生產控制系統時鐘同步方式及應用

李 濤

（榆林瀚昌科工貿有限責任公司，陜西 榆林 719000）

隨著控制系統技術的日臻完善和國產控制系統的興起，與之前進口控制系統天價壟斷的局面相比，目前各類生產、制造企業都普遍采用控制系統來實現安全、高效生產，因此DCS 系統、SIS 系統、PLC 系統以及單片機系統等得到普遍應用。伴隨裝置規模的擴大和模塊設計的出現，一個企業特別是大型企業，不可避免地會同時出現各種類型的控制系統，因此時鐘同步問題就顯得格外重要，其中就包括事件事故的追憶。本文以某甲醇裝置為例，詳細闡述不同控制系統間時鐘同步方式，以及說明時鐘同步的必要性和安全性。

1 時鐘同步概述

時鐘同步，即實現不同網絡上各節點之間時間的同步。NPT 是目前應用最為廣泛的網絡時間同步協議，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[1]。同步時間的標準時間應該是國際標準時間（UTC），可以從原子鐘、天文臺、衛星等獲得，時鐘同步需要配備時鐘同步器和時鐘源，時鐘源以往主要采用GPS，目前中國北斗也開始應用。

表1 控制系統種類及分布Table 1 Types and distribution of control systems

時鐘同步的目的是使DCS 系統內部和其它系統之間的時間標記數據一致，實際上并不需要絕對時間一致，只要相對時間就足夠了。DCS 應具備使網絡中各個節點時鐘同步的功能。在實際應用中，宜由DCS 向第三方發布時鐘同步信號，對于不必標記數據的第三方設備，不必要設置時鐘同步。

2 系統簡介

某甲醇裝置年生產120 萬噸甲醇，工段主要分為空分工段、氣化工段、凈化工段和合成工段，采用的控制系統有艾默生DeltaV、TRICON、FOXBORO IA 和西門子S7-400PLC 系統，各控制系統情況見表1。

空分工段采用獨立DCS 控制系統，氣化、凈化和合成共用一套DCS 系統，Tricon 和S7-400PLC 等都是獨立的單元控制系統。

3 時鐘同步方案及實現

時鐘同步方式應該說多種多樣，總體來說分為兩類：一是利用GPS 時鐘源對各系統進行時鐘同步；二是定時自動校正實現時鐘同步[2]。利用GPS 時鐘源同步，即各控制系統各自接入GPS 時鐘源，利用GPS 時鐘源的獨立網口，每個網口分配給不同的控制系統，定時自動校正。實現時鐘同步是利用DCS 系統網絡節點自動校時功能，同步各操作站、工程師站等時間，同時DCS 系統與SIS 系統、PLC系統再同步。某甲醇裝置采用兩種結合的方式，實現全廠控制系統的時鐘同步，同步時鐘方案如圖1 所示。

3.1 DCS與時鐘同步器的連接

DCS 時鐘同步主要是指DCS 與時鐘同步器的連接和設置，時鐘同步器通過GPS 模塊接收衛星信號。GPS 需安裝在較開闊的地方，DCS 系統與時鐘同步器通過網線連接，以下以DeltaV 為例，闡述DCS 與時鐘同步器的連接和設置。

圖1 同步時鐘方案Fig.1 Synchronous clock scheme

圖2 DeltaV 同步成功信息Fig.2 DeltaV Synchronization success information

同步時鐘服務器不連接到DeltaV 系統的控制網，連接在APP 站的第三塊網卡，主要設置步驟：①通過網線連接時鐘同步網口和APP 站的第三塊網卡；②設置時鐘同步網絡地址，APP 站第三塊網卡地址與時鐘同步器設置成同一個網段；③使用APP 站的Remote Network 功能；④在APP 站設置APP 所連接的時鐘服務器的IP 地址；⑤設置DELTAV 控制網絡的主時鐘源為APP 站；⑥Download Control Network 的Setup Data。如果系統都正常，安裝完成幾分鐘后，在Diagnostics-DeltaV 能顯示如圖2 所示信息。

3.2 FOXBORO IA與SIS系統時鐘同步

本案例中，氣化工段3 套SIS 系統采用獨立的Tricon系統，合成ITCC、丙烯ITCC 系統也采用獨立的Tricon 系統。DCS 與Tricon 時鐘同步的方式一般有兩種方式：一種是通過通訊的方式，DCS 系統每天定時向Tricon 系統發送一個脈沖，每天只校準一次；另一種是通過硬接線的方式，即利用SIS 系統DI 卡件備用通道，DCS 系統通過DO 卡件定時發一個脈沖信號。兩種方式實現的原理基本一致，差別在于通過Modbus 通訊的方式存在時間上的誤差，采用硬接線的方法實現兩套系統的時鐘同步精確度即時間誤差小，不論哪種方式都能滿足現實需要，通訊方式通過軟件實現較為經濟，總之兩者相差不大。

圖3 Tricon時鐘同步程序Fig.3 Tricon clock simultaneous program

硬件的連接比較簡單，通訊線或硬件線即可，主要是SIS 系統需要編制時鐘同步程序，如圖3 所示。讀取TRICON 系統時鐘使用TR_CALENDAR 塊，設定時間轉換功能塊SYN-TIM E 年、月、日，取系統當前日期無需校正。由于DCS 基本掃描周期一般為 0.5s ～1.0s，SIS 系統周期一般都在毫秒級別，所以實際同步過程中，一般存在3s ～5s 內的差別。

3.3 DeltaV與ITCC系統時鐘同步

空分ITCC 系統也采用Tricon 系統，其時鐘同步原理和方式與FOXBORO IA 類似，這里不再詳述。

Tricon 系統除通訊和硬件等方式外，如果是V10 版本還可以直接通過其自身的TCM 卡直接與時鐘同步器連接，做到實時同步無偏差，但V8、V9 等因NCM 卡無法與時鐘同步器直接連接[3]。

4 時鐘同步的必要性和安全性

停車和事故在生產企業發生時，需要及時開展原因的分析和調查。按照生產控制系統功能劃分，一般聯鎖動作在SIS 系統或者ESD 系統中實現，參考的是SOE 的記錄時間。而工藝操作一般在DCS 或PLC 系統中實現，工藝操作、設備運行等都以DCS 系統時間為基準。故障分析時，若各控制系統的控制器時鐘之間沒有進行時鐘同步，則會導致對同一測量元件或設備所記錄數據的時間不一致，無法判斷事件發生時設備動作的順序，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，因而各控制系統的時鐘同步顯得尤為重要。

1）在控制系統中，趨勢、報警、事件記錄等都與時間相關，因此整個系統時鐘保持一個統一的時鐘很關鍵。如果操作站和控制站時間不同步，不能作為真實的歷史數據為操作服務。

2）在《石油分散控制系統設計規范》《分散型控制系統工程設計規范》《石油化工遠程監控及數據采集系統設計規范》中，對時鐘同步做了明確要求。

3）是否設置GPS 時鐘服務器與某時區時間一致需要企業根據性質和需求確定，如燃氣長輸管線SCADA 必須設置GPS 時鐘服務器，才能保證分布在整條管線控制系統時間一致，有利于保證管線的安全運行。

5 結束語

現代生產企業，如石油化工、煤化工等都廣泛采用先進控制系統如DCS、PLC 等，各控制系統雖然通過相互通訊，避免了自動化孤島，方便了管理，提高了安全生產水平，增加了生產效益，但也帶來了一些問題。如各控制系統時鐘不同步問題，對事故調查、原因分析帶來了很多困難。本文通過實例，講述各控制系統時鐘同步的方案，并闡述了時鐘同步的必要性和安全性，時鐘同步對于工作人員追溯事故的第一要素發揮了重要作用。