生產控制系統時鐘同步方式應用分析

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摘要：一般來說大中型生產企業控制系統種類較多，為集中管理、提高生產效益，各系統之間一般都通過MO-DBUS等通訊方式，將工藝參數集中到DCS系統上組態和顯示。但因為各控制系統時間上并不能同步，導致操作記錄、工藝參數等時間記錄不一致，對于事故的分析、調查帶來一定程度的干擾。本文通過實際案例，介紹了控制系統時鐘同步方式，同時也分析了時鐘同步在生產裝置中的必要性和安全性。

關鍵詞：控制系統；時鐘同步；Modbus；必要性；安全性

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。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、FOXBOROIA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。

3.1DCS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。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RemoteNetwork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；⑥DownloadControlNetwork的SetupData。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。

3.2FOXBOROIA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。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-TIME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。

3.3DeltaV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FOXBOROIA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。

作者：李濤 單位：榆林瀚昌科工貿有限責任公司