GPS時(shí)鐘同步技術(shù)在350萬t/a柴油加氫及其配套裝置中的應(yīng)用

王 蓉 吳建民

(中國石油蘭州石化公司，蘭州 730060)

隨著科學(xué)技術(shù)與國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工控系統(tǒng)也隨之蓬勃發(fā)展。石化項(xiàng)目(如百萬噸乙烯及千萬噸煉油等)也日益趨向大型化、一體化和智能化。一個(gè)大型的石化項(xiàng)目往往集成有多套程控系統(tǒng)，如DCS、SIS及CCS等，這些系統(tǒng)在功能和網(wǎng)絡(luò)上分別獨(dú)立，并各自采用獨(dú)立的時(shí)鐘。由于時(shí)鐘產(chǎn)品質(zhì)量存在差異，因此在對時(shí)精度上也存在一定的偏差，而且當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間越長，其積累的偏差就越大，從而使各裝置乃至全廠的系統(tǒng)時(shí)間不能統(tǒng)一，這種差異給裝置在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)故障后的分析造成了較大的阻礙。如果操作站和控制站的時(shí)鐘不同步，那么SOE事件記錄、歷史趨勢、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)同步等功能都將受到嚴(yán)重影響。

筆者以中國石油蘭州石化公司的350萬t/a柴油加氫和配套5萬Nm3制氫裝置程控系統(tǒng)為例，介紹時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拇罱ǎ约袄酶飨到y(tǒng)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與GPS時(shí)鐘同步服務(wù)器時(shí)鐘的同步設(shè)置方法。

1 GPS時(shí)鐘同步原理①

世界上大多數(shù)國家采用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)度是基于地球自轉(zhuǎn)的世界協(xié)調(diào)時(shí)(Universal Time Coordinated，UTC)和基于地球公轉(zhuǎn)的公歷，UTC時(shí)間通過多種途徑傳播，如無線與GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、電話調(diào)制解調(diào)器及便攜式計(jì)數(shù)器等。GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上都安裝有精密的原子鐘，并由監(jiān)測站經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)。衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航信息的同時(shí)也發(fā)送精確的時(shí)間信息。GPS接收機(jī)接收此信息，并同步于自身時(shí)鐘，獲得準(zhǔn)確的時(shí)間。因此，GPS接收機(jī)除了能準(zhǔn)確定位之外，還可以產(chǎn)生精確的時(shí)間信息。目前自動化系統(tǒng)采用的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)就是UTC。

GPS網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步服務(wù)器又稱網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network Time Protocol,NTP)時(shí)間服務(wù)器。時(shí)間服務(wù)器是對自動化系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)及控制裝置等進(jìn)行校時(shí)的高科技產(chǎn)品。NTP是用于互聯(lián)網(wǎng)中時(shí)間同步的標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，也用于把計(jì)算機(jī)的時(shí)間同步到某些時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。NTP時(shí)間服務(wù)器從GPS衛(wèi)星上獲取UTC信號，并將這些信息通過各種類型的接口傳輸給自動化系統(tǒng)中需要時(shí)間信息的設(shè)備(如計(jì)算機(jī)、保護(hù)裝置、故障錄波器、事件順序記錄裝置、安全自動裝置和遠(yuǎn)動RTU)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)間同步。

2 NTP協(xié)議的對時(shí)方法

NTP協(xié)議的精確對時(shí)主要是在主-從工作方式下實(shí)現(xiàn)的。NTP算法首先根據(jù)服務(wù)器和客戶端的往返報(bào)文來確定兩地時(shí)鐘的差值和報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲。服務(wù)器與客戶端的對時(shí)過程如圖1所示。

圖1 服務(wù)器與客戶端的對時(shí)過程

圖中，T1和T4是客戶端時(shí)鐘記錄的發(fā)送和接收NTP報(bào)文的時(shí)間；T2和T3是服務(wù)器端時(shí)鐘記錄的接收和發(fā)送NTP報(bào)文的時(shí)間。假設(shè)服務(wù)器的時(shí)鐘是準(zhǔn)確的，服務(wù)器和客戶端時(shí)鐘的時(shí)間偏差是a，從客戶端發(fā)送報(bào)文到服務(wù)器端的路徑延遲是b1，從服務(wù)器發(fā)送報(bào)文到客戶端的路徑延遲是b2，路徑延遲總和是b，那么可以列出3個(gè)方程：

T2-T1=a+b1

(1)

T4-T3=b2-a

(2)

b1+b2=b

(3)

假設(shè)從客戶端到服務(wù)器的路徑延遲和從服務(wù)器到客戶端的路徑延遲相等，即b1=b2=b/2，以上3個(gè)方程變成：

T2-T1=a+b/2

(4)

T4-T3=b/2-a

(5)

由式(4)、(5)可以求出服務(wù)器和客戶端時(shí)鐘的時(shí)間偏差為：

a=[(T2-T1)+(T3-T4)]/2

(6)

客戶端與服務(wù)器端總的網(wǎng)絡(luò)路徑延遲為：

b=(T4-T1)-(T3-T2)

(7)

客戶端與服務(wù)器之間的時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò)延遲如圖2所示。客戶端向網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步服務(wù)器發(fā)送同步請求，然后收到含有T1、T2、T3和T4時(shí)間戳的報(bào)文，并計(jì)算出時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò)路徑延遲，調(diào)整自己的時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的統(tǒng)一。

圖2 時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò)延遲

3 時(shí)鐘同步方案的制定

中國石油蘭州石化公司某350萬t/a柴油加氫是一套柴油精制裝置，它的原料之一是氫氣，主要來自于5萬Nm3/h制氫裝置。加氫裝置與制氫裝置共有兩套Centum CS3000、兩套Deltav SIS和一套CCS機(jī)組控制系統(tǒng)。

350萬t/a柴油加氫項(xiàng)目采用了HY-N系列的GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘同步時(shí)間服務(wù)器，該服務(wù)器提供了3個(gè)NTP網(wǎng)絡(luò)RJ45接口：網(wǎng)絡(luò)接口NTP1默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.0.254，網(wǎng)絡(luò)接口NTP2默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.1.254，網(wǎng)絡(luò)接口NTP3默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.2.254；子網(wǎng)掩碼均為255.255.255.0。由此，搭建的程控系統(tǒng)時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 程控系統(tǒng)時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

4 系統(tǒng)時(shí)鐘同步的實(shí)現(xiàn)

4.1 Centum CS3000

Centum CS3000系統(tǒng)可以調(diào)整域內(nèi)時(shí)間，在與V網(wǎng)連接的各站中，除過OS具有的OS時(shí)鐘之外，還有V網(wǎng)平臺保持的Vehicle時(shí)鐘。程控系統(tǒng)內(nèi)全部以Vehicles時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)系統(tǒng)啟動時(shí)，域內(nèi)最初啟動的HIS站成為時(shí)間主站，時(shí)間主站發(fā)送時(shí)間同報(bào)信息，從站接收并調(diào)整時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)時(shí)間統(tǒng)一。

時(shí)間主站要從時(shí)鐘同步服務(wù)器上獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，還需要在System View界面內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。該功能基于SNTP協(xié)議，Centum CS3000時(shí)鐘同步組態(tài)設(shè)置界面如圖4所示，F(xiàn)CS01和FCS02為兩個(gè)控制站，HIS0161、HIS0162和HIS0163分別為3個(gè)操作站，HIS0164為工程師站。將各自域?qū)傩詢?nèi)的SNTP Server IP Address設(shè)置為時(shí)鐘同步服務(wù)器相應(yīng)NTP2端口的IP地址即可。

圖4 Centum CS3000系統(tǒng)時(shí)鐘同步組態(tài)設(shè)置界面

4.2 SIS系統(tǒng)

DeltaV系統(tǒng)的主時(shí)間源可以是系統(tǒng)中的任意一個(gè)工作站，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間需要手動(靜態(tài))校對時(shí)，可以使用設(shè)置/同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間(Set/Synchronize Network time)工具中的DeltaV System time對話框設(shè)置。如果系統(tǒng)時(shí)間來自于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器，則不需要設(shè)置DeltaV系統(tǒng)時(shí)間對話框。由于修改主時(shí)間源工作站的Windows操作系統(tǒng)時(shí)間等于間接修改了DeltaV系統(tǒng)時(shí)間，因此可以將從網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器獲取的數(shù)據(jù)直接作為Windows系統(tǒng)時(shí)間的設(shè)定值。

圖5 客服端軟件對話框

在圖5中，需要填入網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器NTP1端口IP地址192.168.0.254(制氫)及周期60s等相應(yīng)選項(xiàng)。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘客戶端設(shè)置完成，即可同步(動態(tài))主時(shí)間源工作站的Windows系統(tǒng)時(shí)間。

其次還需要在DeltaV系統(tǒng)中設(shè)置安裝了同步軟件的計(jì)算機(jī)為主時(shí)間源，SIS系統(tǒng)主站設(shè)置方法如圖6所示。

圖6 SIS系統(tǒng)主站設(shè)置界面

打開Explorer，選中菜單樹的Physical Network，鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊Properties，在Physical Network Properties窗口中選中標(biāo)簽System Time，在Master Time Server中填寫ES，即系統(tǒng)時(shí)間源為工程師站ES。確定完時(shí)間主站后，DeltaV SIS便能與GPS時(shí)鐘同步服務(wù)器進(jìn)行時(shí)鐘同步了。

4.3 CCS系統(tǒng)

350萬t/a加氫裝置機(jī)組選用的控制系統(tǒng)是CCS TS3000，該系統(tǒng)的時(shí)間同步源來自Centum CS3000系統(tǒng)，通過雙方系統(tǒng)內(nèi)部組態(tài)和程序的編寫，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的同步。

在DCS中編寫了名為JZ_TIME(_SFCPB)的功能模塊實(shí)現(xiàn)DCS與CCS之間的時(shí)鐘同步，當(dāng)DCS系統(tǒng)的時(shí)間為1：00：00時(shí)，發(fā)送數(shù)字量通知TS3000系統(tǒng)，TS3000系統(tǒng)獲取同步信息后同步本系統(tǒng)時(shí)鐘為1：00：00，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的同步。程序代碼如下：

Global block %SW JZTIMESW

Integer HH,MI,SS

START:

gettime(HH,MI,SS)

if(HH==1 AND MI==00 AND SS==00)then

JZTIMESW.PV=1

else

JZTIMESW.PV=0

end if

goto START

5 結(jié)束語

中國石油蘭州石化公司的5萬Nm3制氫和350萬t/a柴油加氫裝置從開車到現(xiàn)在已運(yùn)行半年多，兩套裝置的系統(tǒng)時(shí)間始終與GPS網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器時(shí)間保持一致并同步于UTC。實(shí)踐證明，在使用了GPS網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)后，SIS與DCS的事件記錄和歷史趨勢記錄能夠精準(zhǔn)匹配，在裝置工況出現(xiàn)波動和設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，經(jīng)過時(shí)間同步的各項(xiàng)記錄能夠給故障分析提供可靠的依據(jù)，不僅縮短了分析時(shí)間，而且降低了維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度，在得出準(zhǔn)確分析結(jié)果的同時(shí)，給裝置的長周期運(yùn)行打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。時(shí)間同步技術(shù)在制氫、加氫裝置中的成功應(yīng)用也為其他裝置控制系統(tǒng)間的時(shí)鐘同步提供了參考和借鑒。