生產(chǎn)控制系統(tǒng)時鐘同步方式及應(yīng)用

李 濤

（榆林瀚昌科工貿(mào)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

隨著控制系統(tǒng)技術(shù)的日臻完善和國產(chǎn)控制系統(tǒng)的興起，與之前進口控制系統(tǒng)天價壟斷的局面相比，目前各類生產(chǎn)、制造企業(yè)都普遍采用控制系統(tǒng)來實現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)，因此DCS 系統(tǒng)、SIS 系統(tǒng)、PLC 系統(tǒng)以及單片機系統(tǒng)等得到普遍應(yīng)用。伴隨裝置規(guī)模的擴大和模塊設(shè)計的出現(xiàn)，一個企業(yè)特別是大型企業(yè)，不可避免地會同時出現(xiàn)各種類型的控制系統(tǒng)，因此時鐘同步問題就顯得格外重要，其中就包括事件事故的追憶。本文以某甲醇裝置為例，詳細闡述不同控制系統(tǒng)間時鐘同步方式，以及說明時鐘同步的必要性和安全性。

1 時鐘同步概述

時鐘同步，即實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點之間時間的同步。NPT 是目前應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議，NTP 協(xié)議的精確對時主要是在主——從工作方式下實現(xiàn)的。NTP 算法，首先根據(jù)服務(wù)器和客戶端的往返報文來確定兩地時鐘的差值和報文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲[1]。同步時間的標(biāo)準(zhǔn)時間應(yīng)該是國際標(biāo)準(zhǔn)時間（UTC），可以從原子鐘、天文臺、衛(wèi)星等獲得，時鐘同步需要配備時鐘同步器和時鐘源，時鐘源以往主要采用GPS，目前中國北斗也開始應(yīng)用。

表1 控制系統(tǒng)種類及分布Table 1 Types and distribution of control systems

時鐘同步的目的是使DCS 系統(tǒng)內(nèi)部和其它系統(tǒng)之間的時間標(biāo)記數(shù)據(jù)一致，實際上并不需要絕對時間一致，只要相對時間就足夠了。DCS 應(yīng)具備使網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點時鐘同步的功能。在實際應(yīng)用中，宜由DCS 向第三方發(fā)布時鐘同步信號，對于不必標(biāo)記數(shù)據(jù)的第三方設(shè)備，不必要設(shè)置時鐘同步。

2 系統(tǒng)簡介

某甲醇裝置年生產(chǎn)120 萬噸甲醇，工段主要分為空分工段、氣化工段、凈化工段和合成工段，采用的控制系統(tǒng)有艾默生DeltaV、TRICON、FOXBORO IA 和西門子S7-400PLC 系統(tǒng)，各控制系統(tǒng)情況見表1。

空分工段采用獨立DCS 控制系統(tǒng)，氣化、凈化和合成共用一套DCS 系統(tǒng)，Tricon 和S7-400PLC 等都是獨立的單元控制系統(tǒng)。

3 時鐘同步方案及實現(xiàn)

時鐘同步方式應(yīng)該說多種多樣，總體來說分為兩類：一是利用GPS 時鐘源對各系統(tǒng)進行時鐘同步；二是定時自動校正實現(xiàn)時鐘同步[2]。利用GPS 時鐘源同步，即各控制系統(tǒng)各自接入GPS 時鐘源，利用GPS 時鐘源的獨立網(wǎng)口，每個網(wǎng)口分配給不同的控制系統(tǒng)，定時自動校正。實現(xiàn)時鐘同步是利用DCS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自動校時功能，同步各操作站、工程師站等時間，同時DCS 系統(tǒng)與SIS 系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)再同步。某甲醇裝置采用兩種結(jié)合的方式，實現(xiàn)全廠控制系統(tǒng)的時鐘同步，同步時鐘方案如圖1 所示。

3.1 DCS與時鐘同步器的連接

DCS 時鐘同步主要是指DCS 與時鐘同步器的連接和設(shè)置，時鐘同步器通過GPS 模塊接收衛(wèi)星信號。GPS 需安裝在較開闊的地方，DCS 系統(tǒng)與時鐘同步器通過網(wǎng)線連接，以下以DeltaV 為例，闡述DCS 與時鐘同步器的連接和設(shè)置。

圖1 同步時鐘方案Fig.1 Synchronous clock scheme

圖2 DeltaV 同步成功信息Fig.2 DeltaV Synchronization success information

同步時鐘服務(wù)器不連接到DeltaV 系統(tǒng)的控制網(wǎng)，連接在APP 站的第三塊網(wǎng)卡，主要設(shè)置步驟：①通過網(wǎng)線連接時鐘同步網(wǎng)口和APP 站的第三塊網(wǎng)卡；②設(shè)置時鐘同步網(wǎng)絡(luò)地址，APP 站第三塊網(wǎng)卡地址與時鐘同步器設(shè)置成同一個網(wǎng)段；③使用APP 站的Remote Network 功能；④在APP 站設(shè)置APP 所連接的時鐘服務(wù)器的IP 地址；⑤設(shè)置DELTAV 控制網(wǎng)絡(luò)的主時鐘源為APP 站；⑥D(zhuǎn)ownload Control Network 的Setup Data。如果系統(tǒng)都正常，安裝完成幾分鐘后，在Diagnostics-DeltaV 能顯示如圖2 所示信息。

3.2 FOXBORO IA與SIS系統(tǒng)時鐘同步

本案例中，氣化工段3 套SIS 系統(tǒng)采用獨立的Tricon系統(tǒng)，合成ITCC、丙烯ITCC 系統(tǒng)也采用獨立的Tricon 系統(tǒng)。DCS 與Tricon 時鐘同步的方式一般有兩種方式：一種是通過通訊的方式，DCS 系統(tǒng)每天定時向Tricon 系統(tǒng)發(fā)送一個脈沖，每天只校準(zhǔn)一次；另一種是通過硬接線的方式，即利用SIS 系統(tǒng)DI 卡件備用通道，DCS 系統(tǒng)通過DO 卡件定時發(fā)一個脈沖信號。兩種方式實現(xiàn)的原理基本一致，差別在于通過Modbus 通訊的方式存在時間上的誤差，采用硬接線的方法實現(xiàn)兩套系統(tǒng)的時鐘同步精確度即時間誤差小，不論哪種方式都能滿足現(xiàn)實需要，通訊方式通過軟件實現(xiàn)較為經(jīng)濟，總之兩者相差不大。

圖3 Tricon時鐘同步程序Fig.3 Tricon clock simultaneous program

硬件的連接比較簡單，通訊線或硬件線即可，主要是SIS 系統(tǒng)需要編制時鐘同步程序，如圖3 所示。讀取TRICON 系統(tǒng)時鐘使用TR_CALENDAR 塊，設(shè)定時間轉(zhuǎn)換功能塊SYN-TIM E 年、月、日，取系統(tǒng)當(dāng)前日期無需校正。由于DCS 基本掃描周期一般為 0.5s ～1.0s，SIS 系統(tǒng)周期一般都在毫秒級別，所以實際同步過程中，一般存在3s ～5s 內(nèi)的差別。

3.3 DeltaV與ITCC系統(tǒng)時鐘同步

空分ITCC 系統(tǒng)也采用Tricon 系統(tǒng)，其時鐘同步原理和方式與FOXBORO IA 類似，這里不再詳述。

Tricon 系統(tǒng)除通訊和硬件等方式外，如果是V10 版本還可以直接通過其自身的TCM 卡直接與時鐘同步器連接，做到實時同步無偏差，但V8、V9 等因NCM 卡無法與時鐘同步器直接連接[3]。

4 時鐘同步的必要性和安全性

停車和事故在生產(chǎn)企業(yè)發(fā)生時，需要及時開展原因的分析和調(diào)查。按照生產(chǎn)控制系統(tǒng)功能劃分，一般聯(lián)鎖動作在SIS 系統(tǒng)或者ESD 系統(tǒng)中實現(xiàn)，參考的是SOE 的記錄時間。而工藝操作一般在DCS 或PLC 系統(tǒng)中實現(xiàn)，工藝操作、設(shè)備運行等都以DCS 系統(tǒng)時間為基準(zhǔn)。故障分析時，若各控制系統(tǒng)的控制器時鐘之間沒有進行時鐘同步，則會導(dǎo)致對同一測量元件或設(shè)備所記錄數(shù)據(jù)的時間不一致，無法判斷事件發(fā)生時設(shè)備動作的順序，需要兩方面結(jié)合才能對引發(fā)故障或停車的真正原因作出正確判斷和分析，因而各控制系統(tǒng)的時鐘同步顯得尤為重要。

1）在控制系統(tǒng)中，趨勢、報警、事件記錄等都與時間相關(guān)，因此整個系統(tǒng)時鐘保持一個統(tǒng)一的時鐘很關(guān)鍵。如果操作站和控制站時間不同步，不能作為真實的歷史數(shù)據(jù)為操作服務(wù)。

2）在《石油分散控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》《分散型控制系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》《石油化工遠程監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中，對時鐘同步做了明確要求。

3）是否設(shè)置GPS 時鐘服務(wù)器與某時區(qū)時間一致需要企業(yè)根據(jù)性質(zhì)和需求確定，如燃氣長輸管線SCADA 必須設(shè)置GPS 時鐘服務(wù)器，才能保證分布在整條管線控制系統(tǒng)時間一致，有利于保證管線的安全運行。

5 結(jié)束語

現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)，如石油化工、煤化工等都廣泛采用先進控制系統(tǒng)如DCS、PLC 等，各控制系統(tǒng)雖然通過相互通訊，避免了自動化孤島，方便了管理，提高了安全生產(chǎn)水平，增加了生產(chǎn)效益，但也帶來了一些問題。如各控制系統(tǒng)時鐘不同步問題，對事故調(diào)查、原因分析帶來了很多困難。本文通過實例，講述各控制系統(tǒng)時鐘同步的方案，并闡述了時鐘同步的必要性和安全性，時鐘同步對于工作人員追溯事故的第一要素發(fā)揮了重要作用。