多控制系统间的时钟同步

徐强，牛方波，宗计富

(中石化齐鲁分公司 运行维护中心，山东 淄博 255400)

目前石油化工装置过程控制的发展趋势是集中化、复杂化、功能独立化，一套生产装置有多种控制系统并存，如DCS，SIS，GDS，CCS，SCADA等，各种系统间相互独立又互相联系。为了方便事故查询和故障分析，各系统之间应保持时钟一致。SH/T 3092—2013《石油化工分散控制系统设计规范》[1]第5.3.7.2款要求，“宜由DCS向第三方计算机或网络发布时钟同步信号”；GB/T 50770—2013《石油化工安全仪表系统设计规范》[2]第5.0.20条要求，“安全仪表系统内的设备宜设置同一时钟”。时钟同步，就是通过对本地时钟的某些操作，达到为分布式系统提供一个统一时间标度的过程。该过程中，重要的是时钟的一致性，时钟基准源宜选择DCS控制器时钟，也可以是工程师站时钟，但不要求和GPS或北京时间这些基准时钟完全一致。

1 应用实例

如某大型煤气化装置，DCS采用Forboro的I/A系统，用于基本过程控制，包括7套控制站、8台操作员站；SIS的逻辑控制器采用HIMA的H51q-HRS系统，用于气化炉的开停车时序控制和安全保护，包括3套控制站；氨制冷透平离心机组联锁保护采用TRICON的TS3000系统和Bently的3500机组状态检测系统，调速及防喘振控制采用CCC系统，分别各有1套控制站和2台操作员站。为了保证同一装置内不同系统间的历史趋势、SOE数据时间的一致性，需要在各系统间做时钟同步。常用的做法有网络授时(NTP)、GPS授时、DCS授时等几种方式。根据文献[1]的规定，宜由DCS向第三方计算机或网络发布时钟同步信号。因此采用DCS工程师站时钟作为基准，定期(每天或每小时)向各系统发布授时命令。工程师站时钟可以定期人工校准，实际上这是一种纠偏授时，发布的是时间基准信号，并不是准确的基准时钟数值，考虑到实现的简易性，该方法还是得到了大量的实践应用。下面对不同系统的时钟同步分别讲述，时钟同步网络示意如图1所示。

1.1 DCS内部时钟同步

DCS内部设置以工程师站为时钟基准，每隔12 h自动同时向7个控制站和操作站授时，确保DCS时钟的一致性。该属性为DCS内部的功能属性，无需再单独设置。

1.2 DCS与SIS时钟同步

由于DCS和SIS之间有3对冗余的通信连接，而且SIS本身有经过认证的安全局域网连接。为保证授时指令的唯一性，在DCS和SIS间只发送一条时钟同步指令(SIS03和DCS 4号控制站之间)，SIS接到授时指令的同时自动向网络上的其他2套控制站发送同步指令。时钟同步的具体步骤如下：

1)确定时钟同步的间隔： 每周、每天或每小时，该案例中的时钟同步间隔是每天。即每天中午12：00由DCS 4号控制站发送阶跃脉冲信号，作为时钟同步的基准。

2)读取系统时钟，经分解后保留年、月、日三级日期数据，在该基础上增加时刻12：00：00：00，将日期和时刻合成。

3)接到同步指令后，将上述合成的时钟信号回写到系统。

1.3 DCS与TS3000系统时钟同步

TS3000系统时钟同步与SIS类似，每天中午12：00由DCS 6号控制站通过硬接线向TS3000系统控制站发送阶跃脉冲信号，作为时钟同步的基准。

图1 时钟同步网络示意

由于机组保护系统有操作站，还要将TS3000系统控制站时钟再同步到上位操作站中。该案例中上位机监控软件是INTOUCH，将TS3000系统中控制站的时、分、秒变量添加到INTOUCH的标记名词典中，然后添加脚本，每天定时将时间变量写到操作站的Windows系统中。

1.4 TS3000系统与CCC系统时钟同步

压缩机组的防喘振及调速由CCC系统实现，考虑到2台操作站和原来TS3000系统相邻，选用了NTP协议。NTP协议是计算机网络间时钟同步的通用协议，可以提供高精准度的时间校正，同时采用了识别机制，提高了抗干扰能力。现在有很多专用的NTP软件，组态界面友好，也可以使用简单的DOS命令来完成，本例就是使用了Windows系统自带的NTP命令。具体步骤如下：

1)在TS3000系统2号操作站和CCC系统1号操作站分别增加1块网卡，用网线连接，专用于时钟同步。

2)CCC系统1号操作站采用NTP协议，从TS3000系统2号操作站读取系统时间来同步本站系统时钟。

3)CCC系统2号操作站采用NTP协议，读取CCC系统1号操作站时钟来同步本站系统时钟。

4)在CCC系统内组态，将控制器时间与操作站同步。

1.5 Bently 3500的时钟同步

机组状态监测系统Bently 3500系统监视氨制冷透平机组的运行状态，其中振动和位移设置了联锁停机并通过硬接线连接到TS3000系统；同时3500系统自身有硬件诊断信息和报警联锁记录。为了方便故障分析，3500系统也要和DCS时间保持一致。但是3500系统没有接受外部时钟同步信号功能，因此采取了手动同步的方法。

2 时钟同步的注意事项

各控制系统间的时钟同步要注意以下各项：

1)时钟源的唯一。根据文献[1]要求，“宜由DCS向第三方计算机或网络发布时钟同步信号”。该案例时钟基准是DCS工程师站，不同系统的操作站、控制站、工程师站、SOE站等应保持同一个时间基准，避免重复授时。

2)单一系统内注意操作站、控制站上下层授时的一致性和单向性。该案例中没有给SIS的工程师站和SOE站时钟同步，主要考虑到SIS的SOE站时间是控制器时间，PC端没有影响，对于有趋势服务要求的SIS记录，可以参考CCS上层编写脚本的方法实现。

3)读取控制器时钟分解时要注意算法，考虑闰年的影响。

4)采用纠偏授时要注意避开整点(整天、整周等)授时，防止信号跳变造成较大误差。

5)纠偏授时在保证授时信号稳定抗干扰的同时，应合理使用延时模块，减少延时误差。

6)定期检查时钟信号的一致性，及时发现授时错误。由于干扰、交换机故障、电缆故障、IP地址冲突等原因，授时信号会发生中断，需要维护人员定期检查，及时重启授时服务或者人工纠正授时偏差。

3 结束语

同步方案投用以来，各系统之间时钟始终保持同步，提高了故障分析的便利性。

需要强调的是，考虑到网络病毒传播的可能性，上文中NTP授时并不完善，各系统间最好加网络防火墙，同时要考虑防火墙对NTP协议的影响。然而考虑防火墙，实现的成本则会很高，NTP授时一般用于相对独立的控制系统内部，如DCS，CCS等系统的操作站、控制站、工程师站内部之间的时钟同步。纠偏授时的精度不高，大概在500 ms以内，而NTP可以达到ms级；由于纠偏授时只是简单的脉冲信号，各系统间是相互“隔离的”，可以防止网络攻击，同时简单易行，成本低廉。实际上，秒级的授时精度可以满足大多数生产需求，因此，对于控制系统时钟同步，本文所述方案可以作为一种简洁、便利的方法进行推广。