GPS同步時(shí)鐘及其在火電廠自動(dòng)化改造中的應(yīng)用

　　摘要：介紹了基于GPS的時(shí)鐘同步PC卡的研制及其應(yīng)用。基于GPS技術(shù)，利用W77E58單片機(jī)、ISA總線、PC機(jī)BIOS時(shí)鐘中斷和程序常駐內(nèi)存技術(shù)，成功地解決了在不影響原系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，利用GPS時(shí)間來同步不同系統(tǒng)時(shí)鐘這一技術(shù)難題。
　　
　　0引言
　　
　　我國(guó)自20世紀(jì)80年代中、后期引進(jìn)分布式控制系統(tǒng)（DCS）技術(shù)并在火電廠的單元機(jī)組控制中應(yīng)用以來，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前DCS已在火電廠的單元機(jī)組控制中得到廣泛應(yīng)用，極大地提高了火電廠的自動(dòng)化水平。汽輪機(jī)數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）是汽輪發(fā)電機(jī)組實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，是汽輪機(jī)啟動(dòng)、停止、正常運(yùn)行和事故工況下的調(diào)節(jié)控制器。
　　
　　目前，許多正在火電廠中應(yīng)用的DCS，DEH等實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)大多是多年前開發(fā)的，其應(yīng)用系統(tǒng)的時(shí)鐘大多是基于各自的系統(tǒng)時(shí)鐘，因此，不同系統(tǒng)的時(shí)鐘是不同步的。這對(duì)于需要進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集、利用事故追憶系統(tǒng)（SOE）來進(jìn)行測(cè)量以及分析事故原因的火電廠自動(dòng)化系統(tǒng)來說是不能容忍的。為了減少時(shí)間誤差，經(jīng)常采用的方法是人工對(duì)時(shí)，這種方法既費(fèi)力又不能從根本上消除時(shí)間誤差。采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)是解決時(shí)鐘同步問題的*手段。
　　
　　1利用GPS實(shí)施時(shí)鐘同步的方法
　　
　　利用GPS實(shí)施時(shí)鐘同步的方法主要有兩種：一種是在開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，事先已根據(jù)系統(tǒng)要求，將GPS與應(yīng)用系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合起來，例如基于GPS的時(shí)間同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等[1]；另一種是設(shè)計(jì)時(shí)由于條件所限，沒有采用GPS技術(shù)，而是直接利用各自操作系統(tǒng)的內(nèi)部時(shí)鐘，因此系統(tǒng)的各部分時(shí)鐘是不同步的。
　　
　　對(duì)于后一種情形，可采用GPS技術(shù)來同步系統(tǒng)的各部分時(shí)鐘。方法有兩種：①采用純軟件方法，即利用PC機(jī)的串行口對(duì)原系統(tǒng)編寫接收GPS時(shí)間信息的“補(bǔ)丁”程序來實(shí)施同步。當(dāng)然，用DOS或Windows的多任務(wù)進(jìn)程方法不難實(shí)現(xiàn)“i。需要指出的是，這種方法不僅要占用PC機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)串行口，而且不適用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，因?yàn)橥暾亟邮誈PS導(dǎo)航信息需近1s時(shí)間。②采用軟硬件結(jié)合方法，既不占用PC機(jī)系統(tǒng)的串行口資源，也絲毫不影響原系統(tǒng)的正常運(yùn)行。這正是本文的設(shè)計(jì)思想。
　　
　　2基于GPS的時(shí)鐘同步PC卡的研制
　　
　　基于GPS的時(shí)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(jī)）接收GPS時(shí)間的電路，右邊為改寫PC機(jī)實(shí)時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)鐘的電路。
　　
　　為了避免PC機(jī)在讀／寫雙口RAM中的GPS時(shí)間時(shí)對(duì)PC機(jī)原有應(yīng)用系統(tǒng)程序的運(yùn)行造成影響，同時(shí)又不影響該P(yáng)C卡對(duì)系統(tǒng)時(shí)間的實(shí)時(shí)更新，PC機(jī)側(cè)的GPS時(shí)間接收與改寫時(shí)鐘程序應(yīng)常駐內(nèi)存[2]。采用ROM-BIOS中的時(shí)鐘中斷程序（1AH）來實(shí)時(shí)改寫PC時(shí)鐘是該P(yáng)C卡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。常駐內(nèi)存的時(shí)鐘中斷程序固化在卡上的ROM（27C128）中。
　　
　　PC卡對(duì)外有兩種接口：一種是已解碼的GPS時(shí)間接口，每秒向串口發(fā)1幀（18B）已解碼的GPS時(shí)間，采用RS-485接口；另一種是未解碼的GPS時(shí)間，采用RS-232接口。
　　
　　3GPS同步時(shí)鐘的應(yīng)用
　　
　　某火電廠12號(hào)300MW機(jī)組的DEH為新華電站公司產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該機(jī)組的DCS為貝利公司研制的INFI-90系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該機(jī)組SOE的時(shí)間取自INFI-90系統(tǒng)的環(huán)路時(shí)間。　　
　　3．1目前存在的問題
　　
　　以上DEH，DCS和SOE的時(shí)間分別取自各自的操作系統(tǒng)或環(huán)路，因而各系統(tǒng)的時(shí)鐘是不同步的，zui大時(shí)間誤差曾達(dá)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(shí)間誤差，目前采用的方法是：每隔一定時(shí)間由系統(tǒng)工程師將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間輸入各自操作系統(tǒng)，每天的同步誤差在幾秒以上。
　　
　　3．2改造的基本思路與技術(shù)方案
　　
　　本次系統(tǒng)改造只涉及INFI-90系統(tǒng)，對(duì)原有DEH不做任何改造，但同時(shí)要求解決各系統(tǒng)的時(shí)鐘同步問題。問題的關(guān)鍵是如何在不對(duì)DEH做任何改造的情況下利用GPS來同步其時(shí)鐘。
　　
　　通過對(duì)DEH的分析得知，其系統(tǒng)時(shí)間來自工程師站的DOS時(shí)鐘。采用ROM-BIOS中的時(shí)鐘中斷程序來實(shí)時(shí)地改寫PC時(shí)鐘是本PC卡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。該程序固化在PC卡中，系統(tǒng)啟動(dòng)后即常駐內(nèi)存。
　　
　　INFI-90系統(tǒng)在改造時(shí)，多功能處理器（MFP）可利用RS-485接口接受PC卡送來的GPS時(shí)間。SOE時(shí)間來自INFI-90系統(tǒng)的環(huán)路時(shí)間，INFI-90系統(tǒng)與GPS時(shí)間同步后，SOE時(shí)間自然也就與GPS時(shí)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(jī)ISA槽上，如圖2所示。因BIOS的實(shí)時(shí)鐘中斷為18．2次／s，PC卡上已固化的BIOS時(shí)鐘中斷駐留程序每55ms將DEH的實(shí)時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)鐘更新一次。對(duì)時(shí)工作是PC卡自動(dòng)完成的，與DEH無關(guān)。
　　
　　圖3所示的INFI-90系統(tǒng)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(shí)間信息（由同步字、年、月、日、時(shí)、分、秒及校驗(yàn)字等18個(gè)字節(jié)構(gòu)成），實(shí)時(shí)更新本系統(tǒng)的時(shí)鐘。
　　
　　SOE則通過接受INFI-90系統(tǒng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)上采用接力棒的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式通信協(xié)議發(fā)送的GPS時(shí)間來同步，詳細(xì)的信息格式參見文獻(xiàn)[3].
　　
　　3．4改造后時(shí)鐘同步的效果
　　
　　改造后的DEH，DCS和SOE實(shí)現(xiàn)了與GPS的數(shù)據(jù)通信，使DEH時(shí)鐘與DCS，SOE及其他控制系統(tǒng)保持同步，以利于事故狀態(tài)下歷史數(shù)據(jù)在時(shí)間上的統(tǒng)一，有利于事故分析。利用GPS的PC卡在不影響原系統(tǒng)（DEH）正常工作的基礎(chǔ)上，達(dá)到了使以上3個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘同步的目的，各系統(tǒng)間的時(shí)間誤差在幾十微秒以內(nèi)。
　　
　　4結(jié)語(yǔ)
　　
　　本文介紹了基于GPS的時(shí)鐘同步PC卡的設(shè)計(jì)及其在火電廠自動(dòng)化系統(tǒng)改造中的應(yīng)用。基于GPS技術(shù)，采用BIOS時(shí)鐘中斷和程序常駐內(nèi)存技術(shù)，成功地解決了在不影響原系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，利用GPS時(shí)鐘來同步不同系統(tǒng)時(shí)間這一技術(shù)難題。
　　
　　實(shí)踐證明，本文提出的GPS的PC卡電路設(shè)計(jì)是正確的，火電廠自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)鐘同步改造的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)方案是成功的。該GPS的PC卡在電力系統(tǒng)時(shí)鐘同步應(yīng)用中具有良好的應(yīng)用前景。