化工裝置多控制系統(tǒng)間時鐘同步設計與應用

馮 飛，王雪妍

(1.中天合創(chuàng)能源有限責任公司化工分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017317；2.北京化工大學 信息學院，北京 100029)

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化工裝置多控制系統(tǒng)間時鐘同步設計與應用

馮 飛1，王雪妍2

(1.中天合創(chuàng)能源有限責任公司化工分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017317；2.北京化工大學 信息學院，北京 100029)

針對化工裝置有DCS,SIS,CCS等多套控制系統(tǒng)的情況，采用GPS時間服務器，設計了一個通過SNTP協(xié)議完成多控制系統(tǒng)時鐘同步的技術方案；介紹了GPS時間服務器的設置，DCS時間組的設置，CCS系統(tǒng)時鐘同步軟件的設置以及SIS系統(tǒng)時鐘同步的兩種設置方案；實現(xiàn)了不同裝置多控制系統(tǒng)之間的全局時鐘同步；保障了工藝參數(shù)趨勢記錄，SOE記錄，工藝人員操作記錄時間基準的一致性和準確性；有利于生產(chǎn)事故原因的查找與分析。

控制系統(tǒng)；時間服務器；時鐘同步

0 引言

某廠有兩套共用部分公用工程工藝單元的化工生產(chǎn)裝置(A裝置和B裝置)，分別獨自進行化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。兩套裝置均設置獨立的集散控制系統(tǒng)(DCS)、安全聯(lián)鎖停車系統(tǒng)(SIS)和機組控制系統(tǒng)(CCS)。DCS用以完成生產(chǎn)過程的自動化管控工作， SIS系統(tǒng)承擔生產(chǎn)過程的安全聯(lián)鎖保護工作， CCS系統(tǒng)完成壓縮機組的負荷協(xié)調(diào)控制工作。多個控制系統(tǒng)相對獨立，卻又相互合作共同保證裝置的安全平穩(wěn)運行，且兩套裝置又共用部分公用工程工藝單元，這就要求各控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程的控制、歷史數(shù)據(jù)的儲存和歷史事件的記錄上即要有時序的準確性又要有時間的一致性。

不同控制系統(tǒng)都有各自的系統(tǒng)時間，該系統(tǒng)時間是由結(jié)點電子設備內(nèi)部的石英晶體震蕩來產(chǎn)生的。但是由于各系統(tǒng)時鐘晶振的頻率及穩(wěn)定性存在差異，即使電子設備時間的初始值一致，在運行一段時間后各結(jié)點電子設備的時鐘仍會逐漸的變得不同步。這就需要對控制系統(tǒng)時間進行修正，利用時間服務器獲取GPS衛(wèi)星時間信號，通過SNTP協(xié)議,向與時間服務器以太網(wǎng)通訊的不同裝置的不同控制系統(tǒng)進行網(wǎng)絡授時，以使多控制系統(tǒng)既有高精度的同步時間又有GPS提供的UTC(世界協(xié)調(diào)時)[1]。

1 總體方案

為了實現(xiàn)兩套裝置多個控制系統(tǒng)的時鐘同步要求，本方案采用DNTS-74 GPS時間服務器。它共有4個獨立網(wǎng)口，網(wǎng)口一分配給A裝置DCS系統(tǒng)；網(wǎng)口二分配給在同一網(wǎng)段A裝置的SIS系統(tǒng)和CCS系統(tǒng)，網(wǎng)口三分配給B裝置DCS系統(tǒng)，網(wǎng)口四分配給B裝置CCS系統(tǒng)，其網(wǎng)絡結(jié)構如圖1所示。

圖1 時鐘同步網(wǎng)絡圖

2 GPS時間服務器設置

時間服務器DNTS-74采用UNIX系統(tǒng)，雙CPU；配有一個GPS天線接口，一個RS485通訊接口，一個RS232通訊接口，4個獨立的10/100 M自適應以太網(wǎng)口[2]。4個以太網(wǎng)口可以進行不同網(wǎng)段設置，以保障系統(tǒng)間數(shù)據(jù)隔離。DNTS-74時間服務器基于NTP/SNTP協(xié)議對各控制系統(tǒng)進行網(wǎng)絡授時，平均網(wǎng)絡授時精度大于10 ms。通過DNTSE專用軟件對4個以太網(wǎng)口進行IP地址設置。刷新設備后，在左側(cè)功能框中顯示聯(lián)接的DNTS-74網(wǎng)口設備，點擊任意一行可在右側(cè)IP地址欄中對該網(wǎng)口重新設置IP地址。通過網(wǎng)口下方標注的MAC地址可以確認所修改IP地址對應的網(wǎng)口。

3 橫河DCS時鐘同步設置

兩套化工裝置均采用的是橫河DCS系統(tǒng)，分別是CENTUM-Vnet/IP系統(tǒng)和CS3000系統(tǒng)。由于系統(tǒng)版本的差異，兩套控制系統(tǒng)的時鐘同步設置并不相同。

3.1 CENTUM-Vnet/IP系統(tǒng)時間同步設置

A裝置使用的是橫河CENTUM-Vnet/IP系統(tǒng)。該系統(tǒng)中同一個控制域中的控制站，操作站，工程師站等網(wǎng)絡設備組成一個時間組，時間組中SNTP服務器為整個控制域提供系統(tǒng)同步時間。整個控制域網(wǎng)絡時間精度可以達到1 ms,當時間組內(nèi)設備重新啟動后可以快速接近網(wǎng)絡時間，啟動后5 s時間精度即可達到1 s，5分鐘內(nèi)時間精度達到1 ms[3]。時間組網(wǎng)絡圖如圖2所示。

圖2 Vnet/IP時鐘同步圖

Vnet/IP系統(tǒng)控制域有BUS1，BUS2兩個冗余網(wǎng)絡，要求用于時鐘同步的SNTP服務器只能接入BUS2(開放網(wǎng))網(wǎng)絡，其IP地址只能設定為：192.168. <128+域地址>.254。根據(jù)以上要求，DNTS-74時間服務器網(wǎng)口一IP地址設置為：192.168.129.254；在Vnet/IP系統(tǒng)組態(tài)軟件System View中選擇files菜單下的Domain Properties,設置Time Group名為1；在SNTP Server IP Address中的Connect Bus 2中填寫IP地址：192.168.129.254。

3.2 CS3000系統(tǒng)時鐘同步設置

B裝置采用的是橫河CS3000 DCS系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，SNTP 服務器不能作為控制域中的網(wǎng)絡節(jié)點接入系統(tǒng)網(wǎng)絡。因此，需要Dimension4授時軟件完成工程師站W(wǎng)indows時間與DNTS-74時間服務器的時鐘同步，其相關設置見章節(jié)4.4所述；然后配置工程師站為整個控制域網(wǎng)絡的TIME MASTER，工程師站W(wǎng)indows時間作為整個控制域網(wǎng)絡的同步時間，其方法如下：在工程師站注冊表HKEY_LOCAL_MACHINE下的YOKOGAWA文件中添加syNCtime項?？刂葡到y(tǒng)每兩分鐘檢測一次各網(wǎng)絡節(jié)點設備與工程師站時間的偏差，如果差值在5 s以上，系統(tǒng)自動進行2次時鐘同步，保證所有網(wǎng)絡節(jié)點設備時間精度達到1 ms。

4 CCS和SIS系統(tǒng)時鐘同步設置

A裝置SIS系統(tǒng)與CCS系統(tǒng)具有相同

的網(wǎng)段，共用時間服務器的網(wǎng)口二；B裝置CCS系統(tǒng)為CCC 3+系列控制器，它單獨使用一個時間服務器的網(wǎng)口四。上述控制系統(tǒng)的工程師站均采用Dimension4授時軟件完成Windows時間與DNTS-74服務器的時間同步，通過配置控制器與工程師站W(wǎng)indows時間同步，以實現(xiàn)整個網(wǎng)絡系統(tǒng)與DNTS-74服務器的時間同步。

4.1 A裝置SIS系統(tǒng)控制器與工程師站時鐘同步設置

A裝置SIS系統(tǒng)采用的HIMA H51q控制器，ELOPⅡ項目管理軟件。在SIS工程師站HIM A&E OPC SERVER軟件中配置控制器與工程站時鐘同步的時間間隔和啟動方式。

4.2 A裝置CCC Series 5控制器與工程師站時鐘同步設置

A裝置CCS系統(tǒng)采用的是CCC Series 5控制器，其與工程師站時鐘同步的設置如下：

1)更改工程師站的ntp.conf文件，由此工程師站成為Series 5控制器的NTP Masters；

2)更改操作站的ntp.conf文件，保持操作站與NTP Masters的時間同步；

更改完ntp.conf文件后，需要在windows服務中重啟一次Network Time Protocol Daemon服務。

3)調(diào)出Series 5控制器組態(tài)編輯器，在Time Synchronization框下的NTP Servers中添加NTP Masters的IP地址。由于控制器只能使用NTP，UDP兩種授時方式中的一種，故UDP Set Time Port框必須為空。

4.3 B裝置CCC Series 3++控制器與工程師站時鐘同步說明

CCC Series 3++控制器與其工程師站通過RS485通訊，壓縮機控制數(shù)據(jù)的采集、歷史趨勢記錄、事件記錄以及MAP曲線工作點記錄都是基于工程師站的windows時間。因此，通過配置工程師站windows時間與DNTS-74時間服務器的時鐘同步，完成整個系統(tǒng)的時鐘同步。

4.4 工程師站與時間服務器的時鐘同步設置

工程師站可以通過Windows系統(tǒng)自帶的W32Time服務與DNTS-74時間服務器進行時鐘同步，進入注冊表編輯器,路徑如下：

HKEY_LOCAL_MACHINE/SYSTEM/CurrentControlSet/services/W32Time/TimeProviders/NtpClient/SecialPollInterval

選擇十進制基數(shù)，修改數(shù)值數(shù)據(jù)(自動對時時間間隔)為604 800(一周對時一次)或者86 400(一天對時一次)。本項目中，為了便于系統(tǒng)時鐘同步的管理，采用控制系統(tǒng)廠家推薦的NTP客戶端授時軟件Dimension4軟件來完成工程師站W(wǎng)indows系統(tǒng)時間與時間服務器的時鐘同步。

Dimension4軟件中，在Server框中添加對應時間服務器的網(wǎng)口IP地址，網(wǎng)絡協(xié)議選擇SNTP協(xié)議；在How Often中選擇軟件載入方式和確定時間同步的時間間隔；該軟件還提供了顯示方式設置，偏差超限提示設定，可以顯示同步歷史記錄和錯誤信息。Dimension4軟件在使用中具有良好的穩(wěn)定性。

5 B裝置SIS系統(tǒng)時鐘同步設置

由于DNTS-74時間服務器僅提供了4個以太網(wǎng)口，故并未對B裝置SIS系統(tǒng)進行GPS網(wǎng)絡授時設計，采用其與B裝置 DCS系統(tǒng)MODBUS通訊完成系統(tǒng)間的時鐘同步，間接得到DNTS-74的GPS時間，其方法如下：

在CS3000中可以通過SFCSW功能塊取得系統(tǒng)時間，其程序如下：

integer tmp

integer HH,MM,SS,YYYY,MMM,DD

tmp=1

repeat

getdate(YYYY,MMM,DD)

%.Y=YYYY

%.MM=MMM

%.D=DD

gettime(HH,MM,SS)

%.H=HH

%.M=MM

%.S=SS

%.set6=2000+%.Y

%.set7=%.MM*100+%.D

%.set8=%.H*100+%.M

%.set9=%.S*100

until (tmp==0)

通過CALCU功能塊把SFCSW所取得的4個時間數(shù)據(jù)送到通訊地址為49996-49999(霍尼韋爾SM系統(tǒng)中默認的系統(tǒng)時間通訊地址)的數(shù)據(jù)中，即完成SIS時鐘源的建立。

6 效果

通過項目的實施，實現(xiàn)了兩套化工裝置多控制系統(tǒng)的時鐘同步，時間服務器工作穩(wěn)定，時間精度滿足控制要求。同時，項目的實施還有以下重要意義：

1)便于事故原因的查找和分析。通過SOE記錄可以明確事故發(fā)生的時序，而各控制系統(tǒng)時間的統(tǒng)一，有利于把SIS系統(tǒng)中事故發(fā)生的離散點在DCS和CCS系統(tǒng)中通過歷史趨勢圖連續(xù)的展現(xiàn)出來，從而更加清晰地還原事故發(fā)生時相關工藝條件的整體過程，為事故原因的查找和分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

2)同一時間基準下的公用工程工藝單元的趨勢記錄、SOE記錄、操作記錄等，為分析工藝操作人員出現(xiàn)不適當?shù)牟僮鲉栴}從而制訂正確的操作規(guī)程提供有效的數(shù)據(jù)支持。

3)采用時間服務器，控制系統(tǒng)通過SNTP協(xié)議獲得GPS時間來實現(xiàn)多控制系統(tǒng)的時鐘同步的技術方案簡單可靠且易實施。

[1] 張國軍，溫春林.基于SNTP的多控制系統(tǒng)時鐘同步方案的設計與應用[J].儀器儀表標準化與計量，2013，2:38-41.

[2] DNTS-7網(wǎng)絡時間服務器說明書[Z].北京：北京中新創(chuàng)科技有限公司，2011.

[3] IM 33Q06H90-31E 4th Edition[M].Tokyo：Yokogawa Electric Corporation，2006.

Design and Use of Clock Synchronization in Several Control Systems of Chemical Plant

Feng Fei1, Wang Xueyan2

(1.Zhongtianhechuang Energy Co.,Ltd., Ordos 017317, China;2.College of information automation Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

Considering chemical plant with DCS, SIS, CCS and other several control systems, using GPS time server, a technique scheme adopting SNTP protocol is designed to synchronize the clocks of the different control systems. Introducing the setting of GPS time server, the setting of DCS time group, the setting of clock synchronization software of CCS system and the two schemes of SIS system clock synchronization. The clock synchronization of the several control systems is realized. The time benchmark of the process parameter trend record, SOE record, operating record are consistent and accurate.It is helpful to find and analyze the cause of a production accident.

control system; time server; clock synchronization

2016-07-19；

2016-07-28。

馮 飛(1987-)，男，河南濮陽人，主要從事儀表自動化方向的研究。

1671-4598(2016)09-0133-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.036

TP391.9

A