定時自動校正實現控制系統時鐘同步

張述飛

(中海石油建滔化工有限公司，海南 東方 572600)

隨著控制技術的發展，目前化工裝置一般有多套控制系統，例如： DCS作為過程控制系統，ESD作為裝置聯鎖緊急停車的安全保障系統，ITCC作為機組開停車及運行的安全保障系統[1]。當停車或其他事故發生時，需要對當時的工藝、儀表、設備狀況下事件發生的前后順序進行準確判讀[2]。故障的聯鎖動作在ESD/ITCC系統的事件順序記錄(SOE)中有詳細的記錄，而工藝操作、設備運行狀況在DCS中有詳細的記錄。進行故障分析時，需要兩方面結合才能對引發故障或停車的真正原因作出正確判斷和分析，因而化工裝置各控制系統的時鐘同步顯得尤為重要[3]。下面以CS3000與TS3000系統為例，介紹一種定時自動校正實現控制系統時鐘同步的方法。

1 常用控制系統時鐘同步方案

1．1 利用簡單網絡時間協議(SNTP)實現時鐘同步

目前主流的DCS，ESD廠商的系統時鐘同步都上升到以太網的層面，將各控制系統通過以太網聯接，統一加入“域”[4]。通過該種方式實現時鐘同步既經濟又簡單，但在實際過程中由于各廠家系統間的差別，有時較難實現。

1．2 利用GPS實現時鐘同步

GPS時鐘是一種接收GPS衛星發射的低功率無線電信號，通過計算得出GPS時間的接收裝置[5]。該方式將GPS時鐘作為控制系統的標準時鐘，系統間時鐘誤差由GPS時鐘的精度所決定，以中科院國家授時中心的時鐘產品為例，其同步精度可達0．2 ms[6]。

以某化工裝置為例，DCS采用橫河CS3000系統，ESD，ITCC采用TRICONEX TS3000系統，各自采用1套GPS實現時鐘同步。DCS時鐘同步模塊通過同軸電纜連接到CS3000系統的工程師站HIS0264，將HIS0264的時鐘調整為GPS時鐘，系統自身通過YOKOGAWA Time實現系統內時鐘同步[7]，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 CS3000系統時鐘同步拓撲結構

TRICON時鐘同步模塊采用RS-232方式與ESD系統網絡通信模塊NCM連接，實現時鐘與GPS時鐘一致。ESD與ITCC之間通過TRICON Peer-to-peer協議實現時鐘同步，如圖2所示。

圖2 TRICON系統時鐘同步拓撲結構示意

GPS實現時鐘同步優點是精度很高，誤差一般在幾十微秒至幾毫秒，但實現起來較困難，改動投入較大，不適合已投產的裝置。

2 定時自動校正方式實現時鐘同步

2．1 定時自動校正時鐘同步原理

定時自動校正時鐘同步的原理是將DCS作為主時鐘源，定時發送同步請求。ESD/ITCC系統邏輯接收信號，系統在分析數據的準確性后將自身系統的時鐘設定在要求的時刻[8]。以每天07：00 DCS與ESD/ITCC系統邏輯進行一次時鐘同步為例，其原理如圖3所示。

圖3 定時自動校正時鐘同步原理示意

定時自動校正可實現各系統時鐘同步，對于已經投產的裝置來說，系統不需要大的改動，也不需要增加新的硬件，是一種簡單易行的方法。

2．2 時鐘同步方式的選擇

定時自動校正同步請求脈沖信號可采用通信或硬線方式實現。如果各控制系統間已實現Modbus通信，以通信方式發送請求脈沖，不需要增加額外的硬件，只需軟件組態就可實現[9]。該方法比較經濟，但由于系統之間的Modbus通信在傳輸上存在滯后的現象，自身就存在著時間差。另外目前Modbus通信速率一般在75 Kbit/s，隨著系統通信點數量的增大，時間差有可能會增大，不夠精準[10]，有時還可能出現由于脈沖時間較短接收不到的現象。實現過程中大多將脈沖時間延長，有時可能達到10 s，勢必造成各系統間時鐘存在較大偏差。

硬線方式與通信原理相同，只是將通信連接改為硬線連接。硬線連接傳輸速度快，可利用系統卡件備用通道，不需要增加硬件，實現起來較為方便。采用硬線連接方式，時鐘同步精準度可大幅提高。

2．3 程序設計

2．3．1DCS程序

DCS程序主要功能是獲取系統時間并判斷是否在指定時間。在橫河System View控制組態中使用ST16，SFCSW，LC64三個功能塊完成，橫河CS3000系統時間獲取可用三位式開關類SFCSW塊，其主要功能是獲取系統當前時鐘并判斷是否在指定時間。邏輯功能LC64 用于脈沖信號輸出，脈沖信號保持2 s，以保證ESD/ITCC可以接收到。為保證時鐘同步的準確性，如每天07：00：00進行一次時鐘同步，程序一旦檢測到時間為07：00：00，便輸出2 s脈沖信號給ESD/ITCC系統。順控功能ST16塊用于SFCSW塊和LC64塊的初始化，防止控制器重啟后程序處于手動狀態，保證控制器啟動程序處于運行狀態。

2．3．2ESD/ITCC系統邏輯

ESD/ITCC系統邏輯主要功能是接受DCS同步信號并將系統時間設定為指定時間。TriStation 1131中設定系統時鐘可使用TIMESET塊，但需要將設定時間轉換為以1970年01月01日00：00：00 為起點計時的秒數。轉換計算通過編寫功能塊SYN_TIME實現，其中閏月的情況也需考慮。

例如，要將系統時間設定為2003年02月24日 18：43：53，則計算如下：

Y1=(2 003-1 970)×365×

(1)

24×60×60

Y2=8×24×60×60

(2)

Y3=31×24×60×60

(3)

Y4=24×24×60×60

(4)

Y5=18×24+43×60+53

(5)

式(1)計算從1970年01月01日00：00：00到2002年結束對應的時間；式(2)計算1970到2003間8個閏年需增加的時間；式(3)計算2003年01月的時間；式(4)計算02月24天的時間；式(5)為18：43：53對應時間，則轉換后對應時間為

Y=Y1+Y2+Y3+Y4+Y5=

1 046 159 763

TRICON邏輯實現每天進行一次時鐘校正，如圖4所示。來自DCS的校正信號通過上升沿檢測塊R_TRIG觸發時鐘設定塊TIMESET。系統的時鐘校正信號僅由該點的上升沿脈沖起作用，避免了TIMESET塊C1端長時間為1，從而保證了系統時鐘的精準對時。讀取TRICON系統時鐘使用TR_CALENDAR塊，方便對時鐘偏差作出判斷。設定時間轉換功能塊SYN_TIME年、月、日，取系統當前日期，無需校正。系統一旦檢測到DCS發來的校正信號，立即將系統時鐘調整為07：00：00。

圖4 TRICON系統邏輯示意

3 結束語

由于DCS基本掃描周期一般為0．5～1．0 s，相對于ESD/ITCC系統邏輯周期較長，實際同步過程中可能會存在1 s左右的誤差，但卻可以滿足裝置大部分事故分析需要。利用定時校正實現時鐘同步是一種簡單易行的解決各系統時鐘偏差的方法，對于未實現時鐘同步的裝置來說有很好的借鑒作用。

參考文獻：

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[10] 張彥軍，劉靖宇，郭廓．分布式控制系統的時鐘同步研究[J]．工業控制計算機，2006(05)： 41-42．