項目十七-時鐘系統(tǒng)解析課件

1、2022/7/302項目十六 時鐘系統(tǒng) 知識要點 1掌握城市軌道交通時鐘系統(tǒng)的設(shè)備組成。 2掌握時鐘系統(tǒng)為城市軌道交通的哪些用戶服務(wù)。 3了解時鐘系統(tǒng)的組網(wǎng)模式及其特點。2022/7/303理論內(nèi)容 一、GPS時鐘簡介 1關(guān)于時間的基本概念 (1)時間頻率標(biāo)準(zhǔn)源 時鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)源一般有四種：晶體鐘、銣原子鐘、氫原子鐘、銫原子鐘。晶體鐘會老化，易受外界環(huán)境變化影響，對時鐘長期精度產(chǎn)生漂移影響；原子鐘長期使用后也會產(chǎn)生偏差，需要定時校準(zhǔn)。 (2)定時、授時、時間同步、守時 定時是指根據(jù)參考時間標(biāo)準(zhǔn)對本地鐘進(jìn)行校準(zhǔn)的過程。 授時是指采用適當(dāng)?shù)氖侄伟l(fā)播標(biāo)準(zhǔn)時間的過程。 時間同步是指在母鐘與子鐘之間時間一

2、致的過程，又稱時間統(tǒng)一的過程。 守時是指將本地鐘與已校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)時間保持下去的過程。2022/7/304 2GPS時鐘的實現(xiàn) 時鐘系統(tǒng)一般采用GPS(Globe Position System，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，簡稱GPS)標(biāo)準(zhǔn)時間信息，GPS接收模塊示意圖如圖16-1所示。其工作基本流程是GPS接收模塊通過接收天線接收到GPS衛(wèi)星信號，然后將衛(wèi)星信號傳送給微處理器計算出標(biāo)準(zhǔn)時鐘，并將此時鐘信息顯示在液晶顯示面板上；同時也可以通過外部接口如串口或以太網(wǎng)口傳送給外部設(shè)備，為外部設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)時鐘信息。 圖16-1 GPS接收模塊的示意圖 2022/7/305GPS時鐘原理圖 GPS同步時鐘主要由以下

3、幾部分組成：GPS/GNSS接收機(jī)，其中可以為GPS/GLONASS/BD/GALILEO等，高精度OCXO或銣鐘，本地同步校準(zhǔn)單元，測差單元，誤差處理及控制結(jié)構(gòu)，輸入輸出等幾部分。 2022/7/306 3GPS時鐘的特點 傳統(tǒng)的時鐘在城市軌道交通企業(yè)中需要定期校時，這樣操作人員工作量大，容易出現(xiàn)差錯，采用以GPS為母鐘的時鐘系統(tǒng)可以為城市軌道交通系統(tǒng)運營提供統(tǒng)一的時鐘系統(tǒng)，精確度高，系統(tǒng)可自動校時，無需人工操作。2022/7/307二、城市軌道交通時鐘系統(tǒng)功能 為保證城市軌道交通列車安全、準(zhǔn)時、可靠運行，需要各部門、各專業(yè)之間密切配合，因此城市軌道交通設(shè)置時鐘系統(tǒng)以保證準(zhǔn)時服務(wù)乘客、統(tǒng)一全

4、線設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)時間。時鐘系統(tǒng)具有以下功能。 1顯示統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間信息 時鐘系統(tǒng)提供全線統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，由設(shè)置在全線各站、車廠的指針式和數(shù)字式子鐘顯示，為乘客和工作人員提供包括年、月、日、星期、時、分、秒等的準(zhǔn)確時間信息。2022/7/308 2向其他系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時間信號 時鐘子系統(tǒng)在控制中心可向其他通信子系統(tǒng)、ATS自動信號系統(tǒng)、SCADA電力監(jiān)控系統(tǒng)、FAS防災(zāi)報警系統(tǒng)、AFC自動售檢票系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備提供準(zhǔn)確、統(tǒng)一的時間信息，在全線執(zhí)行統(tǒng)一的定時標(biāo)準(zhǔn)，為軌道交通行車指揮、列車運行、設(shè)備管理提供時間基準(zhǔn)，確保通信系統(tǒng)以及其他重要控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)同步。2022/7/309三、城市軌道交通時鐘系統(tǒng)組成

5、 時鐘系統(tǒng)由中心母鐘、監(jiān)控終端、二級母鐘、子鐘及傳輸通道構(gòu)成，如圖16-2所示。 圖16-2時鐘系統(tǒng)2022/7/3010 1中心母鐘 中心母鐘也稱為一級母鐘，主要功能是作為基礎(chǔ)主時鐘系統(tǒng)。一般中心母鐘接收兩種標(biāo)準(zhǔn)的時間信號：一種是GPS時鐘作為主用時鐘；另一種是接收CCTV時間信號，作為備用時鐘。中心母鐘可將校準(zhǔn)后的標(biāo)準(zhǔn)時間信息通過串口或以太網(wǎng)口分配給控制中心及各場所的二級母鐘和其他需要提取標(biāo)準(zhǔn)時間的系統(tǒng)。 中心母鐘具有故障告警功能，并可將故障信息發(fā)送給監(jiān)控網(wǎng)管計算機(jī)。中心母鐘主要由以下幾部分組成：標(biāo)準(zhǔn)時間信號接收單元、主備母鐘、自動轉(zhuǎn)換單元、輸出接口單元等。 2022/7/3011 (1)

6、標(biāo)準(zhǔn)時間信號接收單元 為時鐘系統(tǒng)提供高精度的時間基準(zhǔn)而設(shè)置，以實現(xiàn)時鐘系統(tǒng)的無累積誤差運行。在正常情況下，標(biāo)準(zhǔn)時間信號接收來自GPS的衛(wèi)星時鐘信號，經(jīng)解碼、比對后，經(jīng)由輸出接口向母鐘發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時間代碼，以實現(xiàn)對母鐘精度的校準(zhǔn)。當(dāng)GPS發(fā)生故障時，將自動轉(zhuǎn)換為接收CCTV標(biāo)準(zhǔn)時間。2022/7/3012 (2)主備母鐘 母鐘通過標(biāo)準(zhǔn)接口接收標(biāo)準(zhǔn)時間信號接收單元發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)時間信號，用以校準(zhǔn)自身的精度。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時間信號接收單元出現(xiàn)故障時，母鐘將采用自身的高穩(wěn)晶振作為時間基準(zhǔn)。由于母鐘是整個時鐘系統(tǒng)的中樞部分，其可靠性要求較高，一般采用雙機(jī)熱備容錯配置。當(dāng)主母鐘故障時，可通過自動或人工手動切換到備用母鐘。

7、母鐘能夠顯示年、月、日、星期、時、分、秒等時間信息，并具備1224小時兩種顯示方式的轉(zhuǎn)換功能。母鐘通過標(biāo)準(zhǔn)接口與控制中心及各站點的二級母鐘連接，將標(biāo)準(zhǔn)時間信號發(fā)送給該二級母鐘并將其校準(zhǔn)。同時母鐘可接收回送的該二級母鐘及控制中心子鐘的運行狀態(tài)信息，再將這些信息送到監(jiān)控網(wǎng)管系統(tǒng)。2022/7/30132022/7/3014 (3)自動轉(zhuǎn)換單元 檢測主母鐘的工作狀態(tài)，實現(xiàn)母鐘主、備機(jī)的自動轉(zhuǎn)換。 (4)輸出接口單元 通過標(biāo)準(zhǔn)接口，將時鐘信息送給二級母鐘或其他需要提取時鐘信息的系統(tǒng)。2022/7/3015 2監(jiān)控終端 監(jiān)控終端能夠?qū)崟r監(jiān)測整個時鐘系統(tǒng)的運行狀態(tài)，可進(jìn)行故障管理、性能管理、配置管理及安全

8、管理、報表統(tǒng)計等集中維護(hù)功能，并可向網(wǎng)管系統(tǒng)提供故障信息，實現(xiàn)集中告警功能。2022/7/3016 3二級母鐘 二級母鐘設(shè)置在各車站及車輛段、停車廠等需要提取時鐘的場所，用于控制所屬子鐘運行，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖16-3所示。圖16-3車站二級母鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2022/7/30172022/7/3018 通過標(biāo)準(zhǔn)接口，二級母鐘一方面可以接收中心母鐘經(jīng)由傳輸系統(tǒng)發(fā)送過來的標(biāo)準(zhǔn)時間信號，顯示年、月、日、星期、時、分、秒等時間信息，并校準(zhǔn)自身精度；另一方面可將標(biāo)準(zhǔn)時間信號發(fā)送至所屬子鐘，使子鐘顯示標(biāo)準(zhǔn)時間僧從而達(dá)到全線時間的統(tǒng)一。除此之外，二級母鐘還具有監(jiān)控和故障告警功能，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸接口接入便攜機(jī)在各

9、個車站實現(xiàn)對全線設(shè)備的監(jiān)控，并可向中心母鐘回送自身及所屬子鐘的運行狀態(tài)信息及故障信息。2022/7/30192022/7/3020 二級母鐘具有獨立的晶振，中心母鐘發(fā)送來的標(biāo)準(zhǔn)時間信號對二級母鐘是校對的關(guān)系，而不是絕對指揮關(guān)系，當(dāng)中心母鐘或傳輸通道發(fā)生故障時，二級母鐘仍可依靠自身的晶振指揮子鐘運行。 4子鐘 子鐘一般設(shè)置在車站的站臺、站廳及辦公場所等，分為數(shù)字子鐘和指針子鐘，如圖164所示。圖16-4子鐘示意圖2022/7/3021 數(shù)字式子鐘一般為數(shù)碼管形式，安裝在各車站的站臺或站廳內(nèi)，向乘客顯示日期及時問信息，還可顯示站內(nèi)外溫度等信息。指針式子鐘一般為機(jī)械式機(jī)芯，安裝在各車站、車廠及控制中

10、心的辦公室內(nèi)，為軌道交通系統(tǒng)工作人員提供準(zhǔn)確的時間信息，是軌道交通系統(tǒng)可以準(zhǔn)時、可靠運行的重要保障。 子鐘通過標(biāo)準(zhǔn)接口接收二級母鐘發(fā)送的時間信號，將自身的精度校準(zhǔn)后，顯示統(tǒng)一的時間信息。2022/7/3022 當(dāng)子鐘接收不到來自二級母鐘發(fā)送的時間信號時，仍能依靠自身的晶振獨立運行。此時與標(biāo)準(zhǔn)時間的校準(zhǔn)可通過子鐘上的按鍵，人工手動進(jìn)行校時。當(dāng)重新接收到二級母鐘發(fā)送來的時間信號后，回送自身的工作狀態(tài)。 新安裝上的指針式子鐘具有自動校時功能，當(dāng)接收到二級母鐘發(fā)送來的標(biāo)準(zhǔn)時間信號時，能夠以最短距離方式快速調(diào)整指針的位置到標(biāo)準(zhǔn)時間。 由于子鐘的工作場所較復(fù)雜，有的場所需要提供照明，所以指針式子鐘一般采用

11、內(nèi)置式照明設(shè)備。2022/7/3023 5傳輸接口 常用的串行通信接口包括RS-232串行接口、Rs-422串行接口、RS-485串行接口三種。 RS-422串行接口傳輸距離在1km左右，基本能夠覆蓋一個車站的范圍，同時RS一422接口具有單點到多點的傳輸特性，所以在城市軌道交通中應(yīng)用較多。時鐘系統(tǒng)二級母鐘與子鐘之間的連線，二級母鐘與其他系統(tǒng)接口之間的連線一般都采用此接口。RS-422串行通訊接口電路 2022/7/3024四、城市軌道交通時鐘系統(tǒng)組網(wǎng)模式 為保證城市軌道交通列車安全、準(zhǔn)時、可靠運行，需要各部門、各專業(yè)之間密切配合，因此城市軌道交通必須設(shè)置時鐘系統(tǒng)以保證準(zhǔn)時服務(wù)乘客、統(tǒng)一全線設(shè)

12、備標(biāo)準(zhǔn)時間。其有兩種組網(wǎng)模式。2022/7/3025 1.時鐘系統(tǒng)單獨組網(wǎng)模式 城市軌道交通中的時鐘系統(tǒng)一般采用控制中心車站兩級組網(wǎng)方式，如上面所介紹：一級母鐘接收來自GPS的標(biāo)準(zhǔn)時間信號校正本身晶振，產(chǎn)生穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)時間信號，通過傳輸系統(tǒng)傳給車站、車輛段、停車廠等的二級母鐘。二級母鐘接收一級母鐘標(biāo)準(zhǔn)時間信號，校正本身晶振，產(chǎn)生穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時間信號，驅(qū)動所帶全部子鐘顯示統(tǒng)一時間，為乘客和工作人員提供統(tǒng)一時間。 一級母鐘在控制中心還為其他系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時間信號，使各系統(tǒng)的定時設(shè)備與時鐘系統(tǒng)同步。2022/7/3026 2與旅客引導(dǎo)系統(tǒng)混合組網(wǎng)模式 旅客引導(dǎo)信息系統(tǒng)的主要功能是通過文字、圖像、聲音等形式

13、為進(jìn)出車站的旅客提供列車到發(fā)的有關(guān)信息，引導(dǎo)旅客快捷方便的乘車，并可為候車旅客提供新聞、廣告、娛樂等信息服務(wù)。顯示終端包括PDP等離子屏幕、液晶顯示屏、LED顯示屏等形式，一般設(shè)在各車站站廳、站臺。2022/7/3027 綜合考慮兩個系統(tǒng)的顯示內(nèi)容信息、顯示界面形式，可以將時鐘系統(tǒng)與引導(dǎo)顯示系統(tǒng)融合，具體網(wǎng)絡(luò)模式為：保留各車站的二級母鐘，取消站廳、站臺內(nèi)的子鐘。一級母鐘在控制中心為旅客信息系統(tǒng)提供時間信號或由車站二級母鐘給車站旅客引導(dǎo)設(shè)備直接提供時間信號，由旅客信息系統(tǒng)在各車站站廳、站臺的顯示終端上以固定窗口的形式顯示時鐘信息，如圖16-5所示。圖16-5 時鐘與引導(dǎo)系統(tǒng)整合方案示意圖2022

14、/7/3028 兩種時鐘系統(tǒng)組網(wǎng)模式均能滿足城市軌道交通運用的需求，第一種方案中各系統(tǒng)獨立運行互不影響，第二種方案利用旅客引導(dǎo)系統(tǒng)顯示時間信息完成子鐘顯示，顯示屏幕不具備自身校時的功能，當(dāng)時鐘系統(tǒng)故障或線路故障時，屏幕上顯示不了時鐘信息，但具有經(jīng)濟(jì)、合理，集成化程度高的特點。2022/7/3029五、城市軌道交通時鐘系統(tǒng)運作模式 1中央控制運作模式 系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，只用中央控制運作模式，中心母鐘可正常接收GPS信號，并將此信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)時間信號傳送給二級母鐘及其他需要接收時間信號的系統(tǒng)，從而使各終端用戶的時間與GPS的時間保持同步。 當(dāng)一級母鐘不能接收GPS信號時，一級母鐘將會通過自身的高

15、穩(wěn)晶振提供時間信號，此時各終端用戶仍然接收來自一級母鐘的時間信號，一般一級母鐘自身晶振的精度可達(dá)到10-6，所提供的時間仍能滿足運營要求。2022/7/3030 2車站降級控制運作模式 當(dāng)一級母鐘因故不能向二級母鐘傳送時間信號時，系統(tǒng)進(jìn)入車站降級控制運作模式，二級母鐘通過自身的高穩(wěn)晶振為分布于各站點的子鐘提供時間信號，但不向其他系統(tǒng)提供時間信號。 當(dāng)二級母鐘因故無法向子鐘提供時間信號時，子鐘自行運作繼續(xù)向乘客提供時間信息。2022/7/3031休息、休息2022/7/3032 項目實施 任務(wù)一 現(xiàn)場教學(xué)認(rèn)識設(shè)備 1目標(biāo) 1)掌握城市軌道交通時鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 2)了解時鐘系統(tǒng)組網(wǎng)模式及相關(guān)設(shè)備。

16、2設(shè)備 一級母鐘、二級母鐘、數(shù)字子鐘、指針子鐘及連接線纜電源等。 3實施步驟 1)認(rèn)識設(shè)備：認(rèn)識GPS接收裝置、中心母鐘、二級母鐘、子鐘等設(shè)備外觀及設(shè)置位置。 2)學(xué)習(xí)城市軌道交通時鐘系統(tǒng)組網(wǎng)模式，及各設(shè)備、接口的應(yīng)用。 3)連接一級母鐘、二級母鐘、子鐘及電源，使系統(tǒng)能正常運行。2022/7/3033任務(wù)二 時鐘調(diào)整 1目標(biāo) 1)熟練掌握時鐘系統(tǒng)故障時的有關(guān)作業(yè)規(guī)定。 2)掌握二級母鐘指示燈各種告警的含義。 3)根據(jù)要求設(shè)置二級母鐘及子鐘。 2設(shè)備 數(shù)字式子鐘、指針式子鐘、城市軌道交通關(guān)于時鐘系統(tǒng)故障處理程序。 3實施步驟 1)通過學(xué)習(xí)，熟練掌握城市軌道交通關(guān)于時鐘系統(tǒng)故障處理程序。 2)操作

17、：掌握數(shù)字式和指針式子鐘的調(diào)整方法。2022/7/3034拓展與提高 一、GPS時鐘原理 l.GPS系統(tǒng)的基本組成 GPS是由美國國防部研制的導(dǎo)航衛(wèi)星測距與授時、定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，簡稱全球定位系統(tǒng)。GPS由三部分構(gòu)成：GPS衛(wèi)星(空間部分)、地面支撐系統(tǒng)(地面監(jiān)控部分)、GPS接收機(jī)(用戶部分)。 2GPS系統(tǒng)的定時原理 GPS向全球范圍內(nèi)提供定時和定位的功能，全球任何地點的GPS用戶通過GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)出的信號，即可獲取準(zhǔn)確的空間位置信息、同步時鐘及標(biāo)準(zhǔn)時間。GPS要實時完成定位和授時功能，需要4個參數(shù)：經(jīng)度、緯度、高度和用戶時鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時間的時刻偏差，所以需要接收4顆衛(wèi)星的位置

18、。若用戶已知自己的確切位置，那么接收1顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)也可以完成定時。2022/7/3035 若設(shè)(x，y，z)為接收機(jī)的位置，(xn，yn，zn)為已知衛(wèi)星的位置，則列解下列方程就可以得到x，y，z和標(biāo)準(zhǔn)時間T：式中T為用戶時鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時間的時差； Tn為衛(wèi)星n所發(fā)射信號的發(fā)射時間； tn為衛(wèi)星n上的原子鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時間的時差； c為光速。2022/7/3036 由于GPS采用被動定位原理，所以星載高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)是精密定位和授時的關(guān)鍵。工作衛(wèi)星上一般采用的是銫原子鐘作為頻標(biāo)。GPS衛(wèi)星上的衛(wèi)星鐘通過和地面的GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時間進(jìn)行比對，這樣就可以使衛(wèi)星鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時間之間保

19、持精確同步。GPS衛(wèi)星發(fā)射的幾種不同頻率的信號，都是來自衛(wèi)星上同一個基準(zhǔn)頻率。GPS接收機(jī)對GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號進(jìn)行處理，經(jīng)過一套嚴(yán)密的誤差校正系統(tǒng)處理，使輸出的信號在較長時間內(nèi)處于高穩(wěn)定性。2022/7/3037 二、二級母鐘操作說明 二級母鐘主要包括主母鐘、備母鐘、電源模塊及通信模塊等，如圖16-6及16-7所示。圖166二級母鐘外觀示意圖2022/7/3038 圖16-7二級母鐘后面板接口示意圖 1指示燈顯示 接通二級母鐘電源，打開電源開關(guān)，電源指示燈亮，主母鐘開始工作，備母鐘工作指示燈閃爍。 1)主備母鐘的信號板前面均有5個指示燈，其從上到下依次所表示的意思為： 工作指示，紅色閃爍為正常； 與中心母鐘通信狀態(tài)指示，綠色閃爍為接收數(shù)據(jù)，紅色閃爍為發(fā)送數(shù)據(jù)； 2022/7/3039 主備之間通信狀態(tài)指示，閃爍為正常； 預(yù)留； 預(yù)留。 2)電源板的前面有3個指示燈，其從上到下依次所表示的意思為： 主母鐘電源指示，常亮黃色為正常； 備母鐘電源指示，常亮黃色為正常； 通信板電源指示，常亮黃色為正常。 3)通信板的前面有8個指示燈，其從上到下依次所表示的意思為：