生产控制系统时钟同步方式及应用

李 涛

（榆林瀚昌科工贸有限责任公司，陕西 榆林 719000）

随着控制系统技术的日臻完善和国产控制系统的兴起，与之前进口控制系统天价垄断的局面相比，目前各类生产、制造企业都普遍采用控制系统来实现安全、高效生产，因此DCS 系统、SIS 系统、PLC 系统以及单片机系统等得到普遍应用。伴随装置规模的扩大和模块设计的出现，一个企业特别是大型企业，不可避免地会同时出现各种类型的控制系统，因此时钟同步问题就显得格外重要，其中就包括事件事故的追忆。本文以某甲醇装置为例，详细阐述不同控制系统间时钟同步方式，以及说明时钟同步的必要性和安全性。

1 时钟同步概述

时钟同步，即实现不同网络上各节点之间时间的同步。NPT 是目前应用最为广泛的网络时间同步协议，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[1]。同步时间的标准时间应该是国际标准时间（UTC），可以从原子钟、天文台、卫星等获得，时钟同步需要配备时钟同步器和时钟源，时钟源以往主要采用GPS，目前中国北斗也开始应用。

表1 控制系统种类及分布Table 1 Types and distribution of control systems

时钟同步的目的是使DCS 系统内部和其它系统之间的时间标记数据一致，实际上并不需要绝对时间一致，只要相对时间就足够了。DCS 应具备使网络中各个节点时钟同步的功能。在实际应用中，宜由DCS 向第三方发布时钟同步信号，对于不必标记数据的第三方设备，不必要设置时钟同步。

2 系统简介

某甲醇装置年生产120 万吨甲醇，工段主要分为空分工段、气化工段、净化工段和合成工段，采用的控制系统有艾默生DeltaV、TRICON、FOXBORO IA 和西门子S7-400PLC 系统，各控制系统情况见表1。

空分工段采用独立DCS 控制系统，气化、净化和合成共用一套DCS 系统，Tricon 和S7-400PLC 等都是独立的单元控制系统。

3 时钟同步方案及实现

时钟同步方式应该说多种多样，总体来说分为两类：一是利用GPS 时钟源对各系统进行时钟同步；二是定时自动校正实现时钟同步[2]。利用GPS 时钟源同步，即各控制系统各自接入GPS 时钟源，利用GPS 时钟源的独立网口，每个网口分配给不同的控制系统，定时自动校正。实现时钟同步是利用DCS 系统网络节点自动校时功能，同步各操作站、工程师站等时间，同时DCS 系统与SIS 系统、PLC系统再同步。某甲醇装置采用两种结合的方式，实现全厂控制系统的时钟同步，同步时钟方案如图1 所示。

3.1 DCS与时钟同步器的连接

DCS 时钟同步主要是指DCS 与时钟同步器的连接和设置，时钟同步器通过GPS 模块接收卫星信号。GPS 需安装在较开阔的地方，DCS 系统与时钟同步器通过网线连接，以下以DeltaV 为例，阐述DCS 与时钟同步器的连接和设置。

图1 同步时钟方案Fig.1 Synchronous clock scheme

图2 DeltaV 同步成功信息Fig.2 DeltaV Synchronization success information

同步时钟服务器不连接到DeltaV 系统的控制网，连接在APP 站的第三块网卡，主要设置步骤：①通过网线连接时钟同步网口和APP 站的第三块网卡；②设置时钟同步网络地址，APP 站第三块网卡地址与时钟同步器设置成同一个网段；③使用APP 站的Remote Network 功能；④在APP 站设置APP 所连接的时钟服务器的IP 地址；⑤设置DELTAV 控制网络的主时钟源为APP 站；⑥Download Control Network 的Setup Data。如果系统都正常，安装完成几分钟后，在Diagnostics-DeltaV 能显示如图2 所示信息。

3.2 FOXBORO IA与SIS系统时钟同步

本案例中，气化工段3 套SIS 系统采用独立的Tricon系统，合成ITCC、丙烯ITCC 系统也采用独立的Tricon 系统。DCS 与Tricon 时钟同步的方式一般有两种方式：一种是通过通讯的方式，DCS 系统每天定时向Tricon 系统发送一个脉冲，每天只校准一次；另一种是通过硬接线的方式，即利用SIS 系统DI 卡件备用通道，DCS 系统通过DO 卡件定时发一个脉冲信号。两种方式实现的原理基本一致，差别在于通过Modbus 通讯的方式存在时间上的误差，采用硬接线的方法实现两套系统的时钟同步精确度即时间误差小，不论哪种方式都能满足现实需要，通讯方式通过软件实现较为经济，总之两者相差不大。

图3 Tricon时钟同步程序Fig.3 Tricon clock simultaneous program

硬件的连接比较简单，通讯线或硬件线即可，主要是SIS 系统需要编制时钟同步程序，如图3 所示。读取TRICON 系统时钟使用TR_CALENDAR 块，设定时间转换功能块SYN-TIM E 年、月、日，取系统当前日期无需校正。由于DCS 基本扫描周期一般为 0.5s ～1.0s，SIS 系统周期一般都在毫秒级别，所以实际同步过程中，一般存在3s ～5s 内的差别。

3.3 DeltaV与ITCC系统时钟同步

空分ITCC 系统也采用Tricon 系统，其时钟同步原理和方式与FOXBORO IA 类似，这里不再详述。

Tricon 系统除通讯和硬件等方式外，如果是V10 版本还可以直接通过其自身的TCM 卡直接与时钟同步器连接，做到实时同步无偏差，但V8、V9 等因NCM 卡无法与时钟同步器直接连接[3]。

4 时钟同步的必要性和安全性

停车和事故在生产企业发生时，需要及时开展原因的分析和调查。按照生产控制系统功能划分，一般联锁动作在SIS 系统或者ESD 系统中实现，参考的是SOE 的记录时间。而工艺操作一般在DCS 或PLC 系统中实现，工艺操作、设备运行等都以DCS 系统时间为基准。故障分析时，若各控制系统的控制器时钟之间没有进行时钟同步，则会导致对同一测量元件或设备所记录数据的时间不一致，无法判断事件发生时设备动作的顺序，需要两方面结合才能对引发故障或停车的真正原因作出正确判断和分析，因而各控制系统的时钟同步显得尤为重要。

1）在控制系统中，趋势、报警、事件记录等都与时间相关，因此整个系统时钟保持一个统一的时钟很关键。如果操作站和控制站时间不同步，不能作为真实的历史数据为操作服务。

2）在《石油分散控制系统设计规范》《分散型控制系统工程设计规范》《石油化工远程监控及数据采集系统设计规范》中，对时钟同步做了明确要求。

3）是否设置GPS 时钟服务器与某时区时间一致需要企业根据性质和需求确定，如燃气长输管线SCADA 必须设置GPS 时钟服务器，才能保证分布在整条管线控制系统时间一致，有利于保证管线的安全运行。

5 结束语

现代生产企业，如石油化工、煤化工等都广泛采用先进控制系统如DCS、PLC 等，各控制系统虽然通过相互通讯，避免了自动化孤岛，方便了管理，提高了安全生产水平，增加了生产效益，但也带来了一些问题。如各控制系统时钟不同步问题，对事故调查、原因分析带来了很多困难。本文通过实例，讲述各控制系统时钟同步的方案，并阐述了时钟同步的必要性和安全性，时钟同步对于工作人员追溯事故的第一要素发挥了重要作用。