CN112327765A - 一种核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法 - Google Patents

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王硕
崔明路
赵晨
张冬
杜德君
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    • G05B19/4184—Total factory control, i.e. centrally controlling a plurality of machines, e.g. direct or distributed numerical control [DNC], flexible manufacturing systems [FMS], integrated manufacturing systems [IMS], computer integrated manufacturing [CIM] characterised by fault tolerance, reliability of production system
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    • G05B2219/30—Nc systems
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    • G05B2219/31088—Network communication between supervisor and cell, machine group

Abstract

本发明涉及一种核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，将北斗卫星信号、GPS卫星信号和铷钟对时信号均作为集散控制系统冗余授时架构的时间输入信号；三种信号通过冗余设置的第一主时钟设备和第二主时钟设备同时接收，并将输出时钟信号均发送给第一从时钟设备和第二从时钟设备；第一从时钟设备和第二从时钟设备比较接收到的信号质量，选择质量高的一路作为自身的时钟输入源，并向控制站授时；各个控制站默认选择一个从时钟设备的授时信号，当该信号消失时，立刻切换选择另一个从时钟设备的授时信号。本发明使用了冗余设备对时，增加了系统的鲁棒性，同时也提供了丰富的对时输入接口，可以让核电设计人员有更多选择，扩宽了系统搭建的灵活性。

Description

一种核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法
技术领域
本发明涉及核电厂自动控制技术，具体涉及一种核电厂集散控制系统(DCS)冗余授时架构设计方法。
背景技术
在核电厂正常运行或者检修过程中，需要对于各个设备的动作时间做精确地采集与分析(如IDA试验数据采集系统，要求系统数字量采集的时间分辨率优于1毫秒)，使电站维护人员对核电厂的整体状况有比较详细地、准确地了解。此外，现有的授时系统在鲁棒性和准确性上不足，在整个授时系统的某一设备发生故障时，可能导致核电厂所有系统无法正确使用对时信号，不但减小了整个DCS系统的MTBF(平均无故障时间)，也可能使核电厂运行人员对于系统状态做出错误判断。随着核电厂的DCS系统在国内甚至国外大规模的应用，在系统搭建时时钟源的种类也是多种多样：如国内大部分地区都支持北斗对时，但是在南美或北非等地区只支持GPS对时；有些核电厂只提供一路铷钟信号给DCS系统作为时钟输入源等等。而现有的DCS系统对时输入源较为单一，使得核电设计人员在开展设计工作时较为局限。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的缺陷，提供一种核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，以提高授时系统的鲁棒性、灵活性和准确性。
本发明的技术方案如下：一种核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，该方法将北斗卫星信号、GPS卫星信号和铷钟对时信号均作为集散控制系统冗余授时架构可以接收的时间输入信号；三种时间输入信号通过互为冗余设置的第一主时钟设备和第二主时钟设备同时接收，第一主时钟设备和第二主时钟设备将输出时钟信号均发送给第一从时钟设备和第二从时钟设备；第一从时钟设备和第二从时钟设备比较接收到的信号质量，选择质量高的一路作为自身的时钟输入源，并向分散在核电厂各个部分的控制站授时；各个控制站默认选择一个从时钟设备的授时信号，当来自该从时钟设备的授时信号消失时，立刻切换选择另一个从时钟设备的授时信号。
进一步，如上所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其中，第一主时钟设备和第二主时钟设备实时计算接收的北斗卫星信号、GPS卫星信号和铷钟对时信号的信号质量，再实时比较三者的信号质量后以质量最佳的作为对时输入；
或者，当核电厂已经存在铷钟对时信号时，始终选择铷钟对时信号作为对时输入；当核电厂没有铷钟对时信号时，选择北斗卫星信号和GPS卫星信号中信号质量最佳的作为对时输入；
当信号质量一致时，可以通过参数配置来选择信号输入的优先级。
进一步，如上所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其中，第一主时钟设备和第二主时钟设备之间通过同轴电缆连接，使第一主时钟设备的输出时钟信号驯服第二主时钟设备的输出时钟信号，保证向下游输出信号的一致性；并且可以通过同轴电缆实现第一主时钟设备和第二主时钟设备的主从切换。
进一步，如上所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其中，当第一从时钟设备和第二从时钟设备接收到的两路信号质量一致时，默认选择第一主时钟设备的输出作为自身的时钟输入源。
进一步，如上所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其中，每一个从时钟设备的输出端口设计两路独立的对时输出接口，向下游控制站同时输出两个授时信号。
进一步，如上所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其中，第一从时钟设备和第二从时钟设备通过光纤给分散在核电厂各个部分的控制站授时，并且通过NTPSever网线给核电厂的Level2层(历史库、实时库、HMI)授时。
进一步，如上所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其中，分散在核电厂各个部分的控制站通过柜内的光电转换模块将从时钟设备输出的B码光纤信号转成B码电信号，再给控制站的控制器授时。
进一步，如上所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其中，当第一主时钟设备和第二主时钟设备接收的三种时间输入信号都无效时，第一主时钟设备和第二主时钟设备可以使用内部恒温晶振作为输出时钟信号。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的核电厂DCS冗余授时架构设计方法可以接收三种时间输入信号：北斗(BD)卫星信号、GPS卫星信号和铷钟对时信号，三种输入信号可以通过冗余授时系统的两个主时钟设备同时接收，三种输入信号中任何一路质量差或者天线损坏，都有其他两路信号做热备选择，减小了因为对时输入源失效对于系统影响的概率，并且扩宽了系统搭建的灵活性；
第一主时钟设备和第二主时钟设备通过同轴电缆连接，既可以过同轴电缆实现主机、从机切换，又可以使主机通过同轴电缆实现对从机输出B码信号的驯服，保证二者向下游输出时间信号的一致性；
通过在每一个从时钟设备的输出端口设计两路独立的对时输出接口，让下游的控制站同时接收两个不同从时钟设备的对时输出，任何一个从时钟设备失效都不会造成下游控制站失去对时源，从而保证了控制站时钟的稳定性。
附图说明
图1为本发明具体实施例中DCS冗余授时架构的系统结构图；
图2为本发明具体实施例中核电厂Level2层时钟同步设计示意图；
图3为本发明具体实施例中核电厂Level1层控制站内部对时示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供的冗余授时架构被设计为可以接收三种时间输入信号：北斗(BD)卫星信号、GPS卫星信号和铷钟对时信号。作为一种实现方式，当核电厂已经存在铷钟对时信号时，需要选择其作为对时输入；当核电厂没有铷钟对时信号时，可以选择BD卫星信号或GPS卫星信号中信号质量最佳的作为对时输入。作为另一种实现方式，当这三种输入信号同时接入系统时，系统可以实时计算出三种输入信号质量，优先以信号质量最佳的作为系统输入，当信号质量一致时，可以通过连接时钟系统的console调试口配置参数，来灵活选择信号输入的优先级，从而保证了系统搭建的灵活性。
本发明至少设置两个主时钟设备和两个从时钟设备。如图1所示，本实施例的三种时间输入信号通过互为冗余设置的第一主时钟设备和第二主时钟设备同时接收，由于第一主时钟源设备和第二主时钟源设备接收的是两组不同的时钟输入，因此通过在第一主时钟源设备和第二主时钟源设备中间增加了同轴电缆作为同步线，来使第一主时钟源设备的输出时钟信号驯服第二主时钟源设备的输出信号(此情况在两者接收卫星信号\铷钟信号都正常且设备正常时出现，如果通过分析一个设备输出时钟有误，则使用另外一台正常的时钟源设备输出)，以保证下游接收到的B码对时信号的一致性。应用此种设计，在第一主时钟源设备因为所在厂区失电或其它意外导致其无法正常工作时，第二主时钟源设备可立刻通过之间的同步线获取此信息，并使用自身锁定的时钟源向下级输出对时信号，即只要单一主时钟设备正常工作，整个对时系统的功能不受影响，增加了整个DCS系统的鲁棒性。此外当第一主时钟设备和第二主时钟设备接收的三种输入信号都无效时，主时钟设备还可使用内部恒温晶振作为输出，其内部守时精度为1us/h，完全可以满足核电厂的对时需求。
第一主时钟设备和第二主时钟设备将输出时钟信号均发送给第一从时钟设备和第二从时钟设备。由于上一步骤中已经保证了第一从时钟设备和第二从时钟设备接收信号的一致性，因此第一从时钟设备和第二从时钟设备只需比较接收时钟B码的质量，选择质量高的一路作为自身的输入源；当两路信号的输入时间质量一致时，默认选择第一主时钟设备的输出作为自身的时钟输入源。与主时钟设备类似，通过在每一路从时钟设备的输出端口设计两路独立的对时输出接口，让下游的控制站同时接收两个不同从时钟设备的对时输出，任何一个从时钟设备失效都不会造成下游控制站失去对时源，从而保证了控制站时钟的稳定性。
随后，从时钟源设备分为两种途径进行输出：一路通过光纤(可以增加B码信号的传输距离)给分散在核电厂各个部分的控制站授时，授时精度为1ms；两外一路通过NTPSever网线给核电厂的Level2(历史库、实时库、HMI)层授时，授时精度为1s(此精度可满足Level2层数据计算、存储的时标要求)。
如图2所示，为LEVEL2层的时钟同步设计示意图，来自同一设备的两条冗余的NTP报文通过信号分发器将对时信息传送给各个工作站/服务器。所有系统默认使用信号分发器A的对时报文，当发生故障时，自动接收来自信号分发器B的对时报文，从而保证了LEVEL2层系统正常对时。
如图3所示，为LEVEL1层控制站内部对时示意图。控制站内部的光电转换模块使用两个独立的电路(每个电路提供了冗余的电源输入接口，在工程应用时可分别接收不同源头的电源，防止因为单路电源故障造成电路失效)来转换第一从时钟源设备和第二从时钟源设备的B码信号，当一个电路发生故障时，不会影响另外一路的时钟接收。这样对于每一个LEVEL1层控制站，都连接着由两个时钟从站为时钟源的双环网：从单独的一个时钟网络来看，由一个时钟源为源头，所有控制站串接在一起，相比于并行的光纤连接，既节省了成本又方便的现场施工；同时，即使有一路时钟网瘫痪，还有另外一路时钟网可提供正常的对时信息，从而提高了整个DCS系统的平均故障间隔时间(MTBF)。
为了满足控制站中冗余控制器(如需要)的对时需求，每一个光电转换模块的独立块都可以输出两路电信号B码，给两个冗余控制器提供对时，这样每个控制器就同时接收到了第一从时钟源设备和第二从时钟源设备的对时信号，两个对时信号通过“线与”的方式连接至内部的FPGA解析成时间信息。由于上游时钟源已经保证向下输出时钟信号的一致性和准确性，因此为了保证在发生故障时的控制器可对输入B码的迅速切换，在其内部使用了硬件“线与”，以保证对时信号一直有效地被解析。
对于本领域技术人员而言，显然本发明方法不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明方法。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明方法的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明方法内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其特征在于，该方法将北斗卫星信号、GPS卫星信号和铷钟对时信号均作为集散控制系统冗余授时架构可以接收的时间输入信号；三种时间输入信号通过互为冗余设置的第一主时钟设备和第二主时钟设备同时接收，第一主时钟设备和第二主时钟设备将输出时钟信号均发送给第一从时钟设备和第二从时钟设备；第一从时钟设备和第二从时钟设备比较接收到的信号质量，选择质量高的一路作为自身的时钟输入源，并向分散在核电厂各个部分的控制站授时；各个控制站默认选择一个从时钟设备的授时信号，当来自该从时钟设备的授时信号消失时，立刻切换选择另一个从时钟设备的授时信号。
2.如权利要求1所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其特征在于，第一主时钟设备和第二主时钟设备实时计算接收的北斗卫星信号、GPS卫星信号和铷钟对时信号的信号质量，再实时比较三者的信号质量后以质量最佳的作为对时输入。
3.如权利要求1所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其特征在于，当核电厂已经存在铷钟对时信号时，始终选择铷钟对时信号作为对时输入；当核电厂没有铷钟对时信号时，选择北斗卫星信号和GPS卫星信号中信号质量最佳的作为对时输入。
4.如权利要求2或3所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其特征在于，当信号质量一致时，可以通过参数配置来选择信号输入的优先级。
5.如权利要求1所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其特征在于，第一主时钟设备和第二主时钟设备之间通过同轴电缆连接，使第一主时钟设备的输出时钟信号驯服第二主时钟设备的输出时钟信号，保证向下游输出信号的一致性；并且可以通过同轴电缆实现第一主时钟设备和第二主时钟设备的主从切换。
6.如权利要求1所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其特征在于，当第一从时钟设备和第二从时钟设备接收到的两路信号质量一致时，默认选择第一主时钟设备的输出作为自身的时钟输入源。
7.如权利要求1或6所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其特征在于，每一个从时钟设备的输出端口设计两路独立的对时输出接口，向下游控制站同时输出两个授时信号。
8.如权利要求1所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其特征在于，第一从时钟设备和第二从时钟设备通过光纤给分散在核电厂各个部分的控制站授时，并且通过NTP Sever网线给核电厂的Level2层授时。
9.如权利要求8所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其特征在于，分散在核电厂各个部分的控制站通过柜内的光电转换模块将从时钟设备输出的B码光纤信号转成B码电信号，再给控制站的控制器授时。
10.如权利要求1所述的核电厂集散控制系统冗余授时架构设计方法，其特征在于，当第一主时钟设备和第二主时钟设备接收的三种时间输入信号都无效时，第一主时钟设备和第二主时钟设备可以使用内部恒温晶振作为输出时钟信号。
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