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(shù)的發(fā)展，目前化工裝置一般有多套控制系統(tǒng)，例如： DCS作為過(guò)程控制系統(tǒng)，ESD作為裝置聯(lián)鎖緊急停車的安全保障系統(tǒng)，ITCC作為機(jī)組開停車及運(yùn)行的安全保障系統(tǒng)[1]。當(dāng)停車或其他事故發(fā)生時(shí)，需要對(duì)當(dāng)時(shí)的工藝、儀表、設(shè)備狀況下事件發(fā)生的前后順序進(jìn)行準(zhǔn)確判讀[2]。故障的聯(lián)鎖動(dòng)作在ESD/ITCC系統(tǒng)的事件順序記錄(SOE)中有詳細(xì)的記錄，而工藝操作、設(shè)備運(yùn)行狀況在DCS中有詳細(xì)的記錄。進(jìn)行故障分析時(shí)，需要兩方面結(jié)合才能對(duì)引發(fā)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(tǒng)的時(shí)鐘同步顯得尤為重要[3]。下面以CS3000與TS3000系統(tǒng)為例，介紹一種定時(shí)自動(dòng)校正實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步的方法。

1 常用控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步方案

1．1 利用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(SNTP)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步

目前主流的DCS，ESD廠商的系統(tǒng)時(shí)鐘同步都上升到以太網(wǎng)的層面，將各控制系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)聯(lián)接，統(tǒng)一加入“域”[4]。通過(guò)該種方式實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步既經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)單，但在實(shí)際過(guò)程中由于各廠家系統(tǒng)間的差別，有時(shí)較難實(shí)現(xiàn)。

1．2 利用GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步

GPS時(shí)鐘是一種接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的低功率無(wú)線電信號(hào)，通過(guò)計(jì)算得出GPS時(shí)間的接收裝置[5]。該方式將GPS時(shí)鐘作為控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，系統(tǒng)間時(shí)鐘誤差由GPS時(shí)鐘的精度所決定，以中科院國(guó)家授時(shí)中心的時(shí)鐘產(chǎn)品為例，其同步精度可達(dá)0．2 ms[6]。

以某化工裝置為例，DCS采用橫河CS3000系統(tǒng)，ESD，ITCC采用TRICONEX TS3000系統(tǒng)，各自采用1套GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。DCS時(shí)鐘同步模塊通過(guò)同軸電纜連接到CS3000系統(tǒng)的工程師站HIS0264，將HIS0264的時(shí)鐘調(diào)整為GPS時(shí)鐘，系統(tǒng)自身通過(guò)YOKOGAWA Time實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)時(shí)鐘同步[7]，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CS3000系統(tǒng)時(shí)鐘同步拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

TRICON時(shí)鐘同步模塊采用RS-232方式與ESD系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信模塊NCM連接，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘一致。ESD與ITCC之間通過(guò)TRICON Peer-to-peer協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，如圖2所示。

圖2 TRICON系統(tǒng)時(shí)鐘同步拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步優(yōu)點(diǎn)是精度很高，誤差一般在幾十微秒至幾毫秒，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困難，改動(dòng)投入較大，不適合已投產(chǎn)的裝置。

2 定時(shí)自動(dòng)校正方式實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步

2．1 定時(shí)自動(dòng)校正時(shí)鐘同步原理

定時(shí)自動(dòng)校正時(shí)鐘同步的原理是將DCS作為主時(shí)鐘源，定時(shí)發(fā)送同步請(qǐng)求。ESD/ITCC系統(tǒng)邏輯接收信號(hào)，系統(tǒng)在分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性后將自身系統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)定在要求的時(shí)刻[8]。以每天07：00 DCS與ESD/ITCC系統(tǒng)邏輯進(jìn)行一次時(shí)鐘同步為例，其原理如圖3所示。

圖3 定時(shí)自動(dòng)校正時(shí)鐘同步原理示意

定時(shí)自動(dòng)校正可實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)時(shí)鐘同步，對(duì)于已經(jīng)投產(chǎn)的裝置來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)不需要大的改動(dòng)，也不需要增加新的硬件，是一種簡(jiǎn)單易行的方法。

2．2 時(shí)鐘同步方式的選擇

定時(shí)自動(dòng)校正同步請(qǐng)求脈沖信號(hào)可采用通信或硬線方式實(shí)現(xiàn)。如果各控制系統(tǒng)間已實(shí)現(xiàn)Modbus通信，以通信方式發(fā)送請(qǐng)求脈沖，不需要增加額外的硬件，只需軟件組態(tài)就可實(shí)現(xiàn)[9]。該方法比較經(jīng)濟(jì)，但由于系統(tǒng)之間的Modbus通信在傳輸上存在滯后的現(xiàn)象，自身就存在著時(shí)間差。另外目前Modbus通信速率一般在75 Kbit/s，隨著系統(tǒng)通信點(diǎn)數(shù)量的增大，時(shí)間差有可能會(huì)增大，不夠精準(zhǔn)[10]，有時(shí)還可能出現(xiàn)由于脈沖時(shí)間較短接收不到的現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)過(guò)程中大多將脈沖時(shí)間延長(zhǎng)，有時(shí)可能達(dá)到10 s，勢(shì)必造成各系統(tǒng)間時(shí)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(tǒng)卡件備用通道，不需要增加硬件，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為方便。采用硬線連接方式，時(shí)鐘同步精準(zhǔn)度可大幅提高。

2．3 程序設(shè)計(jì)

2．3．1DCS程序

DCS程序主要功能是獲取系統(tǒng)時(shí)間并判斷是否在指定時(shí)間。在橫河System View控制組態(tài)中使用ST16，SFCSW，LC64三個(gè)功能塊完成，橫河CS3000系統(tǒng)時(shí)間獲取可用三位式開關(guān)類SFCSW塊，其主要功能是獲取系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)鐘并判斷是否在指定時(shí)間。邏輯功能LC64 用于脈沖信號(hào)輸出，脈沖信號(hào)保持2 s，以保證ESD/ITCC可以接收到。為保證時(shí)鐘同步的準(zhǔn)確性，如每天07：00：00進(jìn)行一次時(shí)鐘同步，程序一旦檢測(cè)到時(shí)間為07：00：00，便輸出2 s脈沖信號(hào)給ESD/ITCC系統(tǒng)。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(dòng)狀態(tài)，保證控制器啟動(dòng)程序處于運(yùn)行狀態(tài)。

2．3．2ESD/ITCC系統(tǒng)邏輯

ESD/ITCC系統(tǒng)邏輯主要功能是接受DCS同步信號(hào)并將系統(tǒng)時(shí)間設(shè)定為指定時(shí)間。TriStation 1131中設(shè)定系統(tǒng)時(shí)鐘可使用TIMESET塊，但需要將設(shè)定時(shí)間轉(zhuǎn)換為以1970年01月01日00：00：00 為起點(diǎn)計(jì)時(shí)的秒數(shù)。轉(zhuǎn)換計(jì)算通過(guò)編寫功能塊SYN_TIME實(shí)現(xiàn)，其中閏月的情況也需考慮。

例如，要將系統(tǒng)時(shí)間設(shè)定為2003年02月24日 18：43：53，則計(jì)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(jì)算從1970年01月01日00：00：00到2002年結(jié)束對(duì)應(yīng)的時(shí)間；式(2)計(jì)算1970到2003間8個(gè)閏年需增加的時(shí)間；式(3)計(jì)算2003年01月的時(shí)間；式(4)計(jì)算02月24天的時(shí)間；式(5)為18：43：53對(duì)應(yīng)時(shí)間，則轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)時(shí)間為

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

1 046 159 763

TRICON邏輯實(shí)現(xiàn)每天進(jìn)行一次時(shí)鐘校正，如圖4所示。來(lái)自DCS的校正信號(hào)通過(guò)上升沿檢測(cè)塊R_TRIG觸發(fā)時(shí)鐘設(shè)定塊TIMESET。系統(tǒng)的時(shí)鐘校正信號(hào)僅由該點(diǎn)的上升沿脈沖起作用，避免了TIMESET塊C1端長(zhǎng)時(shí)間為1，從而保證了系統(tǒng)時(shí)鐘的精準(zhǔn)對(duì)時(shí)。讀取TRICON系統(tǒng)時(shí)鐘使用TR_CALENDAR塊，方便對(duì)時(shí)鐘偏差作出判斷。設(shè)定時(shí)間轉(zhuǎn)換功能塊SYN_TIME年、月、日，取系統(tǒng)當(dāng)前日期，無(wú)需校正。系統(tǒng)一旦檢測(cè)到DCS發(fā)來(lái)的校正信號(hào)，立即將系統(tǒng)時(shí)鐘調(diào)整為07：00：00。

圖4 TRICON系統(tǒng)邏輯示意

3 結(jié)束語(yǔ)

由于DCS基本掃描周期一般為0．5～1．0 s，相對(duì)于ESD/ITCC系統(tǒng)邏輯周期較長(zhǎng)，實(shí)際同步過(guò)程中可能會(huì)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(shí)校正實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步是一種簡(jiǎn)單易行的解決各系統(tǒng)時(shí)鐘偏差的方法，對(duì)于未實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的裝置來(lái)說(shuō)有很好的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭蕊．用軟硬結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)DCS與ESD系統(tǒng)的時(shí)鐘同步[J]．石油化工自動(dòng)化，2009，45(02)： 76-77．

[2] 魏華．利用GPS實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步[J]．石油化工自動(dòng)化,2010，46(05)： 44-46．

[3] 封亞斌．用軟件方法實(shí)現(xiàn)DCS與ESD的時(shí)鐘同步[J]．淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(03)： 58-62．

[4] 王曉冬，闞德濤，張志武．以太網(wǎng)的時(shí)鐘同步技術(shù)[J]．電子工程師，2008(09)： 34-35．

[5] 王常力，廖道文．集散型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]．北京： 清華大學(xué)出版社，1993．

[6] 楊傳順，袁建，李國(guó)華．分布式控制系統(tǒng)精確時(shí)鐘同步技術(shù)[J]．自動(dòng)化儀表，2012(04)： 66-69．

[7] 邢文厲，田亞勛．DCS時(shí)鐘不同步對(duì)系統(tǒng)的影響與處理[J]．電力安全技術(shù)，2008(10)： 63-64．

[8] 蘇樂(lè)春．分散控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步改造[J]．自動(dòng)化博覽，2006(06)： 26-27．

[9] 秦緒香，劉慧敏，楊利豐．兩套FSC系統(tǒng)之間的時(shí)鐘同步[J]．化工自動(dòng)化及儀表，2010(11)： 120-123．

[10] 張彥軍，劉靖宇，郭廓．分布式控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步研究[J]．工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006(05)： 41-42．