姚　震,楊南東（國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司,山東　榮成　264333）

核電廠集散控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步

姚震,楊南東
（國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司,山東榮成264333）

摘要:核電廠集散控制系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的要求很高，控制器的邏輯運(yùn)算、事故追憶系統(tǒng)的事件順序記錄都有較高的時(shí)間精度要求。本文就時(shí)間基準(zhǔn)的選取，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議和精確時(shí)間協(xié)議在核電廠集散控制系統(tǒng)中的一種應(yīng)用方案進(jìn)行了描述和分析。

關(guān)鍵詞:時(shí)間基準(zhǔn)；時(shí)間同步協(xié)議；時(shí)間同步架構(gòu)

1　引言

隨著核電技術(shù)的發(fā)展，第三代核電將全面采用數(shù)字化儀控，即核電廠儀控系統(tǒng)使用集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，以下簡(jiǎn)稱DCS）對(duì)電廠運(yùn)行進(jìn)行管理。核電廠的首要任務(wù)是保證核安全，核安全就要求核電廠的關(guān)鍵工藝過(guò)程在有效和穩(wěn)定的控制之中。這些工藝過(guò)程對(duì)溫度、壓力等參數(shù)非常敏感，所以核電廠DCS必須具備高實(shí)時(shí)性、精確性和可靠性。為了滿足DCS的上述性能需求，我們必須保證DCS的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間有很高的精度。

2　時(shí)間基準(zhǔn)

2.1可參考的時(shí)間基準(zhǔn)

為了實(shí)現(xiàn)DCS網(wǎng)絡(luò)較高的時(shí)間精度，我們需要為其選取一個(gè)優(yōu)良的時(shí)間基準(zhǔn)。在人類歷史上，時(shí)間基準(zhǔn)經(jīng)歷了一系列的進(jìn)化和演變，不同的時(shí)間基準(zhǔn)之間有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。

最初，人類發(fā)現(xiàn)天體運(yùn)轉(zhuǎn)的周期規(guī)律性很強(qiáng)，所以就把兩次日出之間的時(shí)段稱之為一天。一天又被平均劃分為24小時(shí)，每小時(shí)被平均劃分為60分鐘，每分鐘被平均劃分為60秒，這稱之為太陽(yáng)時(shí)。在地球上觀測(cè)太陽(yáng)，其尺寸還是比較大的，人類很難確定其中心點(diǎn)，也就很難把太陽(yáng)時(shí)的精度做到很高。為了提高時(shí)間精度，人類選取某顆恒星取代太陽(yáng)作為參照物。因人類觀測(cè)到的恒星的面積很小，由此得到的時(shí)間就相對(duì)精確許多，這就是所謂的恒星時(shí)。地球上不同地區(qū)在同一時(shí)刻觀測(cè)恒星的位置各不相同，所得到的恒星時(shí)也因地而異。為了統(tǒng)一全球的恒星時(shí)，人們創(chuàng)立了世界時(shí)，劃分了24個(gè)時(shí)區(qū)，中國(guó)以北京所在的東八區(qū)為統(tǒng)一時(shí)間。

天體運(yùn)轉(zhuǎn)畢竟存在一些不穩(wěn)定性，例如地球自轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，地球每轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間存在著微小的差異。而科技的發(fā)展對(duì)時(shí)間精度的要求越來(lái)越高，于是人類把目光轉(zhuǎn)向微觀世界，并發(fā)現(xiàn)原子的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)周期規(guī)律性比天體運(yùn)行要強(qiáng)的多。國(guó)際計(jì)量委員會(huì)定義位于零海拔零磁場(chǎng)的銫原子的兩個(gè)特定能級(jí)震蕩特定周期的時(shí)間段為1秒，我們以該秒長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)不斷累加所得到的時(shí)間即為原子時(shí)。原子時(shí)雖然標(biāo)準(zhǔn)，但也存在弊端，若人類使用原子時(shí)很長(zhǎng)一段時(shí)間，原子時(shí)與世界時(shí)的偏差可能會(huì)比較大?？鋸堃稽c(diǎn)說(shuō)，人類習(xí)慣早上6點(diǎn)鐘太陽(yáng)升起，而原子時(shí)顯示的卻是中午12點(diǎn)鐘太陽(yáng)升起，這嚴(yán)重不符合人類的生活習(xí)慣。于是，人類決定把世界時(shí)和原子時(shí)相結(jié)合，建立了協(xié)調(diào)世界時(shí)。協(xié)調(diào)世界時(shí)的起點(diǎn)是某一天世界時(shí)的零點(diǎn)，自此以后按照原子時(shí)的秒長(zhǎng)進(jìn)行累加。一段時(shí)間后，協(xié)調(diào)世界時(shí)必然會(huì)與世界時(shí)產(chǎn)生一定的偏差。為了消除偏差，國(guó)際機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況定期的為協(xié)調(diào)世界時(shí)減少或者增加1秒。這樣，人類就得到了一個(gè)即精確又符合人類生活習(xí)慣的時(shí)間基準(zhǔn)。

我們還需要認(rèn)識(shí)一下GPS時(shí)間。GPS的導(dǎo)航定位是基于“測(cè)時(shí)測(cè)距”原理，其對(duì)時(shí)間精度的要求很高，所以在每顆GPS衛(wèi)星上都搭載了原子鐘。也就是說(shuō)，GPS時(shí)間本質(zhì)上是一種原子時(shí)，它的時(shí)間起點(diǎn)是上世紀(jì)80年代某日的0點(diǎn)。

2.2時(shí)間基準(zhǔn)源的選擇

選取時(shí)間基準(zhǔn)源要看核電廠DCS的需求，其最核心的需求就是時(shí)間基準(zhǔn)的穩(wěn)定性和均勻性。那么我們暫時(shí)可以篩選出“國(guó)際原子時(shí)”、“協(xié)調(diào)世界時(shí)”“GPS原子時(shí)”作為備選。由于核電廠DCS對(duì)人類的生活習(xí)慣并無(wú)要求，所以“協(xié)調(diào)世界時(shí)”的優(yōu)勢(shì)也就喪失了。同時(shí)，由于“協(xié)調(diào)世界時(shí)”每半年會(huì)閏秒一次（增加或減少1秒），這就些許影響了時(shí)間基準(zhǔn)的穩(wěn)定性。不過(guò)目前看來(lái)，上述三種時(shí)間基準(zhǔn)仍然平分秋色，都是較好的備選方案。下面我們來(lái)分析一下時(shí)間基準(zhǔn)的授時(shí)方式，一般來(lái)說(shuō)分為以下4種：

（1）網(wǎng)絡(luò)授時(shí)（廣域網(wǎng)）：幾百毫秒（精度）

（2）短波授時(shí)：毫秒級(jí)（精度）

（3）長(zhǎng)波導(dǎo)航：微妙級(jí)（精度）

（4）衛(wèi)星導(dǎo)航：納秒級(jí)（精度）

對(duì)于“國(guó)際原子時(shí)”和“協(xié)調(diào)世界時(shí)”來(lái)說(shuō)，它們只能使用前三種授時(shí)方式，而“GPS原子時(shí)”使用衛(wèi)星導(dǎo)航來(lái)授時(shí)。“GPS原子時(shí)”的優(yōu)勢(shì)一下顯現(xiàn)了出來(lái)，他滿足了核電廠DCS對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)高穩(wěn)定性和高精度的要求。所以在這里，我們選取“GPS原子時(shí)”作為核電廠DCS的時(shí)間基準(zhǔn)。

3　時(shí)間同步協(xié)議

在接下來(lái)探討的DCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，將使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network TimeProtocol，以下簡(jiǎn)稱NTP）和精確時(shí)間協(xié)議（PrecisionTime Protocol，以下簡(jiǎn)稱PTP）來(lái)進(jìn)行時(shí)間同步。首先，我們來(lái)看一下常用的時(shí)間同步方法：

（1）置數(shù)

（2）快走或慢走

（3）調(diào)節(jié)晶振計(jì)數(shù)

對(duì)于時(shí)間偏差較大的情況，可采用直接置數(shù)的方法對(duì)用戶進(jìn)行調(diào)時(shí)。一般情況下，服務(wù)器與客戶端之間的時(shí)間偏差很小，所以可采用快走或慢走的方法進(jìn)行調(diào)時(shí)（即某一秒的長(zhǎng)度小于或大于一秒），這樣還能保證邏輯上時(shí)序的正確性。對(duì)于長(zhǎng)期存在的周期性的時(shí)間偏差，可采用調(diào)節(jié)晶振計(jì)數(shù)的方法進(jìn)行調(diào)時(shí)。針對(duì)核電廠DCS的特點(diǎn)，我們采用“快走或慢走”“調(diào)節(jié)晶振計(jì)數(shù)”這兩種方法進(jìn)行時(shí)間同步。

3.1網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議

下面簡(jiǎn)單介紹一下網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議，NTP的基本原理如圖1所示。

圖中t為客戶端與服務(wù)器之間存在的時(shí)間偏差；d為數(shù)據(jù)包的往、返通訊延遲（假設(shè)往、返通訊延遲相等）；T1為數(shù)據(jù)包從客戶端發(fā)出時(shí)客戶端的時(shí)間；T2為服務(wù)器收到數(shù)據(jù)包時(shí)服務(wù)器的時(shí)間；T3為數(shù)據(jù)包從服務(wù)器發(fā)出時(shí)服務(wù)器的時(shí)間；T4為客戶端收到數(shù)據(jù)包時(shí)客戶端的時(shí)間。

由圖可知：

整理得：

這樣就得到了客戶端與服務(wù)器之間的時(shí)間偏差，可進(jìn)行調(diào)時(shí)。

PTP協(xié)議的基本原理與NTP非常類似，所不同的是PTP主時(shí)鐘會(huì)周期性的發(fā)布PTP時(shí)間同步協(xié)議數(shù)據(jù)包，而非NTP協(xié)議的“請(qǐng)求-應(yīng)答”機(jī)制。PTP協(xié)議的基本原理圖如圖2所示，在此不再贅述。

NTP協(xié)議的精度是毫秒級(jí)，PTP協(xié)議的精度是微秒級(jí)，出現(xiàn)這么大的精度差異主要是因?yàn)榇驎r(shí)間戳的位置不同。

如圖3所示，NTP協(xié)議打時(shí)間戳的位置是在B處，即在應(yīng)用層打時(shí)間戳，也稱為軟件打時(shí)間戳。而PTP協(xié)議打時(shí)間戳的位置是在A處，即位于物理層和MAC層之間，這里安裝有PTP協(xié)議組件，這種打時(shí)間戳的方式也稱為硬件打時(shí)間戳。NTP協(xié)議的時(shí)間戳經(jīng)過(guò)MAC層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用層的延遲，必然會(huì)導(dǎo)致精度下降。所以PTP協(xié)議的精度要高于NTP協(xié)議。

4　DCS網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步架構(gòu)

下面介紹一種核電廠DCS網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步架構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)分為三層，如圖4所示。時(shí)間同步第一層接收GPS時(shí)鐘信號(hào)，并把同一時(shí)鐘信號(hào)分為兩路通過(guò)光纖傳輸?shù)綍r(shí)間同步第二層。時(shí)間同步第二層設(shè)有冗余的時(shí)間服務(wù)器，他們分別接收來(lái)自上一層的GPS時(shí)鐘信號(hào)；它們之間用一根光纖互連，可互相同步時(shí)鐘信號(hào)，保證主備服務(wù)器時(shí)間一致，當(dāng)主時(shí)間服務(wù)器因故障退出運(yùn)行時(shí)，冗余時(shí)間服務(wù)器可取代之并繼續(xù)為下級(jí)節(jié)點(diǎn)授時(shí)。每臺(tái)時(shí)間服務(wù)器與時(shí)間同步第三層的冗余實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)相連接，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)下掛了各種節(jié)點(diǎn)，包括服務(wù)器、操作站和控制器。上述時(shí)間同步架構(gòu)使用的是NTP協(xié)議。

對(duì)于每個(gè)NTP用戶來(lái)說(shuō)，同一時(shí)刻可以看到4個(gè)時(shí)鐘源（因有兩臺(tái)時(shí)間服務(wù)器，兩個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)），必須確定一個(gè)主時(shí)鐘進(jìn)行對(duì)時(shí)。由于NTP只能設(shè)置兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，所以4個(gè)時(shí)鐘源中有一個(gè)被設(shè)為主時(shí)鐘，其余三個(gè)設(shè)為備選時(shí)鐘，這樣可以避免頻繁更換主時(shí)鐘，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。當(dāng)主時(shí)鐘故障后，NTP協(xié)議使用最佳主時(shí)鐘算法計(jì)算出一個(gè)新的主時(shí)鐘。

對(duì)于核電廠DCS來(lái)說(shuō)，控制器都是成對(duì)出現(xiàn)的，一個(gè)為主控制器，另一個(gè)為備控制器，它們能夠?qū)崿F(xiàn)精確的無(wú)擾切換。主備控制器之間的時(shí)間精度要求應(yīng)高于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間精度，所以在每臺(tái)控制器中都內(nèi)置有PTP協(xié)議組件，主備控制器之間采用PTP協(xié)議對(duì)時(shí)。正常情況下，主控制器通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)與NTP服務(wù)器對(duì)時(shí)，備控制器通過(guò)PTP協(xié)議與對(duì)應(yīng)的主控制器對(duì)時(shí)；當(dāng)主控制器因故障離線時(shí)，備控制器還可以通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取NTP協(xié)議的對(duì)時(shí)信息。

5　結(jié)語(yǔ)

本文描述的核電廠DCS時(shí)間同步架構(gòu)選取了GPS時(shí)間作為時(shí)間基準(zhǔn)，同時(shí)應(yīng)用了NTP協(xié)議和PTP協(xié)議進(jìn)行時(shí)間同步，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性較高，系統(tǒng)的時(shí)間精度較高，是一種合理可行的時(shí)間同步方案。

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作者簡(jiǎn)介：姚震（1988-），男，山東萊蕪人，本科,助理工程師，研究方向:儀控系統(tǒng)維修管理。