GPS同步時鐘及其在火電廠自動化改造中的應用

　　摘要：介紹了基于GPS的時鐘同步PC卡的研制及其應用。基于GPS技術，利用W77E58單片機、ISA總線、PC機BIOS時鐘中斷和程序常駐內存技術，成功地解決了在不影響原系統正常運行的情況下，利用GPS時間來同步不同系統時鐘這一技術難題。
　　
　　0引言
　　
　　我國自20世紀80年代中、后期引進分布式控制系統（DCS）技術并在火電廠的單元機組控制中應用以來，經過數十年的發展，目前DCS已在火電廠的單元機組控制中得到廣泛應用，極大地提高了火電廠的自動化水平。汽輪機數字式電液調節系統（DEH）是汽輪發電機組實時控制系統，是汽輪機啟動、停止、正常運行和事故工況下的調節控制器。
　　
　　目前，許多正在火電廠中應用的DCS，DEH等實時控制系統大多是多年前開發的，其應用系統的時鐘大多是基于各自的系統時鐘，因此，不同系統的時鐘是不同步的。這對于需要進行同步數據采集、利用事故追憶系統（SOE）來進行測量以及分析事故原因的火電廠自動化系統來說是不能容忍的。為了減少時間誤差，經常采用的方法是人工對時，這種方法既費力又不能從根本上消除時間誤差。采用衛星定位系統（GPS）技術是解決時鐘同步問題的*手段。
　　
　　1利用GPS實施時鐘同步的方法
　　
　　利用GPS實施時鐘同步的方法主要有兩種：一種是在開發應用系統時，事先已根據系統要求，將GPS與應用系統的電路設計有機地結合起來，例如基于GPS的時間同步數據采集系統等[1]；另一種是設計時由于條件所限，沒有采用GPS技術，而是直接利用各自操作系統的內部時鐘，因此系統的各部分時鐘是不同步的。
　　
　　對于后一種情形，可采用GPS技術來同步系統的各部分時鐘。方法有兩種：①采用純軟件方法，即利用PC機的串行口對原系統編寫接收GPS時間信息的“補丁”程序來實施同步。當然，用DOS或Windows的多任務進程方法不難實現“i。需要指出的是，這種方法不僅要占用PC機系統的一個串行口，而且不適用于實時控制系統，因為完整地接收GPS導航信息需近1s時間。②采用軟硬件結合方法，既不占用PC機系統的串行口資源，也絲毫不影響原系統的正常運行。這正是本文的設計思想。
　　
　　2基于GPS的時鐘同步PC卡的研制
　　
　　基于GPS的時鐘同步PC卡硬件電路原理如圖1所示。圖中虛線左邊為CPU（W77E58單片機）接收GPS時間的電路，右邊為改寫PC機實時鐘和系統時鐘的電路。
　　
　　為了避免PC機在讀／寫雙口RAM中的GPS時間時對PC機原有應用系統程序的運行造成影響，同時又不影響該PC卡對系統時間的實時更新，PC機側的GPS時間接收與改寫時鐘程序應常駐內存[2]。采用ROM-BIOS中的時鐘中斷程序（1AH）來實時改寫PC時鐘是該PC卡設計的關鍵技術。常駐內存的時鐘中斷程序固化在卡上的ROM（27C128）中。
　　
　　PC卡對外有兩種接口：一種是已解碼的GPS時間接口，每秒向串口發1幀（18B）已解碼的GPS時間，采用RS-485接口；另一種是未解碼的GPS時間，采用RS-232接口。
　　
　　3GPS同步時鐘的應用
　　
　　某火電廠12號300MW機組的DEH為新華電站公司產品，其結構如圖2所示。該機組的DCS為貝利公司研制的INFI-90系統，其結構如圖3所示。該機組SOE的時間取自INFI-90系統的環路時間。　　
　　3．1目前存在的問題
　　
　　以上DEH，DCS和SOE的時間分別取自各自的操作系統或環路，因而各系統的時鐘是不同步的，zui大時間誤差曾達幾十分鐘，這給故障情況下分析事故原因帶來了很大的困難。為了減小時間誤差，目前采用的方法是：每隔一定時間由系統工程師將標準時間輸入各自操作系統，每天的同步誤差在幾秒以上。
　　
　　3．2改造的基本思路與技術方案
　　
　　本次系統改造只涉及INFI-90系統，對原有DEH不做任何改造，但同時要求解決各系統的時鐘同步問題。問題的關鍵是如何在不對DEH做任何改造的情況下利用GPS來同步其時鐘。
　　
　　通過對DEH的分析得知，其系統時間來自工程師站的DOS時鐘。采用ROM-BIOS中的時鐘中斷程序來實時地改寫PC時鐘是本PC卡設計的關鍵技術。該程序固化在PC卡中，系統啟動后即常駐內存。
　　
　　INFI-90系統在改造時，多功能處理器（MFP）可利用RS-485接口接受PC卡送來的GPS時間。SOE時間來自INFI-90系統的環路時間，INFI-90系統與GPS時間同步后，SOE時間自然也就與GPS時間同步。
　　
　　3．3軟硬件接口
　　
　　GPS的PC卡插在DEH工程師站的工控機ISA槽上，如圖2所示。因BIOS的實時鐘中斷為18．2次／s，PC卡上已固化的BIOS時鐘中斷駐留程序每55ms將DEH的實時鐘與系統時鐘更新一次。對時工作是PC卡自動完成的，與DEH無關。
　　
　　圖3所示的INFI-90系統利用RS-485串行口，以9．6kbit／s的速率，每秒從GPS的PC卡的RS-485接口讀取已解碼的GPS時間信息（由同步字、年、月、日、時、分、秒及校驗字等18個字節構成），實時更新本系統的時鐘。
　　
　　SOE則通過接受INFI-90系統環形網絡上采用接力棒的存儲轉發式通信協議發送的GPS時間來同步，詳細的信息格式參見文獻[3].
　　
　　3．4改造后時鐘同步的效果
　　
　　改造后的DEH，DCS和SOE實現了與GPS的數據通信，使DEH時鐘與DCS，SOE及其他控制系統保持同步，以利于事故狀態下歷史數據在時間上的統一，有利于事故分析。利用GPS的PC卡在不影響原系統（DEH）正常工作的基礎上，達到了使以上3個系統時鐘同步的目的，各系統間的時間誤差在幾十微秒以內。
　　
　　4結語
　　
　　本文介紹了基于GPS的時鐘同步PC卡的設計及其在火電廠自動化系統改造中的應用。基于GPS技術，采用BIOS時鐘中斷和程序常駐內存技術，成功地解決了在不影響原系統正常運行的情況下，利用GPS時鐘來同步不同系統時間這一技術難題。
　　
　　實踐證明，本文提出的GPS的PC卡電路設計是正確的，火電廠自動化系統時鐘同步改造的設計思想和技術方案是成功的。該GPS的PC卡在電力系統時鐘同步應用中具有良好的應用前景。