分散控制系統(tǒng)SOE模件時間累計誤差消除方法

吳勝華，田海波

(國電南京自動化股份有限公司研究院，江蘇 南京 210003)

0 引言

事件順序記錄(SOE)系統(tǒng)在電廠分散控制系統(tǒng)中用于異常事件的記錄，它所記錄的事件發(fā)生時間、首發(fā)事件和連鎖發(fā)生事件的間隔順序，是系統(tǒng)故障和異常分析的最重要依據(jù)。目前，電廠中的分散控制系統(tǒng)(DCS)一般都具有SOE功能，對SOE事件記錄的分辨率一般要求達到毫秒級，不同DCS其SOE的實現(xiàn)方法也不同，若要保證不同過程控制站內(nèi)SOE模件的時間同步，SOE模件之間的時間同步就顯得尤為重要。

1 存在的問題

SOE模件通常在2次授時之間由自身的定時中斷計數(shù)來模擬時鐘，因此，對模擬時鐘造成影響的因素有2個。其一，模件一般采用石英晶體振蕩器。石英晶體振蕩器是由晶振體連續(xù)產(chǎn)生一定頻率的時鐘脈沖，計數(shù)器則對這些脈沖進行累計得到時間值。由于時鐘振蕩器的脈沖受環(huán)境溫度、激勵電平等多種不穩(wěn)定性因素的影響，時鐘本身存在誤差。例如，某精度為±0.002%的時鐘，其每分鐘的誤差為1.2 ms，若其工作的環(huán)境溫度有較大變化，還會增加額外的誤差，此誤差不可能隨晶振制造技術(shù)的發(fā)展而完全消除。其二，單片機中斷的誤差。定時器產(chǎn)生中斷請求以后，并不一定能馬上響應(yīng)這個中斷，若單片機正處理其他的中斷(同級或更高級)，要等其執(zhí)行完其他中斷，再執(zhí)行一條主程序指令，才會響應(yīng)定時器中斷。因為程序千差萬別，所以這類影響是隨機的，很難糾正。

可見，SOE模件中的模擬時鐘若不經(jīng)定期同步校準(zhǔn)，其自由運行一段時間后的累計誤差會很大。

當(dāng)不同位置SOE模件的起始模擬時刻一致時，可使不同SOE模件在同一時刻所產(chǎn)生的累計誤差一致，從而使不同SOE模件所記錄的SOE事件順序與實際產(chǎn)生的事件順序之間不會有差異。上述分析基于所有的SOE模件都是同一公司生產(chǎn)的類型相同的模件。由于同步校準(zhǔn)后期誤差增大，特別是在對時前后會達到最大(如圖1所示)，在對時時刻，SOE模件產(chǎn)生的累計誤差為零，隨著時間變化，累計誤差越來越大，在下一次對時之前，此差值達到最大。若用1 ms間隔的SOE測試儀來測試SOE模件，會發(fā)現(xiàn)原本相差1ms的時間會有重疊或跳變。這樣，對于某一不同時發(fā)生的事件，SOE模件可能會記錄成相同的時間，從而造成事件順序與實際發(fā)生的事件順序不一致。

圖1 SOE模件內(nèi)部時鐘示意圖

2 解決方案

對于一般的SOE模件而言，要求事件分辨率在1 ms以內(nèi)，即要求用1 ms間隔的脈沖測量SOE模件，SOE模件記錄的事件時間不允許有重疊或跳變。這樣，在對時前后使SOE模件在對時周期內(nèi)產(chǎn)生的時間最大累計誤差越小越好。

在對時周期內(nèi)，SOE模件都是利用CPU的定時器中斷計數(shù)來模擬時鐘的，SOE模擬時間累計誤差是隨著時間的增加而線性累加的，在沒有累計誤差的理想情況下，SOE模件記錄的連續(xù)事件發(fā)生的時刻之間的差值都應(yīng)該為1 ms，由于晶體振蕩器本身有一個周期，晶體振蕩器本身問題造成的誤差很難去除。例如11.059 2 M Hz的晶振，其1個周期為9×10－5ms，假設(shè)不考慮處理器分頻、倍頻等因素，若1 min對時1次，誤差為5.4 ms，即定時寄存器值每改變±1，1 min后時間會與原來時間相差±5.4 ms。這樣大的一個差值，很難在1 min的定時周期里通過改變定時寄存器值，使模件內(nèi)部時鐘的讀數(shù)達到一個最理想的值。

當(dāng)誤差達到正負(fù)個定時周期時，若采用減去或加上定時周期的方法來修正該誤差(上述例子中采用每10s減去±1ms的方法來修正)，可在一定程度上緩解該問題，但此方法若用標(biāo)準(zhǔn)脈寬的方波脈沖去觸發(fā)SOE事件，在產(chǎn)生修正誤差的時刻，仍可能發(fā)生事件重疊或跳變的現(xiàn)象。

本文所要解決的問題正是在盡量不增加成本的情況下，用軟件方法消除模件最大累計誤差，讓其在用標(biāo)準(zhǔn)脈寬為1 ms的方波脈沖測試時SOE事件基本無重疊或跳變，因為在每個定時中斷產(chǎn)生時可以通過修改定時寄存器來減小誤差。例如，在1 min對時1次的情況下，若在某一個定時寄存器值M時測量時長多出A ms，而改變成M+1定時寄存器值時測量時長少Bms，則采用X次M寄存器值后Y次M+1寄存器值，X和Y的取值由計算公式X×A=Y×B來確定，此時調(diào)整1 ms最多相差9×10－5ms。

在測試時，可盡量放長間隔時間，如調(diào)整對時周期至工程應(yīng)用周期的10倍對SOE模件進行測量。例如:當(dāng)定時寄存器設(shè)定為8848時，SOE記錄時間為2011－01－31 T 11:22:33.444和2011－01－31 T 11:32:33.414，比實際時間慢了 30 ms，當(dāng)減小計數(shù)器值至8847時，SOE記錄時間為2011－01－31 T 11:22:33.444和2011－01－31 T 11:32:33.454，比實際時間快了10 ms，此時就可以在定時中斷中設(shè)定3次寄存器設(shè)定值為8 847，1次寄存器設(shè)定值為8848，這樣，每分鐘對時的對時瞬間誤差基本可以忽略不計。通過此方法可以使SOE模件在一個完整的對時周期內(nèi)所產(chǎn)生的時間最大累計誤差減小到最小。其效果如圖2、圖3所示。

3 結(jié)果驗證

用HS－128 SOE測試信號發(fā)生器，設(shè)置1 ms間隔脈沖，對珙縣電廠2×600 MW機組分散控制系統(tǒng)SOE模件的通道進行測試。修改程序前測試跨越對時時刻SOE狀態(tài)如圖4所示，序號1279及以下的時間整體推遲了1 ms。而在修改之后，未再出現(xiàn)此種情況。

找出SOE模件模擬時間比實際準(zhǔn)確時間偏小的模式，再找出SOE模件模擬時間比實際準(zhǔn)確時間偏大的模式，每產(chǎn)生m次偏小模式定時中斷后，再產(chǎn)生n次偏大模式定時中斷，通過這種方法，可以使得SOE模件在整個對時周期內(nèi)，模擬時間與實際準(zhǔn)確時間之間的誤差達到最小。