馮 飛，王雪妍

(1.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司化工分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017317；2.北京化工大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100029)

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化工裝置多控制系統(tǒng)間時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)與應(yīng)用

馮 飛1，王雪妍2

(1.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司化工分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017317；2.北京化工大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100029)

針對(duì)化工裝置有DCS,SIS,CCS等多套控制系統(tǒng)的情況，采用GPS時(shí)間服務(wù)器，設(shè)計(jì)了一個(gè)通過(guò)SNTP協(xié)議完成多控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步的技術(shù)方案；介紹了GPS時(shí)間服務(wù)器的設(shè)置，DCS時(shí)間組的設(shè)置，CCS系統(tǒng)時(shí)鐘同步軟件的設(shè)置以及SIS系統(tǒng)時(shí)鐘同步的兩種設(shè)置方案；實(shí)現(xiàn)了不同裝置多控制系統(tǒng)之間的全局時(shí)鐘同步；保障了工藝參數(shù)趨勢(shì)記錄，SOE記錄，工藝人員操作記錄時(shí)間基準(zhǔn)的一致性和準(zhǔn)確性；有利于生產(chǎn)事故原因的查找與分析。

控制系統(tǒng)；時(shí)間服務(wù)器；時(shí)鐘同步

0 引言

某廠(chǎng)有兩套共用部分公用工程工藝單元的化工生產(chǎn)裝置(A裝置和B裝置)，分別獨(dú)自進(jìn)行化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。兩套裝置均設(shè)置獨(dú)立的集散控制系統(tǒng)(DCS)、安全聯(lián)鎖停車(chē)系統(tǒng)(SIS)和機(jī)組控制系統(tǒng)(CCS)。DCS用以完成生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化管控工作， SIS系統(tǒng)承擔(dān)生產(chǎn)過(guò)程的安全聯(lián)鎖保護(hù)工作， CCS系統(tǒng)完成壓縮機(jī)組的負(fù)荷協(xié)調(diào)控制工作。多個(gè)控制系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，卻又相互合作共同保證裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行，且兩套裝置又共用部分公用工程工藝單元，這就要求各控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程的控制、歷史數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和歷史事件的記錄上即要有時(shí)序的準(zhǔn)確性又要有時(shí)間的一致性。

不同控制系統(tǒng)都有各自的系統(tǒng)時(shí)間，該系統(tǒng)時(shí)間是由結(jié)點(diǎn)電子設(shè)備內(nèi)部的石英晶體震蕩來(lái)產(chǎn)生的。但是由于各系統(tǒng)時(shí)鐘晶振的頻率及穩(wěn)定性存在差異，即使電子設(shè)備時(shí)間的初始值一致，在運(yùn)行一段時(shí)間后各結(jié)點(diǎn)電子設(shè)備的時(shí)鐘仍會(huì)逐漸的變得不同步。這就需要對(duì)控制系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行修正，利用時(shí)間服務(wù)器獲取GPS衛(wèi)星時(shí)間信號(hào)，通過(guò)SNTP協(xié)議,向與時(shí)間服務(wù)器以太網(wǎng)通訊的不同裝置的不同控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)授時(shí)，以使多控制系統(tǒng)既有高精度的同步時(shí)間又有GPS提供的UTC(世界協(xié)調(diào)時(shí))[1]。

1 總體方案

為了實(shí)現(xiàn)兩套裝置多個(gè)控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步要求，本方案采用DNTS-74 GPS時(shí)間服務(wù)器。它共有4個(gè)獨(dú)立網(wǎng)口，網(wǎng)口一分配給A裝置DCS系統(tǒng)；網(wǎng)口二分配給在同一網(wǎng)段A裝置的SIS系統(tǒng)和CCS系統(tǒng)，網(wǎng)口三分配給B裝置DCS系統(tǒng)，網(wǎng)口四分配給B裝置CCS系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)圖

2 GPS時(shí)間服務(wù)器設(shè)置

時(shí)間服務(wù)器DNTS-74采用UNIX系統(tǒng)，雙CPU；配有一個(gè)GPS天線(xiàn)接口，一個(gè)RS485通訊接口，一個(gè)RS232通訊接口，4個(gè)獨(dú)立的10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)口[2]。4個(gè)以太網(wǎng)口可以進(jìn)行不同網(wǎng)段設(shè)置，以保障系統(tǒng)間數(shù)據(jù)隔離。DNTS-74時(shí)間服務(wù)器基于NTP/SNTP協(xié)議對(duì)各控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)授時(shí)，平均網(wǎng)絡(luò)授時(shí)精度大于10 ms。通過(guò)DNTSE專(zhuān)用軟件對(duì)4個(gè)以太網(wǎng)口進(jìn)行IP地址設(shè)置。刷新設(shè)備后，在左側(cè)功能框中顯示聯(lián)接的DNTS-74網(wǎng)口設(shè)備，點(diǎn)擊任意一行可在右側(cè)IP地址欄中對(duì)該網(wǎng)口重新設(shè)置IP地址。通過(guò)網(wǎng)口下方標(biāo)注的MAC地址可以確認(rèn)所修改IP地址對(duì)應(yīng)的網(wǎng)口。

3 橫河DCS時(shí)鐘同步設(shè)置

兩套化工裝置均采用的是橫河DCS系統(tǒng)，分別是CENTUM-Vnet/IP系統(tǒng)和CS3000系統(tǒng)。由于系統(tǒng)版本的差異，兩套控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步設(shè)置并不相同。

3.1 CENTUM-Vnet/IP系統(tǒng)時(shí)間同步設(shè)置

A裝置使用的是橫河CENTUM-Vnet/IP系統(tǒng)。該系統(tǒng)中同一個(gè)控制域中的控制站，操作站，工程師站等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成一個(gè)時(shí)間組，時(shí)間組中SNTP服務(wù)器為整個(gè)控制域提供系統(tǒng)同步時(shí)間。整個(gè)控制域網(wǎng)絡(luò)時(shí)間精度可以達(dá)到1 ms,當(dāng)時(shí)間組內(nèi)設(shè)備重新啟動(dòng)后可以快速接近網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，啟動(dòng)后5 s時(shí)間精度即可達(dá)到1 s，5分鐘內(nèi)時(shí)間精度達(dá)到1 ms[3]。時(shí)間組網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示。

圖2 Vnet/IP時(shí)鐘同步圖

Vnet/IP系統(tǒng)控制域有BUS1，BUS2兩個(gè)冗余網(wǎng)絡(luò)，要求用于時(shí)鐘同步的SNTP服務(wù)器只能接入BUS2(開(kāi)放網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)，其IP地址只能設(shè)定為：192.168. <128+域地址>.254。根據(jù)以上要求，DNTS-74時(shí)間服務(wù)器網(wǎng)口一IP地址設(shè)置為：192.168.129.254；在Vnet/IP系統(tǒng)組態(tài)軟件System View中選擇files菜單下的Domain Properties,設(shè)置Time Group名為1；在SNTP Server IP Address中的Connect Bus 2中填寫(xiě)IP地址：192.168.129.254。

3.2 CS3000系統(tǒng)時(shí)鐘同步設(shè)置

B裝置采用的是橫河CS3000 DCS系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，SNTP 服務(wù)器不能作為控制域中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。因此，需要Dimension4授時(shí)軟件完成工程師站W(wǎng)indows時(shí)間與DNTS-74時(shí)間服務(wù)器的時(shí)鐘同步，其相關(guān)設(shè)置見(jiàn)章節(jié)4.4所述；然后配置工程師站為整個(gè)控制域網(wǎng)絡(luò)的TIME MASTER，工程師站W(wǎng)indows時(shí)間作為整個(gè)控制域網(wǎng)絡(luò)的同步時(shí)間，其方法如下：在工程師站注冊(cè)表HKEY_LOCAL_MACHINE下的YOKOGAWA文件中添加syNCtime項(xiàng)?？刂葡到y(tǒng)每?jī)煞昼姍z測(cè)一次各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備與工程師站時(shí)間的偏差，如果差值在5 s以上，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行2次時(shí)鐘同步，保證所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備時(shí)間精度達(dá)到1 ms。

4 CCS和SIS系統(tǒng)時(shí)鐘同步設(shè)置

A裝置SIS系統(tǒng)與CCS系統(tǒng)具有相同

的網(wǎng)段，共用時(shí)間服務(wù)器的網(wǎng)口二；B裝置CCS系統(tǒng)為CCC 3+系列控制器，它單獨(dú)使用一個(gè)時(shí)間服務(wù)器的網(wǎng)口四。上述控制系統(tǒng)的工程師站均采用Dimension4授時(shí)軟件完成Windows時(shí)間與DNTS-74服務(wù)器的時(shí)間同步，通過(guò)配置控制器與工程師站W(wǎng)indows時(shí)間同步，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與DNTS-74服務(wù)器的時(shí)間同步。

4.1 A裝置SIS系統(tǒng)控制器與工程師站時(shí)鐘同步設(shè)置

A裝置SIS系統(tǒng)采用的HIMA H51q控制器，ELOPⅡ項(xiàng)目管理軟件。在SIS工程師站HIM A&E OPC SERVER軟件中配置控制器與工程站時(shí)鐘同步的時(shí)間間隔和啟動(dòng)方式。

4.2 A裝置CCC Series 5控制器與工程師站時(shí)鐘同步設(shè)置

A裝置CCS系統(tǒng)采用的是CCC Series 5控制器，其與工程師站時(shí)鐘同步的設(shè)置如下：

1)更改工程師站的ntp.conf文件，由此工程師站成為Series 5控制器的NTP Masters；

2)更改操作站的ntp.conf文件，保持操作站與NTP Masters的時(shí)間同步；

更改完ntp.conf文件后，需要在windows服務(wù)中重啟一次Network Time Protocol Daemon服務(wù)。

3)調(diào)出Series 5控制器組態(tài)編輯器，在Time Synchronization框下的NTP Servers中添加NTP Masters的IP地址。由于控制器只能使用NTP，UDP兩種授時(shí)方式中的一種，故UDP Set Time Port框必須為空。

4.3 B裝置CCC Series 3++控制器與工程師站時(shí)鐘同步說(shuō)明

CCC Series 3++控制器與其工程師站通過(guò)RS485通訊，壓縮機(jī)控制數(shù)據(jù)的采集、歷史趨勢(shì)記錄、事件記錄以及MAP曲線(xiàn)工作點(diǎn)記錄都是基于工程師站的windows時(shí)間。因此，通過(guò)配置工程師站windows時(shí)間與DNTS-74時(shí)間服務(wù)器的時(shí)鐘同步，完成整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步。

4.4 工程師站與時(shí)間服務(wù)器的時(shí)鐘同步設(shè)置

工程師站可以通過(guò)Windows系統(tǒng)自帶的W32Time服務(wù)與DNTS-74時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行時(shí)鐘同步，進(jìn)入注冊(cè)表編輯器,路徑如下：

HKEY_LOCAL_MACHINE/SYSTEM/CurrentControlSet/services/W32Time/TimeProviders/NtpClient/SecialPollInterval

選擇十進(jìn)制基數(shù)，修改數(shù)值數(shù)據(jù)(自動(dòng)對(duì)時(shí)時(shí)間間隔)為604 800(一周對(duì)時(shí)一次)或者86 400(一天對(duì)時(shí)一次)。本項(xiàng)目中，為了便于系統(tǒng)時(shí)鐘同步的管理，采用控制系統(tǒng)廠(chǎng)家推薦的NTP客戶(hù)端授時(shí)軟件Dimension4軟件來(lái)完成工程師站W(wǎng)indows系統(tǒng)時(shí)間與時(shí)間服務(wù)器的時(shí)鐘同步。

Dimension4軟件中，在Server框中添加對(duì)應(yīng)時(shí)間服務(wù)器的網(wǎng)口IP地址，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選擇SNTP協(xié)議；在How Often中選擇軟件載入方式和確定時(shí)間同步的時(shí)間間隔；該軟件還提供了顯示方式設(shè)置，偏差超限提示設(shè)定，可以顯示同步歷史記錄和錯(cuò)誤信息。Dimension4軟件在使用中具有良好的穩(wěn)定性。

5 B裝置SIS系統(tǒng)時(shí)鐘同步設(shè)置

由于DNTS-74時(shí)間服務(wù)器僅提供了4個(gè)以太網(wǎng)口，故并未對(duì)B裝置SIS系統(tǒng)進(jìn)行GPS網(wǎng)絡(luò)授時(shí)設(shè)計(jì)，采用其與B裝置 DCS系統(tǒng)MODBUS通訊完成系統(tǒng)間的時(shí)鐘同步，間接得到DNTS-74的GPS時(shí)間，其方法如下：

在CS3000中可以通過(guò)SFCSW功能塊取得系統(tǒng)時(shí)間，其程序如下：

integer tmp

integer HH,MM,SS,YYYY,MMM,DD

tmp=1

repeat

getdate(YYYY,MMM,DD)

%.Y=YYYY

%.MM=MMM

%.D=DD

gettime(HH,MM,SS)

%.H=HH

%.M=MM

%.S=SS

%.set6=2000+%.Y

%.set7=%.MM*100+%.D

%.set8=%.H*100+%.M

%.set9=%.S*100

until (tmp==0)

通過(guò)CALCU功能塊把SFCSW所取得的4個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)送到通訊地址為49996-49999(霍尼韋爾SM系統(tǒng)中默認(rèn)的系統(tǒng)時(shí)間通訊地址)的數(shù)據(jù)中，即完成SIS時(shí)鐘源的建立。

6 效果

通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了兩套化工裝置多控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步，時(shí)間服務(wù)器工作穩(wěn)定，時(shí)間精度滿(mǎn)足控制要求。同時(shí)，項(xiàng)目的實(shí)施還有以下重要意義：

1)便于事故原因的查找和分析。通過(guò)SOE記錄可以明確事故發(fā)生的時(shí)序，而各控制系統(tǒng)時(shí)間的統(tǒng)一，有利于把SIS系統(tǒng)中事故發(fā)生的離散點(diǎn)在DCS和CCS系統(tǒng)中通過(guò)歷史趨勢(shì)圖連續(xù)的展現(xiàn)出來(lái)，從而更加清晰地還原事故發(fā)生時(shí)相關(guān)工藝條件的整體過(guò)程，為事故原因的查找和分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

2)同一時(shí)間基準(zhǔn)下的公用工程工藝單元的趨勢(shì)記錄、SOE記錄、操作記錄等，為分析工藝操作人員出現(xiàn)不適當(dāng)?shù)牟僮鲉?wèn)題從而制訂正確的操作規(guī)程提供有效的數(shù)據(jù)支持。

3)采用時(shí)間服務(wù)器，控制系統(tǒng)通過(guò)SNTP協(xié)議獲得GPS時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)多控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步的技術(shù)方案簡(jiǎn)單可靠且易實(shí)施。

[1] 張國(guó)軍，溫春林.基于SNTP的多控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2013，2:38-41.

[2] DNTS-7網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器說(shuō)明書(shū)[Z].北京：北京中新創(chuàng)科技有限公司，2011.

[3] IM 33Q06H90-31E 4th Edition[M].Tokyo：Yokogawa Electric Corporation，2006.

Design and Use of Clock Synchronization in Several Control Systems of Chemical Plant

Feng Fei1, Wang Xueyan2

(1.Zhongtianhechuang Energy Co.,Ltd., Ordos 017317, China;2.College of information automation Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

Considering chemical plant with DCS, SIS, CCS and other several control systems, using GPS time server, a technique scheme adopting SNTP protocol is designed to synchronize the clocks of the different control systems. Introducing the setting of GPS time server, the setting of DCS time group, the setting of clock synchronization software of CCS system and the two schemes of SIS system clock synchronization. The clock synchronization of the several control systems is realized. The time benchmark of the process parameter trend record, SOE record, operating record are consistent and accurate.It is helpful to find and analyze the cause of a production accident.

control system; time server; clock synchronization

2016-07-19；

2016-07-28。

馮 飛(1987-)，男，河南濮陽(yáng)人，主要從事儀表自動(dòng)化方向的研究。

1671-4598(2016)09-0133-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.036

TP391.9

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