长输管道SCADA系统时钟同步分析及优化

2013-11-01董列武陈秀丽中国石化销售有限公司北京100728

石油化工自动化 2013年5期

董列武，陈秀丽(中国石化销售有限公司，北京 100728)

董列武，陈秀丽
(中国石化销售有限公司，北京 100728)

典型长输管道的数据采集与监视控制系统(SCADA)的网络时钟同步方案无法满足管道泄漏报警定位系统对时钟同步误差的要求，同时需要在各个输油站安装GPS标准时钟，该方案存在安全隐患，并且不利于今后时钟不同系统的升级改造。针对上述缺陷，引入了IEEE 1558(PTP)协议边界时钟的优化方案，有效地解决了典型方案中的缺陷。

数据采集与监视控制长输管道管道泄漏报警时钟同步边界时钟

长输管道输送介质多为天然气、原油、成品油等[1]，具有分布广泛、站点较多的特点，一般设立调度控制中心，由数据采集与监视控制系统(SCADA)进行集中监控、统一调度，实现中心控制、站控和就地控制相结合的控制方式。随着分布式系统范围的扩大，对时间同步的要求越来越严格，根据QSY GD0180—2008[2]的技术要求,应满足时钟同步的误差不大于100 ms，负压波[3]法泄漏定位准确率才能保证在百米。其次，时钟不同步造成设备时钟跳变时，压力趋势线偶尔出现断点，影响了泄漏检测的分析。对于使用ESD系统的输气管线，进行故障分析时，也必须实现ESD和RTU，PLC，流量计算机、液位和装车系统等控制层设备的时间同步[4]。由于存在数据网络传输延迟等系统固有的问题，必须寻求一种更加有效的时间同步技术用于提高系统各个站点之间的时钟不同精度[5]。

1 案例分析

长输管道SCADA通常采用：中心集中调度控制(中控)、站场辅助监视控制(站控)和输油站现场就地操作的三级控制模式。为保证长输管道SCADA控制系统中各控制节点之间时钟同步，通常采用GPS精密时钟系统对系统内各控制节点通过专有协议逐层授时的方式进行时间同步[6]，其授时网络结构如图1所示。

图1中，主、备中控服务器从祖母GPS时钟获取标准时间，站控服务器从主、备中控服务器获取标准时间，然后站控服务器用其获取的标准时间采用专有协议对站场PLC控制器、ESD控制器以及流量计算机等现场控制节点进行时钟同步。在逐级授时的过程中，各级主、备服务器均可实现授时过程的无扰动切换，授时可采用操作系统内部命令完成，可以采用外挂软件来实现，也可以使用时间监控软件对其进行监控。

图1 典型网络时钟同步结构示意

影响网络时钟同步精度的四个因素包括：操作系统与协议栈、网络元件、时钟的不稳定性和时钟的分辨率。分析可知：操作系统层面上的时钟同步精度只有0.1 ms，因为NTP协议是在操作系统的应用层对传输数据打时间标签[7]，所以图1所示的网络授时结构，其授时精度不但受到操作系统的影响，而且也受到网络延时以及中转设备的影响。该授时方法的时钟同步精度在局域网内可以达到毫秒级，当其在跨越不同子网时，由于受多个子网的设备影响，实际应用中其时钟同步误差远远大于100 ms。该精度无法满足采用负压波技术的管道泄漏报警定位系统的需要。因此，只有在各输油站均安装GPS，对管道泄漏报警定位系统进行单独的时钟同步。该方式不但需要大量使用GPS设备，也使报警系统内的授时设备更换和升级变得困难。

2 时钟同步系统优化方案

由美国电气和电子工程师协会于2002年颁布的IEEE 1558(PTP)协议，只需在原有网络上添加少量报文和数据包共享网络，即可实现网络内需对时设备的时钟同步，从而降低了GPS精密时钟的使用数量，降低了时钟同步系统的成本，而且该协议独立于操作系统之外，从而使网络时钟的精度可以达到微秒级。IEEE 1558(PTP)协议支持多播网络，但是在进行跨子网同步时必须使用边界时钟(Boundary Clock)，且每个域中只有1个祖母时钟。边界时钟是在网络元件中加入1个时钟且与祖母时钟同步，从而消除网络元件的抖动，而且也不会受到网络负载的影响。在实际应用中可以选用透明的IEEE 1588网络设备作为边界时钟[8]。目前，该授时方案已经广泛应用于电力行业SCADA系统中。

利用IEEE 1558协议，可将图1所示的网络授时结构进行优化。根据长输管道上、下游输油站具有工艺操作相关性的特性，以相邻的3个输油站的星型网络结构为例说明授时系统关系：整个长输管道SCADA控制系统设置1套GPS精密时钟作为祖母时钟；透明的IEEE 1588网络设备作为边界时钟，上下相关联的3个输油站以该边界时钟作为主时钟源，站控级服务器、泄漏报警定位系统与该边界时钟进行时钟同步；站控级控制层的PLC控制器、ESD控制器以及流量计算机则采用专有协议与站控服务器进行时钟同步。该授时方案，不但可以使SCADA系统内数据传输达到100 ms的精度，而且由于网络设备具有网络对时功能，可以为网络设备故障分析提供网络传输事件的时间相关性。同时IEEE 1588的网络时钟同步功能也为电气SCADA系统、工业电视监控系统等接入并方便获取同步时钟提供了便利。其授时网络时钟同步结构如图2所示。

对比图1和图2可以看出：图1所示授时结构为满足管道泄漏报警的需要，需要为每个站的泄漏报警系统单独设置GPS时钟；采用图2所示结构后，管道泄漏报警定位系统直接与作为边界时钟的网络设备同步时钟即可，减少了GPS时钟的使用数量，方便了泄漏报警泄漏后期升级改造。同时，该时钟同步过程中只有站控级的服务器到本站控制层的PLC控制器、ESD控制器这一层采用专有协议进行授时，其时钟同步精度得到了大幅提高。

图2 优化后网络时钟同步结构示意

3 结束语

从上述两种方案对比分析可知：在选择控制系统的时钟同步方案时，需要对系统进行全面分析，根据控制系统的工艺操作需求，确定合理、经济的方案；由于影响控制系统内时钟精度的因素是多种多样的，切不可为保证系统内某一局部精度而随意增加GPS标准时钟的设置，否则会造成系统内时钟同步设备庞大，不但增加了投资，而且给系统后期升级改造带来诸多麻烦。同时，随着中国北斗卫星的发展[9]，使用北斗系统提供的标准时钟，必将成为一种更加安全的授时方式。

[1]陈秀丽.长输管道SCADA系统选型与应用[J].石油化工自动化,2012,48(03):26-27.

[2]夏海波，张来斌，王朝晖.基于GPS时间标签的管道泄漏定位方法[J].计算机测量与控制，2003,11(03)： 161-162.

[3]丁新,隋青美,蒋奇,等.长输管道泄漏检测技术现状及发展[C]//中国自动化学会第19届青年学术会议.北京：中国自动化学会，2004:504-507.

[4]魏华.利用GPS实现控制系统时钟同步[J].石油化工自动化,2010,46(05):44-46.

[5] 陈炯聪.IEEE 1588同步技术在电力系统中的应用[M].3版.北京:中国电力出版社,2012:201-212.

[6]胡景军,陈云.成品油管道SCADA系统的跨平台时钟同步技术[J].计算机系统应用,2012,21(09):137-139.

[7]陈艳.输油管道泄漏检测与定位技术研究[D].河北：燕山大学,2004.

[8]汪祺航,吴在军,赵上林,等.IEEE 1588时钟同步技术在数字化变电站中的应用[J].电力系统保护与控制,2010,38(19):137-142.

[9]唐金元,于潞,王思臣.北斗卫星导航定位系统应用现状分析[J].全球定位系统,2008(02):26-28.

[10] 梁翕章.国外成品油管道运行与管理[M].北京:石油工业出版社,2010:26-27.

稿件收到日期：2013-04-12，修改稿收到日期2013-06-11。

董列武(1979—)，男，毕业于中国石油大学(北京)控制理论与控制工程专业，获硕士学位，现就职于中国石化销售有限公司，从事成品油管道运行管理工作，任工程师。