魏福祥(重慶川儀控制系統(tǒng)有限公司上海分公司，上海 201204)

0 引言

某煤化工裝置自動化控制系統(tǒng)包括：磨煤及干燥單元、粉煤加壓輸送、氣化及合成氣洗滌、渣及灰水處理以及公用系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)測點數(shù)接近一萬點，控制站23 個，操作員站20 臺，工程師站5 臺。控制系統(tǒng)分為基本生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)(DCS)、安全儀表系統(tǒng)(SIS)、可燃有毒氣體檢測報警系統(tǒng)(GDS)，壓縮機控制系統(tǒng)(CCS)，還有成套設(shè)備自帶的控制系統(tǒng)以及一些輔助裝置的PLC，總計控制系統(tǒng)套數(shù)不下數(shù)十套。全廠設(shè)立了集中控制室，實現(xiàn)了操作和控制的集中監(jiān)控。但各個廠家的控制系統(tǒng)硬件是分布在各裝置區(qū)內(nèi)，通過相互通訊，把各個系統(tǒng)聯(lián)系起來，避免了自動化孤島，實現(xiàn)了統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度、提高安全生產(chǎn)水平，增加了生產(chǎn)效益。

2015 年的某一天，裝置氣化爐F101A,F101B 出現(xiàn)停爐事件。當(dāng)時儀表人員分別檢查了DCS、SIS 和壓縮機的SOE(事件順序記錄)，發(fā)現(xiàn)此三套控制系統(tǒng)時間不一樣，最大的相差達到6 個多小時，這樣給儀表人員調(diào)查事故原因帶來了極大的不便，嚴(yán)重影響了處理事故的速度。DCS 采用杭州和利時自動化有限公司的MACS 6.5.2 品牌，SIS 采用Honeywell 公司的SM 品牌，壓縮機(ccs)采用康吉森公司的Triconex 品牌。經(jīng)過進一步研究確認(rèn)，各家系統(tǒng)之間的時鐘未進行統(tǒng)一校時。

通過以上案例我們看到，在信息實現(xiàn)了集中監(jiān)控的同時，各套系統(tǒng)各自都擁有自己的時鐘。本身計算機的時鐘有晶振頻率的差異，會出現(xiàn)時間差。時間長了，日積月累會造成時間不一致，甚至有時候差異很大。這樣在事故分析過程中，就會有時間差導(dǎo)致對事故原因的誤判。因此，化工廠過程控制中，把所有控制系統(tǒng)的時鐘進行同步是非常必要的。

1 時鐘同步在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定

在《石油化工分散控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(SH/T 3092—2013)

5.3.7 節(jié)規(guī)定：

“5.3.7 時鐘同步

5.3.7.1 DCS 應(yīng)具備使用網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的時鐘同步的功能。

5.3.7.2 宜由DCS 向第三方應(yīng)用計算機或網(wǎng)絡(luò)發(fā)布時鐘同步信號。

5.3.7.3 節(jié)點數(shù)量大于50 的網(wǎng)絡(luò)宜設(shè)置時鐘服務(wù)器。

5.3.7.4 時鐘服務(wù)器的授時精度不應(yīng)低于1ms，守時精度不應(yīng)低于2us/min。

5.3.7.5 DCS 不應(yīng)采用無線通訊方式的外部時鐘源。”

在《分散型控制系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》(HG/T 20573—2012)9.2 節(jié)規(guī)定：

“9.2 通信系統(tǒng)與時鐘同步系統(tǒng)

9.2.1 DCS 通信系統(tǒng)宜由控制網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)、通信接口卡件、網(wǎng)絡(luò)電纜等組成。

9.2.2 DCS 通信系統(tǒng)宜由包含一套時鐘同步系統(tǒng)，以具有接收來自全球定位系統(tǒng)(GPS)的時鐘信號的能力?！?/p>

在《石油化工儀表遠程監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(SH/T3181-2016)6.5 節(jié)規(guī)定：

“6.5 時鐘同步

6.5.1 SCADA 應(yīng)在調(diào)度控制中心配置GPS 時鐘，SCADA網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點宜通過時鐘同步軟件實現(xiàn)時鐘同步，同時也可向第三方應(yīng)用計算機或網(wǎng)絡(luò)發(fā)布時鐘同步信號。”

通過以上標(biāo)準(zhǔn)看到，時鐘同步的目的是使DCS 系統(tǒng)內(nèi)部和其它系統(tǒng)之間的時間標(biāo)記數(shù)據(jù)一致，實際上并不需要絕對時間一致，只要相對時間就足夠了，也不需要與某個地域時間絕對一致。這是時鐘同步的本質(zhì)，也就是說追求全廠控制系統(tǒng)的時間統(tǒng)一性的要求高于時鐘本身是否精準(zhǔn)。因為全廠控制系統(tǒng)在事故分析中，強調(diào)發(fā)生時間的順序關(guān)系，從而可以分析出，事故發(fā)生時的邏輯關(guān)系，判斷事故的源頭。但在實際應(yīng)用中，大型工廠本身具備GPS 能力，既能保證時間的相對一致，又能保證時間的精度。

2 典型校時裝置結(jié)構(gòu)及組成

從圖1 可以看出，校時裝置主要由外部信號接收單元、信號處理單元、時間信號輸出單元以及被授時設(shè)備組成。下面分別對這些組成部分進行介紹。

圖1 校時裝置結(jié)構(gòu)圖

2.1 外部信號接收單元

該部分主要是通過蘑菇頭+外部天線接收GPS 衛(wèi)星發(fā)送的基準(zhǔn)信號，包括定時、定位信號等，并從中獲得滿足要求的時間信息。

2.2 信號處理單元

它通過對接收到的GPS 衛(wèi)星信號進行解碼和處理，將國際標(biāo)準(zhǔn)時間轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時間，即年、月、日、時、分、秒、毫秒等，并轉(zhuǎn)換為對時設(shè)備可識別的信號，進而實現(xiàn)對用戶設(shè)備進行授時和時間同步的功能。

2.3 時間信號輸出單元

輸出模塊根據(jù)不同設(shè)備對時間同步信號類型的要求，提供不同類型的時間同步信號接口，一般有光纖、同軸電纜、屏蔽雙絞線、音頻通信電纜等

2.4 被授時設(shè)備

被授時設(shè)備是指需要授時并實現(xiàn)時間同步的各種設(shè)備，如事件記錄系統(tǒng)、PLC 系統(tǒng)、保護裝置及各類智能單元、DCS 系統(tǒng)、SIS 系統(tǒng)、GDS 系統(tǒng)等。當(dāng)接收到外部事件的基準(zhǔn)信號時，授時設(shè)備被外部時間基準(zhǔn)信號同步；當(dāng)接收不到外部時間基準(zhǔn)信號時，保持一定的走時準(zhǔn)確度，使其輸出的時間同步信號仍能保證一定的準(zhǔn)確度。在信號處理單元不同廠家有不同方案，下面介紹一款國內(nèi)常用的處理設(shè)備FM197 電纜連接說明如圖2。

圖2 FM197與GPS連接接線圖

FM197 設(shè)置說明：

“(1)FM197 的主從設(shè)定：需要通過FB197 板上的撥碼開關(guān)S1 的第1 位來設(shè)定，撥到“OFF”狀態(tài)表示“主”，撥到“ON”狀態(tài)表示“從”。當(dāng)只有1 個FM197 時，必須設(shè)為“主”，級聯(lián)使用時，第一級設(shè)為“主”，其余的設(shè)為“從”。

(2)時鐘產(chǎn)生的選擇：FM197 作為主對時集線器時，其標(biāo)準(zhǔn)時鐘可由本地時鐘電路產(chǎn)生，也可通過外接GPS 產(chǎn)生，需通過FB197 板上的撥碼開關(guān)S1 的第2 位來設(shè)定，撥到“OFF”狀態(tài)表示“外接GPS”，撥到“ON”狀態(tài)表示“由本地時鐘產(chǎn)生”。

(3)通訊接口設(shè)置：1 號通訊接口是級聯(lián)對時脈沖輸出；2號通訊接口是時鐘脈沖輸入接口，F(xiàn)M197 的2 號接口默認(rèn)設(shè)置為RS485，當(dāng)與GPS 配合使用時，應(yīng)該將FM197 的2 號通訊接口設(shè)置為RS232。”

3-16 通訊接口是時鐘對時信號和對時分脈沖輸出接口。

3 DCS內(nèi)部實現(xiàn)時鐘同步的方法

DCS 系統(tǒng)具備使局域網(wǎng)中各個節(jié)點的時鐘同步的功能，這在各個DCS 廠家系統(tǒng)內(nèi)部就可以實現(xiàn)。在實際應(yīng)用中，只需要考慮時鐘源與DCS 校時服務(wù)器之間的聯(lián)系就行，其余的由各個系統(tǒng)廠家內(nèi)部處理。下圖是DCS 廠家提供的內(nèi)部校時結(jié)構(gòu)圖。從圖上可以看出，DCS 系統(tǒng)采用以太網(wǎng)NTP 對時，校時服務(wù)器的時鐘信號通過以太網(wǎng)插到交換機上，由GPS 時鐘信號首先對時間服務(wù)器進行校時，時間服務(wù)器再對其他操作站，主控制器進行校時。對主控制器校時的過程是，先對控制站序號最小的站進行校時，校時完成后，由最小控制站號提供時鐘信息，對齊其他控制站的時鐘。這個過程是周期性的，自動完成。如圖3 所示。

圖3 DCS系統(tǒng)內(nèi)校時網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4 特殊場合使用的SOE信號

DCS 系統(tǒng)中，有一種特殊卡件，在事故分析過程中起著關(guān)鍵性的作用。那就是SOE 卡件，SOE 全稱為Sequence Of Event，指事件順序記錄。它要求達到的時間分辨率為1ms，主要用在現(xiàn)場發(fā)生各種事故，進行事故分析和定位用。使用NTP 校時方式的時候，一般達不到1ms 的時間精度。因此，有些廠家在SOE卡件上，提供了比NTP 更精確的硬校時方式。這種方式是在特殊場合的一種特殊用法。

5 關(guān)于校時的安全性考慮

系統(tǒng)嚴(yán)禁采用無線網(wǎng)絡(luò)校時。在《石油化工分散控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(SH/T 3092—2013)5.3.7 節(jié)要求DCS 不應(yīng)采用無線通信方式的外部時鐘源。這是出于對控制系統(tǒng)安全的考慮，該規(guī)范6.2.2 無線網(wǎng)絡(luò)中要求DCS 嚴(yán)禁采用無線網(wǎng)絡(luò)，采用無線網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)及儀表設(shè)備不得接入DCS 網(wǎng)絡(luò)。

6 結(jié)語

GPS 時鐘同步的方式是目前化工廠在全廠控制系統(tǒng)管理過程中比較理想的控制方案，為全廠自動化設(shè)備的安全生產(chǎn)提供強有力的技術(shù)保障。