長距離數字化管輸系統中精確時鐘同步的設計方案

劉 睿

（中煤科工集團武漢設計研究院，湖北 武漢 430064）

0 引 言

管道運輸是一種安全高效、節能省地、環保經濟、供給穩定的運輸方式，長距離大運量的管道運輸在我國已經得到廣泛應用，能夠運輸的物料包括原油、成品油、天然氣、煤漿、礦漿、化學品等，在國民經濟中發揮著愈來愈重要的作用．幾百公里乃至上千公里的數字化管線項目中，由于地域跨度很大，對全線的數據采集和自動化監控提出了越來越高的時間同步要求．特別是為實現沿線泄漏檢測、堵塞預警、水擊保護等工藝要求，更需要高精度的時鐘同步保障．

1 長距離管輸系統時鐘同步的現狀和問題及方案選擇

1．1 長距離管輸系統時鐘同步的現狀

目前，在長距離管輸系統中為保證穩定流速的密閉輸送，沿線通常會均勻分布加壓泵站、閥室及壓力檢測站，平均間隔在30 km左右．其時鐘同步主要是在不同區域的各個站場單獨裝設全球定位系統（Global Position System，以下簡稱：GPS）接收器或其他精確時鐘源，實行站場內獨立對時同步．

1．2 長距離管輸系統時鐘同步目前存在的問題及分析

a．未有效利用全線通信組網，各站場間的同步精度不高：由于時鐘同步主要是通過不同區域的各個站場內單獨裝設GPS接收器或其他精確時鐘源獨立對時同步來實現的，所以未能有效利用全線通信組網，造成各站場間的時鐘同步精度不高．

b．全線壓力采樣數據不能統一同步時標信息：有些工藝要求對長距離管道全線的壓力，特別是高點和低點的壓力進行實時的采集，以進行故障判斷的保護，如堵塞預警、水擊保護等，這就要求管道全線壓力傳感器采集的實時數據必須高精度同步且帶有統一時標．但各站場如果獨立同步，數據的時標信息就不易統一，而且當某一站場同步時鐘丟失或故障時，會造成全線壓力采集數據同步誤差增大，導致保護不正確動作．尤其是泄漏位置的精確定位、堵塞位置的準確判斷等，都必須建立在精確的時間軸基礎上．

c．過程設備層采樣值對時間同步精度難以達到微秒級：按照數字化管道的發展趨勢，從物理結構和邏輯層次上可以分為總調中心層、站場控制層、過程設備層，全線的信息交互實現數字化和網絡化．不同層次對時間同步報文精度的需求不同，但對于過程設備層中涉及實時測量的采集數據，對時間同步精度的要求須達到微秒級．而目前，我國已建成長距離管輸系統均沒有達到微秒級的時鐘同步的目標，因此對今后長輸管道全線精確時鐘同步的建設需求顯得日益突出．

d．全線范圍內總體實現成本較高：雖然單臺GPS時鐘同步服務器成本較低，但由于需要穩定的電源供應和對安裝環境的要求，目前主要在站場內應用較適宜．而對于長距離管線而言，沿線大量的閥室及壓力檢測站多達近百處，且大多地處偏遠．故全部通過現場GPS時鐘同步難以穩定實現，同時總體成本上與網絡對時相比也毫無優勢．

1．3 長距離管輸系統對時方式的方案選擇

常用的對時方式包括脈沖對時、串口報文對時、時間編碼方式（串口＋脈沖）和網絡對時方式．前三種方式均需要設置單獨的接口和專用的電纜連接，而長距離管輸系統通信組網的發展方向是實現數字化，目前主流方案為全線同步數字體系（Synchronous Dihital Hierarchy，以 下 簡 稱：SDH）光纖主干網＋各站場內以太環網接入的模式，因此選擇網絡對時方式可以復用已有的網絡設施，與其它數據共網傳輸，實現較為方便，方式更加合理．

網絡對時方式包括網絡時間協議（Network Time Protocol，以下簡稱：NTP）、簡單網絡時間協議（Simple Network Time Protocol，以下簡稱：SNTP）和IEEE 1588精確時間協議（Precision Time Protocol，以下簡稱：PTP），原理都是通過以太網以數據包的形式將時鐘源的時間信息傳送至各個時鐘信息的接收端．NTP和SNTP是商業以太網領域實現計算機網絡時鐘同步的主流方式，由于主從時鐘對同步報文的編碼／解碼、交換機對同步報文的存儲轉發均存在不確定的延遲，NTP和SNTP的時鐘同步精度一般只能達到50 ms．而最新的IEEE 1588標準協議具有配置容易、收斂快速以及對網絡帶寬和資源消耗少等優點，它的主要原理是通過一個同步信號周期性地對網絡中所有節點的時鐘進行校正，可以使基于以太網的分布式系統時鐘達到微秒級的精度同步［1］．因此將IEEE 1588協議運用于長距離管輸系統的方案是滿足長距離管輸系統精確時鐘同步需求的合理方式．

IEEE 1588協議通過一個精確的主時鐘周期性地對全線網絡內所有從時鐘進行校正．這一同步過程中包含了從時鐘偏移量的修正以及傳輸時延的修正，期間需要用到同步報文Sync、跟隨報文Follow＿Up、延時請求報文Delay＿Req、延時回應報文 Delay＿Resp四種報文［2］．

同步階段分為偏移測量階段和延遲測量階段［3］，如圖l所示．假設主時鐘發往從時鐘的消息與從時鐘發往主時鐘的消息往返為對稱，則可確定主時鐘與全線從時鐘的時間偏差Toffset＝［（T2－T1）＋（T3－T4）］／2，主時鐘與全線從時鐘之間的傳輸延遲TDelay＝［（T2－T1）＋（T4－T3）］／2．全線從時鐘接收主時鐘的時間信息，如上所示進行相應的計算和補償來達到與主時鐘的同步．

圖1 延時－請求響應機制Fig．1 Delay－Request response mechanism

2 在長距離管輸系統中運用IEEE 1588協議實現精確時鐘同步的具體方案

采用IEEE l588協議實現長距離管輸控制系統精確時鐘同步的網絡架構圖如圖2所示．本方案以典型的長距離管輸項目為例，一般考慮只在管輸線路的主控中心所在站場（一般為首端或末端場地）內設置一個對時主站以便同步全線其他站場，為保證時鐘源的可靠性，要對對時主站的最高級時鐘進行冗余配置．沿線其他站場均為對時從站，接入透明時鐘，對以太網內的時間報文進行接收、再生并轉發，并減少非對稱性影響．對時主站負責同步系統內所有的對時從站．

通信組網分為以下兩個層級：

a．全線主干網：主控中心、管道沿線各站場和閥室的主干通信信道采用SDH同步光纖傳輸組網系統（155M／2．5G），同時租用運營商公網線路作為備用通信信道．

b．站場局域網：所有站場內的工業以太網交換設備主要應用于主要站場內的數據采集與監控系統（Supervisory Control And Data Acquisition，以下簡稱：SCADA）、電力監控等系統數據存儲／轉發、虛擬局域網（Virtual Local Area Network，以下簡稱：VLAN）劃分、時鐘同步及主備路由冗余等功能，并保證與主干網光傳輸通道層中各通道的互通．

站場通信網絡采用工業以太環網（100M／1000M），其中站控層交換設備和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，以下簡稱：PLC）均必須選用支持IEEE 1588透明和邊界時鐘技術的產品，如德國赫斯曼公司的三層交換機MACH1140和美國羅克韋爾公司Control Logix PLC．

過程設備層以太網環形網絡為設備級環形（Device Level Ring，以下簡稱：DLR）網絡（10M／100M），底層交換機選用美國羅克韋爾公司的1783－ETAP2F三端口帶DLR技術的交換機，一個RJ45連接端口連接冗余控制站上的以太網模塊1756－EN2T或者遠程IO站上的以太網模塊1756－EN2T，另兩個端口是LC接口的多模光纖接口，主要作為線性鏈路或者光纖環形鏈路的接口．底層的PLC控制器和I／O模塊均直接接入DLR環網．

整個站場網絡各級交換設備，包括PLC的以太網接口模塊，都由上至下支持IEEE 1588協議的實現，在全線局域網絡緩存負荷率不超過50%的前提下，使全線的自動化設備能夠在100納秒范圍內實現時鐘同步．

該方案中均采用行業內主流成熟的交換設備和控制設備，進一步支持了IEEE 1588網絡精確時鐘同步技術能夠在長距離數字化管輸領域中應用的可行性和適用性．

圖2 長距離管輸控制系統時鐘同步網絡架構圖Fig．2 Network architecture diagram for long distance pipeline control system clock synchronization

3 IEEE 1588協議在實施過程中的影響因素分析

IEEE 1588協議在長距離管線的自動化網絡方案實施過程中，還會受到以下因素的影響：

a．在實際的以太網交換機組網中，絕對滿足往返傳輸延時的對稱是很難實現的．因為以太網絡中存在一些交換設備，設備自身會存在緩存．當網絡負荷嚴重時，IEEE 1588協議報文需要與其他類型的報文一樣排隊傳輸，而且當這些交換設備緩存空間有限時，就會發生沖突、丟包，都會影響IEEE 1588協議假設前提的成立［4］．

b．SDH光纖主干網作為IEEE 1588協議數據包在各站場間的通信傳輸載體，其自身的對時精度及帶寬分配也會對自動化系統的精確時鐘同步形成一定的影響．

c．廠站中應用IEEE 1588協議的設備，如控制設備和交換設備等，必須均具有相關以太網MAC層標記時間戳的硬件支持，而目前實現這種硬件支持還比較復雜，能夠選擇的成熟交換設備還沒有非常普及，在一定程度上也制約了IEEE 1588協議的發展與應用．

針對這些問題，在設計全線通信網絡系統時，需要根據核算系統整體的數據傳輸負荷選擇合理的通信網絡設備和分配帶寬，在系統各個交換環節建設中設置考慮必要的帶寬裕量，盡量避免網絡堵塞和延時的發生．同時隨著通信技術的進步，IEEE 1588硬件支持的推廣以及設備自身性能的提高，有效保證IEEE 1588協議在實施過程中得到更加可靠的應用．

4 結 語

高精度的時間同步對于長距離數字化管道輸送系統中自動化控制和穩定運行具有十分重要的意義，應用IEEE 1588協議實現長距離管道輸送系統的精確網絡時鐘同步是分布式網絡時鐘方式中最新的解決方案，實現了長距離管道輸送系統高精度時間同步運行．

a．高精度：將目前常用方案的毫秒級精度提高到微秒級，滿足了長距離數字化管輸系統高精度時鐘同步的發展要求．

b．低成本：由于IEEE 1588協議的應用不需要單獨為時鐘的傳遞布置特別的網絡，而是利用通用的以太網絡，并且添加時鐘同步報文也只占用少許的網絡資源，可以和控制數據包、語音數據包或其他信息包共享網絡，使之具有較低的網絡開銷．

c．穩運行：在大跨越的地域上，確保了在管道輸送系統沿線泄漏位置的精確定位、堵塞位置的準確判斷等對全線的數據采集和自動化監控提出的高精度的時鐘同步要求．特別是為實現沿線泄漏檢測、堵塞預警、水擊保護等工藝要求，提供了高精度的時鐘同步保障，使該方案設計的長距離數字化管輸系統長效穩定運行．

盡管目前IEEE 1588協議尚處于初級試用階段，還存在須解決的問題，但其高精度網絡對時特點預示著其在長距離數字化管道輸送領域廣泛的應用前景．

致謝

中煤科工集團張建民教授在本文選題、設計等方面給予指導和協助，在此致以衷心的感謝！

［1］楊傳順，袁建，李國華．分布式控制系統精確時鐘同步技術［J］．自動化儀表，2012，33（4）：66－69．

［2］IEEE Instrumentation and Measurement Society．IEEE 1588－2002 IEEE standard for a Precision clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems［S］．New York：The lnstitute of Electrical and EletronicsEngineers，Inc，2002．

［3］李曉珍，蘇建峰．基于IEEE1588高精度網絡時鐘同步的研究［J］．通信技術，2012，44（3）：105－107．

［4］于鵬飛，喻強，鄧輝，等．IEEE 1588精確時間同步協議的應用方案［J］．電力系統自動化，2009，33（13）：99－103．