淺析GPS同步時(shí)鐘系統(tǒng)在垃圾發(fā)電廠的應(yīng)用

摘 要：文章簡單介紹了GPS（Global Positioning System）衛(wèi)星時(shí)間同步系統(tǒng)功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、模塊結(jié)構(gòu)、輸出格式。同時(shí)結(jié)合國內(nèi)某城市生活垃圾發(fā)電廠實(shí)際工程案例，如何實(shí)現(xiàn)全廠控制系統(tǒng)達(dá)到時(shí)鐘同步進(jìn)行了探討和研究，并著重要介紹了DCS系統(tǒng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：GPS；垃圾發(fā)電廠；DCS系統(tǒng)；時(shí)鐘同步

1 GPS時(shí)鐘同步簡介

GPS時(shí)鐘是一種接受GPS衛(wèi)星發(fā)射的低功率無線電信號，通過計(jì)算得出GPS時(shí)間的接受裝置，GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)可同時(shí)接收GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系并提供各種時(shí)間同步信號，用于實(shí)現(xiàn)電廠內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)裝置、故障錄波器、事件順序記錄裝置、安全自動裝置、功角測量裝置、線路故障行波測距裝置、雷電定位裝置以及能量管理系統(tǒng)、用電負(fù)荷管理系統(tǒng)、通信網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、電能量記費(fèi)系統(tǒng)、電網(wǎng)頻率按秒考核系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)MIS、DCS等系統(tǒng)具有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。

GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)主要由CPU模塊、接收模塊、電源模塊和輸出接口模塊組成。具體典型拓譜結(jié)構(gòu)，請參考圖1所示，主時(shí)鐘A和主時(shí)鐘B都可接收GPS或北斗發(fā)出時(shí)間信號和同步信號，同時(shí)主時(shí)鐘A和主時(shí)鐘B通過IRIG-B碼互為冗余。

2 GPS時(shí)鐘信號輸出

2.1 1PPS/1PPM輸出

此格式時(shí)間信號每秒或每分時(shí)輸出一個(gè)脈沖，顯然時(shí)鐘脈沖輸出不含具體時(shí)間信息。

2.2 IRIG-B輸出

IRIG（美國the Inter-Range Instrumentation Group）共有A、B、D、E、G、H幾種編碼標(biāo)準(zhǔn)（IRIG Standard 200-98）。其中在時(shí)鐘同步應(yīng)用中使用最多的是IRIG-B編碼，有bc電平偏移（DC碼）、1kHz正弦載波調(diào)幅（AC碼）等格式。IRIG-B信號每秒輸出一幀（1fps），每幀長為一秒。一幀共有100個(gè)碼元（100pps），每個(gè)碼元寬10ms，由不同正脈沖寬度的碼元來代表二進(jìn)制0、1和位置標(biāo)志位（P）。

2.3 RS-232/RS-422/RS-485輸出

此時(shí)鐘輸出通過EIA標(biāo)準(zhǔn)串行接口發(fā)送一串以ASCII碼表示的日期和時(shí)間報(bào)文，每秒輸出一次。時(shí)間報(bào)文中可插入奇偶校驗(yàn)、時(shí)鐘狀態(tài)、診斷信息等。

2.4 NTP網(wǎng)絡(luò)對時(shí)輸出

NTP 協(xié)議全稱網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Procotol）它的目的是在國際互聯(lián)網(wǎng)上傳遞統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間。具體的實(shí)現(xiàn)方案是在網(wǎng)絡(luò)上指定個(gè)時(shí)鐘源設(shè)備，為網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)提供授時(shí)服務(wù)，通過這個(gè)時(shí)鐘源產(chǎn)品可以使網(wǎng)絡(luò)中的眾多電腦和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都保持時(shí)間同步，其精度高達(dá)毫秒級。

3 垃圾發(fā)電廠采用GPS同步時(shí)鐘意義

隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的高速發(fā)展，電力自動化、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的提高。給控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換、分析、應(yīng)用提供了更好的平臺同。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)裝置、微機(jī)故障錄波裝置以及各種控制系統(tǒng)，如DEH系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)已在城市生活垃圾發(fā)電廠自動化控制中得到了廣泛的應(yīng)用。但不同廠家的設(shè)備系統(tǒng)多數(shù)采用各自獨(dú)立的時(shí)鐘，而各時(shí)鐘都有一定的偏差。那么如何做到統(tǒng)一時(shí)鐘使電力系統(tǒng)長期安全運(yùn)行、提高生產(chǎn)效率變得勢在必行。而采用GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)來確保各系統(tǒng)之間的同步與有序協(xié)調(diào)工作是最為有效果的措施方案。

4 垃圾發(fā)電廠GPS時(shí)鐘同步解決方案

項(xiàng)目概述：廣東某城市生活垃圾焚燒發(fā)電二廠工程建設(shè)規(guī)模為日處理生活垃圾2250噸，配置3臺750T/D的焚燒爐及余熱鍋爐，2臺25MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，余熱鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組采用中溫中壓，汽機(jī)間單獨(dú)設(shè)置冷凝旁路。焚燒爐采用的國際先進(jìn)的四段階梯式機(jī)械爐排爐；煙氣凈化處理系統(tǒng)采用國際先進(jìn)的“半干法”技術(shù)；汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備采用東方汽輪機(jī)；全廠DCS采用ABB公司的AC800F系統(tǒng)，其它分系統(tǒng)西門子PLC 300/400產(chǎn)品。具體請參看圖2所示：

4.1 GPS時(shí)鐘同步接線介紹

從上面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可以看出，GPS同步系統(tǒng)與各設(shè)備間通過“硬接線”方式進(jìn)行同步。DCS最小站點(diǎn)（IP地址最小的）時(shí)鐘接受GPS時(shí)鐘R232串口輸出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間編碼。如在接受端是RS-232輸出的ASCII碼字節(jié)，GPS主時(shí)鐘必須輸出同樣格式的字節(jié)信號 GPS主時(shí)鐘輸出接口一般都提供編程接口，電廠相關(guān)控制系統(tǒng)只要提出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)接口便可。該工程主要接口是RS323與RS485接口，DCS系統(tǒng)采用RS232接口；DEH系統(tǒng)接采用RS485接口；電氣保護(hù)接口是RS485接口；升壓站通過RS485接口連接。至于其它分系統(tǒng)（如：SOE事故分析系統(tǒng)、煙氣脫酸系統(tǒng)、煙氣脫硝系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、垃圾吊系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)等）是以DP通訊方式連接到DCS系統(tǒng)，所以可以通過DCS系統(tǒng)獲得標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)標(biāo)。同時(shí)還為以后全廠SIS、MIS系統(tǒng)等預(yù)留有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)接口。

下面主要以DCS系統(tǒng)為例，著重介紹一下DCS系統(tǒng)對時(shí)系統(tǒng)解決方案。該項(xiàng)目是用采用ABB公司AC800F系統(tǒng)，軟件版本V9.1。鑒于AC800F系統(tǒng)本身內(nèi)部具備時(shí)間同步功能，DCS系統(tǒng)內(nèi)部IP地址最小控制器為時(shí)間服務(wù)器，其它設(shè)備包括操作員站、工程師站都是從時(shí)間服務(wù)器獲得時(shí)間同步。IP地址最小控制器的時(shí)間由RS232串口獲取。所以只要從GPS時(shí)間同步系統(tǒng)接一路RS232信號到最小控制便可實(shí)現(xiàn)整個(gè)DCS系統(tǒng)時(shí)間同步目的。

4.2 RS232接口定義

GPS 裝置RS232 輸出串口插座為標(biāo)準(zhǔn)的DB9 針插座，各針腳作用如下所述。（1）DCD 載波檢測；（2）RXD 接收數(shù)據(jù)；（3）TXD 發(fā)送數(shù)據(jù)；（4）DTR 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好；（5）SG信號地；（6）DSR 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好；（7）RTS 請求發(fā)送；（8）CTS 清除發(fā)送；（9）RI 振鈴提示。由于同步對時(shí)系統(tǒng)接口信息相對簡單，而且對于DCS系統(tǒng)來說，只需接收GPS時(shí)鐘信息即可，只需接2RXD接收數(shù)據(jù)與5SG信號地便可。同時(shí)按DCS系統(tǒng)要求把RS232 串口通信參數(shù)設(shè)置為：波特率-9600，數(shù)據(jù)位-8，停止位-1，校驗(yàn)位-無，握手信號-無。

ABB 800F 系統(tǒng)對RS232串口輸出協(xié)議編碼格式尤為嚴(yán)格，必須采用串口通信協(xié)議為ASCII 碼字符格式，且數(shù)據(jù)長度共18 個(gè)字節(jié)。01數(shù)據(jù)頭STX（02），02狀態(tài)標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為C，夏令時(shí)間為E，可設(shè)置選擇），03星期數(shù)（16 進(jìn)制9～F，對應(yīng)星期一～星期日），04小時(shí)的十位， 05小時(shí)個(gè)位，06分鐘的十位，07分鐘個(gè)位，08秒數(shù)十位，09秒數(shù)個(gè)位，10日十位，11日個(gè)位，12月的十位，13月的個(gè)位，14年的十位，15年個(gè)位，16換行符換行符LF（10），17回車符CR（13），18數(shù)據(jù)尾。格式如：2013年05月13日14時(shí)25分56秒的格式為#CB142556130513013。

如果裝置串口輸出的信息沒有、信息格式不正確、失步狀態(tài)時(shí)信息格式不完整或串口通信沒有建立等原因，都會造成AC800F控制器無法接受到GPS時(shí)鐘信號命令。當(dāng)時(shí)控制器無法接受到RS232串GPS時(shí)鐘信息時(shí)，也不必?fù)?dān)心，DCS系統(tǒng)就會保持內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘狀態(tài)。當(dāng)DCS系統(tǒng)最小控制器變?yōu)闀r(shí)鐘服務(wù)器時(shí)，其內(nèi)部的系統(tǒng)變量RadioClkAv 也變?yōu)門rue，在電腦IE瀏覽頁輸入：http：//172.16.1.1，可看到TimeSync status：Active Server：#7（172.16.1.50） with Gateway Server，說明時(shí)鐘服務(wù)器已激活。只有RS232串口同步信息完全符合上述編碼格式（具體編碼內(nèi)容可以通過PC電腦系統(tǒng)自帶的超級終端讀出，設(shè)置波特率-9600，數(shù)據(jù)位-8，停止位-1，校驗(yàn)位-無，握手信號-無），最小IP地址控制器上電后就會自動從GPS時(shí)間同步系統(tǒng)獲取精準(zhǔn)備時(shí)鐘指令。而DCS系統(tǒng)中的其他控制器上電后，自動與該時(shí)鐘服務(wù)器保持時(shí)間同步，那么如何判段是否實(shí)現(xiàn)了同步，除了查看同步裝置各指示燈外，就目測DCS系統(tǒng)時(shí)間與GPS時(shí)鐘是否完全一致。可以起先拔出串口，把DCS系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置與GPS時(shí)鐘完全不一樣。用以更明顯判斷結(jié)果。如果最小控制器接上RS232后與GPS完全一致，那么恭喜你，時(shí)間同步成功。

5 結(jié)束語

隨著GPS 時(shí)間同步系統(tǒng)必將在城市垃圾發(fā)電廣泛應(yīng)用，可有效減少維護(hù)和檢修的工作量，為垃圾發(fā)電的安全生產(chǎn)管理提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。為電力系統(tǒng)長期安全運(yùn)行、提高生產(chǎn)效率提供了有力的支持。

參考文獻(xiàn)

[1]QB/HD01-2002.華東電網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].

[2]DL/T 1100.1-2009.電力系統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng)：技術(shù)規(guī)范[S].

[3]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第4版）.