DCS系统中计算机NTP授时设备技术方案

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