GPS時鐘同步技術在350萬t/a柴油加氫及其配套裝置中的應用

王 蓉 吳建民

(中國石油蘭州石化公司，蘭州 730060)

隨著科學技術與國民經濟的快速發展，工控系統也隨之蓬勃發展。石化項目(如百萬噸乙烯及千萬噸煉油等)也日益趨向大型化、一體化和智能化。一個大型的石化項目往往集成有多套程控系統，如DCS、SIS及CCS等，這些系統在功能和網絡上分別獨立，并各自采用獨立的時鐘。由于時鐘產品質量存在差異，因此在對時精度上也存在一定的偏差，而且當系統運行的時間越長，其積累的偏差就越大，從而使各裝置乃至全廠的系統時間不能統一，這種差異給裝置在生產過程中出現故障后的分析造成了較大的阻礙。如果操作站和控制站的時鐘不同步，那么SOE事件記錄、歷史趨勢、數據采集及數據同步等功能都將受到嚴重影響。

筆者以中國石油蘭州石化公司的350萬t/a柴油加氫和配套5萬Nm3制氫裝置程控系統為例，介紹時鐘同步網絡拓撲的搭建，以及利用各系統特點實現與GPS時鐘同步服務器時鐘的同步設置方法。

1 GPS時鐘同步原理①

世界上大多數國家采用的標準時間標度是基于地球自轉的世界協調時(Universal Time Coordinated，UTC)和基于地球公轉的公歷，UTC時間通過多種途徑傳播，如無線與GPS衛星導航系統、電話調制解調器及便攜式計數器等。GPS衛星導航系統在每顆衛星上都安裝有精密的原子鐘，并由監測站經常進行校準。衛星發送導航信息的同時也發送精確的時間信息。GPS接收機接收此信息，并同步于自身時鐘，獲得準確的時間。因此，GPS接收機除了能準確定位之外，還可以產生精確的時間信息。目前自動化系統采用的時間標準就是UTC。

GPS網絡時鐘同步服務器又稱網絡時間協議(Network Time Protocol,NTP)時間服務器。時間服務器是對自動化系統中的計算機及控制裝置等進行校時的高科技產品。NTP是用于互聯網中時間同步的標準互聯網協議，也用于把計算機的時間同步到某些時間標準。NTP時間服務器從GPS衛星上獲取UTC信號，并將這些信息通過各種類型的接口傳輸給自動化系統中需要時間信息的設備(如計算機、保護裝置、故障錄波器、事件順序記錄裝置、安全自動裝置和遠動RTU)，這樣就可以實現整個系統內的時間同步。

2 NTP協議的對時方法

NTP協議的精確對時主要是在主-從工作方式下實現的。NTP算法首先根據服務器和客戶端的往返報文來確定兩地時鐘的差值和報文在網絡中的傳輸延遲。服務器與客戶端的對時過程如圖1所示。

圖1 服務器與客戶端的對時過程

圖中，T1和T4是客戶端時鐘記錄的發送和接收NTP報文的時間；T2和T3是服務器端時鐘記錄的接收和發送NTP報文的時間。假設服務器的時鐘是準確的，服務器和客戶端時鐘的時間偏差是a，從客戶端發送報文到服務器端的路徑延遲是b1，從服務器發送報文到客戶端的路徑延遲是b2，路徑延遲總和是b，那么可以列出3個方程：

T2-T1=a+b1

(1)

T4-T3=b2-a

(2)

b1+b2=b

(3)

假設從客戶端到服務器的路徑延遲和從服務器到客戶端的路徑延遲相等，即b1=b2=b/2，以上3個方程變成：

T2-T1=a+b/2

(4)

T4-T3=b/2-a

(5)

由式(4)、(5)可以求出服務器和客戶端時鐘的時間偏差為：

a=[(T2-T1)+(T3-T4)]/2

(6)

客戶端與服務器端總的網絡路徑延遲為：

b=(T4-T1)-(T3-T2)

(7)

客戶端與服務器之間的時間偏差和網絡延遲如圖2所示。客戶端向網絡時鐘同步服務器發送同步請求，然后收到含有T1、T2、T3和T4時間戳的報文，并計算出時間偏差和網絡路徑延遲，調整自己的時間，以實現與標準時間的統一。

圖2 時間偏差和網絡延遲

3 時鐘同步方案的制定

中國石油蘭州石化公司某350萬t/a柴油加氫是一套柴油精制裝置，它的原料之一是氫氣，主要來自于5萬Nm3/h制氫裝置。加氫裝置與制氫裝置共有兩套Centum CS3000、兩套Deltav SIS和一套CCS機組控制系統。

350萬t/a柴油加氫項目采用了HY-N系列的GPS標準時鐘同步時間服務器，該服務器提供了3個NTP網絡RJ45接口：網絡接口NTP1默認網絡地址為192.168.0.254，網絡接口NTP2默認網絡地址為192.168.1.254，網絡接口NTP3默認網絡地址為192.168.2.254；子網掩碼均為255.255.255.0。由此，搭建的程控系統時鐘同步網絡拓撲如圖3所示。

圖3 程控系統時鐘同步網絡拓撲

4 系統時鐘同步的實現

4.1 Centum CS3000

Centum CS3000系統可以調整域內時間，在與V網連接的各站中，除過OS具有的OS時鐘之外，還有V網平臺保持的Vehicle時鐘。程控系統內全部以Vehicles時間為標準。當系統啟動時，域內最初啟動的HIS站成為時間主站，時間主站發送時間同報信息，從站接收并調整時間，最終實現時間統一。

時間主站要從時鐘同步服務器上獲取標準時間，還需要在System View界面內進行相應的設置。該功能基于SNTP協議，Centum CS3000時鐘同步組態設置界面如圖4所示，FCS01和FCS02為兩個控制站，HIS0161、HIS0162和HIS0163分別為3個操作站，HIS0164為工程師站。將各自域屬性內的SNTP Server IP Address設置為時鐘同步服務器相應NTP2端口的IP地址即可。

圖4 Centum CS3000系統時鐘同步組態設置界面

4.2 SIS系統

DeltaV系統的主時間源可以是系統中的任意一個工作站，當系統時間需要手動(靜態)校對時，可以使用設置/同步網絡時間(Set/Synchronize Network time)工具中的DeltaV System time對話框設置。如果系統時間來自于網絡時間服務器，則不需要設置DeltaV系統時間對話框。由于修改主時間源工作站的Windows操作系統時間等于間接修改了DeltaV系統時間，因此可以將從網絡時間服務器獲取的數據直接作為Windows系統時間的設定值。

圖5 客服端軟件對話框

在圖5中，需要填入網絡時鐘服務器NTP1端口IP地址192.168.0.254(制氫)及周期60s等相應選項。此時，網絡時鐘客戶端設置完成，即可同步(動態)主時間源工作站的Windows系統時間。

其次還需要在DeltaV系統中設置安裝了同步軟件的計算機為主時間源，SIS系統主站設置方法如圖6所示。

圖6 SIS系統主站設置界面

打開Explorer，選中菜單樹的Physical Network，鼠標右鍵點擊Properties，在Physical Network Properties窗口中選中標簽System Time，在Master Time Server中填寫ES，即系統時間源為工程師站ES。確定完時間主站后，DeltaV SIS便能與GPS時鐘同步服務器進行時鐘同步了。

4.3 CCS系統

350萬t/a加氫裝置機組選用的控制系統是CCS TS3000，該系統的時間同步源來自Centum CS3000系統，通過雙方系統內部組態和程序的編寫，實現網絡時間的同步。

在DCS中編寫了名為JZ_TIME(_SFCPB)的功能模塊實現DCS與CCS之間的時鐘同步，當DCS系統的時間為1：00：00時，發送數字量通知TS3000系統，TS3000系統獲取同步信息后同步本系統時鐘為1：00：00，從而實現了網絡時鐘的同步。程序代碼如下：

Global block %SW JZTIMESW

Integer HH,MI,SS

START:

gettime(HH,MI,SS)

if(HH==1 AND MI==00 AND SS==00)then

JZTIMESW.PV=1

else

JZTIMESW.PV=0

end if

goto START

5 結束語

中國石油蘭州石化公司的5萬Nm3制氫和350萬t/a柴油加氫裝置從開車到現在已運行半年多，兩套裝置的系統時間始終與GPS網絡時鐘服務器時間保持一致并同步于UTC。實踐證明，在使用了GPS網絡時鐘同步系統后，SIS與DCS的事件記錄和歷史趨勢記錄能夠精準匹配，在裝置工況出現波動和設備出現異常時，經過時間同步的各項記錄能夠給故障分析提供可靠的依據，不僅縮短了分析時間，而且降低了維護人員的勞動強度，在得出準確分析結果的同時，給裝置的長周期運行打下了堅實基礎。時間同步技術在制氫、加氫裝置中的成功應用也為其他裝置控制系統間的時鐘同步提供了參考和借鑒。