魏 華

(中海石油建滔化工有限公司,海南東方 572600)

0 引 言

控制系統(tǒng)的時鐘同步問題一直是自動化行業(yè)的一個難題。各個工廠的控制系統(tǒng)由于計算機的時鐘運行誤差,運行過程中出現時鐘不同步的問題,特別是生產過程中發(fā)生停車或其他事故時,分析事故過程中對第一事故的把握尤其重要。現在的化工裝置設計越來越復雜,不僅包括控制系統(tǒng)(DCS/FCS),安全儀表系統(tǒng)(SIS),還包括成套包單元控制系統(tǒng)(如PLC),因此時鐘同步的問題越來越重要,特別是各系統(tǒng)不是同一廠商,這個問題就更加突出。筆者以中海石油建滔化工有限公司的600 kt/a甲醇項目所采用的 GPS實現控制系統(tǒng)的時鐘同步為例,介紹了 GPS實現系統(tǒng)時鐘同步的方案,通過與其他方案的對比,說明了利用 GPS實現時鐘同步的優(yōu)越性與可靠性。

1 系統(tǒng)時鐘誤差產生的原因分析

計算機的時鐘一般都采用石英晶體振蕩器,晶振體連續(xù)產生一定頻率的時鐘脈沖,計數器則對這些脈沖進行累計得到時間值,這些時間值就作為計算機的基準時間。由于時鐘振蕩器的脈沖受環(huán)境溫度、勻載電容、激勵電平以及晶體老化等多種不穩(wěn)定性因素的影響,故計算機的時鐘本身不可避免地存在著誤差。例如,某精度為±2×10-5的時鐘(溫度為25℃),其每小時的誤差為:(1×60×60× 1 000 ms)×(2×10-5)=72 ms,一天的累計誤差可達1.73 s;若其工作的環(huán)境溫度從額定25℃變?yōu)?5℃,則還會增加±2.5×10-5ms的額外誤差。一年下來的累計誤差為10.3 min?？梢?DCS的時鐘若不定期同步校準,其自由運行一段時間后的誤差可達到系統(tǒng)應用所無法忍受的程度。

隨著晶振制造技術的發(fā)展,已有各種高穩(wěn)定性晶振體可供選用,如 TCXO(溫度補償晶振)、VCXO(壓控晶振)、OCXO(恒溫晶振)等,但是這些措施都不能滿足工業(yè)化生產的需要。

2 常規(guī)控制系統(tǒng)時鐘同步的方案

2.1 人工手動校正

對于比較老的控制系統(tǒng),由于當時技術的限制,不同系統(tǒng)間很難實現時鐘同步,就是同一系統(tǒng)內部也存在時鐘誤差,如DCS的幾個操作站之間,計算機顯示的時間不一樣,因此不同操作站的趨勢點同一顯示時間,指示的數值是不一致的,這就要求用一個所謂的“基準時間”,利用該基準時間去逐個調整每臺計算機的時間,一般都按照一個月的周期去調整一次,這樣調整的時間誤差一般都在10 s以內,精度不高。由于老裝置設置的聯鎖報警點數量少,一般都在輔助操作臺上有第一事故鎖定,可以滿足基本的生產要求,但要求經常校正計算機的時鐘。

2.2 定時自動校正

2.2.1 利用“Modbus通信”方式定時時鐘

利用Modbus RS-485/232方式進行時鐘的定時校正也是一種方法,它比傳統(tǒng)的手動校驗時鐘精度相對要高很多,不需要增加額外的硬件,只需要軟件組態(tài)就可以了,在精度要求不高,費用控制嚴格的情況下,是一種不錯的選擇。利用通信自動校正系統(tǒng)時鐘是從主系統(tǒng)(如DCS)中讀取時鐘點,在一個固定的時間發(fā)送時鐘同步請求,對方系統(tǒng)在分析數據的準確性后將自身系統(tǒng)的時鐘設定在要求的時間。

但是利用通信的方式實現系統(tǒng)的時鐘同步存在不確定性,因為Modbus通信速度傳輸存在滯后的現象,目前Modbus比較快的是150 Kbit/s,一般的產品性能保證是75 Kbit/s左右,而且由于現場施工質量、通信數據量的大小、通信距離的不同決定了通信滯后的不同,一般都是3～5 s左右,有時可能更長。因此采用通信方式校正系統(tǒng)的時鐘精度不是太高,一般可以滿足在5 s內,如果選擇通信數據較少的通信網段上,精度能更高些,能控制在1 s內。

2.2.2 利用以太網“域”的方式實現時鐘同步

目前主流的DCS,SIS,PLC廠商的系統(tǒng)時鐘同步都上升到以太網的層面,將工廠的系統(tǒng)通過以太網連接(絕大部分系統(tǒng)已經是以太網連接方式),統(tǒng)一加入“域”,通過這種方式實現系統(tǒng)時鐘同步。該方法簡單、經濟,由于協議是SNTP,因此這個時鐘同步的精度為1 s,不能實現完全的時鐘同步,但是對于沒有建立時鐘同步的系統(tǒng),可以利用這種辦法將上位機連接,通過“域”時鐘同步的方法分析上位機的趨勢數據,對分析事故原因,也有一定的幫助。

2.2.3 利用“硬線連接”的方式實現時鐘同步

“硬線連接”方式是將某一系統(tǒng)作為主時鐘源(以DCS為例),將DCS的時鐘同步請求信號通過數字輸出信號發(fā)送到相應的系統(tǒng),如SIS,PLC,這些系統(tǒng)再通過數字輸入接收同步請求,通過軟件預先設置的時鐘同步方式進行時鐘同步,由于硬線連接傳輸速度快,投入的硬件數量很少,因此是目前各系統(tǒng)實現時鐘同步采用較多的方案之一。

利用“硬線連接”實現時鐘同步的方式很簡單,通過DCS的DO點和SIS,PLC,ITCC的DI點連接相應的電纜,SIS和PLC廠商大部分都有時鐘同步的系統(tǒng)特點(Time-Syn),在系統(tǒng)組態(tài)時要求在脈沖觸發(fā)的上升沿觸發(fā),同時將系統(tǒng)的人工矯正時鐘源的功能禁止,避免外界對系統(tǒng)時鐘的人為干擾,從而保證了系統(tǒng)時鐘的準確性。如 HIMA和Triconex的SIS都很容易實現。DCS方面可以利用順控模塊,對系統(tǒng)當前運行時間進行判斷,在要求的時間內(如 T12:00:00)發(fā)出脈沖信號,在其他時間不輸出信號。

該方式可以用在設計施工時沒有考慮時鐘同步問題的改造方案。該方法投入少,操作簡單,只需經過控制培訓的操作工就可以實現,可以滿足大部分工廠的事故分析需要。

3 利用GPS實現控制系統(tǒng)時鐘同步

3.1 GPS實現系統(tǒng)時鐘同步的原理

GPS時鐘是一種接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的低功率無線電信號,通過計算得出GPS時間的接收裝置。為獲得準確的GPS時間,GPS時鐘必須先接收到至少4顆GPS衛(wèi)星的信號,計算出自己所在的三維位置。在得出具體位置后,GPS時鐘只要接收到1顆 GPS衛(wèi)星信號就能保證時鐘的走時準確性。

作為控制系統(tǒng)的標準時鐘,對 GPS時鐘同步的基本要求:至少能同時跟蹤8顆衛(wèi)星,有盡可能短的冷、熱啟動時間,配有后備電池,有高精度、可靈活配置的時鐘輸出信號。

該時鐘輸出通過EIA標準串行接口發(fā)送一串以ASCII碼表示的日期和時間報文,每秒輸出一次。時間報文中可插入奇偶校驗、時鐘狀態(tài)、診斷信息等。此輸出目前無標準格式,表1為一個用17個字節(jié)發(fā)送標準時間的實例。

表1 利用17個字節(jié)發(fā)送標準時間

3.2 GPS工程中的拓撲結構

為解決控制系統(tǒng)中的時鐘不同步問題,考慮到目前GPS時鐘同步器的價格較便宜,該公司要求FCS和SIS各采用一套 GPS來實現時鐘同步,其中FCS的GPS時鐘同步器不僅包括自身的時鐘同步,還包括鍋爐的BMS,氫回收的PLC系統(tǒng),如圖1所示。SIS除了包括自身時鐘同步,還包括ITCC的時鐘同步,如圖2所示。

圖1 FCS時鐘同步器的拓撲結構

FCS的時鐘同步信號通過 GPS天線采集衛(wèi)星同步信號,送到NCF 77時鐘同步器,NCF 77通過同軸電纜連接到Centum CS 3000系統(tǒng)的一個操作站HIS0160,將HIS0160的時鐘調整為 GPS時鐘,由于該控制系統(tǒng)自身具有YOKOGAW A time實現系統(tǒng)內的時鐘同步,因此整個控制系統(tǒng)始終都與GPS時鐘保持同步。同時NCF 77輸出另外的時鐘同步信號分別送到鍋爐的BMS和氫回收系統(tǒng)的PLC,使成套包的時鐘信號與FCS保持一致。

圖2 SIS時鐘同步器拓撲結構

SIS采用 TS 3000系統(tǒng),通過 GPS天線采集GPS時鐘信號送到 Trimble時鐘同步器,該同步器將信號分別送到SIS和ITCC等系統(tǒng)實現時鐘同步,采用RS-232通信方式進行連接,同時屏蔽外界手工修改時間的權限,實現了SIS和ITCC的系統(tǒng)時鐘與GPS時鐘保持一致。

3.3 GPS時鐘同步的時間誤差

GPS時鐘與衛(wèi)星發(fā)射世界協調時間(U TC)的誤差由GPS時鐘的精度所決定。對秒脈沖信號,以脈沖前沿為準時沿,精度一般在幾十納秒至1μs之間;對IRIG-B碼和RS-232串行輸出,如以中科院國家授時中心的時鐘產品為例,其同步精度以參考碼前沿或起始相對于秒脈沖信號前沿的偏差計,分別達0.3μs和0.2 ms。

DCS主時鐘與各站點從時鐘通過網絡進行同步,其間存在著時鐘報文的發(fā)送時延、傳播時延、處理時延。互聯網上廣為采用的網絡時間協議N TP (Network Time Protocol)在DCS局域網上已能提供±1 ms的對時精度(工業(yè)系統(tǒng)很少采用),而基于IEEE1588的標準精確時間協議PTP(Standard Precision Time Protocol)能使實時控制以太網上的主、從時鐘進行亞微秒級同步。

SIS的順序事故報警(SOE)要求的時鐘分辨率小于1 ms,因此用GPS完全可以滿足控制系統(tǒng)的時鐘同步問題。

4 結束語

利用GPS實現控制系統(tǒng)的時鐘同步可以解決各系統(tǒng)時鐘偏差的問題,將各個信息孤島有效地連接起來,為分析事故原因提供有力的工具。通過GPS的時鐘同步,操作人員和技術人員能很快地從SOE上發(fā)現第一事故報警,有效地提高了發(fā)現問題的時間和解決問題的速度,保證生產裝置的安全穩(wěn)定運行。

[1] 郭 蕊.用軟硬結合的方法實現DCS與ESD系統(tǒng)的時鐘同步[J].化工自動化及儀表,2009,(2):76-77.

[2] 包一鳴.火電廠GPS時鐘及DCS時鐘同步淺談[G/OL]//電力愛科網,(2007-06-25)[2010-04-18].http://hvdc. chinapower.com.cn/membercenter/autocenter/viewarticle. asp?user=auto&tempname=%B5%E7%C1%A6%D7% D4%B6%AF%BB%AF&articleid=10022218.

[3] 封亞斌.用軟件方法實現DCS與ESD的時鐘同步[J].淮陰工學院學報,2004,(03):58-62.

[4] 邢文厲,田亞勛.DCS時鐘不同步對系統(tǒng)的影響與處理[J].電力安全技術 ,2008,(10):63-64.

[5] 蘇樂春.分散控制系統(tǒng)的時鐘同步改造[J].自動化博覽, 2006,(06):26-27.

[6] 孫志剛,肖 力,朱德森.網絡控制系統(tǒng)的多時鐘同步[D].武漢:華中科技大學,2004.