核電站西門子TXP系統(tǒng)時(shí)鐘同步機(jī)制及問(wèn)題優(yōu)化

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(jí)DCS控制系統(tǒng)，與該系統(tǒng)相配套的時(shí)鐘分配器為HOPF服務(wù)器）的時(shí)間同步原理，并結(jié)合DCS時(shí)鐘的故障問(wèn)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(shí)鐘;同步誤差;GPS

【Keywords】DCS; clock; synchronization error; GPS

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

1 引言

該核電DCS分為1E、SR、NC三個(gè)級(jí)別。其中，1E指安全級(jí)DCS系統(tǒng)TXS，在TXS中只有AV42優(yōu)選模塊需要進(jìn)行時(shí)鐘同步，AV42通過(guò)PROFBUS與SR、NC級(jí)非安全級(jí)DCS系統(tǒng)TXP通訊，AV42控制的設(shè)備其狀態(tài)信號(hào)時(shí)標(biāo)在AV42中，其時(shí)鐘需要與TXP保持一致，AV42時(shí)鐘同步信號(hào)來(lái)自TXP的主時(shí)鐘服務(wù)器HOPF。TXP系統(tǒng)中，NC級(jí)的汽機(jī)控制系統(tǒng)自身帶有時(shí)鐘服務(wù)器，外部時(shí)鐘源均來(lái)自于DTV輸出。

2 時(shí)鐘同步方式

2.1 TXP時(shí)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(gè)主時(shí)鐘：HOPF時(shí)鐘服務(wù)器（RTT）、最小號(hào)AP的主CP1430通訊/時(shí)鐘卡、最大號(hào)AP（主控制器）的備用CP1430通訊/時(shí)鐘卡。該核電站TXP系統(tǒng)的主時(shí)鐘為RTT，CP1430為備用時(shí)鐘（RTT故障后自動(dòng)替代）。

HOPF作為TXP的主時(shí)鐘接收來(lái)自DTV的外部時(shí)鐘信號(hào)，使用RS422端口訪問(wèn)。HOPF將接收的時(shí)間信號(hào)經(jīng)過(guò)主時(shí)鐘模塊處理后通過(guò)專用模塊來(lái)將時(shí)間信號(hào)分發(fā)給各用戶。HOPF每10s會(huì)向核電站總線上發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)報(bào)文以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步。

AV42的時(shí)間同步使用脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)，脈沖為1PPM輸出（50s信號(hào)為“1”，后1s信號(hào)為“0”）作為AV42相對(duì)時(shí)間的修正，AV42根據(jù)自身的時(shí)鐘計(jì)時(shí)和標(biāo)準(zhǔn)脈沖對(duì)比并修正偏差。AV42的絕對(duì)時(shí)間通過(guò)PROFBUS總線從AP獲取。

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

2.2 汽機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步方式

該核電站汽機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)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(gè)信號(hào)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(shí)鐘信號(hào)通過(guò)IRIG-B發(fā)送給TGC系統(tǒng)時(shí)鐘同步器，時(shí)鐘同步器接收后分別輸出1PPS、5PPM脈沖以及絕對(duì)時(shí)間信號(hào)，送至L101C控制器和網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)通訊方式獲取時(shí)鐘分配器輸出的絕對(duì)時(shí)間信號(hào)，其產(chǎn)生的時(shí)間誤差由脈沖來(lái)修正。

3 時(shí)鐘偏差原因分析

3.1 時(shí)鐘誤差

DCS系統(tǒng)當(dāng)中的時(shí)鐘必須不定期同步校準(zhǔn)，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。誤差的來(lái)源就在于計(jì)算機(jī)時(shí)鐘所采用的晶體振蕩器。計(jì)算機(jī)時(shí)鐘的時(shí)間值通過(guò)計(jì)數(shù)器累計(jì)晶振體產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖得到的。由于晶體振蕩器受到環(huán)境溫度、激勵(lì)電平或者晶體老化等因素的影響，時(shí)鐘脈沖最終累計(jì)的時(shí)間值必然會(huì)產(chǎn)生誤差，一天累計(jì)的誤差可能在1～2s。一個(gè)循環(huán)的運(yùn)行時(shí)間是18個(gè)月，累計(jì)誤差會(huì)很大。

3.2 時(shí)鐘同步誤差

DCS的絕對(duì)對(duì)時(shí)誤差是在TXP的時(shí)鐘同步過(guò)程中產(chǎn)生的，由三部分組成：

①由于GPS時(shí)鐘精度的原因，GPS時(shí)鐘與衛(wèi)星發(fā)射的UTC之間存在誤差。常用的輸出時(shí)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(jì)算方式，最高可能到達(dá)0.2ms的精度。這就使得GPS時(shí)鐘與UTC之間會(huì)出現(xiàn)偏差，在同步過(guò)程中累計(jì)誤差。②GPS時(shí)鐘在與DCS主時(shí)鐘同步過(guò)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(diǎn)當(dāng)中的時(shí)鐘同步卡與GPS時(shí)鐘的輸出匹配并接收對(duì)應(yīng)的時(shí)間編碼。通過(guò)使用一定的補(bǔ)償方式對(duì)發(fā)送延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，使用高頻銷相的解碼卡等可以很好地提升DCS主時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘的同步精度。③DCS各站點(diǎn)主從時(shí)鐘的同步而產(chǎn)生的誤差。DCS主時(shí)鐘與各個(gè)站點(diǎn)之間的時(shí)鐘同步是通過(guò)時(shí)鐘報(bào)文來(lái)實(shí)現(xiàn)的。時(shí)鐘報(bào)文的發(fā)送、傳播和處理，每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)受到軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議、計(jì)算方式等的影響，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要時(shí)間。首先，網(wǎng)絡(luò)傳輸無(wú)法瞬時(shí)完成，網(wǎng)絡(luò)是否正在被使用，時(shí)間報(bào)文能否第一時(shí)間發(fā)出去，發(fā)送不成功還涉及重發(fā)的問(wèn)題;其次，時(shí)鐘報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸也是需要一定的時(shí)間。整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)之間的時(shí)延就會(huì)造成DCS主從時(shí)鐘之間、從從時(shí)鐘之間的時(shí)間同步誤差。當(dāng)然，不同網(wǎng)絡(luò)類型的DCS、不同的時(shí)鐘通信協(xié)議和同步算法，可使網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)的同步精度各不相同。

DCS系統(tǒng)中的時(shí)鐘在自上而下的同步過(guò)程中這些誤差是一個(gè)逐步累積的過(guò)程，機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中實(shí)際上這個(gè)偏差是可能逐步加大的。

4 現(xiàn)存問(wèn)題及優(yōu)化改進(jìn)

核電站TXP、P320汽機(jī)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源都取自于DTV系統(tǒng)，但DTV時(shí)鐘為全核電站通用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源，DTV系統(tǒng)故障導(dǎo)致DCS時(shí)間突變的事件在核電站投運(yùn)以來(lái)出現(xiàn)過(guò)多次，由其為現(xiàn)場(chǎng)重要的控制系統(tǒng)提供時(shí)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(huì)影響DCS、P320系統(tǒng)的時(shí)鐘同步。核電站DTV外部時(shí)鐘信號(hào)跳變會(huì)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(shí)鐘分配器信號(hào)頻繁丟失后恢復(fù)，觸發(fā)綜合報(bào)警并引起P320系統(tǒng)內(nèi)外部時(shí)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(hào)變化從而導(dǎo)致閃發(fā)G棒下插。說(shuō)明DTV時(shí)鐘信號(hào)可靠性不滿足DCS、P320系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘同步的要求。

核電站目前的做法是評(píng)估后將DTV送至DCS、P320系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)斷開(kāi)，DCS、GRE系統(tǒng)以內(nèi)部時(shí)鐘方式運(yùn)行。DCS系統(tǒng)通過(guò)HOPF時(shí)鐘為系統(tǒng)內(nèi)部各服務(wù)器和控制器統(tǒng)一授時(shí)，P320系統(tǒng)通過(guò)5s/1min的PULSE DIFFUSER時(shí)鐘分配器為系統(tǒng)工作站、網(wǎng)關(guān)、控制器統(tǒng)一授時(shí)。采用這種方案后DCS和P320系統(tǒng)各自運(yùn)行正常，但隨著運(yùn)行時(shí)間加長(zhǎng)，與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間出現(xiàn)偏差，幾臺(tái)機(jī)組的DCS系統(tǒng)之間、DCS系統(tǒng)與P320系統(tǒng)之間的時(shí)鐘也逐漸出現(xiàn)偏差。不同機(jī)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(shí)鐘偏差對(duì)部分事件日志和信號(hào)曲線記錄時(shí)標(biāo)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，影響不同機(jī)組間和DCS、P320系統(tǒng)間的信號(hào)時(shí)序判斷分析。

由于HOPF與P320的時(shí)鐘模塊時(shí)間不同步以及時(shí)間傳輸過(guò)程中產(chǎn)生誤差，機(jī)組運(yùn)行一個(gè)循環(huán)最大有20s的偏差，這樣的時(shí)間偏差對(duì)機(jī)組瞬態(tài)時(shí)的事件分析影響很大，時(shí)間偏差過(guò)大會(huì)可能導(dǎo)致相關(guān)的服務(wù)器重新啟動(dòng)。這個(gè)偏差在大修期間臨時(shí)通過(guò)DTV系統(tǒng)重新對(duì)時(shí)。

基于核電站設(shè)備分級(jí)情況，采用將DTV永久性脫開(kāi)，并在TXP加裝GPS作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源，P320系統(tǒng)由TXP解決授時(shí)方案。將DTV授時(shí)取消，用GPS來(lái)作為授時(shí)源，TXP內(nèi)部時(shí)鐘同步機(jī)制不變。取消DTV給P320的授時(shí)，將P320授時(shí)改為HOPF的脈沖輸出。采用該方案的優(yōu)點(diǎn)在于：①GPS的時(shí)鐘精度很高而且具有很高的可靠性。GPS時(shí)鐘是一種接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的低功率無(wú)線電信號(hào)，通過(guò)計(jì)算得出GPS時(shí)間的接收裝置。為獲得準(zhǔn)確的GPS時(shí)間，GPS時(shí)鐘必須先接收至少4顆GPS衛(wèi)星的信號(hào)，計(jì)算出自己所在的三維位置。在已經(jīng)得出具體位置后，GPS時(shí)鐘只要接收1顆GPS衛(wèi)星信號(hào)就能保證時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)確性。作為核電站的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，一般對(duì)GPS時(shí)鐘的基本要求是至少能同時(shí)跟蹤8顆衛(wèi)星，有盡可能短的冷、熱啟動(dòng)時(shí)間，配有后備電池，有高精度、可靈活配置的時(shí)鐘輸出信號(hào)。②P320采用脈沖授時(shí)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(shì)，只有斷線或者信號(hào)中斷故障模式，即使信號(hào)故障也不會(huì)導(dǎo)致P320時(shí)鐘跳變。P320使用HOPF輸出脈沖作為同步時(shí)鐘源可保證兩者之間的時(shí)間同步，減少因兩者時(shí)間偏差大導(dǎo)致系統(tǒng)故障的可能。③TXP內(nèi)部原有的時(shí)間同步機(jī)制沒(méi)有改變，不會(huì)引入額外的故障風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)間跳變，GPS信號(hào)服務(wù)為全球通用服務(wù)，可靠性高，一般只會(huì)因天氣狀況差而導(dǎo)致GPS信號(hào)丟失中斷，一般不會(huì)出現(xiàn)時(shí)間跳變。對(duì)于短時(shí)內(nèi)的時(shí)間跳變，HOPF時(shí)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(shí)信號(hào)和送GRE系統(tǒng)的授時(shí)信號(hào)不受影響。由于DCS時(shí)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(shí)鐘裝置，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)時(shí)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(shí)鐘同步方案更易實(shí)現(xiàn)。