利用GPS实现控制系统时钟同步

45
晶振 体 可 供 选 用, 如 T CXO ( 温 度 补 偿 晶 振 ) 、 VCXO( 压控晶振 ) 、 OCXO( 恒温晶振 ) 等, 但 是这 些措施都不能满足工业化生产的需要。 2 常规控制系统时钟同步的方案 2. 1 人工手动校正 对于比较 老的控制系统 , 由于当 时技术的 限 制, 不同系统间很难实现时钟同步 , 就是同一系统 内部也存在时钟误差, 如 DCS 的几个操作站之间 , 计算机显示的时间不一样, 因此不同操作站的趋势 点同一显示时间, 指示的数值是不一致的, 这就要 求用一个所谓的∃ 基准时间% , 利用该基准时间去逐 个调整每台计算机的时间, 一般都按照一个月的周 期去调整一次 , 这样调整的时间误差一般都在 10 s 以内 , 精度不高。由于老装置设置的联锁报警点数 量少 , 一般都在辅助操作台上有第一事故锁定, 可 以满足基本的生产要求 , 但要求经常校正计算机的 时钟。 2. 2 定时自动校正 2. 2. 1 利用∃ Mo dbus 通信% 方式定时时钟 利用 M odbus RS 485/ 232 方式进行时钟的定 时校正也是一种方法, 它比传统的手动校验时钟精 度相对要高很多, 不需要增加额外的硬件, 只需要 软件组态就可以了, 在精度要求不高 , 费用控制严 格的情况下, 是一种不错的选择。利用通信自动校 正系统时钟是从主系统 ( 如 DCS) 中读取时钟点 , 在一个固定的时间发送时钟同步请求 , 对方系统在 分析数据的准确性后将自身系统的时钟设定在要 求的时间。 但是利用通信的方式实现系统的时钟同步存 在不确定性, 因为 M odbus 通信速度传输存在滞后 的现象, 目前 M odbus 比较 快的是 150 Kbit / s, 一 般的产品性能保证是 75 Kbit/ s 左右 , 而且由于现 场施工质量、 通信数据量的大小、 通信距离的不同 决定了通信滞后的不同 , 一般都是 3~ 5 s 左右, 有 时可能更长。因此采用通信方式校正系统的时钟 精度不是太高 , 一般可以满足在 5 s 内 , 如果选择 通信数据较少的通信网段上 , 精度能更高些, 能控 制在 1 s 内。 2. 2. 2 利用以太网∃ 域% 的方式实现时钟同步 目前主流的 DCS, SIS, PL C 厂商的系统时钟 同步都上升到以太网的层面 , 将工厂的系统通过以 太网连接 ( 绝大部分系统已经是以太网连接方式 ) , 统一加入∃ 域% , 通过这种方式实现系统时钟同步。 该方法简单、 经济, 由于协议是 SNT P , 因此这个时 钟同步的精度为 1 s, 不能实现完全的时钟同步, 但
46
石油化工自动化
2010 年
表1
利用 17 个字节发送标准时间 A SC II 码
GPS 时钟保持同步。同时 NCF 77 输出另外的时钟 同步信号分别送 到锅炉的 BMS 和氢回 收系统的
时间
字节
含
义 范围 码值
PL C, 使成套包的时钟信与 FCS 保持一致。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
难题。时钟同步对于工业生产中的生产调度、 故障查找、 事故分析都有着非 常重要的意义。同 一厂商系统内的 时钟同步 , 各厂 商都有很好的解决 方案 , 重点介绍如何实现不同系统的时钟同 步 , 通过 600 kt / a 甲醇项目所采用的 G PS 实现系统时钟同步的 方案 , 与其常规时钟同步方案的比较 , 说明了利用 G PS 实现不同系统时钟同步的优越性。
- 5
达 1. 73 s; 若其工作的环境温度从额定 25 ∀ 变为 - 5 45 ∀ , 则还会增加 2. 5 ! 10 ms 的额外 误差。 一年下来的累计误差为 10. 3 min 。可见 , DCS 的 时钟若不定期同步校准 , 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, 已有各种高稳定性
收稿日期 : 2010 04 23( 修改稿 ) 。 作者简介 : 魏 华 ( 1973 ) , 男 , 湖北荆 州人 , 1997 年 毕业于
北京石油化工学院工业自动 化专业 , 现工作 于中海 石油建 滔化工 有限公司 , 任电仪部经理 , 高级工程师。
第5期
魏
华 . 利用 GPS 实现控制系统时钟同步
是对于没有建立时钟同步的系统 , 可以利用这种办 法将上位机连接 , 通过∃ 域% 时钟同步的方法分析上 位机的 趋势数 据, 对分析 事故原 因, 也有一 定的 帮助。 2. 2. 3 利用∃ 硬线连接% 的方式实现时钟同步 ∃ 硬线连接% 方式是将某一系统作为主时钟源 ( 以 DCS 为例 ) , 将 DCS 的时钟同步请求信号通过 数字输出信号发送到相应的系统, 如 SIS, P L C, 这 些系统再通过数字输入接收同步请求 , 通过软件预 先设置的时钟同步方式进行时钟同步 , 由于硬线连 接传输速度快, 投入的硬件数量很少 , 因此是目前 各系统实现时钟同步采用较多的方案之一。 利用∃ 硬线连接%实现时钟同步的方式很简单, 通过 DCS 的 DO 点和 SIS, PL C, IT CC 的 DI 点连 接相应的电缆 , SIS 和 P L C 厂商大部分 都有时钟 同步的系统特点 ( T im e Syn) , 在系统组 态时要求 在脉冲触发的上升沿触发, 同时将系统的人工矫正 时钟源的功能禁止, 避免外界对系统时钟的人为干 扰 , 从而保证了系统时钟的准确性。如 H IM A 和 T rico nex 的 SIS 都很容易实现。 DCS 方面可以利 用顺控模块 , 对系统当前运行时间进行判断, 在要 求的时间内( 如 T 12: 00: 00) 发出脉冲信号, 在其他 时间不输出信号。 该方式可以用在设计施工时没有考虑时钟同 步问题的改造方案。该方法投入少 , 操作简单, 只 需经过控制培训的操作工就可以实现 , 可以满足大 部分工厂的事故分析需要。 3 利用 G PS 实现控制系统时钟同步 3. 1 GPS 实现系统时钟同步的原理 GPS 时钟是一种接收 GPS 卫星发射的低功率 无线电信号, 通过计算得出 GPS 时间的接收装置。 为获得准确的 GPS 时间, GPS 时钟必须先接收到 至少 4 颗 GP S 卫星的信号, 计算出自己所在的三 维位置。在得出具体位置后 , GPS 时钟 只要接收 到 1 颗 GP S 卫 星信 号 就能 保 证 时 钟的 走 时 准 确性。 作为控制系统的标准时钟, 对 GPS 时钟同步 的基本要求: 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。 该时钟输出通过 EIA 标准串行接口发送一串 以 A SCII 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, 表 1 为一个用 17 个字节发送标准时间的实例。
信息技术及应用
石 油 化 工 自 动 化 , 2010, 5 # 44 AU TO M A T IO N IN PE TR O CH EM ICA L IN D U ST R Y
信息技术及应用
利用 GPS 实现控制系统时钟同步
魏 华
572600) ( 中海石油建滔化工有限公司 , 海南 东方
摘要 : 现在的工厂都有数量庞大、 种类繁多的控制系统 , 如何实现各控制 系统的时钟同 步一直是困扰自 动化行业的一个
关键词 : 全球定位系统 ; 时钟同步 ; 误差 ; 控制系统 ; 时钟校正 中图分类号 : T P272 文献标志码 : B 文章编号 : 1007 7324( 2010) 05 0044 03
Time Synchronization of Control System Realized by GPS Wei H ua ( CNOOC King bo ar d Lt d. , Dongf ang, 572600, China) Abstract: N ow adays, t here is a larg e amount and various kinds of co nt ro l sy st ems built in t he plant. H ow t o realize co nt ro l syst em clo ck synchronizat io n is a dif f icult t ask in the area o f indust rial aut om at ion. In plant o peratio n planning & arrang ement , t roubleshoot ing and fault y invest igat io n, clock sy nchronizat ion of cont rol system m akes significant sense. Various vendors have t heir proprietary so lut ion in t heir ow n syst em s. H ow t o realize t he clo ck synchronizat io n of dif f erent syst ems is main point t o int ro duce. A scheme w it h GPS has applied in t he plant of 600kt / a met hanol f or syst em clock sy nchronizat ion is int roduced. T o compare t he ot her regular so lut ions, GPS is proved w it h it s advant ag es f or t he clock sy nchronization o f dif ferent syst em s. Keywords: GPS; clock synchronization; inaccur acy; co nt ro l syst em; clo ck correction 0 引 言 控制系统的时钟同步问题一直是自动化行业 的一个难题。各个工厂的控制系统由于计算机的 时钟运行误差 , 运行过程中出 现时钟不同步 的问 题, 特别是生产过程中发生停车或其他事故时, 分 析事故过程中对第一事故的把握尤其重要。现在 的化工装置设计越 来越复杂, 不仅包括控制 系统 ( DCS/ F CS) , 安全仪表系统 ( SIS) , 还包括成 套包 单元控制系统 ( 如 PL C) , 因此时钟同步 的问题越 来越重要 , 特别是各系统不是同一厂商, 这个问题 就更加突出。笔者以中海石油建滔化工有限公司 的600 kt/ a甲醇项目所采用的 GPS 实现控制系统 的时钟同步为例 , 介绍了 GPS 实现系统时钟同步 的方案, 通过与其他方案的对比, 说明了利用 GPS 实现时钟同步的优越性与可靠性。 1 系统时钟误差产生的原因分析 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 , 这些时间值就作为计 算机的基准时间。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, 故计算机的时钟本身不可避免 - 5 地存在着误差。例如 , 某精度为 2 ! 10 的时钟 ( 温度为 25 ∀ ) , 其每小时的误差为: ( 1 ! 60 ! 60 ! 1 000 m s) ! ( 2 ! 10 ) = 72 ms, 一天的累计误差可