一種基于通信的PLC 控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步方案

任東宇 王海群 胡 昊 劉運(yùn)洲 孟廷豪

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司）

隨著石化和化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，工業(yè)裝置規(guī)模不斷提升，配套的控制系統(tǒng)也日趨復(fù)雜。 部分復(fù)雜工業(yè)裝置會(huì)使用到多臺(tái)PLC 和操作面板，這些控制設(shè)備之間使用現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)以太網(wǎng)等方式連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，組成一套完整的控制系統(tǒng)。

工業(yè)裝置在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，如果發(fā)生系統(tǒng)故障，一般會(huì)按照時(shí)間軸查詢工藝參數(shù)記錄和歷史報(bào)警信息來(lái)進(jìn)行故障診斷，這種故障診斷方法需要整個(gè)控制系統(tǒng)的時(shí)鐘保持精準(zhǔn)同步，如果系統(tǒng)中不同PLC 或操作面板存在時(shí)間差，將會(huì)對(duì)故障診斷造成困難， 嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹗鹿收`判，影響裝置運(yùn)行安全。

目前，西門子的中大型PLC 和部分以太網(wǎng)通信卡件（如CP343/443）等均自帶時(shí)鐘校準(zhǔn)功能，主要有NTP 模式和SIMATIC 模式， 只要在PLC或通信卡件上進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置即可完成時(shí)鐘自動(dòng)同步。 但這兩種時(shí)鐘校準(zhǔn)模式的應(yīng)用具有一定的局限性。 NTP 模式必須基于以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)必須有穩(wěn)定的時(shí)鐘服務(wù)器，且不支持小型PLC（如S7-200 系列）；SIMATIC 模式不必局限于以太網(wǎng)，也可以基于Profibus 或MPI 通信， 但必須購(gòu)買CP343/443 等通信卡才可以使用，而且與NTP 一樣，SIMATIC 模式也不支持小型PLC （如S7-200系列）。

在實(shí)際使用中，受限于硬件有可能無(wú)法使用NTP 模式和SIMATIC 模式進(jìn)行時(shí)鐘同步。此時(shí)也可采用單獨(dú)設(shè)備人工對(duì)時(shí)的方法。 但是這種對(duì)時(shí)方法存在一定的弊端，目前PLC、操作面板等電子設(shè)備， 內(nèi)置時(shí)鐘均是基于晶振或RC 振蕩電路等方式生成的，存在一定的誤差，需要人為地定期進(jìn)行對(duì)時(shí)，否則就會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)間不一致。

針對(duì)上述問題，筆者提出了一種多設(shè)備控制系統(tǒng)時(shí)鐘自動(dòng)同步方案，此方案基于通信，可自動(dòng)同步裝置內(nèi)多臺(tái)西門子系列PLC 和操作面板的系統(tǒng)時(shí)鐘，也能使裝置的系統(tǒng)時(shí)鐘與廠級(jí)DCS同步，有效避免由于系統(tǒng)時(shí)鐘不一致導(dǎo)致的故障誤判等問題。

1 控制系統(tǒng)組成

當(dāng)一套工業(yè)裝置內(nèi)存在多個(gè)單體設(shè)備，或設(shè)計(jì)了備用設(shè)備時(shí)，每臺(tái)單體設(shè)備往往會(huì)單獨(dú)采用一套PLC 和操作面板進(jìn)行控制，PLC 與控制面板之間、PLC 之間通過(guò)通信交換數(shù)據(jù)， 通信形式有可能為以太網(wǎng)、Profibus 或Modbus 等方式。 這樣既保證了整套裝置控制系統(tǒng)的完整性，也使得每個(gè)單體設(shè)備的控制系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，其中任何一部分控制系統(tǒng)故障都不會(huì)對(duì)整套裝置產(chǎn)生太大的影響，分散了控制系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。 圖1 所示為典型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 典型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 時(shí)鐘自動(dòng)同步方案

2.1 方案概述

西門子系列PLC 具有專門的系統(tǒng)功能塊可以操作系統(tǒng)時(shí)鐘，以S7-300 系列PLC 為例，調(diào)用系統(tǒng)功能塊SET_CLK（SFC0）可實(shí)現(xiàn)寫入PLC 時(shí)鐘的功能，調(diào)用系統(tǒng)功能塊READ_CLK（SFC1）可實(shí)現(xiàn)讀取PLC 時(shí)鐘的功能。 系統(tǒng)功能塊SFC0 和SFC1 寫入、 讀取的時(shí)間值需存儲(chǔ)為西門子PLC專用的時(shí)間數(shù)據(jù)格式DATA_AND_TIME，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義和數(shù)據(jù)范圍如圖2 所示。

圖2 DATA_AND_TIME 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和范圍

該數(shù)據(jù)類型共占用8 個(gè)字節(jié)， 分別以BCD碼存儲(chǔ)年、月、日、小時(shí)、分鐘、秒、毫秒及星期等時(shí)間數(shù)據(jù)［1］。

筆者設(shè)計(jì)的時(shí)鐘同步方案主要通過(guò)調(diào)用SFC0 和SFC1， 并通過(guò)通信傳輸時(shí)鐘數(shù)據(jù)等方式實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)內(nèi)時(shí)鐘同步和初始時(shí)鐘設(shè)置。 該方案的時(shí)鐘傳遞示意圖如圖3 所示。

圖3 時(shí)鐘傳遞示意圖

2.2 多臺(tái)PLC 之間的時(shí)間同步

需要選擇一臺(tái)PLC 下發(fā)時(shí)鐘數(shù)據(jù)，相當(dāng)于時(shí)鐘主站，其余PLC 接收時(shí)鐘數(shù)據(jù)，相當(dāng)于時(shí)鐘從站。 例如選擇圖1 中的設(shè)備A_PLC 下發(fā)時(shí)鐘數(shù)據(jù)，設(shè)備B_PLC 和設(shè)備C_PLC 接收時(shí)鐘數(shù)據(jù)。 在設(shè)備A_PLC 內(nèi)定義時(shí)鐘下發(fā)數(shù)據(jù)塊DB1，DB1 共14 個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)格式如圖4 所示。

圖4 時(shí)鐘下發(fā)數(shù)據(jù)塊

其中0~7 字節(jié)定義為DATA_AND_TIME 類型，8~11 字節(jié)占位備用，12~13 字節(jié)存儲(chǔ)時(shí)鐘下發(fā)脈沖。

設(shè)備A_PLC 中調(diào)用定時(shí)中斷系統(tǒng)組織塊OB35，每100ms 執(zhí)行一次中斷程序。OB35 內(nèi)編寫時(shí)鐘下發(fā)程序，主要包含以下3 部分內(nèi)容：

a. 系統(tǒng)時(shí)鐘讀取， 調(diào)用系統(tǒng)功能塊READ_CLK（SFC1），讀取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)鐘并寫入至DB1 內(nèi)。

b. 定時(shí)下發(fā)脈沖， 以每5s 執(zhí)行一次時(shí)鐘同步為例，調(diào)用兩個(gè)接通延時(shí)定時(shí)器，輸出一個(gè)占空比為1/6 的方波信號(hào)，即每5s 一個(gè)高電平脈沖信號(hào)，高電平持續(xù)1s，此脈沖信號(hào)作為時(shí)鐘同步標(biāo)志位寫入DB1 的第12 字節(jié)0 位。

c. 時(shí)鐘數(shù)據(jù)下發(fā)， 根據(jù)PLC 之間的通信形式， 調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)功能塊進(jìn)行通信發(fā)送數(shù)據(jù)。例如若所有PLC 基于以太網(wǎng)通信， 在PLC 硬件組態(tài)內(nèi)設(shè)置以太網(wǎng)連接后，調(diào)用西門子以太網(wǎng)通信功能塊AG_SEND， 將DB1 內(nèi)容分別通信傳輸給設(shè)備B_PLC 和設(shè)備C_PLC。

設(shè)備B_PLC 和設(shè)備C_PLC 接收時(shí)鐘數(shù)據(jù)，并設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘，主要包含以下3 部分內(nèi)容：

a. 定義時(shí)鐘接收數(shù)據(jù)塊DB2，數(shù)據(jù)格式同設(shè)備A_PLC 內(nèi)的DB1。

b. 根據(jù)PLC 之間的通信形式，調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)功能塊進(jìn)行通信接收數(shù)據(jù)，例如若基于以太網(wǎng)通信， 調(diào)用西門子以太網(wǎng)通信功能塊AG_RECV，將設(shè)備A_PLC 下發(fā)的時(shí)鐘數(shù)據(jù)接收并存儲(chǔ)在DB2 內(nèi)。

c. 調(diào) 用 系 統(tǒng) 功 能 塊SET_CLK （SFC0），將DB2 內(nèi)的時(shí)鐘數(shù)據(jù)寫入PLC 時(shí)鐘寄存器，寫入時(shí)鐘的標(biāo)志位為DB2 的第12 字節(jié)0 位。

通過(guò)上述操作即可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)PLC 之間的時(shí)鐘同步，并可根據(jù)實(shí)際需求，自行設(shè)置時(shí)鐘同步頻率。

2.3 操作面板與PLC 之間的時(shí)鐘同步

每臺(tái)PLC 中定義時(shí)間讀取數(shù)據(jù)塊DB3，數(shù)據(jù)格式與DB1、DB2 相同。

在定時(shí)中斷系統(tǒng)組織塊OB35 內(nèi)調(diào)用系統(tǒng)功能塊READ_CLK（SFC1），讀取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)鐘并寫入DB3 內(nèi)。

使用西門子操作面板內(nèi)全局區(qū)域指針，使操作面板訪問PLC 內(nèi)的DB3 數(shù)據(jù)塊。 詳細(xì)設(shè)置如圖5 所示。

圖5 全局區(qū)域指針設(shè)置

全局區(qū)域指針設(shè)置需要指定連接，訪問模式設(shè)置為絕對(duì)訪問，訪問地址指向PLC 內(nèi)存儲(chǔ)時(shí)鐘數(shù)據(jù)的初始地址， 以本方案為例即DB3.DBW0，若僅需要使用年、月、日、時(shí)、分、秒這6 個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)，則訪問長(zhǎng)度設(shè)置為6，若還需要毫秒、星期等時(shí)間數(shù)據(jù)，需要將訪問長(zhǎng)度設(shè)置為8。采集模式選擇循環(huán)連續(xù)，采集周期可由用戶自行設(shè)定，本方案設(shè)定為5s。

2.4 主站時(shí)鐘設(shè)置

主站時(shí)鐘可以通過(guò)兩種方式設(shè)置，若沒有第三方時(shí)鐘源（如DCS），則在設(shè)備A 操作面板上人為定期設(shè)置；若PLC 與DCS 有通信，則可以從廠級(jí)DCS 通過(guò)通信設(shè)置時(shí)鐘。

2.4.1 操作面板人為設(shè)置主站時(shí)鐘

在設(shè)備A_PLC 內(nèi)定義初始時(shí)鐘數(shù)據(jù)塊DB4，數(shù)據(jù)格式同DB1。

設(shè)備A_PLC 操作面板上定義6 個(gè)時(shí)間變量，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度均為1Byte，分別對(duì)應(yīng)年、月、日、時(shí)、分、秒，變量地址指向DB4 的相應(yīng)地址。 再定義一個(gè)時(shí)間設(shè)置標(biāo)志位，作為時(shí)間下發(fā)指令位。

通過(guò)操作面板組態(tài)時(shí)鐘下發(fā)畫面，即可將設(shè)置好的時(shí)間數(shù)據(jù)下發(fā)到PLC 內(nèi)。

2.4.2 DCS 設(shè)定主站時(shí)鐘

設(shè)備A_PLC 通過(guò)工業(yè)總線與廠級(jí)DCS 建立通信連接，DCS 將時(shí)鐘數(shù)據(jù)和時(shí)鐘設(shè)置標(biāo)志位通信至 PLC，PLC 解析通信數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為DATA_AND_TIME 格式后即可后調(diào)用SET_CLK（SFC0）進(jìn)行時(shí)鐘設(shè)置。該方式可以定期對(duì)主站時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，進(jìn)而使所有從站時(shí)鐘自動(dòng)與DCS 時(shí)鐘同步［2］。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出了一種多設(shè)備控制系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘自動(dòng)同步方案，在受限于硬件而無(wú)法使用NTP 和SIMATIC 模式進(jìn)行時(shí)鐘同步時(shí)，該方案可作為一個(gè)很好的補(bǔ)充方案。 該方案基于通信，定時(shí)將控制系統(tǒng)內(nèi)部的多臺(tái)PLC、操作面板等控制設(shè)備的時(shí)鐘同步，可以長(zhǎng)期保證系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘統(tǒng)一。 該方案是一種通用方案，不拘泥于通信形式，普遍適用于西門子工控產(chǎn)品，稍作修改即可通用于其他品牌的工控產(chǎn)品，具有較強(qiáng)的可推廣性。