基于NTP的時鐘同步技術在成品油管道SCADA系統中的應用

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，調度運行指揮難度大，傳統的人工記錄、逐級匯報的方式已經不能滿足正常的生產運行需要。SCADA系統（Supervisory Control and Data Acquisition，數據采集與監視控制系統），是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統，建立在3C＋S（計算機，控制，通信及傳感器）技術上的一門學科，實現實時采集現場數據，全面、監視工藝流程并實施遠程控制，實現輸油管道的集中指揮和統一管理，提高生產調度速度，因而得到了普遍的應用。

二、成品油管道SCADA系統時鐘同步的重要意義

SCADA系統的計算機監控系統、過程控制裝置、聯鎖保護裝置、報警管理系統、RTU系統等設備，所使用的時間都是由設備內部時鐘提供的，一般的計算機和嵌入式設備時鐘精度只有lO-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報警、SOE順序事故記錄、歷史趨勢等不能正確記錄事件發生的正確時間。如果采用人工定期校準系統時間坐標的方式來調準時鐘，頻繁的調整易造成歷史趨勢記錄錯誤、歸檔數據丟失等故障。尤其是成品油管道采用密閉輸送方式，作為一個統一的水力系統，管道沿線的一臺設備出現故障有可能會引起整個管網水力系統的波動，一旦分布于不同地區的子系統或設備時間不一致，現場信號無法正常傳輸至調控中心，采取必要的超前保護措施，就可能引發關鍵設備損壞、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。時鐘同步技術的傳輸模式實現了從脈沖式、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、我國的北斗衛星系統等定位系統。

NTP（Network Time Protocol，網絡時間協議）：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議，由時間協議、ICMP時間戳消息及IP時間戳選項發展而來，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、組播或廣播方式發送協議報文。

NTP授時工作原理（如圖1）：Device A和Device B通過網絡相連，有自己獨立的系統時鐘，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，從而實現時間的同步。假設A和B通過以太網端口相連，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，數據包在A和B之間單向傳輸所需要的時間為1秒。設備A發送一個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已經擁有足夠的信息來計算兩個重要的參數：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系統硬件結構圖

圖3 調控中心一級時鐘同步系統結構

圖4 輸油泵站二級時鐘同步系統結構

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。根據需要選擇合適的工作模式，在不能確定服務器或對等體IP地址，以及網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時鐘同步。

四、華南成品油管網SCADA系統時鐘同步應用現狀及解決方案

1.華南成品油SCADA系統結構

華南管網已經建成包括西南管道、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，是目前國內最大的成品油管網。系統結構可按照功能區域來分，主要包括主、備調控中心控制系統，各輸油站站控系統，遠控閥室監控系統及將各功能區域連接起來的通信系統（如圖2）。

2.時鐘同步設備應用現狀

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

同步方式存在不足。通過調控中心的GPS時鐘同步設備通過廣域網對全線設備進行時鐘同步。許多工業控制過程需要高準確度時間，一般要在ms級以內。如果在廣域網內進行授時，每次經過的路由器路徑可能不相同，授時精度可能無法達到要求，局域網內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，沒有實現冗余配置，一旦出現故障后無法實現時間同步；該設備為單電源輸入，無法保證可靠的運行穩定性。

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

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

3.華南成品油管網SCADA系統時鐘同步解決方案

時鐘同步系統分為兩級，即調控中心一級時鐘和輸油站二級時鐘。調控中心一級時鐘設備作為整個網絡時鐘基準，設置兩套冗余主時鐘，可采用北斗或GPS多模衛星作為標準時鐘源，并和銣原子鐘組成天地互備系統（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衛星發送的時間基準信號；當某一主時鐘的時間信號接收單元發生故障時，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，通過時延補償技術解決。在輸油泵站設置二級時鐘設備，采用北斗或GPS多模衛星及本地恒溫晶振組成時鐘同步系統，并接受調控中心一級時鐘設備傳來的時鐘信息，組成天地互備系統（如圖4），給網絡內的設備提供時間信號。同時設置授時監控軟件，采用輪詢的方式采集監控系統的服務器、工作站的時鐘同步信息，包括衛星工作模式、搜星數量、天線狀態、時鐘頻率偏差、時鐘同步漂移、時鐘抖動、時間偏差、同步狀態等信息，同時對數據進行整理和分析，提供給系統管理人員。

五、結束語

統一、精確的時間是保證成品油長輸管道SCADA系統安全運行的必要措施。本文介紹的華南成品油管網SCADA系統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系統產品不同以及具體需求有差異，還是要根據管道實際情況，制定符合本管道SCADA系統的時鐘同步方案。

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