GPS 精確授時在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用

1、GPS精確授時在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用林洪瑩,葛樹俊,王學(xué)厚(山東電力研究院,山東濟(jì)南250002摘要:介紹了一種GPS精確授時系統(tǒng),該系統(tǒng)提供通用接口,可以應(yīng)用于所有支持RS-232C/RS-485/CAN總線的設(shè)備或系統(tǒng),目前已投入運行,效果良好。關(guān)鍵詞:GPS;精確授時;DCS;LN2000中圖分類號:TP273文獻(xiàn)表識碼:A文章編號0概述隨著現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,工業(yè)控制中各種儀器儀表、控制系統(tǒng)也越來越先進(jìn),許多領(lǐng)域,如時間、順序記錄、繼電保護(hù)、故障測距、電能計費、實時信息、采集等都需要有一個統(tǒng)一的、高精度的時間基準(zhǔn)。傳統(tǒng)的時間同步系統(tǒng)一般采用內(nèi)部晶振,其時間精度并不高

2、,在長期運行過程中會產(chǎn)生各計算機(jī)系統(tǒng)之間、上位機(jī)與下位機(jī)之間、各下位機(jī)之間的時間誤差對安全生產(chǎn)產(chǎn)生不良影響,尤其是發(fā)生連鎖故障時無法依據(jù)故障時間分析故障起點。對于上述缺陷,通常是采用外接高精度晶振。但是,由于高精度晶振長時間運行同樣會產(chǎn)生漂移,加之無法對系統(tǒng)內(nèi)的多個晶振進(jìn)行脈沖同步,所以需要尋找一種可靠的方法來滿足精確校時和時間統(tǒng)一的要求?；诖?我們設(shè)計開發(fā)了GPS精確授時系統(tǒng),不但可以應(yīng)用于分散控制系統(tǒng)(DCS,還提供通用接口,可以應(yīng)用于所有支持RS-232C/RS-485/CAN總線的設(shè)備或系統(tǒng)。下面以LN2000DCS中的GPS精確授時系統(tǒng)為例,介紹了GPS精確授時系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的

3、應(yīng)用。1GPS全球定位系統(tǒng)介紹全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System-GPS是美國從本世紀(jì)70年代開始研制,于1994年全面建成。GPS由三個獨立的部分組成:空間部分:21顆工作衛(wèi)星,3顆備用衛(wèi)星;地面支撐系統(tǒng):1個主控站,3個注入站,5個監(jiān)測站;用戶設(shè)備部分:接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號,以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息,經(jīng)數(shù)據(jù)處理,完成導(dǎo)航和定位工作,一般由主機(jī)、天線和電源組成。隨著人們對GPS認(rèn)識的加深,GPS不僅在測量,導(dǎo)航,測速,測時等方面得到更廣泛的應(yīng)用,而且其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。2GPS精確授時系統(tǒng)組成GPS精確授時系統(tǒng)包括GPS衛(wèi)星及信號接收單元(GPS Unit、

4、GPS信號處理及時間輸出單元、接收授時終端三個部分組成,前二者構(gòu)成了GPS精確授時模塊,授時模塊與接收授時終端之間由屏蔽通訊電纜連接。我們設(shè)計的GPS精確授時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 其中GPS衛(wèi)星及信號接收單元由現(xiàn)有的空中衛(wèi)星、地面支撐系統(tǒng)和信號接收機(jī)組成; GPS信號處理及時間輸出單元,我們使用高性能單片機(jī)來接收GPS信號接收機(jī)傳送過來的有效定位時間信息,進(jìn)行處理后,向各種授時總線,包括RS-232C、RS-485和CAN現(xiàn)場總線輸出;接收授時終端只需要提供相同的接口,接收我們的授時信息輸出即可實現(xiàn)精確時間同步。3GPS精確授時系統(tǒng)的功能設(shè)計及授時模塊介紹GPS授時系統(tǒng)由GPS授時模塊接收處理

5、GPS衛(wèi)星信號,經(jīng)過處理后,向授時總線上輸出授時信息。在授時模塊中,我們使用專業(yè)的12通道授時型GPS OEM接收機(jī),可以同時跟蹤多達(dá)12顆GPS衛(wèi)星,從而能夠快速的定位;同時接收機(jī)功耗非常小,數(shù)據(jù)更新率為每秒一次,具有精確秒脈沖輸出,保證了授時的精度。我們的授時模塊集成2路RS-232C、4路RS-485、2路完全獨立的CAN總線接口輸出,同時為了提高系統(tǒng)的可靠性,在授時報文里,我們使用了循環(huán)冗余CRC校驗。模塊內(nèi)各路輸出及信號輸入都采用光隔離措施,保證了室外天線信號和現(xiàn)場總線上的干擾信號,不會影響授時模塊的穩(wěn)定運行,更不會影響其它總線。由于工業(yè)控制環(huán)境的惡劣性和復(fù)雜性,我們特意為授時模塊加

6、配了30m專業(yè)授時天線,可以在現(xiàn)場方便的將設(shè)備放在室內(nèi),天線架設(shè)在樓頂,保證了信號的穩(wěn)定性。GPS授時模塊按照工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,全部采用工業(yè)級器件,金屬外殼,采用高性能低功耗十六位單片機(jī),軟件固化于片內(nèi),系統(tǒng)穩(wěn)定性高;看門狗功能保證系統(tǒng)具有自恢復(fù)能力,雙路冗余24V隔離供電,供電部分設(shè)有一只速斷總保險,兩級看門狗,離線自恢復(fù),獨立電源端子,獨立CAN和RS485/RS232C通信端子,通信電纜可直接連接到可插拔的模塊端子排,無需中間端子轉(zhuǎn)接,四個面板指示燈,指示電源、運行、CAN、串口和衛(wèi)星信號狀態(tài),保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定,可以穩(wěn)定的工作在-1060溫度范圍內(nèi);無論性能、可靠性、還是使用方便性,都比

7、目前市場上的類似產(chǎn)品有顯著提高。可廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金及輕工行業(yè)。另外,我們編寫了PC機(jī)上的RS-232C/RS-485信號接收機(jī)對時程序,可以方便的接收授時模塊廣播的授時信息,進(jìn)行本機(jī)對時。同時,我們?yōu)槭跁r模塊采用了易升級擴(kuò)展設(shè)計,可以在線對模塊進(jìn)行編程設(shè)置或程序更新,使用GPS定位系統(tǒng)的其它功能。4GPS精確授時系統(tǒng)在LN2000DCS中的應(yīng)用LN2000DCS是山東魯能控制工程公司推出的一種新型的分散控制系統(tǒng)(DCS產(chǎn)品。在應(yīng)用中,通常有多套DCS或控制系統(tǒng),一套DCS有多個過程處理站同時運行,各套系統(tǒng)、各個過程站都有自己的歷史數(shù)據(jù)記錄和事故操作記錄。如果各系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的時間基準(zhǔn),

8、那么各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通常就失去了可對比意義,事故記錄也無從分析。在LN2000DCS中,使用了GPS精確授時系統(tǒng),給系統(tǒng)中所有的過程站、歷史站、工程師站、操作員站,以及帶有時標(biāo)的采集模塊進(jìn)行對時,使各站時間精度達(dá)到了毫秒級別,使得各采集模塊、過程站、工程師站時間同步,所有的歷史數(shù)據(jù)形成了一個有機(jī)的整體,便于分析和查詢。如圖3,授時系統(tǒng)工作過程如下:(1GPS通過RS-232或RS-485向歷史站授時;(2歷史站通過冗余以太網(wǎng)向其它上位站和所有過程控制站(PU授時;(3GPS通過授時CAN總線向所有SOE模塊(可以安裝在不同PU中授時。 圖2LN2000精確授時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5結(jié)束語GPS精確授時系統(tǒng)基

9、于可靠的衛(wèi)星定位技術(shù),具有全球、全天候工作的特點,不受時間、天氣和地理位置的影響,使用方便,授時精度高。我們設(shè)計的GPS精確授時系統(tǒng),提供多路RS-232C/RS-485/CAN總線通用接口和開放的輸出數(shù)據(jù)格式,性能穩(wěn)定,運行可靠,有諸多的DCS應(yīng)用記錄,可以廣泛應(yīng)用在普通工控領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)1孫丙香,溫春雪,嚴(yán)國志,楊同忠.GPS精密授時功能在電力系統(tǒng)功角廣域測量系統(tǒng)中的應(yīng)用J.國外電子元器件,2006(1:53-56.2趙珞成.GPS接收機(jī)時鐘控制方法J.測繪科學(xué)2006(1:94-95.3王盟,燕愛華.基于嵌入式系統(tǒng)的GPS通訊端機(jī)設(shè)計研究J.現(xiàn)代電子技術(shù)2006(3: 57-59.4So

10、ftware Interface(SIRF and NMEAfor RGM/REB3000S.Royal Tek Inc. Precision timing application of GPS in industrial control fieldLin Hong-yin;Ge Shu-jun;Wang Xue-hou(Shandong Electric Power Research Institute,Jinan,250002,ChinaAbstract:In this paper,we introduced a kind of GPS time receiving system.This system applies common interfaces that can be used in