钟可外接
1PPM
同步脉冲,每分钟自动清零一次;再如,
MAX1000
+
PLUS
的分散处理单元
(DPU 4E)
可与
IRIG-B
同步,使
DPU
的
DI
点可同时用做
SOE
,由于采用了
1PPM
或
RS-485
、
IRIG-B
硬接线时钟
“
外同步
”
,避开了
DCS
时钟经网络同步目前精度还较差的问题,使各受控时钟之间的偏差保持在较小的范围内,故
SOE
点分散设计是可行的。
由此可见,在工程设计中应结**用的
DCS
特点来确定
SOE
的设计方案。不可将
1ms
的开关量扫描速率或
1ms
的控制器
(
或
SOE
模件
)
时钟相对误差等同于
1ms
的
SOE
分辨率,从而简单地将
SOE
点分散到系统各处。同时也应看到,
SOE
点
“
分散
”
同
“
集中
”
相比,虽然分辨率有所降低,但只要时钟相对误差很小
(
如与
1ms
关一个数量级
)
,还是完全能满足电厂事故分析实际需要的。
五、结束语
5.1
目前火电厂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和需达到的时钟同步精度。
5.2
在
DCS
设计中不仅要注意了解系统主、从时钟的**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。今后电厂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**度时钟的应用将会不断出现。
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