基于433MHZ無線通訊的時間同步設計與實現

張如周，鮑教旗，李 杰，曹敬國，安建軍，閆衛國，徐 歡，儲怡芳，賈國棟

（華能曲阜熱電有限公司，山東 曲阜 273100）

0 引言

時間同步是工業控制系統重要組成部分，是工業工藝系統及設備出現故障后通過時間先后迅速判斷事故發生點的重要環節。很多老機組發電廠在設計初期僅僅在繼電保護、分散控制系統設計了衛星時間同步，但未對公用系統如輸煤、灰水等控制系統進行時間同步。在目前的工業控制系統時間同步領域中，以光纜為通訊介質通過TCPIP協議傳輸進行對時或者遠程控制系統單獨設置一套對時裝置的情況較多，但是將不同控制系統采用無線通訊手段進行對時，并應用到實際生產當中的仍不太常見。常用時間同步時系統與無線通訊手段的時間同步系統仍存在較大差異，使用起來不夠靈活，特別是增加對時系統時需要的設備、施工及實現周期都較長。華能曲阜電廠公用系統包括輸煤、輸灰、化學水處理、中水處理、制氫站、燃料監管等，另外還有火災報警、視頻監控等輔助系統，以上系統均采用計算機本地時間，工控機時間偏差較大，未能實現校時功能。時間的不統一給生產過程設備事故追憶帶來了很大不便。本文設計利用433MHZ傳輸距離遠、抗干擾等特點，提供一種降低系統總成本且改造靈活、對時覆蓋范圍廣的433MHZ無線傳輸對時系統。此系統具有操作靈活，移植性強，數據傳輸穩定的特點。

圖1 校時裝置通訊連接及主機顯示展示圖Fig.1 Communication display and display of host display in school fashion

1 衛星校時

1.1 衛星校時裝置

本設計選用同時可接受GPS和北斗信號的新型衛星校時裝置，授時方式采用單向授時，用戶端只需要接受電文信號就可自主獲得本地時間與北斗或GPS標準時間差，然后實現同步整個過程不需要進行信息交互。衛星天線采用室外安裝的磁吸式“BDS+GPS”有源天線，天線安裝在高處，傾向120°～160°便于接收衛星信號。

1.2 同步裝置與本地計算機連接方式

同步裝置設計有RS232與RS485通訊接口，通過兩芯計算機屏蔽電纜制作的DB9接口線與本地計算機COM口連接。選用速率為4800；無校驗，數據位8位，停止位1位的通訊，可發送報文://BJT，YYMMDD，hhmmss，<+/->XXXX.XX，HHFFPP，ff.f1f1f1分別代表北京時間和信息中斷報警時間，校時差0.2ms。本地連接及時間軟件運行如圖1所示。

2 無線通訊時間同步網絡實現

2.1 433MHZ通訊網頻及無線數傳電臺特點

433MHZ在全國范圍內屬于免費的通訊頻段，其通訊特點：1）高靈敏度、抗干擾性強，具有高接收靈敏度-139dBm，很好的穿透力，能夠大大減少網關數量，降低施工成本；2）傳輸距離遠。可適應工業控制領域的通信遠距離傳輸，其在空曠傳輸距離可達到5000m以上，能夠解決低功耗和遠距離不能兼得的難題，適用于需要無線抄表和工業控制等項目方案中；3）低功耗。節約能源，降低熱量，從而延長產品的使用壽命，其產品可以使用電池供電。從電池運行的無線產品需要考慮充電、更換或設計長壽命電源?；蛟S，更換電池可能看起來不重要，但是當客戶擁有成千上萬的設備，那么所需的資源和后續成本就會變得非常重要。選擇低功耗的LoRa模塊，在節約能源、延長產品使用壽命上，具有重要意義。

圖2 無線連接通訊圖Fig.2 Wireless connection communication diagram

圖3 通訊對時展示Fig.3 Communication pair display

工廠內部使用選用1W功率的透明數傳電臺搭配高增益磁吸式天線即可滿足2km以內的穩定傳輸，即可滿足本設計要求。無線數傳電臺具備無線中繼功能，包含插接和接線電源設計，取電電壓范圍8 VDC～28VDC，電臺帶有標準RS-485接口與壓線式電源接口，合計有電源及數據收發指示燈便于判斷和調試。電臺最多可設計32個通道，可通過軟件進行通訊波特率4800～19200、通道使用等通訊參數的設置，以滿足與校時裝置的通訊要求。

2.2 通訊網絡方案

為保證網絡通訊的穩定性和安裝調試的方便，本設計采用RS485通訊連接方式，終端使用RS485轉RS232接口或RS485轉USB終端虛擬串口用來接收遠程數據，設備選用防雷抗干擾型。433MHZ無線數傳電臺帶有無線中繼功能，以保證遠距離數據傳輸的穩定性。無線組網如圖2所示。

2.3 遠程計算機授時

取電時間同步器軟件以WINDOWS為運行平臺，軟件通過RS485轉RS232設備連接至計算機COM口。軟件顯示的計算機時間即為本地計算機時間，衛星同步時間為接收衛星信號的時間，端口在初始化正常后顯示出通訊信息。軟件正常運行狀態如圖3所示。

3 結束語

根據以上設計，華能曲阜電廠根據設計實施，經過近半年的運行試驗，華能曲阜電廠輸煤程控，化學水處理、中水處理、地表水處理程控，輸灰控制系統、電除塵控制系統、制氫站控制系統、燃料監管系統等程控系統時間同步并穩定運行，視頻監控和火災報警系統、熱網首站供熱系統等控制系統時間同步。本系統設計已得到國家知識產權局的知識產權受理，下一步將應用于MIS等生產管理系統的時間同步。