[发明专利]一种分布式控制系统的时钟同步方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种分布式控制系统的时钟同步方法，特别涉及一种多机箱大型分布式控制系统的纳秒级同步方法，属于自动控制技术领域。

背景技术

分布式控制系统作为一种新兴技术，已成为现代大型控制设备主要支柱之一。它具有硬件积木化，软件模块化，可靠性高等众多优点，广泛应用于电力网络控制、大型设备控制等领域。分布式控制系统由多个子系统组成，这些子系统位于不同的机箱且工作时需要严格伺服周期同步，由于各个机箱时钟系统是相互独立，处于不相同机箱的子系统处在不同的时钟域，这些频率近似相等的时钟系统内晶振存在相位偏差及频率的微小偏差。子系统长时间工作过程中，时钟系统频内晶振率微小偏差随时间的累积会造成子系统之间伺服周期开始时刻的差异，从而造成各个子系统伺服周期开始时间并不同时产生，系统整体同步性遭破坏。

现有技术的分布式控制系统的时钟同步方法一般采用软件同步或软硬件混合同步的方法。软件同步是基于特定总线或特定网络协议，如CAN总线，NTP协议和PTP协议，并运用一些处理算法，如Cristian算法、Berkeley算法、平均值算法等，来完成时钟同步。软件同步具有成本较低、操作灵活、通用性强等优点，但网络协议和算法较为复杂，并且由于网络延迟的不确定性及算法造成时间延时的不可控性，使软件同步的精度较低，一般仅为亚微秒级(10-6秒一10-3秒)，无法满足对同步精度要求较高的分布式控制系统的需要。软硬件混合同步一般指在选取某一个节点处使用硬件同步UTC时钟，其它节点使用软件同步，采用软硬件混合同步仍然存在网络协议和算法复杂、同步精度低(仅为亚微秒级)等缺陷。

现有的复杂、大型的分布式控制系统对时钟同步精度要求较高，一般为纳秒级，而现有技术的各种时钟同步方法显然不能满足此要求，因而研究一种方法更简单、精度更高(纳秒级)的时钟同步方法，满足日益发展的分布式控制系统的更苛刻同步要求就势在必行了。

发明内容

本发明旨在解决现有技术的分布式控制系统的时钟同步方法存在的同步协议和算法复杂、同步精度低(不能达到纳秒级同步)的缺陷与不足，提供一种分布式控制系统的时钟同步方法，由主系统通过单独设置的同步信号传输电路，周期发送脉冲信号至各辅系统，同步触发主系统和各辅系统的CPU开启新的伺服周期，保证各个子系统的伺服周期开始时间一致，各子系统间的同步差异仅为同步信号在导线间传输延时差异，因而本同步方法能够达到纳秒级同步，特别适用于大型复杂、同步精度要求高的分布式控制系统。

本发明为实现技术目的采用的技术方案是：一种分布式控制系统的时钟同步方法，包括主系统和n个辅系统，所述主系统和每个辅系统包括CPU、FPGA，所述主系统还包括输出端口电路，所述辅系统还包括接收端口电路，所述主系统的FPGA每隔一个伺服周期发出一个脉冲信号，所述脉冲信号一路输出到主系统的CPU并触发主系统的CPU进行新的伺服周期运算，所述脉冲信号的另一路通过主系统的输出端口电路、同步信号线传送至各辅系统，再经过各辅系统的接收端口电路、FPGA，输出至各辅系统的CPU并触发各辅系统的CPU开始新的伺服周期运算。

一种分布式控制系统的时钟同步方法，所述主系统的输出端口电路包括光电隔离芯片和单端转差分芯片，所述辅系统的接收端口电路包括光电隔离芯片和差分转单端芯片，所述主系统的FPGA发出的脉冲信号经过主系统的光电隔离芯片传送至主系统的单端转差分芯片，转换为差分信号后通过同步信号线传送至各个辅系统的差分转单端芯片，再转换成单端信号后传送至各辅系统的光电隔离芯片，再传送至各辅系统的FPGA。

一种分布式控制系统的时钟同步方法，所述光电隔离芯片的型号优选TLP2631。

一种分布式控制系统的时钟同步方法，所述单端转差分芯片的型号优选SN75174DW，所述差分转单端芯片的型号优选SN75174DW。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

1、本发明提供的时钟同步方法，由主系统周期发送脉冲信号至各辅系统，同步触发主系统和各辅系统的CPU开启新的伺服周期，保证各个子系统的伺服周期开始时间一致，各子系统间的同步差异仅为同步信号在导线间传输延时差异，因而本同步方法能够达到纳秒级同步，特别适用于大型复杂、同步精度要求高的分布式控制系统。

2、本发明提供的时钟同步方法，避免了繁杂的通信协议和算法，方法特别简单、便于实施。

3、本发明提供的时钟同步方法，主系统与辅系统之间的同步信号转换成差分信号进行传输，保证了同步信号的稳定性，光隔芯片保证了系统的可靠性。