基于433MHZ无线通讯的时间同步设计与实现

张如周，鲍教旗，李 杰，曹敬国，安建军，闫卫国，徐 欢，储怡芳，贾国栋

（华能曲阜热电有限公司，山东 曲阜 273100）

0 引言

时间同步是工业控制系统重要组成部分，是工业工艺系统及设备出现故障后通过时间先后迅速判断事故发生点的重要环节。很多老机组发电厂在设计初期仅仅在继电保护、分散控制系统设计了卫星时间同步，但未对公用系统如输煤、灰水等控制系统进行时间同步。在目前的工业控制系统时间同步领域中，以光缆为通讯介质通过TCPIP协议传输进行对时或者远程控制系统单独设置一套对时装置的情况较多，但是将不同控制系统采用无线通讯手段进行对时，并应用到实际生产当中的仍不太常见。常用时间同步时系统与无线通讯手段的时间同步系统仍存在较大差异，使用起来不够灵活，特别是增加对时系统时需要的设备、施工及实现周期都较长。华能曲阜电厂公用系统包括输煤、输灰、化学水处理、中水处理、制氢站、燃料监管等，另外还有火灾报警、视频监控等辅助系统，以上系统均采用计算机本地时间，工控机时间偏差较大，未能实现校时功能。时间的不统一给生产过程设备事故追忆带来了很大不便。本文设计利用433MHZ传输距离远、抗干扰等特点，提供一种降低系统总成本且改造灵活、对时覆盖范围广的433MHZ无线传输对时系统。此系统具有操作灵活，移植性强，数据传输稳定的特点。

图1 校时装置通讯连接及主机显示展示图Fig.1 Communication display and display of host display in school fashion

1 卫星校时

1.1 卫星校时装置

本设计选用同时可接受GPS和北斗信号的新型卫星校时装置，授时方式采用单向授时，用户端只需要接受电文信号就可自主获得本地时间与北斗或GPS标准时间差，然后实现同步整个过程不需要进行信息交互。卫星天线采用室外安装的磁吸式“BDS+GPS”有源天线，天线安装在高处，倾向120°～160°便于接收卫星信号。

1.2 同步装置与本地计算机连接方式

同步装置设计有RS232与RS485通讯接口，通过两芯计算机屏蔽电缆制作的DB9接口线与本地计算机COM口连接。选用速率为4800；无校验，数据位8位，停止位1位的通讯，可发送报文://BJT，YYMMDD，hhmmss，<+/->XXXX.XX，HHFFPP，ff.f1f1f1分别代表北京时间和信息中断报警时间，校时差0.2ms。本地连接及时间软件运行如图1所示。

2 无线通讯时间同步网络实现

2.1 433MHZ通讯网频及无线数传电台特点

433MHZ在全国范围内属于免费的通讯频段，其通讯特点：1）高灵敏度、抗干扰性强，具有高接收灵敏度-139dBm，很好的穿透力，能够大大减少网关数量，降低施工成本；2）传输距离远。可适应工业控制领域的通信远距离传输，其在空旷传输距离可达到5000m以上，能够解决低功耗和远距离不能兼得的难题，适用于需要无线抄表和工业控制等项目方案中；3）低功耗。节约能源，降低热量，从而延长产品的使用寿命，其产品可以使用电池供电。从电池运行的无线产品需要考虑充电、更换或设计长寿命电源。或许，更换电池可能看起来不重要，但是当客户拥有成千上万的设备，那么所需的资源和后续成本就会变得非常重要。选择低功耗的LoRa模块，在节约能源、延长产品使用寿命上，具有重要意义。

图2 无线连接通讯图Fig.2 Wireless connection communication diagram

图3 通讯对时展示Fig.3 Communication pair display

工厂内部使用选用1W功率的透明数传电台搭配高增益磁吸式天线即可满足2km以内的稳定传输，即可满足本设计要求。无线数传电台具备无线中继功能，包含插接和接线电源设计，取电电压范围8 VDC～28VDC，电台带有标准RS-485接口与压线式电源接口，合计有电源及数据收发指示灯便于判断和调试。电台最多可设计32个通道，可通过软件进行通讯波特率4800～19200、通道使用等通讯参数的设置，以满足与校时装置的通讯要求。

2.2 通讯网络方案

为保证网络通讯的稳定性和安装调试的方便，本设计采用RS485通讯连接方式，终端使用RS485转RS232接口或RS485转USB终端虚拟串口用来接收远程数据，设备选用防雷抗干扰型。433MHZ无线数传电台带有无线中继功能，以保证远距离数据传输的稳定性。无线组网如图2所示。

2.3 远程计算机授时

取电时间同步器软件以WINDOWS为运行平台，软件通过RS485转RS232设备连接至计算机COM口。软件显示的计算机时间即为本地计算机时间，卫星同步时间为接收卫星信号的时间，端口在初始化正常后显示出通讯信息。软件正常运行状态如图3所示。

3 结束语

根据以上设计，华能曲阜电厂根据设计实施，经过近半年的运行试验，华能曲阜电厂输煤程控，化学水处理、中水处理、地表水处理程控，输灰控制系统、电除尘控制系统、制氢站控制系统、燃料监管系统等程控系统时间同步并稳定运行，视频监控和火灾报警系统、热网首站供热系统等控制系统时间同步。本系统设计已得到国家知识产权局的知识产权受理，下一步将应用于MIS等生产管理系统的时间同步。