GPS时钟同步技术在350万t/a柴油加氢及其配套装置中的应用

王 蓉 吴建民

(中国石油兰州石化公司，兰州 730060)

随着科学技术与国民经济的快速发展，工控系统也随之蓬勃发展。石化项目(如百万吨乙烯及千万吨炼油等)也日益趋向大型化、一体化和智能化。一个大型的石化项目往往集成有多套程控系统，如DCS、SIS及CCS等，这些系统在功能和网络上分别独立，并各自采用独立的时钟。由于时钟产品质量存在差异，因此在对时精度上也存在一定的偏差，而且当系统运行的时间越长，其积累的偏差就越大，从而使各装置乃至全厂的系统时间不能统一，这种差异给装置在生产过程中出现故障后的分析造成了较大的阻碍。如果操作站和控制站的时钟不同步，那么SOE事件记录、历史趋势、数据采集及数据同步等功能都将受到严重影响。

笔者以中国石油兰州石化公司的350万t/a柴油加氢和配套5万Nm3制氢装置程控系统为例，介绍时钟同步网络拓扑的搭建，以及利用各系统特点实现与GPS时钟同步服务器时钟的同步设置方法。

1 GPS时钟同步原理①

世界上大多数国家采用的标准时间标度是基于地球自转的世界协调时(Universal Time Coordinated，UTC)和基于地球公转的公历，UTC时间通过多种途径传播，如无线与GPS卫星导航系统、电话调制解调器及便携式计数器等。GPS卫星导航系统在每颗卫星上都安装有精密的原子钟，并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息的同时也发送精确的时间信息。GPS接收机接收此信息，并同步于自身时钟，获得准确的时间。因此，GPS接收机除了能准确定位之外，还可以产生精确的时间信息。目前自动化系统采用的时间标准就是UTC。

GPS网络时钟同步服务器又称网络时间协议(Network Time Protocol,NTP)时间服务器。时间服务器是对自动化系统中的计算机及控制装置等进行校时的高科技产品。NTP是用于互联网中时间同步的标准互联网协议，也用于把计算机的时间同步到某些时间标准。NTP时间服务器从GPS卫星上获取UTC信号，并将这些信息通过各种类型的接口传输给自动化系统中需要时间信息的设备(如计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置和远动RTU)，这样就可以实现整个系统内的时间同步。

2 NTP协议的对时方法

NTP协议的精确对时主要是在主-从工作方式下实现的。NTP算法首先根据服务器和客户端的往返报文来确定两地时钟的差值和报文在网络中的传输延迟。服务器与客户端的对时过程如图1所示。

图1 服务器与客户端的对时过程

图中，T1和T4是客户端时钟记录的发送和接收NTP报文的时间；T2和T3是服务器端时钟记录的接收和发送NTP报文的时间。假设服务器的时钟是准确的，服务器和客户端时钟的时间偏差是a，从客户端发送报文到服务器端的路径延迟是b1，从服务器发送报文到客户端的路径延迟是b2，路径延迟总和是b，那么可以列出3个方程：

T2-T1=a+b1

(1)

T4-T3=b2-a

(2)

b1+b2=b

(3)

假设从客户端到服务器的路径延迟和从服务器到客户端的路径延迟相等，即b1=b2=b/2，以上3个方程变成：

T2-T1=a+b/2

(4)

T4-T3=b/2-a

(5)

由式(4)、(5)可以求出服务器和客户端时钟的时间偏差为：

a=[(T2-T1)+(T3-T4)]/2

(6)

客户端与服务器端总的网络路径延迟为：

b=(T4-T1)-(T3-T2)

(7)

客户端与服务器之间的时间偏差和网络延迟如图2所示。客户端向网络时钟同步服务器发送同步请求，然后收到含有T1、T2、T3和T4时间戳的报文，并计算出时间偏差和网络路径延迟，调整自己的时间，以实现与标准时间的统一。

图2 时间偏差和网络延迟

3 时钟同步方案的制定

中国石油兰州石化公司某350万t/a柴油加氢是一套柴油精制装置，它的原料之一是氢气，主要来自于5万Nm3/h制氢装置。加氢装置与制氢装置共有两套Centum CS3000、两套Deltav SIS和一套CCS机组控制系统。

350万t/a柴油加氢项目采用了HY-N系列的GPS标准时钟同步时间服务器，该服务器提供了3个NTP网络RJ45接口：网络接口NTP1默认网络地址为192.168.0.254，网络接口NTP2默认网络地址为192.168.1.254，网络接口NTP3默认网络地址为192.168.2.254；子网掩码均为255.255.255.0。由此，搭建的程控系统时钟同步网络拓扑如图3所示。

图3 程控系统时钟同步网络拓扑

4 系统时钟同步的实现

4.1 Centum CS3000

Centum CS3000系统可以调整域内时间，在与V网连接的各站中，除过OS具有的OS时钟之外，还有V网平台保持的Vehicle时钟。程控系统内全部以Vehicles时间为标准。当系统启动时，域内最初启动的HIS站成为时间主站，时间主站发送时间同报信息，从站接收并调整时间，最终实现时间统一。

时间主站要从时钟同步服务器上获取标准时间，还需要在System View界面内进行相应的设置。该功能基于SNTP协议，Centum CS3000时钟同步组态设置界面如图4所示，FCS01和FCS02为两个控制站，HIS0161、HIS0162和HIS0163分别为3个操作站，HIS0164为工程师站。将各自域属性内的SNTP Server IP Address设置为时钟同步服务器相应NTP2端口的IP地址即可。

图4 Centum CS3000系统时钟同步组态设置界面

4.2 SIS系统

DeltaV系统的主时间源可以是系统中的任意一个工作站，当系统时间需要手动(静态)校对时，可以使用设置/同步网络时间(Set/Synchronize Network time)工具中的DeltaV System time对话框设置。如果系统时间来自于网络时间服务器，则不需要设置DeltaV系统时间对话框。由于修改主时间源工作站的Windows操作系统时间等于间接修改了DeltaV系统时间，因此可以将从网络时间服务器获取的数据直接作为Windows系统时间的设定值。

图5 客服端软件对话框

在图5中，需要填入网络时钟服务器NTP1端口IP地址192.168.0.254(制氢)及周期60s等相应选项。此时，网络时钟客户端设置完成，即可同步(动态)主时间源工作站的Windows系统时间。

其次还需要在DeltaV系统中设置安装了同步软件的计算机为主时间源，SIS系统主站设置方法如图6所示。

图6 SIS系统主站设置界面

打开Explorer，选中菜单树的Physical Network，鼠标右键点击Properties，在Physical Network Properties窗口中选中标签System Time，在Master Time Server中填写ES，即系统时间源为工程师站ES。确定完时间主站后，DeltaV SIS便能与GPS时钟同步服务器进行时钟同步了。

4.3 CCS系统

350万t/a加氢装置机组选用的控制系统是CCS TS3000，该系统的时间同步源来自Centum CS3000系统，通过双方系统内部组态和程序的编写，实现网络时间的同步。

在DCS中编写了名为JZ_TIME(_SFCPB)的功能模块实现DCS与CCS之间的时钟同步，当DCS系统的时间为1：00：00时，发送数字量通知TS3000系统，TS3000系统获取同步信息后同步本系统时钟为1：00：00，从而实现了网络时钟的同步。程序代码如下：

Global block %SW JZTIMESW

Integer HH,MI,SS

START:

gettime(HH,MI,SS)

if(HH==1 AND MI==00 AND SS==00)then

JZTIMESW.PV=1

else

JZTIMESW.PV=0

end if

goto START

5 结束语

中国石油兰州石化公司的5万Nm3制氢和350万t/a柴油加氢装置从开车到现在已运行半年多，两套装置的系统时间始终与GPS网络时钟服务器时间保持一致并同步于UTC。实践证明，在使用了GPS网络时钟同步系统后，SIS与DCS的事件记录和历史趋势记录能够精准匹配，在装置工况出现波动和设备出现异常时，经过时间同步的各项记录能够给故障分析提供可靠的依据，不仅缩短了分析时间，而且降低了维护人员的劳动强度，在得出准确分析结果的同时，给装置的长周期运行打下了坚实基础。时间同步技术在制氢、加氢装置中的成功应用也为其他装置控制系统间的时钟同步提供了参考和借鉴。