利用GPS實現控制系統時鐘同步

魏 華

(中海石油建滔化工有限公司,海南東方 572600)

0 引 言

控制系統的時鐘同步問題一直是自動化行業的一個難題。各個工廠的控制系統由于計算機的時鐘運行誤差,運行過程中出現時鐘不同步的問題,特別是生產過程中發生停車或其他事故時,分析事故過程中對第一事故的把握尤其重要。現在的化工裝置設計越來越復雜,不僅包括控制系統(DCS/FCS),安全儀表系統(SIS),還包括成套包單元控制系統(如PLC),因此時鐘同步的問題越來越重要,特別是各系統不是同一廠商,這個問題就更加突出。筆者以中海石油建滔化工有限公司的600 kt/a甲醇項目所采用的 GPS實現控制系統的時鐘同步為例,介紹了 GPS實現系統時鐘同步的方案,通過與其他方案的對比,說明了利用 GPS實現時鐘同步的優越性與可靠性。

1 系統時鐘誤差產生的原因分析

計算機的時鐘一般都采用石英晶體振蕩器,晶振體連續產生一定頻率的時鐘脈沖,計數器則對這些脈沖進行累計得到時間值,這些時間值就作為計算機的基準時間。由于時鐘振蕩器的脈沖受環境溫度、勻載電容、激勵電平以及晶體老化等多種不穩定性因素的影響,故計算機的時鐘本身不可避免地存在著誤差。例如,某精度為±2×10-5的時鐘(溫度為25℃),其每小時的誤差為:(1×60×60× 1 000 ms)×(2×10-5)=72 ms,一天的累計誤差可達1.73 s;若其工作的環境溫度從額定25℃變為45℃,則還會增加±2.5×10-5ms的額外誤差。一年下來的累計誤差為10.3 min。可見,DCS的時鐘若不定期同步校準,其自由運行一段時間后的誤差可達到系統應用所無法忍受的程度。

隨著晶振制造技術的發展,已有各種高穩定性晶振體可供選用,如 TCXO(溫度補償晶振)、VCXO(壓控晶振)、OCXO(恒溫晶振)等,但是這些措施都不能滿足工業化生產的需要。

2 常規控制系統時鐘同步的方案

2.1 人工手動校正

對于比較老的控制系統,由于當時技術的限制,不同系統間很難實現時鐘同步,就是同一系統內部也存在時鐘誤差,如DCS的幾個操作站之間,計算機顯示的時間不一樣,因此不同操作站的趨勢點同一顯示時間,指示的數值是不一致的,這就要求用一個所謂的“基準時間”,利用該基準時間去逐個調整每臺計算機的時間,一般都按照一個月的周期去調整一次,這樣調整的時間誤差一般都在10 s以內,精度不高。由于老裝置設置的聯鎖報警點數量少,一般都在輔助操作臺上有第一事故鎖定,可以滿足基本的生產要求,但要求經常校正計算機的時鐘。

2.2 定時自動校正

2.2.1 利用“Modbus通信”方式定時時鐘

利用Modbus RS-485/232方式進行時鐘的定時校正也是一種方法,它比傳統的手動校驗時鐘精度相對要高很多,不需要增加額外的硬件,只需要軟件組態就可以了,在精度要求不高,費用控制嚴格的情況下,是一種不錯的選擇。利用通信自動校正系統時鐘是從主系統(如DCS)中讀取時鐘點,在一個固定的時間發送時鐘同步請求,對方系統在分析數據的準確性后將自身系統的時鐘設定在要求的時間。

但是利用通信的方式實現系統的時鐘同步存在不確定性,因為Modbus通信速度傳輸存在滯后的現象,目前Modbus比較快的是150 Kbit/s,一般的產品性能保證是75 Kbit/s左右,而且由于現場施工質量、通信數據量的大小、通信距離的不同決定了通信滯后的不同,一般都是3～5 s左右,有時可能更長。因此采用通信方式校正系統的時鐘精度不是太高,一般可以滿足在5 s內,如果選擇通信數據較少的通信網段上,精度能更高些,能控制在1 s內。

2.2.2 利用以太網“域”的方式實現時鐘同步

目前主流的DCS,SIS,PLC廠商的系統時鐘同步都上升到以太網的層面,將工廠的系統通過以太網連接(絕大部分系統已經是以太網連接方式),統一加入“域”,通過這種方式實現系統時鐘同步。該方法簡單、經濟,由于協議是SNTP,因此這個時鐘同步的精度為1 s,不能實現完全的時鐘同步,但是對于沒有建立時鐘同步的系統,可以利用這種辦法將上位機連接,通過“域”時鐘同步的方法分析上位機的趨勢數據,對分析事故原因,也有一定的幫助。

2.2.3 利用“硬線連接”的方式實現時鐘同步

“硬線連接”方式是將某一系統作為主時鐘源(以DCS為例),將DCS的時鐘同步請求信號通過數字輸出信號發送到相應的系統,如SIS,PLC,這些系統再通過數字輸入接收同步請求,通過軟件預先設置的時鐘同步方式進行時鐘同步,由于硬線連接傳輸速度快,投入的硬件數量很少,因此是目前各系統實現時鐘同步采用較多的方案之一。

利用“硬線連接”實現時鐘同步的方式很簡單,通過DCS的DO點和SIS,PLC,ITCC的DI點連接相應的電纜,SIS和PLC廠商大部分都有時鐘同步的系統特點(Time-Syn),在系統組態時要求在脈沖觸發的上升沿觸發,同時將系統的人工矯正時鐘源的功能禁止,避免外界對系統時鐘的人為干擾,從而保證了系統時鐘的準確性。如 HIMA和Triconex的SIS都很容易實現。DCS方面可以利用順控模塊,對系統當前運行時間進行判斷,在要求的時間內(如 T12:00:00)發出脈沖信號,在其他時間不輸出信號。

該方式可以用在設計施工時沒有考慮時鐘同步問題的改造方案。該方法投入少,操作簡單,只需經過控制培訓的操作工就可以實現,可以滿足大部分工廠的事故分析需要。

3 利用GPS實現控制系統時鐘同步

3.1 GPS實現系統時鐘同步的原理

GPS時鐘是一種接收GPS衛星發射的低功率無線電信號,通過計算得出GPS時間的接收裝置。為獲得準確的GPS時間,GPS時鐘必須先接收到至少4顆GPS衛星的信號,計算出自己所在的三維位置。在得出具體位置后,GPS時鐘只要接收到1顆 GPS衛星信號就能保證時鐘的走時準確性。

作為控制系統的標準時鐘,對 GPS時鐘同步的基本要求:至少能同時跟蹤8顆衛星,有盡可能短的冷、熱啟動時間,配有后備電池,有高精度、可靈活配置的時鐘輸出信號。

該時鐘輸出通過EIA標準串行接口發送一串以ASCII碼表示的日期和時間報文,每秒輸出一次。時間報文中可插入奇偶校驗、時鐘狀態、診斷信息等。此輸出目前無標準格式,表1為一個用17個字節發送標準時間的實例。

表1 利用17個字節發送標準時間

3.2 GPS工程中的拓撲結構

為解決控制系統中的時鐘不同步問題,考慮到目前GPS時鐘同步器的價格較便宜,該公司要求FCS和SIS各采用一套 GPS來實現時鐘同步,其中FCS的GPS時鐘同步器不僅包括自身的時鐘同步,還包括鍋爐的BMS,氫回收的PLC系統,如圖1所示。SIS除了包括自身時鐘同步,還包括ITCC的時鐘同步,如圖2所示。

圖1 FCS時鐘同步器的拓撲結構

FCS的時鐘同步信號通過 GPS天線采集衛星同步信號,送到NCF 77時鐘同步器,NCF 77通過同軸電纜連接到Centum CS 3000系統的一個操作站HIS0160,將HIS0160的時鐘調整為 GPS時鐘,由于該控制系統自身具有YOKOGAW A time實現系統內的時鐘同步,因此整個控制系統始終都與GPS時鐘保持同步。同時NCF 77輸出另外的時鐘同步信號分別送到鍋爐的BMS和氫回收系統的PLC,使成套包的時鐘信號與FCS保持一致。

圖2 SIS時鐘同步器拓撲結構

SIS采用 TS 3000系統,通過 GPS天線采集GPS時鐘信號送到 Trimble時鐘同步器,該同步器將信號分別送到SIS和ITCC等系統實現時鐘同步,采用RS-232通信方式進行連接,同時屏蔽外界手工修改時間的權限,實現了SIS和ITCC的系統時鐘與GPS時鐘保持一致。

3.3 GPS時鐘同步的時間誤差

GPS時鐘與衛星發射世界協調時間(U TC)的誤差由GPS時鐘的精度所決定。對秒脈沖信號,以脈沖前沿為準時沿,精度一般在幾十納秒至1μs之間;對IRIG-B碼和RS-232串行輸出,如以中科院國家授時中心的時鐘產品為例,其同步精度以參考碼前沿或起始相對于秒脈沖信號前沿的偏差計,分別達0.3μs和0.2 ms。

DCS主時鐘與各站點從時鐘通過網絡進行同步,其間存在著時鐘報文的發送時延、傳播時延、處理時延。互聯網上廣為采用的網絡時間協議N TP (Network Time Protocol)在DCS局域網上已能提供±1 ms的對時精度(工業系統很少采用),而基于IEEE1588的標準精確時間協議PTP(Standard Precision Time Protocol)能使實時控制以太網上的主、從時鐘進行亞微秒級同步。

SIS的順序事故報警(SOE)要求的時鐘分辨率小于1 ms,因此用GPS完全可以滿足控制系統的時鐘同步問題。

4 結束語

利用GPS實現控制系統的時鐘同步可以解決各系統時鐘偏差的問題,將各個信息孤島有效地連接起來,為分析事故原因提供有力的工具。通過GPS的時鐘同步,操作人員和技術人員能很快地從SOE上發現第一事故報警,有效地提高了發現問題的時間和解決問題的速度,保證生產裝置的安全穩定運行。

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