長(zhǎng)輸管道SCADA系統(tǒng)時(shí)鐘同步分析及優(yōu)化

董列武，陳秀麗(中國(guó)石化銷(xiāo)售有限公司，北京 100728)

長(zhǎng)輸管道SCADA系統(tǒng)時(shí)鐘同步分析及優(yōu)化

董列武，陳秀麗
(中國(guó)石化銷(xiāo)售有限公司，北京 100728)

典型長(zhǎng)輸管道的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步方案無(wú)法滿(mǎn)足管道泄漏報(bào)警定位系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘同步誤差的要求，同時(shí)需要在各個(gè)輸油站安裝GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，該方案存在安全隱患，并且不利于今后時(shí)鐘不同系統(tǒng)的升級(jí)改造。針對(duì)上述缺陷，引入了IEEE 1558(PTP)協(xié)議邊界時(shí)鐘的優(yōu)化方案，有效地解決了典型方案中的缺陷。

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制 長(zhǎng)輸管道 管道泄漏報(bào)警 時(shí)鐘同步 邊界時(shí)鐘

長(zhǎng)輸管道輸送介質(zhì)多為天然氣、原油、成品油等[1]，具有分布廣泛、站點(diǎn)較多的特點(diǎn)，一般設(shè)立調(diào)度控制中心，由數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)中心控制、站控和就地控制相結(jié)合的控制方式。隨著分布式系統(tǒng)范圍的擴(kuò)大，對(duì)時(shí)間同步的要求越來(lái)越嚴(yán)格，根據(jù)QSY GD0180—2008[2]的技術(shù)要求,應(yīng)滿(mǎn)足時(shí)鐘同步的誤差不大于100 ms，負(fù)壓波[3]法泄漏定位準(zhǔn)確率才能保證在百米。其次，時(shí)鐘不同步造成設(shè)備時(shí)鐘跳變時(shí)，壓力趨勢(shì)線(xiàn)偶爾出現(xiàn)斷點(diǎn)，影響了泄漏檢測(cè)的分析。對(duì)于使用ESD系統(tǒng)的輸氣管線(xiàn)，進(jìn)行故障分析時(shí)，也必須實(shí)現(xiàn)ESD和RTU，PLC，流量計(jì)算機(jī)、液位和裝車(chē)系統(tǒng)等控制層設(shè)備的時(shí)間同步[4]。由于存在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲等系統(tǒng)固有的問(wèn)題，必須尋求一種更加有效的時(shí)間同步技術(shù)用于提高系統(tǒng)各個(gè)站點(diǎn)之間的時(shí)鐘不同精度[5]。

1 案例分析

長(zhǎng)輸管道SCADA通常采用： 中心集中調(diào)度控制(中控)、站場(chǎng)輔助監(jiān)視控制(站控)和輸油站現(xiàn)場(chǎng)就地操作的三級(jí)控制模式。為保證長(zhǎng)輸管道SCADA控制系統(tǒng)中各控制節(jié)點(diǎn)之間時(shí)鐘同步，通常采用GPS精密時(shí)鐘系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)專(zhuān)有協(xié)議逐層授時(shí)的方式進(jìn)行時(shí)間同步[6]，其授時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，主、備中控服務(wù)器從祖母GPS時(shí)鐘獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，站控服務(wù)器從主、備中控服務(wù)器獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，然后站控服務(wù)器用其獲取的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間采用專(zhuān)有協(xié)議對(duì)站場(chǎng)PLC控制器、ESD控制器以及流量計(jì)算機(jī)等現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同步。在逐級(jí)授時(shí)的過(guò)程中，各級(jí)主、備服務(wù)器均可實(shí)現(xiàn)授時(shí)過(guò)程的無(wú)擾動(dòng)切換，授時(shí)可采用操作系統(tǒng)內(nèi)部命令完成，可以采用外掛軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以使用時(shí)間監(jiān)控軟件對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。

圖1 典型網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步結(jié)構(gòu)示意

影響網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步精度的四個(gè)因素包括： 操作系統(tǒng)與協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)元件、時(shí)鐘的不穩(wěn)定性和時(shí)鐘的分辨率。分析可知： 操作系統(tǒng)層面上的時(shí)鐘同步精度只有0.1 ms，因?yàn)镹TP協(xié)議是在操作系統(tǒng)的應(yīng)用層對(duì)傳輸數(shù)據(jù)打時(shí)間標(biāo)簽[7]，所以圖1所示的網(wǎng)絡(luò)授時(shí)結(jié)構(gòu)，其授時(shí)精度不但受到操作系統(tǒng)的影響，而且也受到網(wǎng)絡(luò)延時(shí)以及中轉(zhuǎn)設(shè)備的影響。該授時(shí)方法的時(shí)鐘同步精度在局域網(wǎng)內(nèi)可以達(dá)到毫秒級(jí)，當(dāng)其在跨越不同子網(wǎng)時(shí)，由于受多個(gè)子網(wǎng)的設(shè)備影響，實(shí)際應(yīng)用中其時(shí)鐘同步誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100 ms。該精度無(wú)法滿(mǎn)足采用負(fù)壓波技術(shù)的管道泄漏報(bào)警定位系統(tǒng)的需要。因此，只有在各輸油站均安裝GPS，對(duì)管道泄漏報(bào)警定位系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)的時(shí)鐘同步。該方式不但需要大量使用GPS設(shè)備，也使報(bào)警系統(tǒng)內(nèi)的授時(shí)設(shè)備更換和升級(jí)變得困難。

2 時(shí)鐘同步系統(tǒng)優(yōu)化方案

由美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)于2002年頒布的IEEE 1558(PTP)協(xié)議，只需在原有網(wǎng)絡(luò)上添加少量報(bào)文和數(shù)據(jù)包共享網(wǎng)絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)需對(duì)時(shí)設(shè)備的時(shí)鐘同步，從而降低了GPS精密時(shí)鐘的使用數(shù)量，降低了時(shí)鐘同步系統(tǒng)的成本，而且該協(xié)議獨(dú)立于操作系統(tǒng)之外，從而使網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的精度可以達(dá)到微秒級(jí)。IEEE 1558(PTP)協(xié)議支持多播網(wǎng)絡(luò)，但是在進(jìn)行跨子網(wǎng)同步時(shí)必須使用邊界時(shí)鐘(Boundary Clock)，且每個(gè)域中只有1個(gè)祖母時(shí)鐘。邊界時(shí)鐘是在網(wǎng)絡(luò)元件中加入1個(gè)時(shí)鐘且與祖母時(shí)鐘同步，從而消除網(wǎng)絡(luò)元件的抖動(dòng)，而且也不會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響。在實(shí)際應(yīng)用中可以選用透明的IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為邊界時(shí)鐘[8]。目前，該授時(shí)方案已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)SCADA系統(tǒng)中。

利用IEEE 1558協(xié)議，可將圖1所示的網(wǎng)絡(luò)授時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)長(zhǎng)輸管道上、下游輸油站具有工藝操作相關(guān)性的特性，以相鄰的3個(gè)輸油站的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例說(shuō)明授時(shí)系統(tǒng)關(guān)系： 整個(gè)長(zhǎng)輸管道SCADA控制系統(tǒng)設(shè)置1套GPS精密時(shí)鐘作為祖母時(shí)鐘；透明的IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為邊界時(shí)鐘，上下相關(guān)聯(lián)的3個(gè)輸油站以該邊界時(shí)鐘作為主時(shí)鐘源，站控級(jí)服務(wù)器、泄漏報(bào)警定位系統(tǒng)與該邊界時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)鐘同步；站控級(jí)控制層的PLC控制器、ESD控制器以及流量計(jì)算機(jī)則采用專(zhuān)有協(xié)議與站控服務(wù)器進(jìn)行時(shí)鐘同步。該授時(shí)方案，不但可以使SCADA系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到100 ms的精度，而且由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)功能，可以為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障分析提供網(wǎng)絡(luò)傳輸事件的時(shí)間相關(guān)性。同時(shí)IEEE 1588的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步功能也為電氣SCADA系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)等接入并方便獲取同步時(shí)鐘提供了便利。其授時(shí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對(duì)比圖1和圖2可以看出： 圖1所示授時(shí)結(jié)構(gòu)為滿(mǎn)足管道泄漏報(bào)警的需要，需要為每個(gè)站的泄漏報(bào)警系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置GPS時(shí)鐘；采用圖2所示結(jié)構(gòu)后，管道泄漏報(bào)警定位系統(tǒng)直接與作為邊界時(shí)鐘的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備同步時(shí)鐘即可，減少了GPS時(shí)鐘的使用數(shù)量，方便了泄漏報(bào)警泄漏后期升級(jí)改造。同時(shí)，該時(shí)鐘同步過(guò)程中只有站控級(jí)的服務(wù)器到本站控制層的PLC控制器、ESD控制器這一層采用專(zhuān)有協(xié)議進(jìn)行授時(shí)，其時(shí)鐘同步精度得到了大幅提高。

圖2 優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步結(jié)構(gòu)示意

3 結(jié)束語(yǔ)

從上述兩種方案對(duì)比分析可知： 在選擇控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步方案時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝操作需求，確定合理、經(jīng)濟(jì)的方案；由于影響控制系統(tǒng)內(nèi)時(shí)鐘精度的因素是多種多樣的，切不可為保證系統(tǒng)內(nèi)某一局部精度而隨意增加GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的設(shè)置，否則會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)時(shí)鐘同步設(shè)備龐大，不但增加了投資，而且給系統(tǒng)后期升級(jí)改造帶來(lái)諸多麻煩。同時(shí)，隨著中國(guó)北斗衛(wèi)星的發(fā)展[9]，使用北斗系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，必將成為一種更加安全的授時(shí)方式。

[1]陳秀麗.長(zhǎng)輸管道SCADA系統(tǒng)選型與應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化,2012,48(03):26-27.

[2]夏海波，張來(lái)斌，王朝暉.基于GPS時(shí)間標(biāo)簽的管道泄漏定位方法[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2003,11(03)： 161-162.

[3]丁新,隋青美,蔣奇,等.長(zhǎng)輸管道泄漏檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[C]//中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)第19屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議.北京： 中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)，2004:504-507.

[4]魏華.利用GPS實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步[J].石油化工自動(dòng)化,2010,46(05):44-46.

[5] 陳炯聰.IEEE 1588同步技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].3版.北京:中國(guó)電力出版社,2012:201-212.

[6]胡景軍,陳云.成品油管道SCADA系統(tǒng)的跨平臺(tái)時(shí)鐘同步技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2012,21(09):137-139.

[7]陳艷.輸油管道泄漏檢測(cè)與定位技術(shù)研究[D].河北： 燕山大學(xué),2004.

[8]汪祺航,吳在軍,趙上林,等.IEEE 1588時(shí)鐘同步技術(shù)在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(19):137-142.

[9]唐金元,于潞,王思臣.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].全球定位系統(tǒng),2008(02):26-28.

[10] 梁翕章.國(guó)外成品油管道運(yùn)行與管理[M].北京:石油工業(yè)出版社,2010:26-27.

稿件收到日期：2013-04-12，修改稿收到日期2013-06-11。

董列武(1979—)，男，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國(guó)石化銷(xiāo)售有限公司，從事成品油管道運(yùn)行管理工作，任工程師。

TH714.1；TP274

B

1007-7324(2013)05-0068-02