GPS 精确授时在工业控制领域的应用

1、GPS精确授时在工业控制领域的应用林洪莹,葛树俊,王学厚(山东电力研究院,山东济南250002摘要:介绍了一种GPS精确授时系统,该系统提供通用接口,可以应用于所有支持RS-232C/RS-485/CAN总线的设备或系统,目前已投入运行,效果良好。关键词:GPS;精确授时;DCS;LN2000中图分类号:TP273文献表识码:A文章编号0概述随着现在科学技术的发展和计算机技术的广泛应用,工业控制中各种仪器仪表、控制系统也越来越先进,许多领域,如时间、顺序记录、继电保护、故障测距、电能计费、实时信息、采集等都需要有一个统一的、高精度的时间基准。传统的时间同步系统一般采用内部晶振,其时间精度并不高

2、,在长期运行过程中会产生各计算机系统之间、上位机与下位机之间、各下位机之间的时间误差对安全生产产生不良影响,尤其是发生连锁故障时无法依据故障时间分析故障起点。对于上述缺陷,通常是采用外接高精度晶振。但是,由于高精度晶振长时间运行同样会产生漂移,加之无法对系统内的多个晶振进行脉冲同步,所以需要寻找一种可靠的方法来满足精确校时和时间统一的要求。基于此,我们设计开发了GPS精确授时系统,不但可以应用于分散控制系统(DCS,还提供通用接口,可以应用于所有支持RS-232C/RS-485/CAN总线的设备或系统。下面以LN2000DCS中的GPS精确授时系统为例,介绍了GPS精确授时系统在工业控制领域的

3、应用。1GPS全球定位系统介绍全球定位系统(Global Positioning System-GPS是美国从本世纪70年代开始研制,于1994年全面建成。GPS由三个独立的部分组成:空间部分:21颗工作卫星,3颗备用卫星;地面支撑系统:1个主控站,3个注入站,5个监测站;用户设备部分:接收GPS卫星发射信号,以获得必要的导航和定位信息,经数据处理,完成导航和定位工作,一般由主机、天线和电源组成。随着人们对GPS认识的加深,GPS不仅在测量,导航,测速,测时等方面得到更广泛的应用,而且其应用领域不断扩大。2GPS精确授时系统组成GPS精确授时系统包括GPS卫星及信号接收单元(GPS Unit、

4、GPS信号处理及时间输出单元、接收授时终端三个部分组成,前二者构成了GPS精确授时模块,授时模块与接收授时终端之间由屏蔽通讯电缆连接。我们设计的GPS精确授时系统结构如图1所示。 其中GPS卫星及信号接收单元由现有的空中卫星、地面支撑系统和信号接收机组成; GPS信号处理及时间输出单元,我们使用高性能单片机来接收GPS信号接收机传送过来的有效定位时间信息,进行处理后,向各种授时总线,包括RS-232C、RS-485和CAN现场总线输出;接收授时终端只需要提供相同的接口,接收我们的授时信息输出即可实现精确时间同步。3GPS精确授时系统的功能设计及授时模块介绍GPS授时系统由GPS授时模块接收处理

5、GPS卫星信号,经过处理后,向授时总线上输出授时信息。在授时模块中,我们使用专业的12通道授时型GPS OEM接收机,可以同时跟踪多达12颗GPS卫星,从而能够快速的定位;同时接收机功耗非常小,数据更新率为每秒一次,具有精确秒脉冲输出,保证了授时的精度。我们的授时模块集成2路RS-232C、4路RS-485、2路完全独立的CAN总线接口输出,同时为了提高系统的可靠性,在授时报文里,我们使用了循环冗余CRC校验。模块内各路输出及信号输入都采用光隔离措施,保证了室外天线信号和现场总线上的干扰信号,不会影响授时模块的稳定运行,更不会影响其它总线。由于工业控制环境的恶劣性和复杂性,我们特意为授时模块加

6、配了30m专业授时天线,可以在现场方便的将设备放在室内,天线架设在楼顶,保证了信号的稳定性。GPS授时模块按照工业级标准设计,全部采用工业级器件,金属外壳,采用高性能低功耗十六位单片机,软件固化于片内,系统稳定性高;看门狗功能保证系统具有自恢复能力,双路冗余24V隔离供电,供电部分设有一只速断总保险,两级看门狗,离线自恢复,独立电源端子,独立CAN和RS485/RS232C通信端子,通信电缆可直接连接到可插拔的模块端子排,无需中间端子转接,四个面板指示灯,指示电源、运行、CAN、串口和卫星信号状态,保证系统工作的稳定,可以稳定的工作在-1060温度范围内;无论性能、可靠性、还是使用方便性,都比

7、目前市场上的类似产品有显著提高。可广泛应用于电力、石化、冶金及轻工行业。另外,我们编写了PC机上的RS-232C/RS-485信号接收机对时程序,可以方便的接收授时模块广播的授时信息,进行本机对时。同时,我们为授时模块采用了易升级扩展设计,可以在线对模块进行编程设置或程序更新,使用GPS定位系统的其它功能。4GPS精确授时系统在LN2000DCS中的应用LN2000DCS是山东鲁能控制工程公司推出的一种新型的分散控制系统(DCS产品。在应用中,通常有多套DCS或控制系统,一套DCS有多个过程处理站同时运行,各套系统、各个过程站都有自己的历史数据记录和事故操作记录。如果各系统没有统一的时间基准,

8、那么各系统间的数据通常就失去了可对比意义,事故记录也无从分析。在LN2000DCS中,使用了GPS精确授时系统,给系统中所有的过程站、历史站、工程师站、操作员站,以及带有时标的采集模块进行对时,使各站时间精度达到了毫秒级别,使得各采集模块、过程站、工程师站时间同步,所有的历史数据形成了一个有机的整体,便于分析和查询。如图3,授时系统工作过程如下:(1GPS通过RS-232或RS-485向历史站授时;(2历史站通过冗余以太网向其它上位站和所有过程控制站(PU授时;(3GPS通过授时CAN总线向所有SOE模块(可以安装在不同PU中授时。 图2LN2000精确授时系统结构5结束语GPS精确授时系统基

9、于可靠的卫星定位技术,具有全球、全天候工作的特点,不受时间、天气和地理位置的影响,使用方便,授时精度高。我们设计的GPS精确授时系统,提供多路RS-232C/RS-485/CAN总线通用接口和开放的输出数据格式,性能稳定,运行可靠,有诸多的DCS应用记录,可以广泛应用在普通工控领域。参考文献1孙丙香,温春雪,严国志,杨同忠.GPS精密授时功能在电力系统功角广域测量系统中的应用J.国外电子元器件,2006(1:53-56.2赵珞成.GPS接收机时钟控制方法J.测绘科学2006(1:94-95.3王盟,燕爱华.基于嵌入式系统的GPS通讯端机设计研究J.现代电子技术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