IRIG-B码校时、对时 DCS、PLC对时.doc

什么是IRIG-B时间码IRIG-B：当今电子技术日新月异的发展，时间同步得到了越来越重要的应用。时间码IRIG-B作为一种重要的时间同步传输的方式，以其实际优越性能，成为时统设备首选的标准码型，广泛的应用到电信、电力、军事等重要行业或部门。IRIG是美国靶场仪器组的简称，美国靶场仪器组是美国靶场司令部委员会的下属机构。IRIG时间标准有两大类：一类是并行时间码格式，这类码由于是并行格式，传输距离较近，且是二进制，因此远不如串行格式广泛；另一类是串行时间码，共有六种格式，即A、B、D、E、G、H。它们的主要差别是时间码的帧速率不同，IRIG-B即为其中的B型码。B型码的时帧速率为1帧/s；可传递100位的信息。作为应用广泛的时间码，B型码具用以下主要特点：携带信息量大，经译码后可获得1、10、100、1000 c/s的脉冲信号和BCD编码的时间信息及控制功能信息；高分辨率；调制后的B码带宽，适用于远距离传输；分直流、交流两种；具有接口标准化，国际通用等。IRIG-B码对时方式在继电保护装置中的应用时间：2011-07-18 14:24:17 来源：电子设计工程 作者：石美传 保定中力电力摘要：随着变电站自动化技术的发展，对变电站内时间的精确和统一提出了更高的要求。本文提出了一种采用IRIG-B时间码来时时的方案。在这种对时方案中，每个变电站只安装一个GPS接收装置，利用RS422485总线传输IRIG-B码，保护装置对IRIG-B码解码器后，来设置自己的时间。本文还详细介绍了IRIG-B码的概念和原理以及用CPLD实现IRIG-B码解码器的设计思想和实现方法。IRIG-B码时时方式简化了回路设计，并且能够可靠地提供精确的时间信息，必将在电力系统中得到广泛的应用。关键词：IRIG-B时间码；继电保护；对时；CPLD 时间的精确和统一是变电站自动化系统的最基本要求。只有电力系统中的各种自动化设备(如故障录波器、继电保护装置、RTU微机监控系统等)采用统一的时间基准，在发生事故时，才能根据故障录波数据，以及各开关、断路器动作的先后顺序和准确时间，对事故的原因、过程进行准确分析。统一精确的时间是保证电力系统安全运行，提高运行水平的一个重要措施。全球定位系统(GPS)的出现为实现这些需求提供了可能。 基于GPS的对时方式有3种：1)脉冲对时方式；2)串行口对时方式；3)IRIG-B时间编码对时方式。脉冲对时和串行口对时各有优缺点，前者精度高但是无法直接提供时间信息，而后者对时精度比较低。IRIG-B码对时方式兼顾了两者的优点，是一种精度很高并且又含有绝对的精确时间信息的对时方式，采用IRIC-B码对时，就不再需要现场总线的通信报文对时，也不再需要GPS输出大量脉冲节点信号。国家电网公司发布的技术规范中明确要求新投运的需要授时的变电站自动化系统间隔层设备，原则上应采用IRIG-B码(DC)方式实现对时。1 继电保护装置对时方案 一个变电站内配置一套时间同步系统，该时间同步系统可由一面或多面时钟装置屏组成。时问同步系统的结构可采用主从式或主备式结构。时间同步系统与被授时的继电保护装置之间采用EIA RS-422485接口标准来传输IRIG-B(DC)码信号。不同厂家的保护装置仅需具有EIA RS422485接口的IRIG-B码解码器，即可接入变电站统一对时网络。保护装置内嵌IRIG-B码解码模块，采用图1中的对时模式，即由IRIG-B码解码模块检测出时间信息和对时脉冲，通过串口将时间信息直接下发到各个功能插件。各功能插件都直接从对时模块引入对时脉冲。2 IRIG-B码解码模块的硬件设计 早期的B码解码设备多采用TTL集成电路与单片机相结合的方法来实现，利用门电路和触发器从编码信号中提取出秒同步信号，而用单片机实现时间信息的解码。目前该方法仍在使用，但该方法存在器件较多，结构复杂，可靠性差、同步精度不高、通用性差、不利于功能扩展等问题。 为了解决上述问题，在本设计中，采用CPLD芯片来实现IRIG-B码的解码，采用的是Altera公司的EPM3256。开发仿真软件采用的是MAX+ PLUS，它可以进行原理图编辑和VHDL语言编辑，并支持这些编辑方式的混合设计。在本设计中利用VHDL语言进行底层模块的设计，用原理图进行上层模块的设计。该软件具有门级仿真功能，可以进行功能和时序仿真，并且支持目标程序在线外部接入的IRIG-B编码信号是用RS485电平传输的差分信号，需变换为TTL信号，转换芯片为AD公司的ADM2483，该芯片是带隔离的增强型RS485收发器，有失效保护、短路电流限制、热关断和恢复等功能。外接的5 MHz信号来源于5 MHz的有源晶振。硬件框图如图2所示。 3 IRIG-B码解码模块的软件设计31 IRIG-B码原理 IRIG(Inter Range Instrumentation Group)码是美国靶场司令委员会制定的一种时间标准，共有4种并行二进制时间码格式和6种串行二进制时间码格式。其中最常用的是IRIG-B时间码格式。B码可以分为直流(DC)码和交流(AC)码，交流码是1 kHz的正弦波载频对直流码进行幅度调制后形成的；直流码采用脉宽编码方式。每秒1帧，含100个码元，每个码元宽度为10ms。码元有3种，位置标识符的脉宽是8ms(位置标识P0P9和参考标志Pr)，二进制“1”和“0”的脉宽分别为5 ms和2ms。 每帧从参考标志Pr开始，也就是连续两个8 ms脉冲中的第2个8 ms脉冲的前沿开始，分别为Pr，第0，1，99码元。在Pr和P5之间是BCD字段，传送的是BCD码格式的时间信息(包含秒、分、时、天4种信息)，低位在前，高位在后；个位在前十位在后。在P5和P8之间是CF字段，实现控制功能，可根据实际使用时的协议制定使用方法，在这里没有用到该字段。在P5和P8之间是SBS字段，是用二进制表示的以秒(s)为单位的时间信息。IRIG-B码的格式如图3所示。32 IRIG-B码解码方案 IRIC-B码解码器的功能框图如图4所示。 1)分频电路本模块的功能是将5 MHz的时钟信号进行分频处理，输出1 000 Hz和9 600 Hz的信号，为码元检测和识别单元、码元记录单元和异步申行发送单元提供时间基准。为了减少计数器的位数进行了多次分频。 2)码元检测和识别单元首先对B码信号进行串并转换。用10个D触发器串联，用1 000Hz的时钟信号作为它们的时钟，这样只有在1 000 Hz的时钟信号的上升沿来的时候才对输入的数据进行输出，其他时候处于保持原来输出不变。串行触发器的输出分别连到10个并行D触发器，由IRIG-B码的上升沿来控制并行D触发器的输出Q9Q0。当并行D触发器的输出“Q9Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0”为“0011111111”时，对应的码元信息为标识位；同理，“0000011111”对应码元“1”，而“0000000011”对应码元“0”。码元检测原理框图如图5所示。 3)秒同步脉冲的产生根据码元识别结果，如果连续检测到两个标识位，则第2个标识位就是参考标志Pr，其前沿为秒同步脉冲的起始点。而参考标志Pr后第1个上升沿对应的是秒同步脉冲经过延时10ms的时刻，所以应该在参考标志Pr后第1个上升沿对应时刻再延时990ms来产生秒同步脉冲信号，在产生秒脉冲的同时把记录码元位置信息的计数器A清零。 4)码元记录单元码元记录单元根据码元识别结果和码元位置来组合产生时间信息，包括7位秒信息、7位分信息和6位时信息。 5)信息处理因为当前解出的时间是上一秒的时间信息。信息处理单元要将解码后的时间加上1 s，同时为便于后续时间信息的传输和处理，要将时间信息转换成BCD码格式。 6)异步串行发送异步串行发送模块就是把经过处理后的时间信息通过异步串口发送出去，速率是9 600 bits，8位数据位，无校验位，1位停止位。4 结束语 IRIC-B码对时有利于简化回路设计，并且能够可靠地提供精确的时间信息，必将在电力系统中得到日益广泛的应用。 传统的IRIG-B码解码器大多采用单片机来实现，器件较多，结构复杂，在受到外界干扰的情况下还可能出现死机等故障。而采用CPLD设计的解码器可以大大减少器件的数量、增加解码器的稳定性和应用的灵活性。根据本方案设计出的解码器模块适用于各种电压等级的保护装置，性能可靠稳定，时间信息准确、对时脉冲精度高(误差为几s)。校时精度：IRIG-B（AC）调制信号接口载波频率：1kHz；信号幅值峰-峰值：高：312V可调，低：符合3：1调制比要求； 输出阻抗：600欧姆，变压器隔离输出。 同步准确度：12S。IRIG-B（DC）直流偏置信号接口每秒1帧，包含100个码元，每个码元10mS。脉冲宽度编码，2mS宽度表示二进制0、分隔标志或未编码位，5mS宽度表示二进制1，8mS宽度表示整100mS基准标志。秒准时沿：连续两个8mS宽度基准标志脉冲的第二个脉冲的前沿，上升沿。帧结构：起始标志、秒（个位）、分隔标志、秒（十位）、基准标志、分（个位）、分隔标、分（十位）、基准标志、时（个位）、分隔标志、时（十位）、基准标志、自当年元旦开始的天（个位）、分隔标志、天（十位）、基准标志、天（百位）（前面各数均为BCD码）、7个控制码（在特殊使用场合定义）、自当天0时整开始的秒数（为纯二进制整数）、结束标志。根据TEEE Std 1344-1995规定，在IRIG-B P50-P58位增加了年份。准时上升沿的时间准确度1S。 CSPA-2000中的CM控制器校时方案，B码 连接到每个控制器的 主机和备机上，主机通过DP报文，通过DP-net下传给每个DI模块，在每个整秒时刻（0毫秒），控制器向所有的DI模块发送整秒脉冲，所有的DI模块根据对齐算法，对时间进行校正，“毫秒清0，秒钟进位或者不变”。电源线中有冗余的24V 电源和GPS校时线。DCS网/PLC网时间同步 1DCS网/PLC网时间同步 DCS网/PLC网时间同步（GPS时间服务器，时间同步服务器，网络时间服务器，GPS时钟服务器、GPS校时器）以GPS信号作为时间源，同时可选北斗卫星、IRIG-B码(DCLS)、OCXO(高稳恒温晶振)、CDMA、铷原子钟等时间源，内嵌国际流行的NTP/SNTP协议，同步网络中的所有计算机、控制器等设备，实现网络授时, 是为网络设备提供精确、标准、安全、可靠的时间同步服务的最佳选择。DCS网/PLC网时间同步产品已广泛应用于金融、通信、电力、交通、广电、安防、水利、石化、冶金、国防、医疗、教育、政府机关、IT等领域的校时服务。DCS网/PLC网时间同步设备的特点：1模块化结构，NTP/SNTP端口数量可灵活配置，最多配置20路物理隔离的10/100M网口。2双CPU同时工作，32位CPU双核处理器，性能极大提高。3精度高，同步快。4支持单星授时模式，适用于收星效果不佳的情况，有屋顶和贴窗天线可供选择。7自保持能力强，时钟装置收不到卫星信号后，自守时能力优于7*10-9(0.42S/min)。8装置具有多个物理隔离的相互独立的10/100M网口（每个端口具有独立的MAC地址），多个端口可以灵活的配置使用，可以用在不断增长变化的网络环境中；还可用于不同的子网或不同的物理隔离的网络中。另外，还可用来作为NTP网管来使用，使两个物理隔离的网络共享时间服务器资源。9可同时为几十万台客户端、服务器、工作站提供时间校时服务。10支持WINDOWS9X/NT/2000/XP/2003/2008/vista、LINUX、UNIX、SUN SOLARIS、IBM AIX、HP-UX等操作系统及支持NTP协议的路由器、交换机、智能控制器等网络设备。16支持双电源冗余备份（可选）。28客户端软件操作简单，显示直观，占用系统资源小。（可选）。29直观的Web界面及NTPM管理软件，可以轻松实现远程网络登录、管理、配置和维护。30装置采用全模块化即插即用结构设计，支持板卡热插拔，配置灵活，维护方便，同时为将来现场网络改造扩建时增加对时端口提供了方便。31有多种工作状态指示，便于运行值班人员的日常巡视。32架装式结构，1U/2U、19”标准机箱,安装方便。DCS网/PLC网时间同步装置的详细参数：1时间源：GPS卫星、北斗卫星接收机、IRIG-B码(DCLS)、OCX0(恒温晶振)、CDMA、铷原子钟、RS232、1PPS、1PPM、1PPH可选。2装置工作温度：-20+70，贮存温度：-40+85，湿度：95%；授时天线：工作温度：-45+85，贮存温度：-50+90，湿度：100%，结露。3电源：220V/110V交、直流自适应,双电源冗余。4功耗：15W。5GPS接收器接收频率：1575.42MHz；捕获-160dBW，跟踪-163dBW；捕获时间：装置冷启动时，2min，装置热启动时，10S；内部电池类型：锂电池，电池寿命：25000h。6北斗接收器：通道：6；接收灵敏度：-157.6dBW；冷启动首捕时间：2秒；失锁重捕时间：1 秒；1PPS精度：优于100nS。7CDMA 接收机频率：800MHz。8DCS网/PLC网时间同步平均无故障间隔时间(MTBF)150000小时；平均维修时间（MTTR）：一般不大于30分，使用寿命不少于20年。正常使用条件下无须维护。9对时精度：脉冲、B码：0.1S，串口：10S ，NTP/SNTP：1-10ms；1010MHz时间输出：精确度：GPS锁定状态下（24小时平均值） 1E-12，GPS失锁状态下（24小时平均值）3E-10，短期稳定度：100ms 5E-11，1s：1E-11，10s：3E-11，电平幅度：10dBm，标准正弦波（可选方波）输出，接头：BNC座。11相位噪声： -120dBc 10Hz， -145dBc 100Hz, -155dBc 1KHz， -160dBc 10KHz， -165dBc 100KHz。12NTP/SNTP授时记录：保存最新5000条。13NTP/SNTP吞吐量：满足每秒10000次时间请求；14网口支持协议：NTP/SNTP ，ARP，UDP/ Time，Telnet，ICMP，DHCP，TFTP，SNMP，MD5，NTP V4，V3，V2，V1，NTP SERVER或