生產(chǎn)控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步方式及應(yīng)用

李 濤

（榆林瀚昌科工貿(mào)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

隨著控制系統(tǒng)技術(shù)的日臻完善和國(guó)產(chǎn)控制系統(tǒng)的興起，與之前進(jìn)口控制系統(tǒng)天價(jià)壟斷的局面相比，目前各類(lèi)生產(chǎn)、制造企業(yè)都普遍采用控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)，因此DCS 系統(tǒng)、SIS 系統(tǒng)、PLC 系統(tǒng)以及單片機(jī)系統(tǒng)等得到普遍應(yīng)用。伴隨裝置規(guī)模的擴(kuò)大和模塊設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，一個(gè)企業(yè)特別是大型企業(yè)，不可避免地會(huì)同時(shí)出現(xiàn)各種類(lèi)型的控制系統(tǒng)，因此時(shí)鐘同步問(wèn)題就顯得格外重要，其中就包括事件事故的追憶。本文以某甲醇裝置為例，詳細(xì)闡述不同控制系統(tǒng)間時(shí)鐘同步方式，以及說(shuō)明時(shí)鐘同步的必要性和安全性。

1 時(shí)鐘同步概述

時(shí)鐘同步，即實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間的同步。NPT 是目前應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議，NTP 協(xié)議的精確對(duì)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(lái)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[1]。同步時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間應(yīng)該是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（UTC），可以從原子鐘、天文臺(tái)、衛(wèi)星等獲得，時(shí)鐘同步需要配備時(shí)鐘同步器和時(shí)鐘源，時(shí)鐘源以往主要采用GPS，目前中國(guó)北斗也開(kāi)始應(yīng)用。

表1 控制系統(tǒng)種類(lèi)及分布Table 1 Types and distribution of control systems

時(shí)鐘同步的目的是使DCS 系統(tǒng)內(nèi)部和其它系統(tǒng)之間的時(shí)間標(biāo)記數(shù)據(jù)一致，實(shí)際上并不需要絕對(duì)時(shí)間一致，只要相對(duì)時(shí)間就足夠了。DCS 應(yīng)具備使網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步的功能。在實(shí)際應(yīng)用中，宜由DCS 向第三方發(fā)布時(shí)鐘同步信號(hào)，對(duì)于不必標(biāo)記數(shù)據(jù)的第三方設(shè)備，不必要設(shè)置時(shí)鐘同步。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某甲醇裝置年生產(chǎn)120 萬(wàn)噸甲醇，工段主要分為空分工段、氣化工段、凈化工段和合成工段，采用的控制系統(tǒng)有艾默生DeltaV、TRICON、FOXBORO IA 和西門(mén)子S7-400PLC 系統(tǒng)，各控制系統(tǒng)情況見(jiàn)表1。

空分工段采用獨(dú)立DCS 控制系統(tǒng)，氣化、凈化和合成共用一套DCS 系統(tǒng)，Tricon 和S7-400PLC 等都是獨(dú)立的單元控制系統(tǒng)。

3 時(shí)鐘同步方案及實(shí)現(xiàn)

時(shí)鐘同步方式應(yīng)該說(shuō)多種多樣，總體來(lái)說(shuō)分為兩類(lèi)：一是利用GPS 時(shí)鐘源對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)鐘同步；二是定時(shí)自動(dòng)校正實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步[2]。利用GPS 時(shí)鐘源同步，即各控制系統(tǒng)各自接入GPS 時(shí)鐘源，利用GPS 時(shí)鐘源的獨(dú)立網(wǎng)口，每個(gè)網(wǎng)口分配給不同的控制系統(tǒng)，定時(shí)自動(dòng)校正。實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步是利用DCS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)校時(shí)功能，同步各操作站、工程師站等時(shí)間，同時(shí)DCS 系統(tǒng)與SIS 系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)再同步。某甲醇裝置采用兩種結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)全廠控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步，同步時(shí)鐘方案如圖1 所示。

3.1 DCS與時(shí)鐘同步器的連接

DCS 時(shí)鐘同步主要是指DCS 與時(shí)鐘同步器的連接和設(shè)置，時(shí)鐘同步器通過(guò)GPS 模塊接收衛(wèi)星信號(hào)。GPS 需安裝在較開(kāi)闊的地方，DCS 系統(tǒng)與時(shí)鐘同步器通過(guò)網(wǎng)線連接，以下以DeltaV 為例，闡述DCS 與時(shí)鐘同步器的連接和設(shè)置。

圖1 同步時(shí)鐘方案Fig.1 Synchronous clock scheme

圖2 DeltaV 同步成功信息Fig.2 DeltaV Synchronization success information

同步時(shí)鐘服務(wù)器不連接到DeltaV 系統(tǒng)的控制網(wǎng)，連接在APP 站的第三塊網(wǎng)卡，主要設(shè)置步驟：①通過(guò)網(wǎng)線連接時(shí)鐘同步網(wǎng)口和APP 站的第三塊網(wǎng)卡；②設(shè)置時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)地址，APP 站第三塊網(wǎng)卡地址與時(shí)鐘同步器設(shè)置成同一個(gè)網(wǎng)段；③使用APP 站的Remote Network 功能；④在APP 站設(shè)置APP 所連接的時(shí)鐘服務(wù)器的IP 地址；⑤設(shè)置DELTAV 控制網(wǎng)絡(luò)的主時(shí)鐘源為APP 站；⑥D(zhuǎn)ownload Control Network 的Setup Data。如果系統(tǒng)都正常，安裝完成幾分鐘后，在Diagnostics-DeltaV 能顯示如圖2 所示信息。

3.2 FOXBORO IA與SIS系統(tǒng)時(shí)鐘同步

本案例中，氣化工段3 套SIS 系統(tǒng)采用獨(dú)立的Tricon系統(tǒng)，合成ITCC、丙烯ITCC 系統(tǒng)也采用獨(dú)立的Tricon 系統(tǒng)。DCS 與Tricon 時(shí)鐘同步的方式一般有兩種方式：一種是通過(guò)通訊的方式，DCS 系統(tǒng)每天定時(shí)向Tricon 系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)脈沖，每天只校準(zhǔn)一次；另一種是通過(guò)硬接線的方式，即利用SIS 系統(tǒng)DI 卡件備用通道，DCS 系統(tǒng)通過(guò)DO 卡件定時(shí)發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)。兩種方式實(shí)現(xiàn)的原理基本一致，差別在于通過(guò)Modbus 通訊的方式存在時(shí)間上的誤差，采用硬接線的方法實(shí)現(xiàn)兩套系統(tǒng)的時(shí)鐘同步精確度即時(shí)間誤差小，不論哪種方式都能滿足現(xiàn)實(shí)需要，通訊方式通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)較為經(jīng)濟(jì)，總之兩者相差不大。

圖3 Tricon時(shí)鐘同步程序Fig.3 Tricon clock simultaneous program

硬件的連接比較簡(jiǎn)單，通訊線或硬件線即可，主要是SIS 系統(tǒng)需要編制時(shí)鐘同步程序，如圖3 所示。讀取TRICON 系統(tǒng)時(shí)鐘使用TR_CALENDAR 塊，設(shè)定時(shí)間轉(zhuǎn)換功能塊SYN-TIM E 年、月、日，取系統(tǒng)當(dāng)前日期無(wú)需校正。由于DCS 基本掃描周期一般為 0.5s ～1.0s，SIS 系統(tǒng)周期一般都在毫秒級(jí)別，所以實(shí)際同步過(guò)程中，一般存在3s ～5s 內(nèi)的差別。

3.3 DeltaV與ITCC系統(tǒng)時(shí)鐘同步

空分ITCC 系統(tǒng)也采用Tricon 系統(tǒng)，其時(shí)鐘同步原理和方式與FOXBORO IA 類(lèi)似，這里不再詳述。

Tricon 系統(tǒng)除通訊和硬件等方式外，如果是V10 版本還可以直接通過(guò)其自身的TCM 卡直接與時(shí)鐘同步器連接，做到實(shí)時(shí)同步無(wú)偏差，但V8、V9 等因NCM 卡無(wú)法與時(shí)鐘同步器直接連接[3]。

4 時(shí)鐘同步的必要性和安全性

停車(chē)和事故在生產(chǎn)企業(yè)發(fā)生時(shí)，需要及時(shí)開(kāi)展原因的分析和調(diào)查。按照生產(chǎn)控制系統(tǒng)功能劃分，一般聯(lián)鎖動(dòng)作在SIS 系統(tǒng)或者ESD 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，參考的是SOE 的記錄時(shí)間。而工藝操作一般在DCS 或PLC 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，工藝操作、設(shè)備運(yùn)行等都以DCS 系統(tǒng)時(shí)間為基準(zhǔn)。故障分析時(shí)，若各控制系統(tǒng)的控制器時(shí)鐘之間沒(méi)有進(jìn)行時(shí)鐘同步，則會(huì)導(dǎo)致對(duì)同一測(cè)量元件或設(shè)備所記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間不一致，無(wú)法判斷事件發(fā)生時(shí)設(shè)備動(dòng)作的順序，需要兩方面結(jié)合才能對(duì)引發(fā)故障或停車(chē)的真正原因作出正確判斷和分析，因而各控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步顯得尤為重要。

1）在控制系統(tǒng)中，趨勢(shì)、報(bào)警、事件記錄等都與時(shí)間相關(guān)，因此整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘保持一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘很關(guān)鍵。如果操作站和控制站時(shí)間不同步，不能作為真實(shí)的歷史數(shù)據(jù)為操作服務(wù)。

2）在《石油分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》《分散型控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》《石油化工遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì)時(shí)鐘同步做了明確要求。

3）是否設(shè)置GPS 時(shí)鐘服務(wù)器與某時(shí)區(qū)時(shí)間一致需要企業(yè)根據(jù)性質(zhì)和需求確定，如燃?xì)忾L(zhǎng)輸管線SCADA 必須設(shè)置GPS 時(shí)鐘服務(wù)器，才能保證分布在整條管線控制系統(tǒng)時(shí)間一致，有利于保證管線的安全運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)，如石油化工、煤化工等都廣泛采用先進(jìn)控制系統(tǒng)如DCS、PLC 等，各控制系統(tǒng)雖然通過(guò)相互通訊，避免了自動(dòng)化孤島，方便了管理，提高了安全生產(chǎn)水平，增加了生產(chǎn)效益，但也帶來(lái)了一些問(wèn)題。如各控制系統(tǒng)時(shí)鐘不同步問(wèn)題，對(duì)事故調(diào)查、原因分析帶來(lái)了很多困難。本文通過(guò)實(shí)例，講述各控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步的方案，并闡述了時(shí)鐘同步的必要性和安全性，時(shí)鐘同步對(duì)于工作人員追溯事故的第一要素發(fā)揮了重要作用。