中國石化銷售有限公司華南分公司 倪志光

一、引言

成品油管道正在蓬勃發(fā)展，并成為輸送成品油的主要手段。成品油管道主要采用密閉輸送方式，距離長，站點多，工藝復雜，調(diào)度運行指揮難度大，傳統(tǒng)的人工記錄、逐級匯報的方式已經(jīng)不能滿足正常的生產(chǎn)運行需要。SCADA系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)），是以計算機為基礎的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，建立在3C＋S（計算機，控制，通信及傳感器）技術(shù)上的一門學科，實現(xiàn)實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，全面、監(jiān)視工藝流程并實施遠程控制，實現(xiàn)輸油管道的集中指揮和統(tǒng)一管理，提高生產(chǎn)調(diào)度速度，因而得到了普遍的應用。

二、成品油管道SCADA系統(tǒng)時鐘同步的重要意義

SCADA系統(tǒng)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)、過程控制裝置、聯(lián)鎖保護裝置、報警管理系統(tǒng)、RTU系統(tǒng)等設備，所使用的時間都是由設備內(nèi)部時鐘提供的，一般的計算機和嵌入式設備時鐘精度只有l(wèi)O-4～lO-5，每天可能誤差達十幾秒或更多，如果不及時校正，其累積時間誤差不可忽視。這些誤差會造成系統(tǒng)報警、SOE順序事故記錄、歷史趨勢等不能正確記錄事件發(fā)生的正確時間。如果采用人工定期校準系統(tǒng)時間坐標的方式來調(diào)準時鐘，頻繁的調(diào)整易造成歷史趨勢記錄錯誤、歸檔數(shù)據(jù)丟失等故障。尤其是成品油管道采用密閉輸送方式，作為一個統(tǒng)一的水力系統(tǒng)，管道沿線的一臺設備出現(xiàn)故障有可能會引起整個管網(wǎng)水力系統(tǒng)的波動，一旦分布于不同地區(qū)的子系統(tǒng)或設備時間不一致，現(xiàn)場信號無法正常傳輸至調(diào)控中心，采取必要的超前保護措施，就可能引發(fā)關(guān)鍵設備損壞、爆管等事故。

三、基于NTP的時鐘同步工作原理

我們常說的時鐘同步有頻率同步和時間同步兩種。頻率同步是指維持各點的頻率相同，可以是任意相位。時間同步也稱時刻同步，是指要求各點的絕對時間相同。時鐘同步技術(shù)的傳輸模式實現(xiàn)了從脈沖式、編碼式、PPS、IRIG-B到NTP、PTP、無線電波的演變。目前世界上主要有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS以及歐洲空間局、我國的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)等定位系統(tǒng)。

NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡時間協(xié)議）：由美國德拉瓦大學的David L Mills教授于1985年提出，是用于設計使Internet上的計算機保持時間同步的一種通信協(xié)議，由時間協(xié)議、ICMP時間戳消息及IP時間戳選項發(fā)展而來，用來在分布式時間服務器和客戶端之間進行時間同步，采用分層的方法來定義時鐘的準確度，采用單播、組播或廣播方式發(fā)送協(xié)議報文。

NTP授時工作原理（如圖1）：Device A和Device B通過網(wǎng)絡相連，有自己獨立的系統(tǒng)時鐘，通過交換時間服務器和客戶端的時間戳，計算出客戶端相對于服務器的時延和偏差，從而實現(xiàn)時間的同步。假設A和B通過以太網(wǎng)端口相連，B做為NTP服務器，同步之前A的時鐘設定為10:00:00，B的時鐘設定為11:00:00，數(shù)據(jù)包在A和B之間單向傳輸所需要的時間為1秒。設備A發(fā)送一個NTP報文給設備B，該報文帶有它離開設備A時的時間戳，該時間戳為10:00:00am(T1)；當此NTP報文到達設備B時，設備B加上自己的時間戳，該時間戳為11:00:01am(T2)；當此NTP報文離開設備B時，設備B再加上自己的時間戳，改時間戳為11:00:02（T3）；當設備A接收到該響應報文時，設備A的本地時間為10:00:03am(T4)。至此，設備A已經(jīng)擁有足夠的信息來計算兩個重要的參數(shù)：NTP報文的往返時延Delay=(T4-T1)-(T3-T2)=2秒；設備A相對設備B的時間差offset=((T2-T1)+(T3-T4))/2=1小時。這樣，設備A就能夠根據(jù)這些信息來設定自己的時鐘，使之與設備B的時鐘同步。

圖1 NTP工作原理圖

圖2 成品油管道SCADA系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 調(diào)控中心一級時鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 輸油泵站二級時鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

有多種NTP工作模式進行時鐘同步，包括：客戶端/服務端模式、對等體模式、廣播模式、組播模式。根據(jù)需要選擇合適的工作模式，在不能確定服務器或?qū)Φ润wIP地址，以及網(wǎng)絡中需要同步的設備很多等情況下，可以通過廣播或組播模式實現(xiàn)時鐘同步。

四、華南成品油管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)時鐘同步應用現(xiàn)狀及解決方案

1.華南成品油SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

華南管網(wǎng)已經(jīng)建成包括西南管道、珠三角管道、昆明-大理管道、柳州-桂林管道、北南百管道等5條成品油管道，下設2個調(diào)控中心、43座輸油站、15座自控閥室，線路總長達到3842公里，是目前國內(nèi)最大的成品油管網(wǎng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可按照功能區(qū)域來分，主要包括主、備調(diào)控中心控制系統(tǒng)，各輸油站站控系統(tǒng)，遠控閥室監(jiān)控系統(tǒng)及將各功能區(qū)域連接起來的通信系統(tǒng)（如圖2）。

2.時鐘同步設備應用現(xiàn)狀

華南管網(wǎng)已于2006年建設了一套覆蓋整個網(wǎng)絡的同步時鐘系統(tǒng)，在調(diào)控中心設置了一臺GPS，對調(diào)控中心和各站SCADA系統(tǒng)設備進行同步，在運行過程由于時間同步精度不高、工作不穩(wěn)定等，直接影響了SCADA系統(tǒng)的正常運行，包括兩臺冗余服務器由于時間不一致無法實現(xiàn)冗余工作；個別站場服務器由于時間出現(xiàn)跳變導致歷史數(shù)據(jù)無法歸檔、服務自動停止等問題，另外，對于各站系統(tǒng)設備和調(diào)控中心時鐘不一致，無法及時報警、主動對時，給系統(tǒng)安全運行帶來隱患。原因是：

同步方式存在不足。通過調(diào)控中心的GPS時鐘同步設備通過廣域網(wǎng)對全線設備進行時鐘同步。許多工業(yè)控制過程需要高準確度時間，一般要在ms級以內(nèi)。如果在廣域網(wǎng)內(nèi)進行授時，每次經(jīng)過的路由器路徑可能不相同，授時精度可能無法達到要求，局域網(wǎng)內(nèi)授時不存在路由器路徑延遲問題，因而授時精度理論上可以提到亞毫秒級。

設備配置可靠性不高。時鐘同步設備為單機設置，沒有實現(xiàn)冗余配置，一旦出現(xiàn)故障后無法實現(xiàn)時間同步；該設備為單電源輸入，無法保證可靠的運行穩(wěn)定性。

守時精度不高。受溫度等環(huán)境溫度影響較大，當無法收到GPS衛(wèi)星信號時，晶振震蕩漂移嚴重，無法保持高精度的時間輸出。

時鐘同步管理系統(tǒng)不夠人性化。對于各站系統(tǒng)設備和調(diào)控中心時鐘不一致，無法及時報警、主動對時；而且投入運行超過8年后，優(yōu)化老化，多次出現(xiàn)故障，給SCADA系統(tǒng)正常運行帶來較大影響，必須進一步完善時鐘同步架構(gòu)。

3.華南成品油管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)時鐘同步解決方案

時鐘同步系統(tǒng)分為兩級，即調(diào)控中心一級時鐘和輸油站二級時鐘。調(diào)控中心一級時鐘設備作為整個網(wǎng)絡時鐘基準，設置兩套冗余主時鐘，可采用北斗或GPS多模衛(wèi)星作為標準時鐘源，并和銣原子鐘組成天地互備系統(tǒng)（如圖3）。正常情況下，主時鐘的時間信號接收單元獨立接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的時間基準信號；當某一主時鐘的時間信號接收單元發(fā)生故障時，該主時鐘能自動切換到另一臺主時鐘的時間信號接收單元接收到的時間基準信號，實現(xiàn)時間基準信號互為備用。為避免傳輸設備的固有傳輸時延以及干擾、損耗等因素，造成時間延遲，可通過算法取得網(wǎng)絡阻塞引起的時間延遲以及設備造成的時延，通過時延補償技術(shù)解決。在輸油泵站設置二級時鐘設備，采用北斗或GPS多模衛(wèi)星及本地恒溫晶振組成時鐘同步系統(tǒng)，并接受調(diào)控中心一級時鐘設備傳來的時鐘信息，組成天地互備系統(tǒng)（如圖4），給網(wǎng)絡內(nèi)的設備提供時間信號。同時設置授時監(jiān)控軟件，采用輪詢的方式采集監(jiān)控系統(tǒng)的服務器、工作站的時鐘同步信息，包括衛(wèi)星工作模式、搜星數(shù)量、天線狀態(tài)、時鐘頻率偏差、時鐘同步漂移、時鐘抖動、時間偏差、同步狀態(tài)等信息，同時對數(shù)據(jù)進行整理和分析，提供給系統(tǒng)管理人員。

五、結(jié)束語

統(tǒng)一、精確的時間是保證成品油長輸管道SCADA系統(tǒng)安全運行的必要措施。本文介紹的華南成品油管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)時鐘同步方案對其它管道有一定的借鑒意義，但是由于各管道通信鏈路和設備不同、SCADA系統(tǒng)產(chǎn)品不同以及具體需求有差異，還是要根據(jù)管道實際情況，制定符合本管道SCADA系統(tǒng)的時鐘同步方案。

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