化工装置多控制系统间时钟同步设计与应用

冯 飞，王雪妍

(1.中天合创能源有限责任公司化工分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017317；2.北京化工大学 信息学院，北京 100029)



化工装置多控制系统间时钟同步设计与应用

冯 飞1，王雪妍2

(1.中天合创能源有限责任公司化工分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017317；2.北京化工大学 信息学院，北京 100029)

针对化工装置有DCS,SIS,CCS等多套控制系统的情况，采用GPS时间服务器，设计了一个通过SNTP协议完成多控制系统时钟同步的技术方案；介绍了GPS时间服务器的设置，DCS时间组的设置，CCS系统时钟同步软件的设置以及SIS系统时钟同步的两种设置方案；实现了不同装置多控制系统之间的全局时钟同步；保障了工艺参数趋势记录，SOE记录，工艺人员操作记录时间基准的一致性和准确性；有利于生产事故原因的查找与分析。

控制系统；时间服务器；时钟同步

0 引言

某厂有两套共用部分公用工程工艺单元的化工生产装置(A装置和B装置)，分别独自进行化工产品的生产。两套装置均设置独立的集散控制系统(DCS)、安全联锁停车系统(SIS)和机组控制系统(CCS)。DCS用以完成生产过程的自动化管控工作， SIS系统承担生产过程的安全联锁保护工作， CCS系统完成压缩机组的负荷协调控制工作。多个控制系统相对独立，却又相互合作共同保证装置的安全平稳运行，且两套装置又共用部分公用工程工艺单元，这就要求各控制系统在生产过程的控制、历史数据的储存和历史事件的记录上即要有时序的准确性又要有时间的一致性。

不同控制系统都有各自的系统时间，该系统时间是由结点电子设备内部的石英晶体震荡来产生的。但是由于各系统时钟晶振的频率及稳定性存在差异，即使电子设备时间的初始值一致，在运行一段时间后各结点电子设备的时钟仍会逐渐的变得不同步。这就需要对控制系统时间进行修正，利用时间服务器获取GPS卫星时间信号，通过SNTP协议,向与时间服务器以太网通讯的不同装置的不同控制系统进行网络授时，以使多控制系统既有高精度的同步时间又有GPS提供的UTC(世界协调时)[1]。

1 总体方案

为了实现两套装置多个控制系统的时钟同步要求，本方案采用DNTS-74 GPS时间服务器。它共有4个独立网口，网口一分配给A装置DCS系统；网口二分配给在同一网段A装置的SIS系统和CCS系统，网口三分配给B装置DCS系统，网口四分配给B装置CCS系统，其网络结构如图1所示。

图1 时钟同步网络图

2 GPS时间服务器设置

时间服务器DNTS-74采用UNIX系统，双CPU；配有一个GPS天线接口，一个RS485通讯接口，一个RS232通讯接口，4个独立的10/100 M自适应以太网口[2]。4个以太网口可以进行不同网段设置，以保障系统间数据隔离。DNTS-74时间服务器基于NTP/SNTP协议对各控制系统进行网络授时，平均网络授时精度大于10 ms。通过DNTSE专用软件对4个以太网口进行IP地址设置。刷新设备后，在左侧功能框中显示联接的DNTS-74网口设备，点击任意一行可在右侧IP地址栏中对该网口重新设置IP地址。通过网口下方标注的MAC地址可以确认所修改IP地址对应的网口。

3 横河DCS时钟同步设置

两套化工装置均采用的是横河DCS系统，分别是CENTUM-Vnet/IP系统和CS3000系统。由于系统版本的差异，两套控制系统的时钟同步设置并不相同。

3.1 CENTUM-Vnet/IP系统时间同步设置

A装置使用的是横河CENTUM-Vnet/IP系统。该系统中同一个控制域中的控制站，操作站，工程师站等网络设备组成一个时间组，时间组中SNTP服务器为整个控制域提供系统同步时间。整个控制域网络时间精度可以达到1 ms,当时间组内设备重新启动后可以快速接近网络时间，启动后5 s时间精度即可达到1 s，5分钟内时间精度达到1 ms[3]。时间组网络图如图2所示。

图2 Vnet/IP时钟同步图

Vnet/IP系统控制域有BUS1，BUS2两个冗余网络，要求用于时钟同步的SNTP服务器只能接入BUS2(开放网)网络，其IP地址只能设定为：192.168. <128+域地址>.254。根据以上要求，DNTS-74时间服务器网口一IP地址设置为：192.168.129.254；在Vnet/IP系统组态软件System View中选择files菜单下的Domain Properties,设置Time Group名为1；在SNTP Server IP Address中的Connect Bus 2中填写IP地址：192.168.129.254。

3.2 CS3000系统时钟同步设置

B装置采用的是横河CS3000 DCS系统。在该系统中，SNTP 服务器不能作为控制域中的网络节点接入系统网络。因此，需要Dimension4授时软件完成工程师站Windows时间与DNTS-74时间服务器的时钟同步，其相关设置见章节4.4所述；然后配置工程师站为整个控制域网络的TIME MASTER，工程师站Windows时间作为整个控制域网络的同步时间，其方法如下：在工程师站注册表HKEY_LOCAL_MACHINE下的YOKOGAWA文件中添加syNCtime项。控制系统每两分钟检测一次各网络节点设备与工程师站时间的偏差，如果差值在5 s以上，系统自动进行2次时钟同步，保证所有网络节点设备时间精度达到1 ms。

4 CCS和SIS系统时钟同步设置

A装置SIS系统与CCS系统具有相同

的网段，共用时间服务器的网口二；B装置CCS系统为CCC 3+系列控制器，它单独使用一个时间服务器的网口四。上述控制系统的工程师站均采用Dimension4授时软件完成Windows时间与DNTS-74服务器的时间同步，通过配置控制器与工程师站Windows时间同步，以实现整个网络系统与DNTS-74服务器的时间同步。

4.1 A装置SIS系统控制器与工程师站时钟同步设置

A装置SIS系统采用的HIMA H51q控制器，ELOPⅡ项目管理软件。在SIS工程师站HIM A&E OPC SERVER软件中配置控制器与工程站时钟同步的时间间隔和启动方式。

4.2 A装置CCC Series 5控制器与工程师站时钟同步设置

A装置CCS系统采用的是CCC Series 5控制器，其与工程师站时钟同步的设置如下：

1)更改工程师站的ntp.conf文件，由此工程师站成为Series 5控制器的NTP Masters；

2)更改操作站的ntp.conf文件，保持操作站与NTP Masters的时间同步；

更改完ntp.conf文件后，需要在windows服务中重启一次Network Time Protocol Daemon服务。

3)调出Series 5控制器组态编辑器，在Time Synchronization框下的NTP Servers中添加NTP Masters的IP地址。由于控制器只能使用NTP，UDP两种授时方式中的一种，故UDP Set Time Port框必须为空。

4.3 B装置CCC Series 3++控制器与工程师站时钟同步说明

CCC Series 3++控制器与其工程师站通过RS485通讯，压缩机控制数据的采集、历史趋势记录、事件记录以及MAP曲线工作点记录都是基于工程师站的windows时间。因此，通过配置工程师站windows时间与DNTS-74时间服务器的时钟同步，完成整个系统的时钟同步。

4.4 工程师站与时间服务器的时钟同步设置

工程师站可以通过Windows系统自带的W32Time服务与DNTS-74时间服务器进行时钟同步，进入注册表编辑器,路径如下：

HKEY_LOCAL_MACHINE/SYSTEM/CurrentControlSet/services/W32Time/TimeProviders/NtpClient/SecialPollInterval

选择十进制基数，修改数值数据(自动对时时间间隔)为604 800(一周对时一次)或者86 400(一天对时一次)。本项目中，为了便于系统时钟同步的管理，采用控制系统厂家推荐的NTP客户端授时软件Dimension4软件来完成工程师站Windows系统时间与时间服务器的时钟同步。

Dimension4软件中，在Server框中添加对应时间服务器的网口IP地址，网络协议选择SNTP协议；在How Often中选择软件载入方式和确定时间同步的时间间隔；该软件还提供了显示方式设置，偏差超限提示设定，可以显示同步历史记录和错误信息。Dimension4软件在使用中具有良好的稳定性。

5 B装置SIS系统时钟同步设置

由于DNTS-74时间服务器仅提供了4个以太网口，故并未对B装置SIS系统进行GPS网络授时设计，采用其与B装置 DCS系统MODBUS通讯完成系统间的时钟同步，间接得到DNTS-74的GPS时间，其方法如下：

在CS3000中可以通过SFCSW功能块取得系统时间，其程序如下：

integer tmp

integer HH,MM,SS,YYYY,MMM,DD

tmp=1

repeat

getdate(YYYY,MMM,DD)

%.Y=YYYY

%.MM=MMM

%.D=DD

gettime(HH,MM,SS)

%.H=HH

%.M=MM

%.S=SS

%.set6=2000+%.Y

%.set7=%.MM*100+%.D

%.set8=%.H*100+%.M

%.set9=%.S*100

until (tmp==0)

通过CALCU功能块把SFCSW所取得的4个时间数据送到通讯地址为49996-49999(霍尼韦尔SM系统中默认的系统时间通讯地址)的数据中，即完成SIS时钟源的建立。

6 效果

通过项目的实施，实现了两套化工装置多控制系统的时钟同步，时间服务器工作稳定，时间精度满足控制要求。同时，项目的实施还有以下重要意义：

1)便于事故原因的查找和分析。通过SOE记录可以明确事故发生的时序，而各控制系统时间的统一，有利于把SIS系统中事故发生的离散点在DCS和CCS系统中通过历史趋势图连续的展现出来，从而更加清晰地还原事故发生时相关工艺条件的整体过程，为事故原因的查找和分析提供可靠的数据支持。

2)同一时间基准下的公用工程工艺单元的趋势记录、SOE记录、操作记录等，为分析工艺操作人员出现不适当的操作问题从而制订正确的操作规程提供有效的数据支持。

3)采用时间服务器，控制系统通过SNTP协议获得GPS时间来实现多控制系统的时钟同步的技术方案简单可靠且易实施。

[1] 张国军，温春林.基于SNTP的多控制系统时钟同步方案的设计与应用[J].仪器仪表标准化与计量，2013，2:38-41.

[2] DNTS-7网络时间服务器说明书[Z].北京：北京中新创科技有限公司，2011.

[3] IM 33Q06H90-31E 4th Edition[M].Tokyo：Yokogawa Electric Corporation，2006.

Design and Use of Clock Synchronization in Several Control Systems of Chemical Plant

Feng Fei1, Wang Xueyan2

(1.Zhongtianhechuang Energy Co.,Ltd., Ordos 017317, China;2.College of information automation Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

Considering chemical plant with DCS, SIS, CCS and other several control systems, using GPS time server, a technique scheme adopting SNTP protocol is designed to synchronize the clocks of the different control systems. Introducing the setting of GPS time server, the setting of DCS time group, the setting of clock synchronization software of CCS system and the two schemes of SIS system clock synchronization. The clock synchronization of the several control systems is realized. The time benchmark of the process parameter trend record, SOE record, operating record are consistent and accurate.It is helpful to find and analyze the cause of a production accident.

control system; time server; clock synchronization

2016-07-19；

2016-07-28。

冯 飞(1987-)，男，河南濮阳人，主要从事仪表自动化方向的研究。

1671-4598(2016)09-0133-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.036

TP391.9

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