長距離數(shù)字化管輸系統(tǒng)中精確時(shí)鐘同步的設(shè)計(jì)方案

劉 睿

（中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430064）

0 引 言

管道運(yùn)輸是一種安全高效、節(jié)能省地、環(huán)保經(jīng)濟(jì)、供給穩(wěn)定的運(yùn)輸方式，長距離大運(yùn)量的管道運(yùn)輸在我國已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，能夠運(yùn)輸?shù)奈锪习ㄔ?、成品油、天然氣、煤漿、礦漿、化學(xué)品等，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著愈來愈重要的作用．幾百公里乃至上千公里的數(shù)字化管線項(xiàng)目中，由于地域跨度很大，對全線的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)化監(jiān)控提出了越來越高的時(shí)間同步要求．特別是為實(shí)現(xiàn)沿線泄漏檢測、堵塞預(yù)警、水擊保護(hù)等工藝要求，更需要高精度的時(shí)鐘同步保障．

1 長距離管輸系統(tǒng)時(shí)鐘同步的現(xiàn)狀和問題及方案選擇

1．1 長距離管輸系統(tǒng)時(shí)鐘同步的現(xiàn)狀

目前，在長距離管輸系統(tǒng)中為保證穩(wěn)定流速的密閉輸送，沿線通常會均勻分布加壓泵站、閥室及壓力檢測站，平均間隔在30 km左右．其時(shí)鐘同步主要是在不同區(qū)域的各個(gè)站場單獨(dú)裝設(shè)全球定位系統(tǒng)（Global Position System，以下簡稱：GPS）接收器或其他精確時(shí)鐘源，實(shí)行站場內(nèi)獨(dú)立對時(shí)同步．

1．2 長距離管輸系統(tǒng)時(shí)鐘同步目前存在的問題及分析

a．未有效利用全線通信組網(wǎng)，各站場間的同步精度不高：由于時(shí)鐘同步主要是通過不同區(qū)域的各個(gè)站場內(nèi)單獨(dú)裝設(shè)GPS接收器或其他精確時(shí)鐘源獨(dú)立對時(shí)同步來實(shí)現(xiàn)的，所以未能有效利用全線通信組網(wǎng)，造成各站場間的時(shí)鐘同步精度不高．

b．全線壓力采樣數(shù)據(jù)不能統(tǒng)一同步時(shí)標(biāo)信息：有些工藝要求對長距離管道全線的壓力，特別是高點(diǎn)和低點(diǎn)的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，以進(jìn)行故障判斷的保護(hù)，如堵塞預(yù)警、水擊保護(hù)等，這就要求管道全線壓力傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)必須高精度同步且?guī)в薪y(tǒng)一時(shí)標(biāo)．但各站場如果獨(dú)立同步，數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)信息就不易統(tǒng)一，而且當(dāng)某一站場同步時(shí)鐘丟失或故障時(shí)，會造成全線壓力采集數(shù)據(jù)同步誤差增大，導(dǎo)致保護(hù)不正確動(dòng)作．尤其是泄漏位置的精確定位、堵塞位置的準(zhǔn)確判斷等，都必須建立在精確的時(shí)間軸基礎(chǔ)上．

c．過程設(shè)備層采樣值對時(shí)間同步精度難以達(dá)到微秒級：按照數(shù)字化管道的發(fā)展趨勢，從物理結(jié)構(gòu)和邏輯層次上可以分為總調(diào)中心層、站場控制層、過程設(shè)備層，全線的信息交互實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化．不同層次對時(shí)間同步報(bào)文精度的需求不同，但對于過程設(shè)備層中涉及實(shí)時(shí)測量的采集數(shù)據(jù)，對時(shí)間同步精度的要求須達(dá)到微秒級．而目前，我國已建成長距離管輸系統(tǒng)均沒有達(dá)到微秒級的時(shí)鐘同步的目標(biāo)，因此對今后長輸管道全線精確時(shí)鐘同步的建設(shè)需求顯得日益突出．

d．全線范圍內(nèi)總體實(shí)現(xiàn)成本較高：雖然單臺GPS時(shí)鐘同步服務(wù)器成本較低，但由于需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)和對安裝環(huán)境的要求，目前主要在站場內(nèi)應(yīng)用較適宜．而對于長距離管線而言，沿線大量的閥室及壓力檢測站多達(dá)近百處，且大多地處偏遠(yuǎn)．故全部通過現(xiàn)場GPS時(shí)鐘同步難以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，同時(shí)總體成本上與網(wǎng)絡(luò)對時(shí)相比也毫無優(yōu)勢．

1．3 長距離管輸系統(tǒng)對時(shí)方式的方案選擇

常用的對時(shí)方式包括脈沖對時(shí)、串口報(bào)文對時(shí)、時(shí)間編碼方式（串口＋脈沖）和網(wǎng)絡(luò)對時(shí)方式．前三種方式均需要設(shè)置單獨(dú)的接口和專用的電纜連接，而長距離管輸系統(tǒng)通信組網(wǎng)的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，目前主流方案為全線同步數(shù)字體系（Synchronous Dihital Hierarchy，以 下 簡 稱：SDH）光纖主干網(wǎng)＋各站場內(nèi)以太環(huán)網(wǎng)接入的模式，因此選擇網(wǎng)絡(luò)對時(shí)方式可以復(fù)用已有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，與其它數(shù)據(jù)共網(wǎng)傳輸，實(shí)現(xiàn)較為方便，方式更加合理．

網(wǎng)絡(luò)對時(shí)方式包括網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Protocol，以下簡稱：NTP）、簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Simple Network Time Protocol，以下簡稱：SNTP）和IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議（Precision Time Protocol，以下簡稱：PTP），原理都是通過以太網(wǎng)以數(shù)據(jù)包的形式將時(shí)鐘源的時(shí)間信息傳送至各個(gè)時(shí)鐘信息的接收端．NTP和SNTP是商業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步的主流方式，由于主從時(shí)鐘對同步報(bào)文的編碼／解碼、交換機(jī)對同步報(bào)文的存儲轉(zhuǎn)發(fā)均存在不確定的延遲，NTP和SNTP的時(shí)鐘同步精度一般只能達(dá)到50 ms．而最新的IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議具有配置容易、收斂快速以及對網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源消耗少等優(yōu)點(diǎn)，它的主要原理是通過一個(gè)同步信號周期性地對網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)到微秒級的精度同步［1］．因此將IEEE 1588協(xié)議運(yùn)用于長距離管輸系統(tǒng)的方案是滿足長距離管輸系統(tǒng)精確時(shí)鐘同步需求的合理方式．

IEEE 1588協(xié)議通過一個(gè)精確的主時(shí)鐘周期性地對全線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有從時(shí)鐘進(jìn)行校正．這一同步過程中包含了從時(shí)鐘偏移量的修正以及傳輸時(shí)延的修正，期間需要用到同步報(bào)文Sync、跟隨報(bào)文Follow＿Up、延時(shí)請求報(bào)文Delay＿Req、延時(shí)回應(yīng)報(bào)文 Delay＿Resp四種報(bào)文［2］．

同步階段分為偏移測量階段和延遲測量階段［3］，如圖l所示．假設(shè)主時(shí)鐘發(fā)往從時(shí)鐘的消息與從時(shí)鐘發(fā)往主時(shí)鐘的消息往返為對稱，則可確定主時(shí)鐘與全線從時(shí)鐘的時(shí)間偏差Toffset＝［（T2－T1）＋（T3－T4）］／2，主時(shí)鐘與全線從時(shí)鐘之間的傳輸延遲TDelay＝［（T2－T1）＋（T4－T3）］／2．全線從時(shí)鐘接收主時(shí)鐘的時(shí)間信息，如上所示進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和補(bǔ)償來達(dá)到與主時(shí)鐘的同步．

圖1 延時(shí)－請求響應(yīng)機(jī)制Fig．1 Delay－Request response mechanism

2 在長距離管輸系統(tǒng)中運(yùn)用IEEE 1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)精確時(shí)鐘同步的具體方案

采用IEEE l588協(xié)議實(shí)現(xiàn)長距離管輸控制系統(tǒng)精確時(shí)鐘同步的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2所示．本方案以典型的長距離管輸項(xiàng)目為例，一般考慮只在管輸線路的主控中心所在站場（一般為首端或末端場地）內(nèi)設(shè)置一個(gè)對時(shí)主站以便同步全線其他站場，為保證時(shí)鐘源的可靠性，要對對時(shí)主站的最高級時(shí)鐘進(jìn)行冗余配置．沿線其他站場均為對時(shí)從站，接入透明時(shí)鐘，對以太網(wǎng)內(nèi)的時(shí)間報(bào)文進(jìn)行接收、再生并轉(zhuǎn)發(fā)，并減少非對稱性影響．對時(shí)主站負(fù)責(zé)同步系統(tǒng)內(nèi)所有的對時(shí)從站．

通信組網(wǎng)分為以下兩個(gè)層級：

a．全線主干網(wǎng)：主控中心、管道沿線各站場和閥室的主干通信信道采用SDH同步光纖傳輸組網(wǎng)系統(tǒng)（155M／2．5G），同時(shí)租用運(yùn)營商公網(wǎng)線路作為備用通信信道．

b．站場局域網(wǎng)：所有站場內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)交換設(shè)備主要應(yīng)用于主要站場內(nèi)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，以下簡稱：SCADA）、電力監(jiān)控等系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲／轉(zhuǎn)發(fā)、虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，以下簡稱：VLAN）劃分、時(shí)鐘同步及主備路由冗余等功能，并保證與主干網(wǎng)光傳輸通道層中各通道的互通．

站場通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)（100M／1000M），其中站控層交換設(shè)備和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，以下簡稱：PLC）均必須選用支持IEEE 1588透明和邊界時(shí)鐘技術(shù)的產(chǎn)品，如德國赫斯曼公司的三層交換機(jī)MACH1140和美國羅克韋爾公司Control Logix PLC．

過程設(shè)備層以太網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)為設(shè)備級環(huán)形（Device Level Ring，以下簡稱：DLR）網(wǎng)絡(luò)（10M／100M），底層交換機(jī)選用美國羅克韋爾公司的1783－ETAP2F三端口帶DLR技術(shù)的交換機(jī)，一個(gè)RJ45連接端口連接冗余控制站上的以太網(wǎng)模塊1756－EN2T或者遠(yuǎn)程IO站上的以太網(wǎng)模塊1756－EN2T，另兩個(gè)端口是LC接口的多模光纖接口，主要作為線性鏈路或者光纖環(huán)形鏈路的接口．底層的PLC控制器和I／O模塊均直接接入DLR環(huán)網(wǎng)．

整個(gè)站場網(wǎng)絡(luò)各級交換設(shè)備，包括PLC的以太網(wǎng)接口模塊，都由上至下支持IEEE 1588協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，在全線局域網(wǎng)絡(luò)緩存負(fù)荷率不超過50%的前提下，使全線的自動(dòng)化設(shè)備能夠在100納秒范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步．

該方案中均采用行業(yè)內(nèi)主流成熟的交換設(shè)備和控制設(shè)備，進(jìn)一步支持了IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)精確時(shí)鐘同步技術(shù)能夠在長距離數(shù)字化管輸領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性和適用性．

圖2 長距離管輸控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig．2 Network architecture diagram for long distance pipeline control system clock synchronization

3 IEEE 1588協(xié)議在實(shí)施過程中的影響因素分析

IEEE 1588協(xié)議在長距離管線的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)方案實(shí)施過程中，還會受到以下因素的影響：

a．在實(shí)際的以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)中，絕對滿足往返傳輸延時(shí)的對稱是很難實(shí)現(xiàn)的．因?yàn)橐蕴W(wǎng)絡(luò)中存在一些交換設(shè)備，設(shè)備自身會存在緩存．當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷嚴(yán)重時(shí)，IEEE 1588協(xié)議報(bào)文需要與其他類型的報(bào)文一樣排隊(duì)傳輸，而且當(dāng)這些交換設(shè)備緩存空間有限時(shí)，就會發(fā)生沖突、丟包，都會影響IEEE 1588協(xié)議假設(shè)前提的成立［4］．

b．SDH光纖主干網(wǎng)作為IEEE 1588協(xié)議數(shù)據(jù)包在各站場間的通信傳輸載體，其自身的對時(shí)精度及帶寬分配也會對自動(dòng)化系統(tǒng)的精確時(shí)鐘同步形成一定的影響．

c．廠站中應(yīng)用IEEE 1588協(xié)議的設(shè)備，如控制設(shè)備和交換設(shè)備等，必須均具有相關(guān)以太網(wǎng)MAC層標(biāo)記時(shí)間戳的硬件支持，而目前實(shí)現(xiàn)這種硬件支持還比較復(fù)雜，能夠選擇的成熟交換設(shè)備還沒有非常普及，在一定程度上也制約了IEEE 1588協(xié)議的發(fā)展與應(yīng)用．

針對這些問題，在設(shè)計(jì)全線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)核算系統(tǒng)整體的數(shù)據(jù)傳輸負(fù)荷選擇合理的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和分配帶寬，在系統(tǒng)各個(gè)交換環(huán)節(jié)建設(shè)中設(shè)置考慮必要的帶寬裕量，盡量避免網(wǎng)絡(luò)堵塞和延時(shí)的發(fā)生．同時(shí)隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，IEEE 1588硬件支持的推廣以及設(shè)備自身性能的提高，有效保證IEEE 1588協(xié)議在實(shí)施過程中得到更加可靠的應(yīng)用．

4 結(jié) 語

高精度的時(shí)間同步對于長距離數(shù)字化管道輸送系統(tǒng)中自動(dòng)化控制和穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義，應(yīng)用IEEE 1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)長距離管道輸送系統(tǒng)的精確網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步是分布式網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘方式中最新的解決方案，實(shí)現(xiàn)了長距離管道輸送系統(tǒng)高精度時(shí)間同步運(yùn)行．

a．高精度：將目前常用方案的毫秒級精度提高到微秒級，滿足了長距離數(shù)字化管輸系統(tǒng)高精度時(shí)鐘同步的發(fā)展要求．

b．低成本：由于IEEE 1588協(xié)議的應(yīng)用不需要單獨(dú)為時(shí)鐘的傳遞布置特別的網(wǎng)絡(luò)，而是利用通用的以太網(wǎng)絡(luò)，并且添加時(shí)鐘同步報(bào)文也只占用少許的網(wǎng)絡(luò)資源，可以和控制數(shù)據(jù)包、語音數(shù)據(jù)包或其他信息包共享網(wǎng)絡(luò)，使之具有較低的網(wǎng)絡(luò)開銷．

c．穩(wěn)運(yùn)行：在大跨越的地域上，確保了在管道輸送系統(tǒng)沿線泄漏位置的精確定位、堵塞位置的準(zhǔn)確判斷等對全線的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)化監(jiān)控提出的高精度的時(shí)鐘同步要求．特別是為實(shí)現(xiàn)沿線泄漏檢測、堵塞預(yù)警、水擊保護(hù)等工藝要求，提供了高精度的時(shí)鐘同步保障，使該方案設(shè)計(jì)的長距離數(shù)字化管輸系統(tǒng)長效穩(wěn)定運(yùn)行．

盡管目前IEEE 1588協(xié)議尚處于初級試用階段，還存在須解決的問題，但其高精度網(wǎng)絡(luò)對時(shí)特點(diǎn)預(yù)示著其在長距離數(shù)字化管道輸送領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用前景．

致謝

中煤科工集團(tuán)張建民教授在本文選題、設(shè)計(jì)等方面給予指導(dǎo)和協(xié)助，在此致以衷心的感謝！

［1］楊傳順，袁建，李國華．分布式控制系統(tǒng)精確時(shí)鐘同步技術(shù)［J］．自動(dòng)化儀表，2012，33（4）：66－69．

［2］IEEE Instrumentation and Measurement Society．IEEE 1588－2002 IEEE standard for a Precision clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems［S］．New York：The lnstitute of Electrical and EletronicsEngineers，Inc，2002．

［3］李曉珍，蘇建峰．基于IEEE1588高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步的研究［J］．通信技術(shù)，2012，44（3）：105－107．

［4］于鵬飛，喻強(qiáng)，鄧輝，等．IEEE 1588精確時(shí)間同步協(xié)議的應(yīng)用方案［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（13）：99－103．