GPS时钟同步系统在控制系统中的应用方案

随着控制系统分布式计算和网络技术的发展，时钟同步是网络控制环境下应用的基本要求。时间同步系统完成GPS卫星信号的接收、处理，及向全站各系统提供标准同步时间信号，按冗余配置，一主一备，主系统和备用系统独立运行，主系统故障时切换至备用系统运行。以安全生产为例，时钟同步能保证各控制系统的SOE、报警信息、联锁信息的同步性，从而保证几套系统的数据在事故分析时具有相互参考的意义。

一、实施方法分析

时钟同步在不同的应用需求下有不同的解决方案。时间同步系统主要包括GPS天线、GPS时间接收和解码器、主时钟、热备用时钟、主/备切换逻辑、各种脉冲转换器、光纤和连接缆线。

依靠控制系统管理员使用命令手动调节各个系统的时钟来支持系统时钟同步，是最简单但最耗时，误差在秒级以上的校时方法。有以工程师站WINDOWS的系统时间为准，同步各自系统内部时间;也有系统先同步控制器后操作站再读取控制器时间来同步系统时钟。这两个控制系统运行一段时间后就会出现系统之间时间不同步的现象。在大型网络中，现在广泛使用网络时间协议(NTP)，它可以满足一般的应用需求。但由于不同主机的时钟振荡频率不一，即使采用NTP同步协议，也很难在一段相对较长的时间里在精度上满足同步的要求。测试实验发现5min内两天主机之间的不同步大约为30ms。

基于GPS全球定位系统的时间服务器时钟同步技术的优势:首先采用的基准时间非常可靠，同步频率高，所以每次同步偏差小，如果GPS在一段时间接收出现故障，服务器的内置时钟也会正常运行，不会对系统时间造成影响。其次时钟同步设置简单，无需修改组态，在连续生产的化工企业DCS等控制系统上也体现出更高的优势。SNTPv1.0/2.0/3.0/4.0等简单网络时间协议是目前应用最广泛的网络时间同步协议，是指客户端和服务器通过以太网进行时间同步，具有易扩展性，方法简单，适宜规模化应用，并能满足过程自动化生产的时钟同步精度需求。该文以多控制系统采用GPS接收器获取的标准UTC世界时间坐标(UniversalTimeCoordinated)为基准时钟源，采用GPS时间服务器作为统一的时间基准，通过SNTP及以太网通信端口，为生产装置的各集散控制系统(DCS)、仪表安全系统(SIS)等多个控制系统的孤立时钟，提供了一种进行实时时钟同步服务的技术方案。

二、实施方法及设计

实例中，选用SYN4505A型GPS时间同步系统作为时钟源。

2.1 SYN4505A型GPS时间同步系统技术参数如下：

SYN4505A型时钟同步系统内装高精度恒温晶振（可选锁相模块或者铷原子钟），接收GPS（全球定位系统）、北斗二代卫星信号和远地传送来的IRIG-B码信号获得时间信息，可根据客户对同步时钟系统的不同需求，选择相应的功能的板卡，同步产生IRIG-B码信号、秒脉冲、分脉冲、时脉冲、串口时间信息信号、网络授时接口（PTP,NTP/SNTP等）及各种报警信息，系统对各种配置信息进行自动保存，是建立时间尺度、实现标准时钟系统的实用时间同步装置。

技术指标

2.2 SYN4505A型时钟同步系统的搭建

主时钟的搭建主要分为两步:

1)安装GPS授时天线GPS天线是时间服务器接收设备的一部分，用于接收GPS卫星信号。在户外信号良好无干扰的位置设置GPS天线。为保证收到卫星信号，天线必须固定在对天空开阔的地点，在可能的情况下尽量固定在楼顶上，使天线安装的位置所能看到的天空面积尽量大。GPS天线安装时应远离高压线及强电场、磁场等干扰源。在正确连接设备的电源、网线、GPS天线延伸线后就可以开机接收。实例中GPS天线安装于架空管廊最上层桥架旁，如图2所示。图2GPS天线安装于架空管廊最上层桥架旁

2) SYN4505A型时钟同步系统将GPS天线同轴电缆连接至GPSANT端口系统送电后液晶屏显示年、月、日、时、分、秒和锁定的卫星数，显示标准的北京时间。NTP1/NTP2互为冗余，通过ＲJ45分别连接到DCS系统冗余HUB。通过ＲJ45连接任意已安装NTP模块设置软件的客户端，设置GPS时间同步系统的IP地址。如图3所示。

2.3 GPS时钟同步系统的具体搭建

该文搭建同步时钟的控制系统包括:一套过程控制系统———横河CENTUMVPDCS控制系统;一套ESD紧急停车系统———ＲTP3000SIS系统，用于工艺联锁保护。

时钟同步系统结构示意图

2.4 横河CENTUMVPDCS控制系统的时钟同步

将GPS时间同步系统NTP RJ45连接至DCS已有的冗余HUB。连接到HUB的操作站均能通过访问相关IP地址的时间同步系统，同步到同一个系统时间。根据CENTUMVP在线应用手册可知，连接SNTP服务器与Vnet/IP的IP地址为:BUS1:192．168．＜域号＞．254BUS2:192．168．＜128+域号＞．254更改GPS时间同步系统IP地址即可实现DCS系统的时间同步。BUS1/BUS2连接到冗余HUB。实例中域号为09的DCS系统在时间同步后，可以在任意一台HIS操作界面中SystemSTATE/NetworkStatusDisplay查看SNTP时间同步状态。

SNTP时间同步状态有些文章指出:CS3000系统实现时钟同步需在工程师站安装SNTP客户端软件，系统运行时要保证该软件也一直运行;同时CS3000系统对IP地址有要求，末位地址必须是128。相比之下，该文采用的CENTUMVP的时钟同步法简便了许多，而且系统启动5min后同一域内的相对时间精度可达±1ms。

2．5 RTP3000SIS系统的时钟同步

RTP3000操作站的时间同步较DCS简单很多，实例采用普通PC机网络授时的方法。除了该SIS系统硬件配置自带的2块用于与其控制站和HUB连接的专用独立冗余网卡以外，计算机本机集成的TCP/IP RJ45网口可以用于时间同步系统的连接。连接后在计算机日期和时间属性中的Internet时间中将已设好的GPS时间同步系统IP地址填写到服务器中即可实现.

三、时钟同步系统厂家介绍

西安同步电子科技有限公司专注于时钟同步系统的研发生产，公司通过ISO9001-2015质量体系认证，科研团队均是来自国内外专业从事时钟产品研发的技术人才，几十名的软硬件工程师组成了一支专业、优秀、锐意进取、高水平的时频产品设计开发团队。我公司研发团队掌握了先进的时频技术和丰富的时钟经验，抱有高度的工作热情，为满足客户对时钟产品的个性化需求做出应有的努力；经过五年的努力，同步科技拥有雄厚的时频科研实力，在保证时钟同步系统系列产品高技术含量的同时，还具有**的性价比和**的MTBF可靠性。

四、应用总结

该时钟同步系统方案设置方法简单，运行稳定可靠，各系统间时钟误差都在ms级，能够满足生产过程控制要求还是具有其独特的优势，具备在多控制系统应用环境下推广的实际意义，是多套控制系统配合工作的可靠保证，尤其为在大型化工企业大规模DCS、SIS系统多域多个操作站应用领域实现全局时钟同步提供了有益的借鉴。