GPS時鐘源在控制系統中的應用

鄧開進，李華山，袁 野

（中國石油天然氣股份有限公司 烏魯木齊石化分公司，烏魯木齊 830019）

0 引言

烏石化公司化肥廠二化裝置作為烏石化公司的重要的生產設備，其多項指標創化肥行業記錄，年生產能力為3×105t合成氨、5.2×105t尿素。合成氨采用的是布朗工藝，節能效果明顯，裝置分轉換、脫碳、合成、凈化等。尿素裝置采用斯塔米卡邦的CO2氣體工藝。2012年控制系統升級改造，改造后的系統構成為：橫河CS3000系統作為過程控制系統；1套TRICON ESD系統作為工藝聯鎖保護系統及小冰機的控制；3套TRICONEX TS3000系統作為機組控制系統，控制合成氨裝置四大機組及尿素機組。改造完成后由于幾套系統都有自己的時鐘，系統之間時鐘有偏差，因此，引進1套時鐘源用于系統間的時鐘同步。

1 控制系統中時鐘同步的意義

化工生產的工藝控制系統的自控率較高，無論是負荷控制、工藝PID調節、設備聯鎖保護以及順序控制都需要幾套不同自控系統之間的互相配合才能夠完成。其中絕大多數的操作都與系統時鐘相關，所以幾套系統之間的時鐘同步就具有重要意義。

同時特別需要指出的是對于化工企業這種高危行業而言事故分析對于企業的安全生產也具有重要意義，本廠原來幾套系統間各自都是獨立的時鐘，出現事故后分析事故原因非常不便，幾套控制系統的時鐘同步能夠保證事故發生時各個系統的SOE、報警信息、聯鎖信息的同步性，從而保證幾套系統的數據在事故分析時具有相互參考的價值。

2 NANO-200GPS技術參數[1]

本次技改本廠選用的是西安納諾電子科技有限公司的NANO-200GPS時鐘源，它具有授時精度高，運行穩定，可提供多路授時信號等特點，具體技術參數如下。

2.1 時碼源部分

1）時間源：GPS衛星時間信號。

2）時間精度：≤1μs。

3）同步捕獲時間：≤10min。

2.2 網絡授時部分

1）網絡協議：NTP/SNTP。

2）網絡接口：10/100Mbps RJ45接口。

3）授時精度：在100次/s用戶請求以內，精度0ms～200ms(典型值)。

4）可獨立配置的10/100Mbps自適應網絡接口6路。

2.3 設備顯示控制部分

1）通過WEB方式進行參數設置。

2）液晶顯示屏。

3）電源指示燈。

4）GPS工作狀態。

5）年（4位）/月（2位）/日（2位）/時（2位）/分（2位）/秒（2位）UTC時間。

6）經度（度/分/秒）、緯度（度/分/秒）、高度（米）。

7）系統設置按鈕。

8）各路網絡接口設置按鈕。

2.4 設備接口

六路可獨立設置IP地址的RJ45接口，如圖1 所示。

圖1 設備外觀圖Fig.1 Equipment appearance fi gure

3 GPS時鐘同步系統的具體搭建

本次搭建同步時鐘的控制系統包括1套DCS系統和4套TRICON SIS系統。DCS系統用于本廠二化合成、尿素裝置的過程控制，其中包括PID控制以及順序控制等。

1套TRICON SIS系統用于合成裝置的聯鎖保護及2臺小冰機和1臺事故冰機的控制，它與DCS系統之間通過RS485實現通訊。

1套TRICON SIS系統用于合成裝置的4大機組的調速、防喘振、狀態檢測及聯鎖保護控制，與DCS沒有通訊，需共享和交換的數據通過硬接線實現。

1套TRICON SIS系統用于合成裝置的燃氣輪機的調速、導葉控制、狀態檢測及聯鎖保護控制，與DCS沒有通訊，需共享和交換的數據通過硬接線實現。

1套TRICON SIS系統用于尿素裝置的CO2壓縮機及4臺高速離心泵的調速、防喘振、狀態檢測及聯鎖保護控制，與DCS沒有通訊，需共享和交換的數據通過硬接線實現。

原來5套系統間沒有進行時鐘同步，定期手動校時，本次引進GPS時鐘源目的是實現系統間的時鐘同步。

3.1 NANO-200GPS主時鐘的搭建和顯示說明

主時鐘的搭建主要分為兩個步驟：

1）NANO-200GPS服務器的外設連接。

在戶外設置GPS天線于信號良好無干擾的位置。

正確連接設備的電源、網線、GPS天線延伸線。

打開電源顯示“WAITING FOR GPS SIGNAL”表明連接正確，設備正在捕獲GPS衛星信號。

2）服務器與授時計算機的通訊搭建[2]：

按下設備面板上“SETUP”按鈕，SETUP按鈕的紅色指示燈亮后，選擇要設定的網絡接口，對設備IP地址進行設置（僅在第一次使用時或對IP地址進行修改時才需要設置，運行時保證“SETUP”按鈕處于彈起狀態）。

3）記錄下當前顯示的設備IP地址、子網掩碼、網關信息。

連接一臺PC與設備到同網段，保證PC的IP地址與子網掩碼與設備在同一網段，然后就可以進行PC的設置了。在IE瀏覽器中輸入設備IP出現窗口界面。

4）在出現的設置界面中輸入需要設置的IP地址、子網掩碼、網關等信息后，點擊“SUBMIT”（IP地址要保證控制系統與校時系統在一個網段上）。

5）在PC上安裝授時SNTP客戶端軟件（校時系統自帶）。

3.2 SNTP2.4NTP 客戶服務端軟件配置及使用說明[2]

3.2.1 主界面

界面包括幾個功能菜單：

1）測時：測量服務器與本機時間偏差，不會更改計算機時鐘。

2）校準：使用點擊測時菜單或按鈕測量得出服務器與本機時間的偏差值更改本機時間。

3）設置：打開設置欄，如圖2 所示。

圖2 主界面圖Fig.2 Main interface fi gure

3.2.2 設置欄打開后的主界面

1）服務器1IP：NTP服務器1的IP地址。

2）服務器2IP：NTP服務器2的IP地址；在服務器1無法連接時，自動切換到服務器2，反之亦然。

3）本機端口：本機所使用的UDP端口，用戶可以自行調整。

4）監測機IP：運行SNTPD軟件的計算機IP地址。

5）時差限制：在定時校時功能開啟后，當服務器與本機自動檢測出的時差大于設定值后，不允許自動調整計算機時間，以防止自動模式下時間被錯誤的改動。

6）校時數據保存：保存測量和校時的數據到相應的文件下。

3.3 DCS系統的GPS時鐘同步

本廠DCS系統選用的是橫河公司的CS3000系統。該系統由控制站、操作站、工程師站及輔助機柜組成，實現時鐘同步需在工程師站安裝SNTP客戶端軟件，安裝完成后按照前面3.2配置說明配置好后運行軟件即可，系統運行時要保證該軟件一直在運行，時鐘同步的應用對DCS系統的趨勢和歷史信息有一點的影響，如果處理不當就可能造成數據丟失，嚴重時可能造成事故。本廠的應用考慮到這個問題，對時鐘同步的時間間隔做了設置，每5min對時一次，這樣每次時間按調整值都是ms級，而DCS掃描周期都在1s左右，所以時間調整對系統趨勢及歷史信息沒有影響，而且本廠還設置了當時差超過500ms是不執行時間調整，系統依據內部時鐘繼續運行，確保在時鐘源出現問題時，系統工作正常。需要指出的是由于CS3000系統對IP地址有要求，末位地址必須是128以上，如192.168.131.129到192.168.131.192之間，GPS時鐘源地址只需要在同一網段，與控制系統地址不沖突即可，但在實際應用中發現，地址設到128以下時，SNTP客戶端軟件雖然在工作，但實際DCS時鐘并沒有被修改，后來將地址設到128以上（本廠設的是254），時鐘同步工作正常，對此咨詢了橫河廠家以及GPS時鐘源廠家，都沒有一個合理的解釋。

3.4 TRICON系統的GPS時鐘同步[3]

3.4.1 TRICON V10系統與GPS時鐘的同步

TRICON V1O系統通訊卡是TCM卡，可以直接與外部時鐘源進行時鐘同步，無需安裝SNTP客戶端軟件，只需將時鐘源接入本系統交換機即可，如圖3所示。從這里可以看出，TRICON V10系統與GPS時鐘源是實時進行同步，時鐘偏差可以忽略不計，對系統的趨勢及歷史記錄不存在影響，只是會占用一點系統的掃描周期。具體設置如下：

1）打開station 1131軟件，進入需要同步的項目，打開后進入Configuration硬件組態。

2）選擇1#機架雙擊TCM卡。打開屬性窗口，在窗口中點擊SETUP打開設置窗口。

3）在設置窗口中點擊TIME SYNC 選項卡，確認選擇left slot，在側邊窗中選擇SNTP，網絡選擇NET。IP地址輸入GPS 主時鐘IP確認退出。

4）保存設置，進入controller panel。聯機，編譯無誤后即可下裝。

5）下裝后進入controller panelUTILITYSystime修改時間，觀察是否會自動校時，確認配置效果。

3.4.2 TRICON V8、V9系統與GPS時鐘的同步

這里討論的是系統中存在V10系統時的配置過程，即以V10系統作為主站情況來說明，由于V8、V9系統所使用的通訊卡NCM卡無法與GPS時鐘直接通訊所以采用以下方式：

1）幾套系統是通過P to P方式進行通訊的，其中以V10為主站、其他站為從站V8、V9系統通過1臺帶有BNC的HUB與V10相連。幾套系統要配置在一個網段內，V10系統設置為NODE1，其余幾套系統依次設置為NODE2NODE3等；由于V8、V9系統的通訊卡NCM卡是BNC接口，所以需用BNC同軸電纜將幾套V8、V9系統通過NCM卡的NET1口串聯起來，接入HUB的BNC口，T型頭終端用50Ω終端電阻封堵；V10系統系統的通訊卡TCM卡是RJ45接口，所以需用網線將V10系統接入HUB的RJ45口。

2）在V8、V9站上打開station 1131軟件，打開后進入Configuration硬件組態。打開NCM卡，在ON Net選項卡中勾選enable time synchan with tricon main，如圖4所示。

3）在V10站上打開station 1131軟件，打開后進入Configuration硬件組態。打開TCM卡，在Peer to peer選項卡中勾選enable commoncation with TRICON V9/V8 Peer to Peer system，如圖5所示。

3.5 計算機時鐘與GPS時鐘的同步

控制系統與GPS時鐘同步后，在有些控制系統中，操作站時鐘并不隨系統時鐘同步，造成操作站與機架時鐘不同步，容易造成一些誤解，所以需對操作站時鐘與系統時鐘同步，一般做法是在上位程序中編寫腳本文件，定期進行同步。由于各個廠家軟件腳本文件不盡相同，在此不做贅述。現在有了GPS時鐘源后，可以將上位計算機直接與GPS時鐘源同步，具體做法如下。

3.5.1 PC機WinXP的配置過程

1）在開始菜單中的運行里，輸入gpedit.msc運行，如圖6所示。

2）在彈出的窗口中打開管理面板，單擊系統---windows時間服務---時間提供程序---配置windowsNTP客戶端，如圖7所示。

3）在彈出的窗口中在NTP server輸入GPS時鐘源的IP（注意后綴0x1要保留）類型選擇為NTP，在Speciol pollintrval中設置同步周期，如圖8所示。

以上配置需要先完成GPS時鐘客戶端的安裝并保證其功能正常。

3.5.2 PC機Windows其他版本的配置過程

各個版本的windows的配置方式基本相同，都是在windows時間服務中進行配置的。相關進入方法不在此處贅述，須指出的是windows2000以下版本不支持此項功能[4]。

4 結束語

本系統投入使用后運行穩定，各系統間時鐘誤差都在ms級，應用非常成功。GPS時鐘同步的應用對于化工企業，當然還有一些其他高危行業的自動控制及聯鎖保護系統而言具有重要意義，是控制系統特別是多套控制系統配合工作的可靠保證。所以，GPS時鐘同步應用的推廣也具有重要意義。

[1]佚名.NANO-200GPS主時鐘用戶手冊[Z].西安納諾電子科技有限公司.

[2]佚名.中國石油烏魯木齊石化公司二合成隱患治理系統竣工資料[Z].北京康吉森自動化設備技術有限公司.

[3]張曉飛.GPS同步時鐘技術在電力系統中的應用分析[J].廣西電業,2009(4).

[4]姬志民,宋博,任煥龍,等.GPS時鐘同步系統在電廠變電站中的應用[J].河北電力技術,2011(6).