基于NTP的多系統間時鐘同步方法的探索和研究

張 洋

國能集團寧夏煤業集團有限公司煤制油分公司儀表管理中心 寧夏 銀川 750411

引言

近年來,受國內產能過剩,經濟轉型升級的影響。淘汰落后且低產能裝置成為趨勢。能源化工中百萬噸,千萬噸級裝置的新建和投產,同樣給儀表和自控專業帶來新的要求和挑戰。國家對于能源化工裝置在機型和節能環保等方面的新要求,未來設備集成化和控制點數增多以及控制系統種類也會更加復雜化和多樣化。

在工程設計前期階段,時鐘同步往往只預留接口,等各個控制系統到廠后才進行配置調試。但是由于項目的總體進度要求,往往會出現已經投產的設備沒有完全具備時鐘同步的條件。而時間的準確性因事故的責任劃分等因素,是生產裝置停車的關鍵因素。

在控制系統中,受時間影響的功能很多,如控制系統的報警、趨勢、事件記錄等。這些記錄的時間又來源于不同的控制器、工作站和服務器等其他裝置,它們對于穩定運行、事故原因分析,故障處理等都非常重要。基于這樣的情況,本文簡述空分裝置DCS、SIS、ITCC三個控制系統時鐘同步出現的問題及解決方法,對于解決這樣問題以及有借鑒作用。

一、實施的理論依據

NTP(Net work Ti me Protocol,網絡時間協議)是網絡中用于時間同步的標準協議。它采用Client/Server模式,NTP客戶端借助NTP協議,從NTP服務器獲取準確的時間。NTP服務器的時間通常來源于一個權威的時間源,如原子鐘、GPS時鐘、Internet上的時間服務器。NTP不僅校正時間,而且能夠持續跟蹤時間的變化,并自動進行調節,從而使采用NTP協議的客戶端能從網絡中獲取可靠和精確的時間同步。

NTP時鐘同步系統是針對計算機、自動化裝置等設備進行校時而研發的高科技產品,NTP時鐘同步系統可以接收北斗衛星、GPS、CDMA、PTP、B碼等外部時間基準信號。我廠現在就采用的是基于GPS定位的時鐘同步系統,為研究增加可行性。

二、實施過程

2.1 空分裝置時鐘同步構架 神華寧煤400萬噸煤制油空分裝置共分為兩個獨立系列。每個系列6 套空分裝置,共12 套空分裝置。其中11套機組采用曼透平成套設備,帶獨立透平控制系統(ITCC)加11套安全儀表系統(SIS)。曼透平ITCC就近位于現場靠近機組廠房的透平控制小屋(TCC)內。1套機組采用沈鼓成套設備,為獨立透平控制系統(ITCC)與安全儀表系統(SIS)一體式設計。單套空分主體部分采用集散控制系統(DCS)。

其中DCS采用Emerson Delta V。整體通過PLUS站主動進行系統時間同步,這樣可以確保所有工作站和控制器同步[1]。

SIS采用Schneider Triconx。采用SNTP服務器接收GPS時鐘,Triconx通過UDP/IP方式同步master node[2]時間。

曼透平ITCC采用Siemens S7-400 PLC。最初設計為在TCC安裝無線網卡,通過SI M 卡獲取網絡時間后傳遞至PLC 控制器完成時鐘同步,但考慮到伊朗震網(Stuxnet)病毒,工業網絡要與互聯網完全隔離。后期修改為基于NTP接收現有SIS系統時鐘同步服務器時鐘。

2.2 時鐘同步解決方案 TCC 系統于2015 年11 月經歷安裝、調試、試車,但是無法與SIS系統進行時鐘同步,影響機組在事故狀態下跳車先后順序的判斷;在出現異常情況時,TCC,SIS及DCS的時間偏差較大,無法確認儀表動作的先后順序。各個系統的事件記錄以及歷史趨勢顯示的時間,事件的先后順序不一致,不統一。在進行事故分析時,無法滿足必要的參考價值,系統間事件發生的時間還會有沖突的地方,同時造成判斷的干擾,事故分析不能明確責任。調試期間柜內未設計時鐘同步網絡通訊電纜,利用此次檢修機會,對控制柜內進行改造,增加時鐘同步網絡模塊。統一空分裝置DCS、SIS、TCC 系統的時鐘計時模塊,進一步增加事故分析的準確性和說服性。

ITCC時鐘同步的改造涉及到控制系統的下裝,存在設備跳車風險,只能在大修期間進行改造。實際操作中可以通過光纖,交換機等通訊設備將現場各個TCC小屋工業電腦和中央控制室的時鐘服務器連接。在安裝操作過程中注意以下的要求和方式方法：

1.檢查各機柜網絡柜的光纖集線盒線路狀況,確認集線盒內光纖數量滿足機組時鐘同步所需要求;

2.從CCR進行時鐘同步網絡線路到空分各機柜間的布線,在相應網絡柜中加裝時鐘同步網絡交換機,并對交換機供電回路進行改造;

3.從空分機柜間向TCC小屋的時鐘同步網絡布線和標記;

4.在TCC小屋內加裝時鐘同步光電轉換器模塊,連接至TCC 內工業電腦。

5.確認通訊正常后更改TCC系統時鐘同步程序組態。

6.確認各系統間的時間偏差,并進行調整。

7.重新備份機組程序。

2.3 時鐘同步改造后效果 修改完成兩個月后,進行時鐘同步改造的驗收確認工作。

經過更改后,觀察各套機組對應TCC以及SIS系統的時間,如表1所示。對比發現,控制系統內部的時間可以滿足要求,十一號機組的時鐘同步效果最好,而其他的設備均出現了時鐘偏差大的現象。后來根據查找PLC控制系統相關說明發現,西門子PLC需建立NTP 時鐘服務器和NTP 客戶端體系實現時鐘同步,通常以AS 站、CP 和OS客戶機作為時鐘從站,OS服務器或者外部時鐘源作為時鐘主站[3]。對比各套裝置內部的組態情況,PLC控制器中時鐘同步服務必須一直處于Slave模式下,才能保證時鐘運行的準確有效。滿足條件下對各套裝置重新進行了配置更改。

三、總結

此次改造完成后,確保了空分裝置各個控制系統間時鐘的統一性和準確性,完成基本的時鐘同步改造后,SIS和ITCC間時間偏差減小到1S以內。經過一段時間的運行之后證實時鐘同步方案有效,為以后裝置的工藝平穩操作,歷史數據曲線分析,事故停車報告分析都提供了真實的數據記錄。