長輸管道SCADA系統時鐘同步分析及優化

董列武，陳秀麗(中國石化銷售有限公司，北京 100728)

長輸管道SCADA系統時鐘同步分析及優化

董列武，陳秀麗
(中國石化銷售有限公司，北京 100728)

典型長輸管道的數據采集與監視控制系統(SCADA)的網絡時鐘同步方案無法滿足管道泄漏報警定位系統對時鐘同步誤差的要求，同時需要在各個輸油站安裝GPS標準時鐘，該方案存在安全隱患，并且不利于今后時鐘不同系統的升級改造。針對上述缺陷，引入了IEEE 1558(PTP)協議邊界時鐘的優化方案，有效地解決了典型方案中的缺陷。

數據采集與監視控制 長輸管道 管道泄漏報警 時鐘同步 邊界時鐘

長輸管道輸送介質多為天然氣、原油、成品油等[1]，具有分布廣泛、站點較多的特點，一般設立調度控制中心，由數據采集與監視控制系統(SCADA)進行集中監控、統一調度，實現中心控制、站控和就地控制相結合的控制方式。隨著分布式系統范圍的擴大，對時間同步的要求越來越嚴格，根據QSY GD0180—2008[2]的技術要求,應滿足時鐘同步的誤差不大于100 ms，負壓波[3]法泄漏定位準確率才能保證在百米。其次，時鐘不同步造成設備時鐘跳變時，壓力趨勢線偶爾出現斷點，影響了泄漏檢測的分析。對于使用ESD系統的輸氣管線，進行故障分析時，也必須實現ESD和RTU，PLC，流量計算機、液位和裝車系統等控制層設備的時間同步[4]。由于存在數據網絡傳輸延遲等系統固有的問題，必須尋求一種更加有效的時間同步技術用于提高系統各個站點之間的時鐘不同精度[5]。

1 案例分析

長輸管道SCADA通常采用： 中心集中調度控制(中控)、站場輔助監視控制(站控)和輸油站現場就地操作的三級控制模式。為保證長輸管道SCADA控制系統中各控制節點之間時鐘同步，通常采用GPS精密時鐘系統對系統內各控制節點通過專有協議逐層授時的方式進行時間同步[6]，其授時網絡結構如圖1所示。

圖1中，主、備中控服務器從祖母GPS時鐘獲取標準時間，站控服務器從主、備中控服務器獲取標準時間，然后站控服務器用其獲取的標準時間采用專有協議對站場PLC控制器、ESD控制器以及流量計算機等現場控制節點進行時鐘同步。在逐級授時的過程中，各級主、備服務器均可實現授時過程的無擾動切換，授時可采用操作系統內部命令完成，可以采用外掛軟件來實現，也可以使用時間監控軟件對其進行監控。

圖1 典型網絡時鐘同步結構示意

影響網絡時鐘同步精度的四個因素包括： 操作系統與協議棧、網絡元件、時鐘的不穩定性和時鐘的分辨率。分析可知： 操作系統層面上的時鐘同步精度只有0.1 ms，因為NTP協議是在操作系統的應用層對傳輸數據打時間標簽[7]，所以圖1所示的網絡授時結構，其授時精度不但受到操作系統的影響，而且也受到網絡延時以及中轉設備的影響。該授時方法的時鐘同步精度在局域網內可以達到毫秒級，當其在跨越不同子網時，由于受多個子網的設備影響，實際應用中其時鐘同步誤差遠遠大于100 ms。該精度無法滿足采用負壓波技術的管道泄漏報警定位系統的需要。因此，只有在各輸油站均安裝GPS，對管道泄漏報警定位系統進行單獨的時鐘同步。該方式不但需要大量使用GPS設備，也使報警系統內的授時設備更換和升級變得困難。

2 時鐘同步系統優化方案

由美國電氣和電子工程師協會于2002年頒布的IEEE 1558(PTP)協議，只需在原有網絡上添加少量報文和數據包共享網絡，即可實現網絡內需對時設備的時鐘同步，從而降低了GPS精密時鐘的使用數量，降低了時鐘同步系統的成本，而且該協議獨立于操作系統之外，從而使網絡時鐘的精度可以達到微秒級。IEEE 1558(PTP)協議支持多播網絡，但是在進行跨子網同步時必須使用邊界時鐘(Boundary Clock)，且每個域中只有1個祖母時鐘。邊界時鐘是在網絡元件中加入1個時鐘且與祖母時鐘同步，從而消除網絡元件的抖動，而且也不會受到網絡負載的影響。在實際應用中可以選用透明的IEEE 1588網絡設備作為邊界時鐘[8]。目前，該授時方案已經廣泛應用于電力行業SCADA系統中。

利用IEEE 1558協議，可將圖1所示的網絡授時結構進行優化。根據長輸管道上、下游輸油站具有工藝操作相關性的特性，以相鄰的3個輸油站的星型網絡結構為例說明授時系統關系： 整個長輸管道SCADA控制系統設置1套GPS精密時鐘作為祖母時鐘；透明的IEEE 1588網絡設備作為邊界時鐘，上下相關聯的3個輸油站以該邊界時鐘作為主時鐘源，站控級服務器、泄漏報警定位系統與該邊界時鐘進行時鐘同步；站控級控制層的PLC控制器、ESD控制器以及流量計算機則采用專有協議與站控服務器進行時鐘同步。該授時方案，不但可以使SCADA系統內數據傳輸達到100 ms的精度，而且由于網絡設備具有網絡對時功能，可以為網絡設備故障分析提供網絡傳輸事件的時間相關性。同時IEEE 1588的網絡時鐘同步功能也為電氣SCADA系統、工業電視監控系統等接入并方便獲取同步時鐘提供了便利。其授時網絡時鐘同步結構如圖2所示。

對比圖1和圖2可以看出： 圖1所示授時結構為滿足管道泄漏報警的需要，需要為每個站的泄漏報警系統單獨設置GPS時鐘；采用圖2所示結構后，管道泄漏報警定位系統直接與作為邊界時鐘的網絡設備同步時鐘即可，減少了GPS時鐘的使用數量，方便了泄漏報警泄漏后期升級改造。同時，該時鐘同步過程中只有站控級的服務器到本站控制層的PLC控制器、ESD控制器這一層采用專有協議進行授時，其時鐘同步精度得到了大幅提高。

圖2 優化后網絡時鐘同步結構示意

3 結束語

從上述兩種方案對比分析可知： 在選擇控制系統的時鐘同步方案時，需要對系統進行全面分析，根據控制系統的工藝操作需求，確定合理、經濟的方案；由于影響控制系統內時鐘精度的因素是多種多樣的，切不可為保證系統內某一局部精度而隨意增加GPS標準時鐘的設置，否則會造成系統內時鐘同步設備龐大，不但增加了投資，而且給系統后期升級改造帶來諸多麻煩。同時，隨著中國北斗衛星的發展[9]，使用北斗系統提供的標準時鐘，必將成為一種更加安全的授時方式。

[1]陳秀麗.長輸管道SCADA系統選型與應用[J].石油化工自動化,2012,48(03):26-27.

[2]夏海波，張來斌，王朝暉.基于GPS時間標簽的管道泄漏定位方法[J].計算機測量與控制，2003,11(03)： 161-162.

[3]丁新,隋青美,蔣奇,等.長輸管道泄漏檢測技術現狀及發展[C]//中國自動化學會第19屆青年學術會議.北京： 中國自動化學會，2004:504-507.

[4]魏華.利用GPS實現控制系統時鐘同步[J].石油化工自動化,2010,46(05):44-46.

[5] 陳炯聰.IEEE 1588同步技術在電力系統中的應用[M].3版.北京:中國電力出版社,2012:201-212.

[6]胡景軍,陳云.成品油管道SCADA系統的跨平臺時鐘同步技術[J].計算機系統應用,2012,21(09):137-139.

[7]陳艷.輸油管道泄漏檢測與定位技術研究[D].河北： 燕山大學,2004.

[8]汪祺航,吳在軍,趙上林,等.IEEE 1588時鐘同步技術在數字化變電站中的應用[J].電力系統保護與控制,2010,38(19):137-142.

[9]唐金元,于潞,王思臣.北斗衛星導航定位系統應用現狀分析[J].全球定位系統,2008(02):26-28.

[10] 梁翕章.國外成品油管道運行與管理[M].北京:石油工業出版社,2010:26-27.

稿件收到日期：2013-04-12，修改稿收到日期2013-06-11。

董列武(1979—)，男，畢業于中國石油大學(北京)控制理論與控制工程專業，獲碩士學位，現就職于中國石化銷售有限公司，從事成品油管道運行管理工作，任工程師。

TH714.1；TP274

B

1007-7324(2013)05-0068-02