利用GPS實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步

魏 華

(中海石油建滔化工有限公司,海南東方 572600)

0 引 言

控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步問(wèn)題一直是自動(dòng)化行業(yè)的一個(gè)難題。各個(gè)工廠的控制系統(tǒng)由于計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘運(yùn)行誤差,運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)時(shí)鐘不同步的問(wèn)題,特別是生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生停車或其他事故時(shí),分析事故過(guò)程中對(duì)第一事故的把握尤其重要?，F(xiàn)在的化工裝置設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜,不僅包括控制系統(tǒng)(DCS/FCS),安全儀表系統(tǒng)(SIS),還包括成套包單元控制系統(tǒng)(如PLC),因此時(shí)鐘同步的問(wèn)題越來(lái)越重要,特別是各系統(tǒng)不是同一廠商,這個(gè)問(wèn)題就更加突出。筆者以中海石油建滔化工有限公司的600 kt/a甲醇項(xiàng)目所采用的 GPS實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步為例,介紹了 GPS實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘同步的方案,通過(guò)與其他方案的對(duì)比,說(shuō)明了利用 GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的優(yōu)越性與可靠性。

1 系統(tǒng)時(shí)鐘誤差產(chǎn)生的原因分析

計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘一般都采用石英晶體振蕩器,晶振體連續(xù)產(chǎn)生一定頻率的時(shí)鐘脈沖,計(jì)數(shù)器則對(duì)這些脈沖進(jìn)行累計(jì)得到時(shí)間值,這些時(shí)間值就作為計(jì)算機(jī)的基準(zhǔn)時(shí)間。由于時(shí)鐘振蕩器的脈沖受環(huán)境溫度、勻載電容、激勵(lì)電平以及晶體老化等多種不穩(wěn)定性因素的影響,故計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘本身不可避免地存在著誤差。例如,某精度為±2×10-5的時(shí)鐘(溫度為25℃),其每小時(shí)的誤差為:(1×60×60× 1 000 ms)×(2×10-5)=72 ms,一天的累計(jì)誤差可達(dá)1.73 s;若其工作的環(huán)境溫度從額定25℃變?yōu)?5℃,則還會(huì)增加±2.5×10-5ms的額外誤差。一年下來(lái)的累計(jì)誤差為10.3 min?？梢?jiàn),DCS的時(shí)鐘若不定期同步校準(zhǔn),其自由運(yùn)行一段時(shí)間后的誤差可達(dá)到系統(tǒng)應(yīng)用所無(wú)法忍受的程度。

隨著晶振制造技術(shù)的發(fā)展,已有各種高穩(wěn)定性晶振體可供選用,如 TCXO(溫度補(bǔ)償晶振)、VCXO(壓控晶振)、OCXO(恒溫晶振)等,但是這些措施都不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需要。

2 常規(guī)控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步的方案

2.1 人工手動(dòng)校正

對(duì)于比較老的控制系統(tǒng),由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制,不同系統(tǒng)間很難實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步,就是同一系統(tǒng)內(nèi)部也存在時(shí)鐘誤差,如DCS的幾個(gè)操作站之間,計(jì)算機(jī)顯示的時(shí)間不一樣,因此不同操作站的趨勢(shì)點(diǎn)同一顯示時(shí)間,指示的數(shù)值是不一致的,這就要求用一個(gè)所謂的“基準(zhǔn)時(shí)間”,利用該基準(zhǔn)時(shí)間去逐個(gè)調(diào)整每臺(tái)計(jì)算機(jī)的時(shí)間,一般都按照一個(gè)月的周期去調(diào)整一次,這樣調(diào)整的時(shí)間誤差一般都在10 s以內(nèi),精度不高。由于老裝置設(shè)置的聯(lián)鎖報(bào)警點(diǎn)數(shù)量少,一般都在輔助操作臺(tái)上有第一事故鎖定,可以滿足基本的生產(chǎn)要求,但要求經(jīng)常校正計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘。

2.2 定時(shí)自動(dòng)校正

2.2.1 利用“Modbus通信”方式定時(shí)時(shí)鐘

利用Modbus RS-485/232方式進(jìn)行時(shí)鐘的定時(shí)校正也是一種方法,它比傳統(tǒng)的手動(dòng)校驗(yàn)時(shí)鐘精度相對(duì)要高很多,不需要增加額外的硬件,只需要軟件組態(tài)就可以了,在精度要求不高,費(fèi)用控制嚴(yán)格的情況下,是一種不錯(cuò)的選擇。利用通信自動(dòng)校正系統(tǒng)時(shí)鐘是從主系統(tǒng)(如DCS)中讀取時(shí)鐘點(diǎn),在一個(gè)固定的時(shí)間發(fā)送時(shí)鐘同步請(qǐng)求,對(duì)方系統(tǒng)在分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性后將自身系統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)定在要求的時(shí)間。

但是利用通信的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步存在不確定性,因?yàn)镸odbus通信速度傳輸存在滯后的現(xiàn)象,目前Modbus比較快的是150 Kbit/s,一般的產(chǎn)品性能保證是75 Kbit/s左右,而且由于現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量、通信數(shù)據(jù)量的大小、通信距離的不同決定了通信滯后的不同,一般都是3～5 s左右,有時(shí)可能更長(zhǎng)。因此采用通信方式校正系統(tǒng)的時(shí)鐘精度不是太高,一般可以滿足在5 s內(nèi),如果選擇通信數(shù)據(jù)較少的通信網(wǎng)段上,精度能更高些,能控制在1 s內(nèi)。

2.2.2 利用以太網(wǎng)“域”的方式實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步

目前主流的DCS,SIS,PLC廠商的系統(tǒng)時(shí)鐘同步都上升到以太網(wǎng)的層面,將工廠的系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)連接(絕大部分系統(tǒng)已經(jīng)是以太網(wǎng)連接方式),統(tǒng)一加入“域”,通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘同步。該方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì),由于協(xié)議是SNTP,因此這個(gè)時(shí)鐘同步的精度為1 s,不能實(shí)現(xiàn)完全的時(shí)鐘同步,但是對(duì)于沒(méi)有建立時(shí)鐘同步的系統(tǒng),可以利用這種辦法將上位機(jī)連接,通過(guò)“域”時(shí)鐘同步的方法分析上位機(jī)的趨勢(shì)數(shù)據(jù),對(duì)分析事故原因,也有一定的幫助。

2.2.3 利用“硬線連接”的方式實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步

“硬線連接”方式是將某一系統(tǒng)作為主時(shí)鐘源(以DCS為例),將DCS的時(shí)鐘同步請(qǐng)求信號(hào)通過(guò)數(shù)字輸出信號(hào)發(fā)送到相應(yīng)的系統(tǒng),如SIS,PLC,這些系統(tǒng)再通過(guò)數(shù)字輸入接收同步請(qǐng)求,通過(guò)軟件預(yù)先設(shè)置的時(shí)鐘同步方式進(jìn)行時(shí)鐘同步,由于硬線連接傳輸速度快,投入的硬件數(shù)量很少,因此是目前各系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步采用較多的方案之一。

利用“硬線連接”實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的方式很簡(jiǎn)單,通過(guò)DCS的DO點(diǎn)和SIS,PLC,ITCC的DI點(diǎn)連接相應(yīng)的電纜,SIS和PLC廠商大部分都有時(shí)鐘同步的系統(tǒng)特點(diǎn)(Time-Syn),在系統(tǒng)組態(tài)時(shí)要求在脈沖觸發(fā)的上升沿觸發(fā),同時(shí)將系統(tǒng)的人工矯正時(shí)鐘源的功能禁止,避免外界對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的人為干擾,從而保證了系統(tǒng)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。如 HIMA和Triconex的SIS都很容易實(shí)現(xiàn)。DCS方面可以利用順控模塊,對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行判斷,在要求的時(shí)間內(nèi)(如 T12:00:00)發(fā)出脈沖信號(hào),在其他時(shí)間不輸出信號(hào)。

該方式可以用在設(shè)計(jì)施工時(shí)沒(méi)有考慮時(shí)鐘同步問(wèn)題的改造方案。該方法投入少,操作簡(jiǎn)單,只需經(jīng)過(guò)控制培訓(xùn)的操作工就可以實(shí)現(xiàn),可以滿足大部分工廠的事故分析需要。

3 利用GPS實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步

3.1 GPS實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘同步的原理

GPS時(shí)鐘是一種接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的低功率無(wú)線電信號(hào),通過(guò)計(jì)算得出GPS時(shí)間的接收裝置。為獲得準(zhǔn)確的GPS時(shí)間,GPS時(shí)鐘必須先接收到至少4顆GPS衛(wèi)星的信號(hào),計(jì)算出自己所在的三維位置。在得出具體位置后,GPS時(shí)鐘只要接收到1顆 GPS衛(wèi)星信號(hào)就能保證時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)確性。

作為控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘,對(duì) GPS時(shí)鐘同步的基本要求:至少能同時(shí)跟蹤8顆衛(wèi)星,有盡可能短的冷、熱啟動(dòng)時(shí)間,配有后備電池,有高精度、可靈活配置的時(shí)鐘輸出信號(hào)。

該時(shí)鐘輸出通過(guò)EIA標(biāo)準(zhǔn)串行接口發(fā)送一串以ASCII碼表示的日期和時(shí)間報(bào)文,每秒輸出一次。時(shí)間報(bào)文中可插入奇偶校驗(yàn)、時(shí)鐘狀態(tài)、診斷信息等。此輸出目前無(wú)標(biāo)準(zhǔn)格式,表1為一個(gè)用17個(gè)字節(jié)發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的實(shí)例。

表1 利用17個(gè)字節(jié)發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間

3.2 GPS工程中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為解決控制系統(tǒng)中的時(shí)鐘不同步問(wèn)題,考慮到目前GPS時(shí)鐘同步器的價(jià)格較便宜,該公司要求FCS和SIS各采用一套 GPS來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步,其中FCS的GPS時(shí)鐘同步器不僅包括自身的時(shí)鐘同步,還包括鍋爐的BMS,氫回收的PLC系統(tǒng),如圖1所示。SIS除了包括自身時(shí)鐘同步,還包括ITCC的時(shí)鐘同步,如圖2所示。

圖1 FCS時(shí)鐘同步器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

FCS的時(shí)鐘同步信號(hào)通過(guò) GPS天線采集衛(wèi)星同步信號(hào),送到NCF 77時(shí)鐘同步器,NCF 77通過(guò)同軸電纜連接到Centum CS 3000系統(tǒng)的一個(gè)操作站HIS0160,將HIS0160的時(shí)鐘調(diào)整為 GPS時(shí)鐘,由于該控制系統(tǒng)自身具有YOKOGAW A time實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)鐘同步,因此整個(gè)控制系統(tǒng)始終都與GPS時(shí)鐘保持同步。同時(shí)NCF 77輸出另外的時(shí)鐘同步信號(hào)分別送到鍋爐的BMS和氫回收系統(tǒng)的PLC,使成套包的時(shí)鐘信號(hào)與FCS保持一致。

圖2 SIS時(shí)鐘同步器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

SIS采用 TS 3000系統(tǒng),通過(guò) GPS天線采集GPS時(shí)鐘信號(hào)送到 Trimble時(shí)鐘同步器,該同步器將信號(hào)分別送到SIS和ITCC等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步,采用RS-232通信方式進(jìn)行連接,同時(shí)屏蔽外界手工修改時(shí)間的權(quán)限,實(shí)現(xiàn)了SIS和ITCC的系統(tǒng)時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘保持一致。

3.3 GPS時(shí)鐘同步的時(shí)間誤差

GPS時(shí)鐘與衛(wèi)星發(fā)射世界協(xié)調(diào)時(shí)間(U TC)的誤差由GPS時(shí)鐘的精度所決定。對(duì)秒脈沖信號(hào),以脈沖前沿為準(zhǔn)時(shí)沿,精度一般在幾十納秒至1μs之間;對(duì)IRIG-B碼和RS-232串行輸出,如以中科院國(guó)家授時(shí)中心的時(shí)鐘產(chǎn)品為例,其同步精度以參考碼前沿或起始相對(duì)于秒脈沖信號(hào)前沿的偏差計(jì),分別達(dá)0.3μs和0.2 ms。

DCS主時(shí)鐘與各站點(diǎn)從時(shí)鐘通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步,其間存在著時(shí)鐘報(bào)文的發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延。互聯(lián)網(wǎng)上廣為采用的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議N TP (Network Time Protocol)在DCS局域網(wǎng)上已能提供±1 ms的對(duì)時(shí)精度(工業(yè)系統(tǒng)很少采用),而基于IEEE1588的標(biāo)準(zhǔn)精確時(shí)間協(xié)議PTP(Standard Precision Time Protocol)能使實(shí)時(shí)控制以太網(wǎng)上的主、從時(shí)鐘進(jìn)行亞微秒級(jí)同步。

SIS的順序事故報(bào)警(SOE)要求的時(shí)鐘分辨率小于1 ms,因此用GPS完全可以滿足控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用GPS實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步可以解決各系統(tǒng)時(shí)鐘偏差的問(wèn)題,將各個(gè)信息孤島有效地連接起來(lái),為分析事故原因提供有力的工具。通過(guò)GPS的時(shí)鐘同步,操作人員和技術(shù)人員能很快地從SOE上發(fā)現(xiàn)第一事故報(bào)警,有效地提高了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)間和解決問(wèn)題的速度,保證生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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