AB PLC时间标签上传实现时钟同步在长输管道中的首次应用

2017-04-03刘晓峰刘媛周静刘勇

电气自动化 2017年6期

刘晓峰，刘媛，周静，刘勇

(1.中国石油管道局工程有限公司设计分公司，河北廊坊　065000；2.廊坊开发区中油龙慧自动化工程有限公司，河北廊坊　065001；3.北京东方华智石油工程有限公司，河北廊坊　065000)

0　引　言

随着油气管道规模不断发展，各类运行控制、安全监测、性能优化等系统不断建设投入，统一各系统时间，已成为油气管网中各类系统协调运作的重要基础[1]。尽管各类系统，以不同方式配置各自实时时钟，但因该类时钟固有误差无法避免，随运行时间积累误差越来越大，在缺乏统一的时间同步及监测管理情况，甚至会完全失去正确的时间作用[2]。为了保证SCADA系统的监控终端HMI系统与站控PLC系统之间的数据交换的实时性，使其及时、准确、可靠、协调、高效率的工作，有必要保证站场监控终端HMI系统的数据显示时间及报警时间与PLC一致[3]。

2016年，在铁大线安全改造工程(鞍山-大连段)中，通过将站控PLC系统的时间标签上传至监控终端HMI系统，实现了站控PLC系统与监控终端HMI系统的数据时钟的完全同步，更好的进行各类数据的监视控制。

1　SCADA系统的时间同步技术

目前, 根据精度和成本的不同来划分，实现通信网络时间，主要有硬件和软件两种方法[4]。

硬件时间同步是采用一定的硬件设施接收基准时间(如卫星时间)进行时间同步，同步精度高，可以达到1×10-9秒至1×10-6秒，但需引入专用的硬件接收设备，成本较高，安装维护难度大，适合于要求高精密时间同步的场合[5]。

软件时间同步则是采用一定的时间同步算法，通过网络通信协议进行的时间同步[6]。由于同步信息在广域网上传输的时间延迟和不确定性，其同步工作量大且同步偏差容易积累，这使得软件同步可以达到的精度不高(通常为1×10-6秒至1×10-3秒)。然而，软件时间同步比硬件时间同步灵活性高，实施成本较低[7]。

实际中往往综合考虑两者的优点，采用软硬件结合的方法实现时间同步。本文硬件采用国智恒NTP/PTP高精度时间服务器接收基准时间，并对PLC系统进行校时。软件使用AB PLC时间标签上传的方式实现时间同步。

2　设计方案

铁大线安全改造工程(鞍山-大连段)SCADA系统包括站控PLC系统、HMI监控系统和站场校时系统几部分组成。

2.1　总体方案配置框架

总体的方案系统结构图如图1所示。

图1　方案系统结构图

2.2　站控PLC系统

站控PLC系统采用罗克韦尔公司的ControlLogix系列，是全线SCADA系统的当地检测和控制单元，是保证全线SCADA系统正常运行的基础[8]。

2.3　HMI监控系统

HMI监控系统硬件使用DELL 5810服务器作为操作员工作站，软件采用国产化自动化监控软件Epipeview 4.0。自动控制软件Epipeview为国家科技支撑计划，“西气东输二线管道工程关键技术研究”项目，“天然气长输管道自动控制软件开发”课题支持下开发的软件产品。

2.4　校时系统

校时系统采用国智恒NTP/PTP高精度时间服务器，可接收北斗卫星、GPS、PTP、B码等外部时间基准信号，采用智能时间源控制算法，输出高精度的NTP/PTP时间信息，提供高可靠性的时间同步服务。

3　方案实施

Rockwell公司的AB PLC使用CIP作为对外的通信接口协议。虽然PLC支持时钟功能，但PLC内部存储数据时并未将数据值和时间标签一并保存，并且AB的CIP协议也没有传输时间标签的能力。

这种没有时标的数据对我们长输管道SCADA系统的时间同步是没有意义的。此前，都是监控终端HMI系统在采集数据时添加本地时间的方式来解决此问题的。但是这种方法在监控终端HMI系统的本地时钟与PLC时钟不同步时，或者在网络传输过程中出现延时，或者在多监控终端HMI系统中，由于不同的监控终端HMI系统的时标来自不同的计算机也会导致同一分数据的时标不一致。

解决以上问题还需要扩展PLC的功能，在PLC内部增加时间标签数据。

通过修改PLC硬件结构及CIP协议来解决传输时标的问题显然是不现实的。所以我们只能从应用的层面来解决此问题，基本思路就是将时标映射为CIP的标准数据类型，传输时将此时标与数据捆绑并一起发送给监控终端HMI系统。

下图为标准CIP数据包与增加时标后的CIP数据包对比图2和图3所示。

图4　实施步骤

图2CIP数据包格式

图3带时标的CIP数据包格式

具体的实施步骤如图4所示。

为了保证时间的同步性，构建时间同步与时间监测管理一体化的北斗统一时间同步系统。设置每天的8点01分执行一次校时流程，更新一次各系统的时间，保证各系统时间的完全同步。

3.1　校时系统为监控终端HMI系统校时

通过配置国智恒校时服务器，接收外部时间基准信号后，通过以太网使用校时软件对监控终端HMI系统进行校时，保证监控终端HMI系统的本地的时间与校时服务器同步。

3.2　监控终端HMI系统为PLC校时

监控终端HMI系统的时间与校时服务器同步后，可通过AB的校时工具Logix5000 Clock Update Tool对PLC的CPU进行校时，保证PLC的CPU的时间与GPS校时服务器及监控终端的本地时间一致。

3.3　站控PLC系统时间标签的采集

在AB PLC中编程获取PLC的CPU时钟，时标数据精确到毫秒，使用11个连续SINT类型数据存储，所以在PLC中新建一个含有11个SINT类型的数组，为该数组取名为N8。其中N8[0]表示年份的地址的高位(0～255)，N8[1]表示年份的地址的低位(0～255)，N8[2]表示月份的地址(1～12)，N8[3]表示日期的地址(1～31)，N8[4]表示小时的地址(0～23)，N8[5]表示分钟的地址(0～59)，N8[6]表示秒的地址(0～59)，N8[7]表示毫秒的地址的高位(0～255)，N8[8]表示毫秒的地址的低位(0～255)，N8[9]和N8[10]为预留。

CPU时钟获取后生成的是7个DINT类型的变量，分别表示年、月、日、小时、分钟、秒、毫秒，其中月、日、小时、分钟、秒的变量使用低16位即可表示，因此可直接复制给N8[2]- N8[6]。而年的时间标签TIMESTAMP_CPU[0]需要将DINT类型转换为INT类型，然后将高8位复制给N8[0]，低8位复制给N8[1]。CPU时钟的毫秒获取之后的数值是实际的1 000倍，因此在将毫秒复制给N8时间标签的时候需要先除以1 000，然后再将高8位复制给N8[7]，低8位复制给N8[8]。程序编写如图5所示。

图5　编程实现时间标签

3.4　监控终端HMI系统的时间标签添加

监控软件Epipeview4.0软件中每个采集地址都要配置11个连续的时间地址。多个点可配置到同一时间地址上，也可配置为不同的时间地址，可根据工程的需要来决定。本工程所有数据点均配置同一时间地址。

配置地址的格式为原有地址基础上加 & 时间首地址。由于PLC程序配置的时间地址为 N8[0]～N8[10]。如某一点的数据地址为F8[0]，添加时间标签后地址格式为F8[0].REAL&N8[0]。

添加时间标签地址后的数据变量，在监控终端HMI系统上的采集时间、更新时间及报警时间与PLC的CPU时间完全一致。

为了保证时间的同步性，在监控终端HMI系统中配置，若监控终端HMI系统的本地时间与PLC的CPU时间相差一个月以上，数据将被抛弃，并在数据库的日志内有错误记录。

4　存在问题及优化方法

由于AB PLC时间标签上传至监控终端HMI系统来实现时钟同步的方案在长输管道中的应用尚属首次，因此，在整个控制方案的实施过程中仍发现了部分问题，但这些问题是可以进行优化和改善的。

4.1　存在问题

在方案实施中，监控终端HMI系统采集的数据地址中包括两部分，即数据点的采集地址和时间地址。长输管道的大型站场的监控终端HMI系统需要采集数据点很多，可达到上千个点，而监控终端HMI系统采集数据是按周期扫描的方式执行的，因此，监控终端HMI系统的数据点的时间应该是扫描PLC的时钟时间，当采集数据点较多时，报警数据点的时间与PLC的时间产生误差，该时间并不是报警真正的触发时间。

4.2　优化方法

针对存在的问题，研究了优化方案，首先对监控终端HMI系统需要采集的数据进行详细的分类，按照操作原理的要求，对于十分重要的报警点，比如紧急停车系统(ESD)关联的报警点、与逻辑执行相关的报警点等进行标记，然后对于这些报警点进行单独的报警触发的时钟采集和传输，并缩短扫描周期，保证报警点的时间与PLC的时间误差达到毫秒级，在可接受的范围内。经过测试证实优化方案有效的解决了扫描周期的问题。