韓江濤　趙起海

【摘? 要】論文分析TXP系統(tǒng)（西門子公司非安全級DCS控制系統(tǒng)，與該系統(tǒng)相配套的時鐘分配器為HOPF服務(wù)器）的時間同步原理，并結(jié)合DCS時鐘的故障問題提出優(yōu)化方法。

【Abstract】This paper analyzes the time synchronization principle of TXP system （non safety level DCS control system of Siemens Company， and the clock distributor matched with this system is HOPF server）， and puts forward the optimization methods combined with the failures and problems of DCS clock.

【關(guān)鍵詞】DCS;時鐘;同步誤差;GPS

【Keywords】DCS; clock; synchronization error; GPS

【中圖分類號】TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）03-0172-02

1 引言

該核電DCS分為1E、SR、NC三個級別。其中，1E指安全級DCS系統(tǒng)TXS，在TXS中只有AV42優(yōu)選模塊需要進行時鐘同步，AV42通過PROFBUS與SR、NC級非安全級DCS系統(tǒng)TXP通訊，AV42控制的設(shè)備其狀態(tài)信號時標(biāo)在AV42中，其時鐘需要與TXP保持一致，AV42時鐘同步信號來自TXP的主時鐘服務(wù)器HOPF。TXP系統(tǒng)中，NC級的汽機控制系統(tǒng)自身帶有時鐘服務(wù)器，外部時鐘源均來自于DTV輸出。

2 時鐘同步方式

2.1 TXP時鐘同步方式

TXP的核電站總線是以CSMA/CD為基礎(chǔ)的以太網(wǎng)，在總線上有三個主時鐘：HOPF時鐘服務(wù)器（RTT）、最小號AP的主CP1430通訊/時鐘卡、最大號AP（主控制器）的備用CP1430通訊/時鐘卡。該核電站TXP系統(tǒng)的主時鐘為RTT，CP1430為備用時鐘（RTT故障后自動替代）。

HOPF作為TXP的主時鐘接收來自DTV的外部時鐘信號，使用RS422端口訪問。HOPF將接收的時間信號經(jīng)過主時鐘模塊處理后通過專用模塊來將時間信號分發(fā)給各用戶。HOPF每10s會向核電站總線上發(fā)送一個時鐘信號報文以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的時鐘同步。

AV42的時間同步使用脈沖來實現(xiàn)，脈沖為1PPM輸出（50s信號為“1”，后1s信號為“0”）作為AV42相對時間的修正，AV42根據(jù)自身的時鐘計時和標(biāo)準(zhǔn)脈沖對比并修正偏差。AV42的絕對時間通過PROFBUS總線從AP獲取。

當(dāng)DTV故障時HOPF可作為主時鐘自由走時。HOPF故障約40s后最小AP號的主CP1430作為主時鐘向系統(tǒng)發(fā)送時間報文，最大AP號的備用CP1430作為備用主時鐘，但是HOPF故障后AV42將失去時鐘的同步。

2.2 汽機控制系統(tǒng)時鐘同步方式

該核電站汽機控制系統(tǒng)時鐘同步器，支持IRIG-B、5s/1mn脈沖、GPS三種輸入類型，核電站使用IRIG-B輸入。一個信號源輸入，同步器輸出20路脈沖給下游設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)同步脈沖。DTV系統(tǒng)將全廠標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號通過IRIG-B發(fā)送給TGC系統(tǒng)時鐘同步器，時鐘同步器接收后分別輸出1PPS、5PPM脈沖以及絕對時間信號，送至L101C控制器和網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過通訊方式獲取時鐘分配器輸出的絕對時間信號，其產(chǎn)生的時間誤差由脈沖來修正。

3 時鐘偏差原因分析

3.1 時鐘誤差

DCS系統(tǒng)當(dāng)中的時鐘必須不定期同步校準(zhǔn)，否則會產(chǎn)生誤差。誤差的來源就在于計算機時鐘所采用的晶體振蕩器。計算機時鐘的時間值通過計數(shù)器累計晶振體產(chǎn)生的時鐘脈沖得到的。由于晶體振蕩器受到環(huán)境溫度、激勵電平或者晶體老化等因素的影響，時鐘脈沖最終累計的時間值必然會產(chǎn)生誤差，一天累計的誤差可能在1～2s。一個循環(huán)的運行時間是18個月，累計誤差會很大。

3.2 時鐘同步誤差

DCS的絕對對時誤差是在TXP的時鐘同步過程中產(chǎn)生的，由三部分組成：

①由于GPS時鐘精度的原因，GPS時鐘與衛(wèi)星發(fā)射的UTC之間存在誤差。常用的輸出時鐘精度一般都在幾十納秒到一微秒，不同的產(chǎn)品不同的偏差計算方式，最高可能到達0.2ms的精度。這就使得GPS時鐘與UTC之間會出現(xiàn)偏差，在同步過程中累計誤差。②GPS時鐘在與DCS主時鐘同步過程中存在誤差。由于目前兩者之間的同步基本上采用的是硬接線的方式。DCS站點當(dāng)中的時鐘同步卡與GPS時鐘的輸出匹配并接收對應(yīng)的時間編碼。通過使用一定的補償方式對發(fā)送延時進行補償，使用高頻銷相的解碼卡等可以很好地提升DCS主時鐘與GPS時鐘的同步精度。③DCS各站點主從時鐘的同步而產(chǎn)生的誤差。DCS主時鐘與各個站點之間的時鐘同步是通過時鐘報文來實現(xiàn)的。時鐘報文的發(fā)送、傳播和處理，每個環(huán)節(jié)都會受到軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議、計算方式等的影響，每個環(huán)節(jié)都需要時間。首先，網(wǎng)絡(luò)傳輸無法瞬時完成，網(wǎng)絡(luò)是否正在被使用，時間報文能否第一時間發(fā)出去，發(fā)送不成功還涉及重發(fā)的問題;其次，時鐘報文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸也是需要一定的時間。整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)之間的時延就會造成DCS主從時鐘之間、從從時鐘之間的時間同步誤差。當(dāng)然，不同網(wǎng)絡(luò)類型的DCS、不同的時鐘通信協(xié)議和同步算法，可使網(wǎng)絡(luò)對時的同步精度各不相同。

DCS系統(tǒng)中的時鐘在自上而下的同步過程中這些誤差是一個逐步累積的過程，機組在運轉(zhuǎn)過程中實際上這個偏差是可能逐步加大的。

4 現(xiàn)存問題及優(yōu)化改進

核電站TXP、P320汽機控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時鐘源都取自于DTV系統(tǒng)，但DTV時鐘為全核電站通用標(biāo)準(zhǔn)時間源，DTV系統(tǒng)故障導(dǎo)致DCS時間突變的事件在核電站投運以來出現(xiàn)過多次，由其為現(xiàn)場重要的控制系統(tǒng)提供時鐘源不合理。

DTV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大、故障率高。其在停電或檢修期間也會影響DCS、P320系統(tǒng)的時鐘同步。核電站DTV外部時鐘信號跳變會導(dǎo)致DCS系統(tǒng)主PU服務(wù)器重啟，造成主從服務(wù)器切換。DTV送P320時鐘分配器信號頻繁丟失后恢復(fù)，觸發(fā)綜合報警并引起P320系統(tǒng)內(nèi)外部時鐘頻繁切換，P320控制器也發(fā)生主從切換，使送至下游RGL系統(tǒng)的負(fù)荷參考值信號變化從而導(dǎo)致閃發(fā)G棒下插。說明DTV時鐘信號可靠性不滿足DCS、P320系統(tǒng)對時鐘同步的要求。

核電站目前的做法是評估后將DTV送至DCS、P320系統(tǒng)的時鐘信號斷開，DCS、GRE系統(tǒng)以內(nèi)部時鐘方式運行。DCS系統(tǒng)通過HOPF時鐘為系統(tǒng)內(nèi)部各服務(wù)器和控制器統(tǒng)一授時，P320系統(tǒng)通過5s/1min的PULSE DIFFUSER時鐘分配器為系統(tǒng)工作站、網(wǎng)關(guān)、控制器統(tǒng)一授時。采用這種方案后DCS和P320系統(tǒng)各自運行正常，但隨著運行時間加長，與標(biāo)準(zhǔn)時間出現(xiàn)偏差，幾臺機組的DCS系統(tǒng)之間、DCS系統(tǒng)與P320系統(tǒng)之間的時鐘也逐漸出現(xiàn)偏差。不同機組DCS系統(tǒng)之間存在數(shù)據(jù)互送，P320數(shù)據(jù)也最終傳送到DCS系統(tǒng)，而系統(tǒng)間時鐘偏差對部分事件日志和信號曲線記錄時標(biāo)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，影響不同機組間和DCS、P320系統(tǒng)間的信號時序判斷分析。

由于HOPF與P320的時鐘模塊時間不同步以及時間傳輸過程中產(chǎn)生誤差，機組運行一個循環(huán)最大有20s的偏差，這樣的時間偏差對機組瞬態(tài)時的事件分析影響很大，時間偏差過大會可能導(dǎo)致相關(guān)的服務(wù)器重新啟動。這個偏差在大修期間臨時通過DTV系統(tǒng)重新對時。

基于核電站設(shè)備分級情況，采用將DTV永久性脫開，并在TXP加裝GPS作為標(biāo)準(zhǔn)時鐘源，P320系統(tǒng)由TXP解決授時方案。將DTV授時取消，用GPS來作為授時源，TXP內(nèi)部時鐘同步機制不變。取消DTV給P320的授時，將P320授時改為HOPF的脈沖輸出。采用該方案的優(yōu)點在于：①GPS的時鐘精度很高而且具有很高的可靠性。GPS時鐘是一種接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的低功率無線電信號，通過計算得出GPS時間的接收裝置。為獲得準(zhǔn)確的GPS時間，GPS時鐘必須先接收至少4顆GPS衛(wèi)星的信號，計算出自己所在的三維位置。在已經(jīng)得出具體位置后，GPS時鐘只要接收1顆GPS衛(wèi)星信號就能保證時鐘的走時準(zhǔn)確性。作為核電站的標(biāo)準(zhǔn)時鐘，一般對GPS時鐘的基本要求是至少能同時跟蹤8顆衛(wèi)星，有盡可能短的冷、熱啟動時間，配有后備電池，有高精度、可靈活配置的時鐘輸出信號。②P320采用脈沖授時既能提高精度又能保證高可靠性。1PPS/1PPM脈沖并不傳送TOD信息，但其同步精度較高。脈沖同步還有一大優(yōu)勢，只有斷線或者信號中斷故障模式，即使信號故障也不會導(dǎo)致P320時鐘跳變。P320使用HOPF輸出脈沖作為同步時鐘源可保證兩者之間的時間同步，減少因兩者時間偏差大導(dǎo)致系統(tǒng)故障的可能。③TXP內(nèi)部原有的時間同步機制沒有改變，不會引入額外的故障風(fēng)險。關(guān)于外部時鐘信號時間跳變，GPS信號服務(wù)為全球通用服務(wù)，可靠性高，一般只會因天氣狀況差而導(dǎo)致GPS信號丟失中斷，一般不會出現(xiàn)時間跳變。對于短時內(nèi)的時間跳變，HOPF時鐘已設(shè)置3min的濾波判斷，從而保證下游DCS系統(tǒng)內(nèi)部授時信號和送GRE系統(tǒng)的授時信號不受影響。由于DCS時鐘同步在控制系統(tǒng)中具有很高的重要性，需要保證其具有很高的可靠性，各系統(tǒng)是否共用一套GPS時鐘裝置，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)時鐘接口配合的難易程度、系統(tǒng)所在地理位置等綜合考慮。盡量減少專業(yè)間的相互牽制，使各系統(tǒng)時鐘同步方案更易實現(xiàn)。