基于NTP的時(shí)鐘同步技術(shù)在成品油管道SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用

中國(guó)石化銷售有限公司華南分公司 倪志光

一、引言

成品油管道正在蓬勃發(fā)展，并成為輸送成品油的主要手段。成品油管道主要采用密閉輸送方式，距離長(zhǎng)，站點(diǎn)多，工藝復(fù)雜，調(diào)度運(yùn)行指揮難度大，傳統(tǒng)的人工記錄、逐級(jí)匯報(bào)的方式已經(jīng)不能滿足正常的生產(chǎn)運(yùn)行需要。SCADA系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)），是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，建立在3C＋S（計(jì)算機(jī)，控制，通信及傳感器）技術(shù)上的一門(mén)學(xué)科，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，全面、監(jiān)視工藝流程并實(shí)施遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)輸油管道的集中指揮和統(tǒng)一管理，提高生產(chǎn)調(diào)度速度，因而得到了普遍的應(yīng)用。

二、成品油管道SCADA系統(tǒng)時(shí)鐘同步的重要意義

SCADA系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、過(guò)程控制裝置、聯(lián)鎖保護(hù)裝置、報(bào)警管理系統(tǒng)、RTU系統(tǒng)等設(shè)備，所使用的時(shí)間都是由設(shè)備內(nèi)部時(shí)鐘提供的，一般的計(jì)算機(jī)和嵌入式設(shè)備時(shí)鐘精度只有l(wèi)O-4～lO-5，每天可能誤差達(dá)十幾秒或更多，如果不及時(shí)校正，其累積時(shí)間誤差不可忽視。這些誤差會(huì)造成系統(tǒng)報(bào)警、SOE順序事故記錄、歷史趨勢(shì)等不能正確記錄事件發(fā)生的正確時(shí)間。如果采用人工定期校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)間坐標(biāo)的方式來(lái)調(diào)準(zhǔn)時(shí)鐘，頻繁的調(diào)整易造成歷史趨勢(shì)記錄錯(cuò)誤、歸檔數(shù)據(jù)丟失等故障。尤其是成品油管道采用密閉輸送方式，作為一個(gè)統(tǒng)一的水力系統(tǒng)，管道沿線的一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障有可能會(huì)引起整個(gè)管網(wǎng)水力系統(tǒng)的波動(dòng)，一旦分布于不同地區(qū)的子系統(tǒng)或設(shè)備時(shí)間不一致，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)無(wú)法正常傳輸至調(diào)控中心，采取必要的超前保護(hù)措施，就可能引發(fā)關(guān)鍵設(shè)備損壞、爆管等事故。

三、基于NTP的時(shí)鐘同步工作原理

我們常說(shuō)的時(shí)鐘同步有頻率同步和時(shí)間同步兩種。頻率同步是指維持各點(diǎn)的頻率相同，可以是任意相位。時(shí)間同步也稱時(shí)刻同步，是指要求各點(diǎn)的絕對(duì)時(shí)間相同。時(shí)鐘同步技術(shù)的傳輸模式實(shí)現(xiàn)了從脈沖式、編碼式、PPS、IRIG-B到NTP、PTP、無(wú)線電波的演變。目前世界上主要有美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS以及歐洲空間局、我國(guó)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)等定位系統(tǒng)。

NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議）：由美國(guó)德拉瓦大學(xué)的David L Mills教授于1985年提出，是用于設(shè)計(jì)使Internet上的計(jì)算機(jī)保持時(shí)間同步的一種通信協(xié)議，由時(shí)間協(xié)議、ICMP時(shí)間戳消息及IP時(shí)間戳選項(xiàng)發(fā)展而來(lái)，用來(lái)在分布式時(shí)間服務(wù)器和客戶端之間進(jìn)行時(shí)間同步，采用分層的方法來(lái)定義時(shí)鐘的準(zhǔn)確度，采用單播、組播或廣播方式發(fā)送協(xié)議報(bào)文。

NTP授時(shí)工作原理（如圖1）：Device A和Device B通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連，有自己獨(dú)立的系統(tǒng)時(shí)鐘，通過(guò)交換時(shí)間服務(wù)器和客戶端的時(shí)間戳，計(jì)算出客戶端相對(duì)于服務(wù)器的時(shí)延和偏差，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間的同步。假設(shè)A和B通過(guò)以太網(wǎng)端口相連，B做為NTP服務(wù)器，同步之前A的時(shí)鐘設(shè)定為10:00:00，B的時(shí)鐘設(shè)定為11:00:00，數(shù)據(jù)包在A和B之間單向傳輸所需要的時(shí)間為1秒。設(shè)備A發(fā)送一個(gè)NTP報(bào)文給設(shè)備B，該報(bào)文帶有它離開(kāi)設(shè)備A時(shí)的時(shí)間戳，該時(shí)間戳為10:00:00am(T1)；當(dāng)此NTP報(bào)文到達(dá)設(shè)備B時(shí)，設(shè)備B加上自己的時(shí)間戳，該時(shí)間戳為11:00:01am(T2)；當(dāng)此NTP報(bào)文離開(kāi)設(shè)備B時(shí)，設(shè)備B再加上自己的時(shí)間戳，改時(shí)間戳為11:00:02（T3）；當(dāng)設(shè)備A接收到該響應(yīng)報(bào)文時(shí)，設(shè)備A的本地時(shí)間為10:00:03am(T4)。至此，設(shè)備A已經(jīng)擁有足夠的信息來(lái)計(jì)算兩個(gè)重要的參數(shù)：NTP報(bào)文的往返時(shí)延Delay=(T4-T1)-(T3-T2)=2秒；設(shè)備A相對(duì)設(shè)備B的時(shí)間差offset=((T2-T1)+(T3-T4))/2=1小時(shí)。這樣，設(shè)備A就能夠根據(jù)這些信息來(lái)設(shè)定自己的時(shí)鐘，使之與設(shè)備B的時(shí)鐘同步。

圖1 NTP工作原理圖

圖2 成品油管道SCADA系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 調(diào)控中心一級(jí)時(shí)鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 輸油泵站二級(jí)時(shí)鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

有多種NTP工作模式進(jìn)行時(shí)鐘同步，包括：客戶端/服務(wù)端模式、對(duì)等體模式、廣播模式、組播模式。根據(jù)需要選擇合適的工作模式，在不能確定服務(wù)器或?qū)Φ润wIP地址，以及網(wǎng)絡(luò)中需要同步的設(shè)備很多等情況下，可以通過(guò)廣播或組播模式實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。

四、華南成品油管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)時(shí)鐘同步應(yīng)用現(xiàn)狀及解決方案

1.華南成品油SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

華南管網(wǎng)已經(jīng)建成包括西南管道、珠三角管道、昆明-大理管道、柳州-桂林管道、北南百管道等5條成品油管道，下設(shè)2個(gè)調(diào)控中心、43座輸油站、15座自控閥室，線路總長(zhǎng)達(dá)到3842公里，是目前國(guó)內(nèi)最大的成品油管網(wǎng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可按照功能區(qū)域來(lái)分，主要包括主、備調(diào)控中心控制系統(tǒng)，各輸油站站控系統(tǒng)，遠(yuǎn)控閥室監(jiān)控系統(tǒng)及將各功能區(qū)域連接起來(lái)的通信系統(tǒng)（如圖2）。

2.時(shí)鐘同步設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀

華南管網(wǎng)已于2006年建設(shè)了一套覆蓋整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步時(shí)鐘系統(tǒng)，在調(diào)控中心設(shè)置了一臺(tái)GPS，對(duì)調(diào)控中心和各站SCADA系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行同步，在運(yùn)行過(guò)程由于時(shí)間同步精度不高、工作不穩(wěn)定等，直接影響了SCADA系統(tǒng)的正常運(yùn)行，包括兩臺(tái)冗余服務(wù)器由于時(shí)間不一致無(wú)法實(shí)現(xiàn)冗余工作；個(gè)別站場(chǎng)服務(wù)器由于時(shí)間出現(xiàn)跳變導(dǎo)致歷史數(shù)據(jù)無(wú)法歸檔、服務(wù)自動(dòng)停止等問(wèn)題，另外，對(duì)于各站系統(tǒng)設(shè)備和調(diào)控中心時(shí)鐘不一致，無(wú)法及時(shí)報(bào)警、主動(dòng)對(duì)時(shí)，給系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。原因是：

同步方式存在不足。通過(guò)調(diào)控中心的GPS時(shí)鐘同步設(shè)備通過(guò)廣域網(wǎng)對(duì)全線設(shè)備進(jìn)行時(shí)鐘同步。許多工業(yè)控制過(guò)程需要高準(zhǔn)確度時(shí)間，一般要在ms級(jí)以內(nèi)。如果在廣域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行授時(shí)，每次經(jīng)過(guò)的路由器路徑可能不相同，授時(shí)精度可能無(wú)法達(dá)到要求，局域網(wǎng)內(nèi)授時(shí)不存在路由器路徑延遲問(wèn)題，因而授時(shí)精度理論上可以提到亞毫秒級(jí)。

設(shè)備配置可靠性不高。時(shí)鐘同步設(shè)備為單機(jī)設(shè)置，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)冗余配置，一旦出現(xiàn)故障后無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步；該設(shè)備為單電源輸入，無(wú)法保證可靠的運(yùn)行穩(wěn)定性。

守時(shí)精度不高。受溫度等環(huán)境溫度影響較大，當(dāng)無(wú)法收到GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，晶振震蕩漂移嚴(yán)重，無(wú)法保持高精度的時(shí)間輸出。

時(shí)鐘同步管理系統(tǒng)不夠人性化。對(duì)于各站系統(tǒng)設(shè)備和調(diào)控中心時(shí)鐘不一致，無(wú)法及時(shí)報(bào)警、主動(dòng)對(duì)時(shí)；而且投入運(yùn)行超過(guò)8年后，優(yōu)化老化，多次出現(xiàn)故障，給SCADA系統(tǒng)正常運(yùn)行帶來(lái)較大影響，必須進(jìn)一步完善時(shí)鐘同步架構(gòu)。

3.華南成品油管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)時(shí)鐘同步解決方案

時(shí)鐘同步系統(tǒng)分為兩級(jí)，即調(diào)控中心一級(jí)時(shí)鐘和輸油站二級(jí)時(shí)鐘。調(diào)控中心一級(jí)時(shí)鐘設(shè)備作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘基準(zhǔn)，設(shè)置兩套冗余主時(shí)鐘，可采用北斗或GPS多模衛(wèi)星作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源，并和銣原子鐘組成天地互備系統(tǒng)（如圖3）。正常情況下，主時(shí)鐘的時(shí)間信號(hào)接收單元獨(dú)立接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)；當(dāng)某一主時(shí)鐘的時(shí)間信號(hào)接收單元發(fā)生故障時(shí)，該主時(shí)鐘能自動(dòng)切換到另一臺(tái)主時(shí)鐘的時(shí)間信號(hào)接收單元接收到的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)互為備用。為避免傳輸設(shè)備的固有傳輸時(shí)延以及干擾、損耗等因素，造成時(shí)間延遲，可通過(guò)算法取得網(wǎng)絡(luò)阻塞引起的時(shí)間延遲以及設(shè)備造成的時(shí)延，通過(guò)時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)解決。在輸油泵站設(shè)置二級(jí)時(shí)鐘設(shè)備，采用北斗或GPS多模衛(wèi)星及本地恒溫晶振組成時(shí)鐘同步系統(tǒng)，并接受調(diào)控中心一級(jí)時(shí)鐘設(shè)備傳來(lái)的時(shí)鐘信息，組成天地互備系統(tǒng)（如圖4），給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備提供時(shí)間信號(hào)。同時(shí)設(shè)置授時(shí)監(jiān)控軟件，采用輪詢的方式采集監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器、工作站的時(shí)鐘同步信息，包括衛(wèi)星工作模式、搜星數(shù)量、天線狀態(tài)、時(shí)鐘頻率偏差、時(shí)鐘同步漂移、時(shí)鐘抖動(dòng)、時(shí)間偏差、同步狀態(tài)等信息，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，提供給系統(tǒng)管理人員。

五、結(jié)束語(yǔ)

統(tǒng)一、精確的時(shí)間是保證成品油長(zhǎng)輸管道SCADA系統(tǒng)安全運(yùn)行的必要措施。本文介紹的華南成品油管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)時(shí)鐘同步方案對(duì)其它管道有一定的借鑒意義，但是由于各管道通信鏈路和設(shè)備不同、SCADA系統(tǒng)產(chǎn)品不同以及具體需求有差異，還是要根據(jù)管道實(shí)際情況，制定符合本管道SCADA系統(tǒng)的時(shí)鐘同步方案。

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