控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步的在化工廠的應(yīng)用

魏福祥(重慶川儀控制系統(tǒng)有限公司上海分公司，上海 201204)

0 引言

某煤化工裝置自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括：磨煤及干燥單元、粉煤加壓輸送、氣化及合成氣洗滌、渣及灰水處理以及公用系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)測(cè)點(diǎn)數(shù)接近一萬點(diǎn)，控制站23 個(gè)，操作員站20 臺(tái)，工程師站5 臺(tái)。控制系統(tǒng)分為基本生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)(DCS)、安全儀表系統(tǒng)(SIS)、可燃有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)(GDS)，壓縮機(jī)控制系統(tǒng)(CCS)，還有成套設(shè)備自帶的控制系統(tǒng)以及一些輔助裝置的PLC，總計(jì)控制系統(tǒng)套數(shù)不下數(shù)十套。全廠設(shè)立了集中控制室，實(shí)現(xiàn)了操作和控制的集中監(jiān)控。但各個(gè)廠家的控制系統(tǒng)硬件是分布在各裝置區(qū)內(nèi)，通過相互通訊，把各個(gè)系統(tǒng)聯(lián)系起來，避免了自動(dòng)化孤島，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度、提高安全生產(chǎn)水平，增加了生產(chǎn)效益。

2015 年的某一天，裝置氣化爐F101A,F101B 出現(xiàn)停爐事件。當(dāng)時(shí)儀表人員分別檢查了DCS、SIS 和壓縮機(jī)的SOE(事件順序記錄)，發(fā)現(xiàn)此三套控制系統(tǒng)時(shí)間不一樣，最大的相差達(dá)到6 個(gè)多小時(shí)，這樣給儀表人員調(diào)查事故原因帶來了極大的不便，嚴(yán)重影響了處理事故的速度。DCS 采用杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司的MACS 6.5.2 品牌，SIS 采用Honeywell 公司的SM 品牌，壓縮機(jī)(ccs)采用康吉森公司的Triconex 品牌。經(jīng)過進(jìn)一步研究確認(rèn)，各家系統(tǒng)之間的時(shí)鐘未進(jìn)行統(tǒng)一校時(shí)。

通過以上案例我們看到，在信息實(shí)現(xiàn)了集中監(jiān)控的同時(shí)，各套系統(tǒng)各自都擁有自己的時(shí)鐘。本身計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘有晶振頻率的差異，會(huì)出現(xiàn)時(shí)間差。時(shí)間長(zhǎng)了，日積月累會(huì)造成時(shí)間不一致，甚至有時(shí)候差異很大。這樣在事故分析過程中，就會(huì)有時(shí)間差導(dǎo)致對(duì)事故原因的誤判。因此，化工廠過程控制中，把所有控制系統(tǒng)的時(shí)鐘進(jìn)行同步是非常必要的。

1 時(shí)鐘同步在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定

在《石油化工分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T 3092—2013)

5.3.7 節(jié)規(guī)定：

“5.3.7 時(shí)鐘同步

5.3.7.1 DCS 應(yīng)具備使用網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步的功能。

5.3.7.2 宜由DCS 向第三方應(yīng)用計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)發(fā)布時(shí)鐘同步信號(hào)。

5.3.7.3 節(jié)點(diǎn)數(shù)量大于50 的網(wǎng)絡(luò)宜設(shè)置時(shí)鐘服務(wù)器。

5.3.7.4 時(shí)鐘服務(wù)器的授時(shí)精度不應(yīng)低于1ms，守時(shí)精度不應(yīng)低于2us/min。

5.3.7.5 DCS 不應(yīng)采用無線通訊方式的外部時(shí)鐘源。”

在《分散型控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(HG/T 20573—2012)9.2 節(jié)規(guī)定：

“9.2 通信系統(tǒng)與時(shí)鐘同步系統(tǒng)

9.2.1 DCS 通信系統(tǒng)宜由控制網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)、通信接口卡件、網(wǎng)絡(luò)電纜等組成。

9.2.2 DCS 通信系統(tǒng)宜由包含一套時(shí)鐘同步系統(tǒng)，以具有接收來自全球定位系統(tǒng)(GPS)的時(shí)鐘信號(hào)的能力?！?/p>

在《石油化工儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T3181-2016)6.5 節(jié)規(guī)定：

“6.5 時(shí)鐘同步

6.5.1 SCADA 應(yīng)在調(diào)度控制中心配置GPS 時(shí)鐘，SCADA網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)宜通過時(shí)鐘同步軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，同時(shí)也可向第三方應(yīng)用計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)發(fā)布時(shí)鐘同步信號(hào)?！?/p>

通過以上標(biāo)準(zhǔn)看到，時(shí)鐘同步的目的是使DCS 系統(tǒng)內(nèi)部和其它系統(tǒng)之間的時(shí)間標(biāo)記數(shù)據(jù)一致，實(shí)際上并不需要絕對(duì)時(shí)間一致，只要相對(duì)時(shí)間就足夠了，也不需要與某個(gè)地域時(shí)間絕對(duì)一致。這是時(shí)鐘同步的本質(zhì)，也就是說追求全廠控制系統(tǒng)的時(shí)間統(tǒng)一性的要求高于時(shí)鐘本身是否精準(zhǔn)。因?yàn)槿珡S控制系統(tǒng)在事故分析中，強(qiáng)調(diào)發(fā)生時(shí)間的順序關(guān)系，從而可以分析出，事故發(fā)生時(shí)的邏輯關(guān)系，判斷事故的源頭。但在實(shí)際應(yīng)用中，大型工廠本身具備GPS 能力，既能保證時(shí)間的相對(duì)一致，又能保證時(shí)間的精度。

2 典型校時(shí)裝置結(jié)構(gòu)及組成

從圖1 可以看出，校時(shí)裝置主要由外部信號(hào)接收單元、信號(hào)處理單元、時(shí)間信號(hào)輸出單元以及被授時(shí)設(shè)備組成。下面分別對(duì)這些組成部分進(jìn)行介紹。

圖1 校時(shí)裝置結(jié)構(gòu)圖

2.1 外部信號(hào)接收單元

該部分主要是通過蘑菇頭+外部天線接收GPS 衛(wèi)星發(fā)送的基準(zhǔn)信號(hào)，包括定時(shí)、定位信號(hào)等，并從中獲得滿足要求的時(shí)間信息。

2.2 信號(hào)處理單元

它通過對(duì)接收到的GPS 衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解碼和處理，將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時(shí)間，即年、月、日、時(shí)、分、秒、毫秒等，并轉(zhuǎn)換為對(duì)時(shí)設(shè)備可識(shí)別的信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶設(shè)備進(jìn)行授時(shí)和時(shí)間同步的功能。

2.3 時(shí)間信號(hào)輸出單元

輸出模塊根據(jù)不同設(shè)備對(duì)時(shí)間同步信號(hào)類型的要求，提供不同類型的時(shí)間同步信號(hào)接口，一般有光纖、同軸電纜、屏蔽雙絞線、音頻通信電纜等

2.4 被授時(shí)設(shè)備

被授時(shí)設(shè)備是指需要授時(shí)并實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的各種設(shè)備，如事件記錄系統(tǒng)、PLC 系統(tǒng)、保護(hù)裝置及各類智能單元、DCS 系統(tǒng)、SIS 系統(tǒng)、GDS 系統(tǒng)等。當(dāng)接收到外部事件的基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，授時(shí)設(shè)備被外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)同步；當(dāng)接收不到外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，保持一定的走時(shí)準(zhǔn)確度，使其輸出的時(shí)間同步信號(hào)仍能保證一定的準(zhǔn)確度。在信號(hào)處理單元不同廠家有不同方案，下面介紹一款國(guó)內(nèi)常用的處理設(shè)備FM197 電纜連接說明如圖2。

圖2 FM197與GPS連接接線圖

FM197 設(shè)置說明：

“(1)FM197 的主從設(shè)定：需要通過FB197 板上的撥碼開關(guān)S1 的第1 位來設(shè)定，撥到“OFF”狀態(tài)表示“主”，撥到“ON”狀態(tài)表示“從”。當(dāng)只有1 個(gè)FM197 時(shí)，必須設(shè)為“主”，級(jí)聯(lián)使用時(shí)，第一級(jí)設(shè)為“主”，其余的設(shè)為“從”。

(2)時(shí)鐘產(chǎn)生的選擇：FM197 作為主對(duì)時(shí)集線器時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘可由本地時(shí)鐘電路產(chǎn)生，也可通過外接GPS 產(chǎn)生，需通過FB197 板上的撥碼開關(guān)S1 的第2 位來設(shè)定，撥到“OFF”狀態(tài)表示“外接GPS”，撥到“ON”狀態(tài)表示“由本地時(shí)鐘產(chǎn)生”。

(3)通訊接口設(shè)置：1 號(hào)通訊接口是級(jí)聯(lián)對(duì)時(shí)脈沖輸出；2號(hào)通訊接口是時(shí)鐘脈沖輸入接口，F(xiàn)M197 的2 號(hào)接口默認(rèn)設(shè)置為RS485，當(dāng)與GPS 配合使用時(shí)，應(yīng)該將FM197 的2 號(hào)通訊接口設(shè)置為RS232?！?/p>

3-16 通訊接口是時(shí)鐘對(duì)時(shí)信號(hào)和對(duì)時(shí)分脈沖輸出接口。

3 DCS內(nèi)部實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的方法

DCS 系統(tǒng)具備使局域網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步的功能，這在各個(gè)DCS 廠家系統(tǒng)內(nèi)部就可以實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，只需要考慮時(shí)鐘源與DCS 校時(shí)服務(wù)器之間的聯(lián)系就行，其余的由各個(gè)系統(tǒng)廠家內(nèi)部處理。下圖是DCS 廠家提供的內(nèi)部校時(shí)結(jié)構(gòu)圖。從圖上可以看出，DCS 系統(tǒng)采用以太網(wǎng)NTP 對(duì)時(shí)，校時(shí)服務(wù)器的時(shí)鐘信號(hào)通過以太網(wǎng)插到交換機(jī)上，由GPS 時(shí)鐘信號(hào)首先對(duì)時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行校時(shí)，時(shí)間服務(wù)器再對(duì)其他操作站，主控制器進(jìn)行校時(shí)。對(duì)主控制器校時(shí)的過程是，先對(duì)控制站序號(hào)最小的站進(jìn)行校時(shí)，校時(shí)完成后，由最小控制站號(hào)提供時(shí)鐘信息，對(duì)齊其他控制站的時(shí)鐘。這個(gè)過程是周期性的，自動(dòng)完成。如圖3 所示。

圖3 DCS系統(tǒng)內(nèi)校時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4 特殊場(chǎng)合使用的SOE信號(hào)

DCS 系統(tǒng)中，有一種特殊卡件，在事故分析過程中起著關(guān)鍵性的作用。那就是SOE 卡件，SOE 全稱為Sequence Of Event，指事件順序記錄。它要求達(dá)到的時(shí)間分辨率為1ms，主要用在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生各種事故，進(jìn)行事故分析和定位用。使用NTP 校時(shí)方式的時(shí)候，一般達(dá)不到1ms 的時(shí)間精度。因此，有些廠家在SOE卡件上，提供了比NTP 更精確的硬校時(shí)方式。這種方式是在特殊場(chǎng)合的一種特殊用法。

5 關(guān)于校時(shí)的安全性考慮

系統(tǒng)嚴(yán)禁采用無線網(wǎng)絡(luò)校時(shí)。在《石油化工分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T 3092—2013)5.3.7 節(jié)要求DCS 不應(yīng)采用無線通信方式的外部時(shí)鐘源。這是出于對(duì)控制系統(tǒng)安全的考慮，該規(guī)范6.2.2 無線網(wǎng)絡(luò)中要求DCS 嚴(yán)禁采用無線網(wǎng)絡(luò)，采用無線網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)及儀表設(shè)備不得接入DCS 網(wǎng)絡(luò)。

6 結(jié)語

GPS 時(shí)鐘同步的方式是目前化工廠在全廠控制系統(tǒng)管理過程中比較理想的控制方案，為全廠自動(dòng)化設(shè)備的安全生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。