長輸管道SCADA系統(tǒng)時鐘同步分析及優(yōu)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(tǒng)時鐘同步分析及優(yōu)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(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)的網(wǎng)絡(luò)時鐘同步方案無法滿足管道泄漏報警定位系統(tǒng)對時鐘同步誤差的要求，同時需要在各個輸油站安裝GPS標(biāo)準(zhǔn)時鐘，該方案存在安全隱患，并且不利于今后時鐘不同系統(tǒng)的升級改造。針對上述缺陷，引入了IEEE 1558(PTP)協(xié)議邊界時鐘的優(yōu)化方案，有效地解決了典型方案中的缺陷。

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)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(zhì)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(shè)立調(diào)度控制中心，由數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)中心控制、站控和就地控制相結(jié)合的控制方式。隨著分布式系統(tǒng)范圍的擴(kuò)大，對時間同步的要求越來越嚴(yán)格，根據(jù)QSY GD0180—2008[2]的技術(shù)要求,應(yīng)滿足時鐘同步的誤差不大于100 ms，負(fù)壓波[3]法泄漏定位準(zhǔn)確率才能保證在百米。其次，時鐘不同步造成設(shè)備時鐘跳變時，壓力趨勢線偶爾出現(xiàn)斷點，影響了泄漏檢測的分析。對于使用ESD系統(tǒng)的輸氣管線，進(jìn)行故障分析時，也必須實現(xiàn)ESD和RTU，PLC，流量計算機、液位和裝車系統(tǒng)等控制層設(shè)備的時間同步[4]。由于存在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲等系統(tǒng)固有的問題，必須尋求一種更加有效的時間同步技術(shù)用于提高系統(tǒng)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(diào)度控制(中控)、站場輔助監(jiān)視控制(站控)和輸油站現(xiàn)場就地操作的三級控制模式。為保證長輸管道SCADA控制系統(tǒng)中各控制節(jié)點之間時鐘同步，通常采用GPS精密時鐘系統(tǒng)對系統(tǒng)內(nèi)各控制節(jié)點通過專有協(xié)議逐層授時的方式進(jìn)行時間同步[6]，其授時網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

圖1 典型網(wǎng)絡(luò)時鐘同步結(jié)構(gòu)示意

影響網(wǎng)絡(luò)時鐘同步精度的四個因素包括： 操作系統(tǒng)與協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)元件、時鐘的不穩(wěn)定性和時鐘的分辨率。分析可知： 操作系統(tǒng)層面上的時鐘同步精度只有0.1 ms，因為NTP協(xié)議是在操作系統(tǒng)的應(yīng)用層對傳輸數(shù)據(jù)打時間標(biāo)簽[7]，所以圖1所示的網(wǎng)絡(luò)授時結(jié)構(gòu)，其授時精度不但受到操作系統(tǒng)的影響，而且也受到網(wǎng)絡(luò)延時以及中轉(zhuǎn)設(shè)備的影響。該授時方法的時鐘同步精度在局域網(wǎng)內(nèi)可以達(dá)到毫秒級，當(dāng)其在跨越不同子網(wǎng)時，由于受多個子網(wǎng)的設(shè)備影響，實際應(yīng)用中其時鐘同步誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100 ms。該精度無法滿足采用負(fù)壓波技術(shù)的管道泄漏報警定位系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)行單獨的時鐘同步。該方式不但需要大量使用GPS設(shè)備，也使報警系統(tǒng)內(nèi)的授時設(shè)備更換和升級變得困難。

2 時鐘同步系統(tǒng)優(yōu)化方案

由美國電氣和電子工程師協(xié)會于2002年頒布的IEEE 1558(PTP)協(xié)議，只需在原有網(wǎng)絡(luò)上添加少量報文和數(shù)據(jù)包共享網(wǎng)絡(luò)，即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)需對時設(shè)備的時鐘同步，從而降低了GPS精密時鐘的使用數(shù)量，降低了時鐘同步系統(tǒng)的成本，而且該協(xié)議獨立于操作系統(tǒng)之外，從而使網(wǎng)絡(luò)時鐘的精度可以達(dá)到微秒級。IEEE 1558(PTP)協(xié)議支持多播網(wǎng)絡(luò)，但是在進(jìn)行跨子網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)元件中加入1個時鐘且與祖母時鐘同步，從而消除網(wǎng)絡(luò)元件的抖動，而且也不會受到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響。在實際應(yīng)用中可以選用透明的IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為邊界時鐘[8]。目前，該授時方案已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)SCADA系統(tǒng)中。

利用IEEE 1558協(xié)議，可將圖1所示的網(wǎng)絡(luò)授時結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)長輸管道上、下游輸油站具有工藝操作相關(guān)性的特性，以相鄰的3個輸油站的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例說明授時系統(tǒng)關(guān)系： 整個長輸管道SCADA控制系統(tǒng)設(shè)置1套GPS精密時鐘作為祖母時鐘；透明的IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為邊界時鐘，上下相關(guān)聯(lián)的3個輸油站以該邊界時鐘作為主時鐘源，站控級服務(wù)器、泄漏報警定位系統(tǒng)與該邊界時鐘進(jìn)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(xié)議與站控服務(wù)器進(jìn)行時鐘同步。該授時方案，不但可以使SCADA系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到100 ms的精度，而且由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)對時功能，可以為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障分析提供網(wǎng)絡(luò)傳輸事件的時間相關(guān)性。同時IEEE 1588的網(wǎng)絡(luò)時鐘同步功能也為電氣SCADA系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)等接入并方便獲取同步時鐘提供了便利。其授時網(wǎng)絡(luò)時鐘同步結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對比圖1和圖2可以看出： 圖1所示授時結(jié)構(gòu)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(tǒng)單獨設(shè)置GPS時鐘；采用圖2所示結(jié)構(gòu)后，管道泄漏報警定位系統(tǒng)直接與作為邊界時鐘的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備同步時鐘即可，減少了GPS時鐘的使用數(shù)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(wù)器到本站控制層的PLC控制器、ESD控制器這一層采用專有協(xié)議進(jìn)行授時，其時鐘同步精度得到了大幅提高。

圖2 優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)時鐘同步結(jié)構(gòu)示意

3 結(jié)束語

從上述兩種方案對比分析可知： 在選擇控制系統(tǒng)的時鐘同步方案時，需要對系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝操作需求，確定合理、經(jīng)濟(jì)的方案；由于影響控制系統(tǒng)內(nèi)時鐘精度的因素是多種多樣的，切不可為保證系統(tǒng)內(nèi)某一局部精度而隨意增加GPS標(biāo)準(zhǔn)時鐘的設(shè)置，否則會造成系統(tǒng)內(nèi)時鐘同步設(shè)備龐大，不但增加了投資，而且給系統(tǒng)后期升級改造帶來諸多麻煩。同時，隨著中國北斗衛(wèi)星的發(fā)展[9]，使用北斗系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)時鐘，必將成為一種更加安全的授時方式。

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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(yè)于中國石油大學(xué)(北京)控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)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

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1007-7324(2013)05-0068-02