定时自动校正实现控制系统时钟同步

2014-09-10张述飞

石油化工自动化 2014年1期

张述飞

(中海石油建滔化工有限公司，海南东方 572600)

随着控制技术的发展，目前化工装置一般有多套控制系统，例如： DCS作为过程控制系统，ESD作为装置联锁紧急停车的安全保障系统，ITCC作为机组开停车及运行的安全保障系统[1]。当停车或其他事故发生时，需要对当时的工艺、仪表、设备状况下事件发生的前后顺序进行准确判读[2]。故障的联锁动作在ESD/ITCC系统的事件顺序记录(SOE)中有详细的记录，而工艺操作、设备运行状况在DCS中有详细的记录。进行故障分析时，需要两方面结合才能对引发故障或停车的真正原因作出正确判断和分析，因而化工装置各控制系统的时钟同步显得尤为重要[3]。下面以CS3000与TS3000系统为例，介绍一种定时自动校正实现控制系统时钟同步的方法。

1 常用控制系统时钟同步方案

1．1 利用简单网络时间协议(SNTP)实现时钟同步

目前主流的DCS，ESD厂商的系统时钟同步都上升到以太网的层面，将各控制系统通过以太网联接，统一加入“域”[4]。通过该种方式实现时钟同步既经济又简单，但在实际过程中由于各厂家系统间的差别，有时较难实现。

1．2 利用GPS实现时钟同步

GPS时钟是一种接收GPS卫星发射的低功率无线电信号，通过计算得出GPS时间的接收装置[5]。该方式将GPS时钟作为控制系统的标准时钟，系统间时钟误差由GPS时钟的精度所决定，以中科院国家授时中心的时钟产品为例，其同步精度可达0．2 ms[6]。

以某化工装置为例，DCS采用横河CS3000系统，ESD，ITCC采用TRICONEX TS3000系统，各自采用1套GPS实现时钟同步。DCS时钟同步模块通过同轴电缆连接到CS3000系统的工程师站HIS0264，将HIS0264的时钟调整为GPS时钟，系统自身通过YOKOGAWA Time实现系统内时钟同步[7]，其拓扑结构如图1所示。

图1 CS3000系统时钟同步拓扑结构

TRICON时钟同步模块采用RS-232方式与ESD系统网络通信模块NCM连接，实现时钟与GPS时钟一致。ESD与ITCC之间通过TRICON Peer-to-peer协议实现时钟同步，如图2所示。

图2 TRICON系统时钟同步拓扑结构示意

GPS实现时钟同步优点是精度很高，误差一般在几十微秒至几毫秒，但实现起来较困难，改动投入较大，不适合已投产的装置。

2 定时自动校正方式实现时钟同步

2．1 定时自动校正时钟同步原理

定时自动校正时钟同步的原理是将DCS作为主时钟源，定时发送同步请求。ESD/ITCC系统逻辑接收信号，系统在分析数据的准确性后将自身系统的时钟设定在要求的时刻[8]。以每天07：00 DCS与ESD/ITCC系统逻辑进行一次时钟同步为例，其原理如图3所示。

图3 定时自动校正时钟同步原理示意

定时自动校正可实现各系统时钟同步，对于已经投产的装置来说，系统不需要大的改动，也不需要增加新的硬件，是一种简单易行的方法。

2．2 时钟同步方式的选择

定时自动校正同步请求脉冲信号可采用通信或硬线方式实现。如果各控制系统间已实现Modbus通信，以通信方式发送请求脉冲，不需要增加额外的硬件，只需软件组态就可实现[9]。该方法比较经济，但由于系统之间的Modbus通信在传输上存在滞后的现象，自身就存在着时间差。另外目前Modbus通信速率一般在75 Kbit/s，随着系统通信点数量的增大，时间差有可能会增大，不够精准[10]，有时还可能出现由于脉冲时间较短接收不到的现象。实现过程中大多将脉冲时间延长，有时可能达到10 s，势必造成各系统间时钟存在较大偏差。

硬线方式与通信原理相同，只是将通信连接改为硬线连接。硬线连接传输速度快，可利用系统卡件备用通道，不需要增加硬件，实现起来较为方便。采用硬线连接方式，时钟同步精准度可大幅提高。

2．3 程序设计

2．3．1DCS程序

DCS程序主要功能是获取系统时间并判断是否在指定时间。在横河System View控制组态中使用ST16，SFCSW，LC64三个功能块完成，横河CS3000系统时间获取可用三位式开关类SFCSW块，其主要功能是获取系统当前时钟并判断是否在指定时间。逻辑功能LC64 用于脉冲信号输出，脉冲信号保持2 s，以保证ESD/ITCC可以接收到。为保证时钟同步的准确性，如每天07：00：00进行一次时钟同步，程序一旦检测到时间为07：00：00，便输出2 s脉冲信号给ESD/ITCC系统。顺控功能ST16块用于SFCSW块和LC64块的初始化，防止控制器重启后程序处于手动状态，保证控制器启动程序处于运行状态。

2．3．2ESD/ITCC系统逻辑

ESD/ITCC系统逻辑主要功能是接受DCS同步信号并将系统时间设定为指定时间。TriStation 1131中设定系统时钟可使用TIMESET块，但需要将设定时间转换为以1970年01月01日00：00：00 为起点计时的秒数。转换计算通过编写功能块SYN_TIME实现，其中闰月的情况也需考虑。

例如，要将系统时间设定为2003年02月24日 18：43：53，则计算如下：

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)计算从1970年01月01日00：00：00到2002年结束对应的时间；式(2)计算1970到2003间8个闰年需增加的时间；式(3)计算2003年01月的时间；式(4)计算02月24天的时间；式(5)为18：43：53对应时间，则转换后对应时间为

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

1 046 159 763

TRICON逻辑实现每天进行一次时钟校正，如图4所示。来自DCS的校正信号通过上升沿检测块R_TRIG触发时钟设定块TIMESET。系统的时钟校正信号仅由该点的上升沿脉冲起作用，避免了TIMESET块C1端长时间为1，从而保证了系统时钟的精准对时。读取TRICON系统时钟使用TR_CALENDAR块，方便对时钟偏差作出判断。设定时间转换功能块SYN_TIME年、月、日，取系统当前日期，无需校正。系统一旦检测到DCS发来的校正信号，立即将系统时钟调整为07：00：00。