北极星楼宇时钟系统.docx
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北极星楼宇时钟系统
楼宇时钟系统
技术设计方案
山东烟台钟表研究所
2008-5
第一部分：
时钟系统技术方案
一、时钟系统概述
1.1概述
时钟系统主要由GPS接收装置、中心母钟、二级母钟（中继器）、全功能数字显示子钟、指针式子钟、NTP服务器、传输通道和监测系统计算机组成。
系统中心母钟设在中心机房内，各楼的弱电设备间设置二级母钟（中继器），在各有关场所安装全功能数字显示子钟及指针式子钟。
系统中心母钟接收来自GPS的标准时间信号，通过传输通道传给二级母钟（中继器），由二级母钟（中继器）按标准时间信号指挥子钟统一显示时间；系统中心母钟还通过传输子系统将标准时间信号直接传给各个子钟，为楼宇工作人员提供统一的标准时间。
我公司自九十年代中期开始，先后为国内大型工程北京西客站、北京火车站、首都机场、北京核工业部办公厅、中国国际航空公司运行控制中心、北京国航货运仓库、北京国际顺义学校、兰州机场、乌鲁木齐机场、西安（咸阳）机场、伊朗德黑兰地铁、巴格达电厂、上海轻轨明珠线、广州地铁二号线、天津滨海快速轨道交通工程、上海共和新路高架工程、南京地铁等重大工程提供时钟系统设备。
目前正在承担安装施工的项目有北京站、北京西客站、上海地铁四号线、广州地铁三号线、广州地铁四号线和济南遥墙机场等。
在上述工程中，我们积累了丰富的工程设计、设备生产制造、安装督导、技术培训、售后服务及工程管理等诸方面的经验。
完全能够胜任该楼宇系统工程的要求。
1.2系统特点
1.2.1精确度高
本系统能够接收来自GPS的标准时间信号，经系统中心母钟处理后发送至系统的各个部分，实现无累积误差运行。
1.2.2可靠性高（系统冗余）
本系统对中心母钟和二级母钟（中继器）的关键设备都采用双重热备份，当主单元发生故障时，能够自动切换到备用单元，实现主备之间的自动转换。
同时提供“功能后退”运行方式，具有降级使用功能，当前级设备出现故障时，本级设备仍能正常工作，我们采用故障隔离、软硬件冗余等技术措施，使系统具有极高的可靠性。
1.2.3兼容性好
系统采用分布式结构，由标准化的软件及硬件组成,用户可按照需要灵活配置和扩容。
根据将来发展的需要，可以将子钟接口分别扩展到128个或256个以满足系统扩容要求。
1.2.4操作简单
系统采用了人性化的设计，使界面友好、直观，更由于单片机技术的引进与完善，使得系统的自动化程度很高，操作极为简单。
1.2.5电磁兼容性能良好
为保证系统正常可靠地运行，在系统的电磁兼容方面，我们做了大量的试验与改进工作，提供的设备在许多工程中经历了长期严格的考验。
1.2.6维护方便
本系统所有主控板、信号板、接口板均采用了目前国际上流行的模块化设计，使相同规格的设备和接口板具有可互换性；中心母钟/二级母钟（中继器）的接口板可以热插拔，在带电状态下可以进行更换而不影响整个系统的运行，维护极为方便。
积木式结构还为业主未来系统的增容和扩展提供极大的便利。
1.2.7联网功能
除为系统配置标准组网所需的接口外，我们提供的设备还具备局域网络功能，方便业主未来的计算机管理，使系统能够通过局域网卡与其它智能化系统联网，以便网络所有联网的计算机设备可以通过软件或者硬件方式与内部时钟系统同步校时。
二、时钟系统功能
根据本工程对时钟系统的要求，时钟系统的功能规格如下：
时钟系统由GPS校时接收装置（含防雷保护器）、中心母钟、二级母钟（中继器）、指针式及数字式子钟、世界时钟、NTP服务器、监控终端（也称监测系统计算机）及传输通道构成。
其主要功能为：
☉显示统一的标准时间信息。
☉向其它需要统一时间的系统及通信各子系统网管终端提供标准时间信息。
2.1中心母钟
系统中心母钟设置在控制中心设备室内，主要功能是作为基础主时钟，自动接收GPS的标准时间信号，将自身的精度校准，并分配精确时间信号给各个二级母钟（中继器）和其它需要标准时间的设备，并且通过监控计算机对时钟系统的主要设备进行监控。
中心母钟主要由以下几部分组成：
☉标准时间信号接收单元
☉主备母钟（信号处理单元）
☉分路输出接口箱
☉电源
中心母钟外观示意图见（附图）
2.1.1标准时间信号接收单元
标准时间信号接收单元是为了向时间系统提供高精度的时间基准而设置的，用以实现时间系统的无累积误差运行。
在正常情况下，标准时间信号接收单元接收来自GPS的卫星时标信号，经解码、比对后，经由RS422接口传输给系统中心母钟，以实现对母钟精度的校准。
系统通过信号接收单元不断接收GPS发送的时间码及其相关代码，并对接收到的数据进行分析，判断这些数据是否真实可靠。
如果数据可靠即对母钟进行校对。
如果数据不可靠便放弃，下次继续接收。
2.1.2主备母钟
由于母钟是整个时钟系统的中枢部分，其工作的稳定性很大程度上决定了整个系统的可靠性，因此我们充分考虑了系统功能的实现与系统可靠性等综合因素，将其设计为主、副机配置，并且主、副机之间可实现自动或手动切换。
中心母钟通过标准RS422接口接收标准时间信号接收机发送的标准时间信号。
标准时间信号接收机正常工作时，该信号将作为母钟的时间基准；标准时间信号接收单元出现故障时，中心母钟将采用自身的高稳晶振产生的时间信号作为时间基准，向其他子系统及各个二级母钟（中继器）发送时间信息，同时向时钟系统网管设备发出告警。
中心母钟能够显示年、月、日、星期、时、分、秒等全时标时间信息，具备12/24小时以及格林威治时间（GMT）三种显示方式的转换功能，也可显示所控制的二级母钟（中继器）的运行信息。
中心母钟和校时信号能自动进行调整，可显示并输出任意时区的时间。
中心母钟具有统一调整、变更时钟快慢的功能，可通过设置在前面板上的键盘实现对时间的统一调整。
中心母钟通过标准的RS422/RS485接口与监控计算机相连，以实现对时钟系统主要设备的维护管理及监控。
中心母钟采用标准的RS422/485接口形式分别与自带子钟连接。
通过时钟信号线缆通道定时向子钟发送标准时间信号，使其按统一的时间标准运行。
当系统中心母钟出现故障时，能向时钟监测系统计算机发出告警。
中心母钟通过分路输出接口箱采用标准的RS422接口形式与传输子系统连接。
通过传输系统定时向各个二级母钟发送标准时间信号（包含毫秒级信号），统一校准各个二级母钟（中继器）。
当二级母钟（中继器）、子钟或传输通道出现故障时，能向时钟系统网管中心发出告警。
中心母钟通过标准的RS422/RS-485，为电视中心内各业务部门、演播室、技术机房和监控中心提供统一精确的时间服务，以及集中控制时间的调整和校对。
同时向UPS系统、监控系统、门禁系统、自动报警系统、广播系统、安检系统、引导系统、传输系统、各行政办公管理计算机网络服务器、设备管理服务器、档案管理服务器等发送全日历标准时间信号，以实现各子系统时间的统一。
中心母钟的主备母钟可以互相检测；母钟时间显示面板除了显示标准时间外，还可以通过键盘操作来监测所带二级母钟（中继器）的工作状态，也可以通过设在母钟主机柜的正面板上有规律、均匀分布的数字式状态监视窗口，监视所带二级母钟（中继器）的工作状态。
中心母钟预留标准的RS422/RS-485外部接口，为以后的工程扩容提供条件。
2.1.3分路输出接口箱
系统通过分路输出接口箱实现主备母钟的多路输出，可以为各二级母钟（中继器）提供标准时间信号及监控其运行状态，同时为其他各系统设备提供标准时间信号输出接口，并可单独提供毫秒级标准时间信号输出接口。
中心母钟的分路输出接口箱与各二级母钟（中继器）、各系统设备时间接口形式：
☉接口类型：
标准RS-422/RS-485端口
☉传输速率：
9600bps
☉数据位：
8位
☉起始位：
1位
☉停止位：
1位
☉校验位：
无
☉工作方式：
异步
☉数据格式：
ASC
字符串，共19个字符
☉传输距离：
≤1200米
2.1.4电源
电源箱可向主备母钟及分路输出接口箱提供12V的交流电。
2.2监测系统计算机
本套时钟系统具备微机网络集中管理功能。
本监控软件用VisualBasic编制而成，运行于NTServer操作系统。
在中心母钟机柜中设置时钟系统的维护管理终端（即网管监测终端设备），监控界面采用全中文显示、下拉菜单模式，具有良好的人机对话界面，其优良的开放性和可扩充性便于显示的子钟数量的更改，它通过标准的RS232接口与系统中心母钟相连，具有集中维护功能和自诊断功能，可进行故障管理、一般性能管理及安全管理，其监控软件界面如（图十二）所示。
图十二监测系统计算机监控软件界面
2.2.1一般性管理功能
通过监控终端能够真实显示系统的网络拓扑结构，实时反映其物理连接状态及各点设备运行条件和状态。
能够实现对全部时钟进行点对点的监控，其主要监控及显示的内容包括：
标准时间信号接收机、中心母钟、二级母钟、子钟及传输通道的工作状态。
可实现对全部时钟设备的控制（加快、减慢、复位、校对、停止、追时等）。
通过监控终端能对系统网络进行配置和数据设定。
在监控主界面上显示的内容主要包含以下几部分：
☉能够显示控制中心母钟的运行状态：
主备母钟运行信息及标准时间信号接收机的信号来源及其运行状态。
☉能够循环检测所控子钟的运行状态，还可有重点地选择某个子钟，对其运行状况进行监测。
☉能够实时监测控制中心所有子钟的运行状态。
☉在维护管理界面上，可以根据设备状态不同颜色的出现，显示紧急告警、非紧急告警的状态，指导维护人员及时处理故障。
在监控终端还可以监测到中心主备用母钟及接口模块、各二级主备用母钟及其接口模块的工作状态，并可控制主备母钟进行自由切换。
在主母钟正常运行的情况下，备用母钟处于待机状态，此时监控终端也能监测到备用母钟有无故障，当需要切换到备用母钟工作时，能确保备用母钟立即进入工作。
本监控功能的增加进一步提高了系统的防护级别，使备用母钟（中心级、二级母钟）的状态始终处于维护人员的监控之下，避免了由于备用母钟的故障情况不可预知而给业主带来损失。
2.2.2故障管理功能
系统具有自诊断功能，并对故障进行管理，能检测到包括系统中心设备、传输通道的运行状态；对时钟系统的工作状态、故障状态进行显示。
当时钟系统出现故障时，监控计算机能够发出声光报警，指示故障部位，并在监控终端主界面上显示主要故障内容及设备位置。
告警信号能够引至相应值班室，提供给值班的工作人员，以便于系统的集中管理。
声音报警信号能通过手动操作切除，光标报警可保持到故障排除。
能诊断硬件或软件故障，能对硬件故障进行定位，并能指出故障所在范围及性质。
能对故障状态和时间进行打印和存储记录。
能显示基本故障排除原则等帮助信息。
在时钟系统控制管理工作站上，能方便查看维护指南，在线帮助。
设有设备维修档案，记录每个故障发生的具体位置、时间、类型、维修情况等。
当某个时钟工作不正常时，系统可调出它的档案，供维修人员参考。
2.2.3安全管理功能
能为全部系统的联网计算机提供时间基准接口。
控制管理计算机为品牌机，工业级标准，市场主流型。
配置如下：
☉CPUP42.8GHz
☉内存256M
☉硬盘40G
☉光驱40倍速
☉软驱1.44MB
☉显示器17”彩色显示器
☉输入101键标准键盘及鼠标器
2.3二级母钟（中继器）
二级母钟（中继器）设置在各楼相应设备室内。
为了保证系统的可靠性，二级母钟（中继器）也设置为主/备机。
在正常情况下，主机工作，当出现故障时，自动转换到备用机上工作，提高了系统的可靠性。
在正常情况下，二级母钟（中继器）均通过传输通道接收中心母钟发出的标准时间信号，随时与中心母钟保持同步，并将其进行放大，驱动分布在各楼各处的子钟运行，同时能够向中心母钟回馈自身及子钟的工作信息。
二级母钟（中继器）具有独立的恒温晶振，中心母钟对二级母钟（中继器）是校对的关系，而不是绝对的指挥关系，当中心母钟或传输通道出现故障时，二级母钟（中继器）将依靠自身晶振指挥子钟运行，并向时钟系统网管设备告警。
二级母钟（中继器）具有监测数据传输接口，可接入便携机实现对时钟设备的监控。
二级母钟（中继器）可预留数据输出接口。
二级母钟（中继器）具有计时功能和日期、时间显示功能，时间显示器以年、月、日、时、分、秒格式显示。
二级母钟（中继器）的时间显示面板除了显示标准时间外，还可以通过切换开关显示备用二级母钟（中继器）以及所带子钟的工作状态。
二级母钟（中继器）具有分路输出，通过电缆线路连接到各子钟。
在本套设备中二级母钟（中继器）的输出接口，我们设计为8路。
二级母钟（中继器）有标准RS422、RS485和RS232三种接口形式，与一级母钟接口用RS422方式，与子钟采用RS485接口方式，与便携式监控终端采用RS232方式。
二级母钟（中继器）与子钟的接口协议为：
接口类型:
标准RS-422（总线方式）
传输速率:
9600bps
数据位:
8位
起始位:
1位
停止位:
1位
校验位:
无
工作方式:
异步
数据格式:
ASCⅡ字符串,共19个字符
传输距离1200m
与中心母钟相同，二级母钟（中继器）也配有备用电源，可以保证在停电状态下正常走时24小时。
二级母钟（中继器）外观示意图见样本。
2.4数字式子钟
子钟通过标准RS485/422接口，采用直接电缆方式与系统中心母钟或二级母钟（中继器），接收中心母钟或二级母钟（中继器）转送的标准时间信号，对自身的精度进行校准，向工作人员和来宾直接指示时间信息。
子钟在接收到标准时间信号后，回送自身的工作状态给系统中心母钟。
所有子钟均具有独立的计时功能，平时跟踪母钟工作。
当子钟接收不到来自二级母钟（中继器）或中心母钟发送的时间信号时，仍能依靠自身的晶振独立运行并向时钟系统管理中心发出告警。
此时时钟时间的调整靠键盘来进行。
调整键盘配有复位按钮，每个子钟都配有单独的电源开关。
数字式子钟具备12/24小时两种显示方式转换功能。
数字式子钟收到系统中心母钟或二级母钟（中继器）发送来的标准时间信号时，自动刷新，与系统中心母钟或二级母钟（中继器）保持一致。
子钟对接收到的信息能够进行严格的比对、分析、判断，从而排除了异常信息的干扰。
数字式子钟具有记忆功能，内置实时时钟芯片，停电后可保持数据十年，来电后自动显示正确时间。
大数字式子钟显示格式为“月、日、时、分”。
小数字式子钟显示格式为“时：
分”，用“：
”闪烁表示秒信号。
数字式子钟的外观示意图（见附图）。
数字式子钟采用数码发光二极管显示单元（LED）或者点阵式显示单元显示由数字组成的时间信号，推荐颜色为黑底红字。
具体情况有业主方确定。
数字式子钟的安装可吊挂、壁挂、装于支柱上等，视场所需要而定。
2.5指针式子钟
指针式子钟具有自动追时功能。
当接收到标准时间信号时，能够以最短距离方式快速调整指针的位置到标准时间。
指针式子钟自身有独立的石英晶体振荡器,可脱离二级母钟（中继器）单独运行，此时与标准时间的对时是通过键盘进行的。
其指示方式为：
时、分二针指示。
指针式子钟机芯目前在同行业唯一获得国家专利产品。
2.6NTP网络时间服务器
时钟系统中的NTP网络时间服务器可以接收中心母钟或GPS发出的时间信号，再通过计算机网络系统，使用NTP网络时间协议，同步网络内的各弱电子系统计算机的时间。
NTP网络时间服务器采用主/备双机热备份方式配置
NTP网络时间服务器的高度为1U，安装在19英寸机架上。
NTP网络时间服务器作为独立的设备，在时间同步时不需要另外配置服务器。
NTP网络时间服务器支持的网络特性：
TCP/IP,基于web的HTML，NTPv2（RFC1119）和NTPv3（RFC1305）,SNTP,SNMP等。
2.7世界时钟
许多大厅都设有世界时钟，比如：
首都国际机场新航站楼、北京国航控制中心、福州国际机场、乌鲁木齐国际机场、烟台机场等，拉萨贡嘎机场、北京民航局都设有世界时钟。
世界时钟安装在大厅内，由于不同时区的若干个城市的时间组成，各个数字子钟接收母钟发送来的校时信号进行校时，与GPS时间同步。
世界时钟有独立的晶振，如果母钟出现故障，世界时钟便独立工作。
同其他的子钟一样，世界时钟也配有调整键盘。
三、系统构成
时钟系统采用分布式结构,采用中心机房及子区域两级组网方式，主要由中心母钟（含GPS标准时间信号接收单元、主备母钟及分路输出接口箱）、子区域二级母钟（中继器）、指针式/数字式子钟及传输通道、电源、系统监测计算机等组成。
中心机房设备与各二级母钟（中继器）通过传输通道（综合布线系统提供）连接，各子钟通过屏蔽电缆线路连接至现场控制器或系统中心母钟。
中心母钟接收来自GPS的标准时间信号，在中心机房通过传输线路为其它各系统提供统一的时间信号，使各子系统的定时设备与时钟系统同步，从而实现统一的时间标准。
时钟系统图如图一所示。
3.1控制中心级
在综合业务楼地下一层中心设备房内设置中心母钟和维护管理终端，GPS天线安装在演播楼楼顶，在天线馈线上加装防雷保护器。
中心母钟采用19英寸标准机柜，高度为2000mm，内设风扇、电源及门锁。
机柜正面是带框玻璃门，背板及旁板均可脱卸，维护管理终端（包括打印机）放置在母钟机柜中。
时钟系统控制中心部分的构成框图如图二所示。
3.2子区域
在综合业务楼14楼的有线前端/图文设备机房、15楼的附属设备室以及演播楼4楼的导演室各设置一台二级母钟（中继器），用于接收中心母钟的校时信号并发送给子钟。
二级母钟（中继器）采用19英寸标准机箱，高度为3U，可与其他系统合放在一个机柜里。
在综合业务楼一楼大厅内安装一个世界时钟，安装方式为壁挂式。
在综合业务楼、演播楼、生活楼的各个需要统一时间的场所，设置数字式或指针式子钟。
数字式子钟采用“时：
分：
秒”格式，采用LED发光二极管，颜色建议为黑底红字，可根据旅客航站楼的装修风格来选择。
安装方式可采用吊装、壁挂式。
时钟系统子区域部分构成框图如图三所示。
注：
信号的传输距离超过1200米，增加二级母钟，起加强信号或管理的作用。
四设备材料清单
序号
名称
规格/型号
单位
数量
产地
制造商
注册商标
备注
2
GPS接收系统
BKS1
套
1
烟台
山东烟台钟表研究所
北极星
带专用天线馈线50米
3
中心母钟
BKS1
套
1
烟台
山东烟台钟表研究所
北极星
含热备份
4
二级母钟
BKS2
套
烟台
山东烟台钟表研究所
北极星
含热备份
5
数字式子钟
台
烟台
山东烟台钟表研究所
北极星
安装方式根据实际要求
6
指针式子钟
台
烟台
山东烟台钟表研究所
北极星
安装方式根据实际要求
7
NTP网络服务器
台
北京
8
监控微机
台
品牌,市场主流
9
屏蔽双绞线
AMP4×0.5mm2
米
国产
AMP
超五类
4.1备品备件清单表
备品备件清单表
序号
设备名称
单位
数量
产地与品牌
1
中心母钟主控板
块
烟台、北极星
2
中心母钟接口板
块
烟台、北极星
3
二级母钟主控板
块
烟台、北极星
4
二级母钟接口板
块
烟台、北极星
5
指针式子钟
只
烟台、北极星
6
数显式子钟
只
烟台、北极星
7
世界时钟
只
烟台、北极星
8
电源
块
烟台、北极星
4.2专用工具清单表
序号
设备名称
规格型号
单位
数量
1
万用表
只
1
2
专用工具包
个
1
五、时钟系统设备主要技术指标
序号
名称
单位
数值或说明
备注
1
标准时间接收单元
台
☉环境温度—10℃～+65℃
☉相对湿度30%～95%
☉精度0.1微秒
☉信号传输距离≤1200米
☉接口方式标准RS-422
☉天线馈线长度50米
☉供电电源AC220V±15%50HZ±10%
☉功耗≤20W
☉天线具备避雷装置
☉MTBF≥3.5万小时
2
系统中心
母钟
台
☉计时精度1微秒/24h
☉环境温度－10℃～+65℃
☉相对湿度30%～95%
☉接口方式标准RS-422
☉输出接口数量16个
☉电源AC220V±15%50HZ±10%
☉功耗≤150W
☉MTBF≥3.5万小时
☉冷却方法自然风冷
2米高19英寸标准机柜
3
二级母钟
台
☉供电电源：
交流电220V+15%~-20%，50Hz±10%
☉自身计时精度：
±0.01秒/天（±1×10-7秒/天）
☉负载能力：
（每个子钟的输出接口可负载）20个以上
☉传输距离：
1500米
☉输出接口：
标准RS-422/RS-485接口
☉输出接口数量：
8个
☉MTBF：
6万小时
3U、19英寸标准机箱
4
数字式子钟
台
☉工作电压：
AC220V±15%，50Hz±10%
☉环境要求：
－10℃～+65℃
☉自身计时精度：
≤±0.05秒/天
☉LED显示屏发光强度：
≥200cd/m2
☉LED显示屏可视角度：
≥±65°
☉对比度：
≥10：
1
☉输出接口：
标准RS-422接口
☉MTBF：
≥3.5万小时
5
指针式子钟
台
☉工作电压：
AC220V±15%，50Hz±10%
☉环境要求：
－10℃～+65℃
☉自身计时精度：
≤±0.05秒/天
☉输出接口：
标准RS-422接口
☉MTBF：
≥3.5万小时
6
控制管理
计算机
台
网管计算机（品牌机）
☉CPUP42.8GHz
☉内存256M
☉硬盘40G
☉光驱40倍速
☉软驱1.44MB
☉显示器17”彩色显示器
☉输入101键标准键盘及鼠标器
中文Microsoft®Windows2000PROFESSIONAL操作系统
六、时钟系统主要设备说明
6.1.主要设备平均无故障时间
设备名称
平均无故障时间（小时）
标准信号接收单元
60000
一级母钟
60000
二级母钟
60000
子钟
60000
6.2.时钟系统运行环境
a）.工作环境温度
-10℃～+45℃（室内）
b）.工作环境相对湿度
10～90%（室内）
c）.防护等级：
IP45（室内）
6.3.供电及其它保障要求
a）供电要求
时钟系统所有设备采用单相交流220V+15%-20%，50Hz电源供电。
b）接地要求（包括工作接地、安全接地和电磁兼容接地）
工作接地：
母钟设备和子钟设备的工作基准地浮空，多点接地。
安全接地：
母钟设备的地线接至机柜的地线端子上，通过一段电缆接大地，来防止设备的金属外壳上出现过高的对地电压，以及漏电流而危害人身、设备的安全；子钟采用外壳保护接地，均为一点接地。
防雷保护器地线接至机房的接地汇集线上。
电磁兼容接地：
母钟设备将信号电缆线的屏蔽层、电源地线接入大地，来起到抑制变化电场的干扰。
接地点选在信号源侧。
子钟电源电缆线地线接大地；信号电缆线的地线与系统地相连。
c）防雷要求
时钟系统所采用的GPS天线，具备防雷击性能，安装时只需将天线杆及底座与建筑物避雷系统相连，即可达到防雷击要求
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