GPS時(shí)鐘源在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄧開進(jìn)，李華山，袁 野

（中國石油天然氣股份有限公司 烏魯木齊石化分公司，烏魯木齊 830019）

0 引言

烏石化公司化肥廠二化裝置作為烏石化公司的重要的生產(chǎn)設(shè)備，其多項(xiàng)指標(biāo)創(chuàng)化肥行業(yè)記錄，年生產(chǎn)能力為3×105t合成氨、5.2×105t尿素。合成氨采用的是布朗工藝，節(jié)能效果明顯，裝置分轉(zhuǎn)換、脫碳、合成、凈化等。尿素裝置采用斯塔米卡邦的CO2氣體工藝。2012年控制系統(tǒng)升級(jí)改造，改造后的系統(tǒng)構(gòu)成為：橫河CS3000系統(tǒng)作為過程控制系統(tǒng)；1套TRICON ESD系統(tǒng)作為工藝聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)及小冰機(jī)的控制；3套TRICONEX TS3000系統(tǒng)作為機(jī)組控制系統(tǒng)，控制合成氨裝置四大機(jī)組及尿素機(jī)組。改造完成后由于幾套系統(tǒng)都有自己的時(shí)鐘，系統(tǒng)之間時(shí)鐘有偏差，因此，引進(jìn)1套時(shí)鐘源用于系統(tǒng)間的時(shí)鐘同步。

1 控制系統(tǒng)中時(shí)鐘同步的意義

化工生產(chǎn)的工藝控制系統(tǒng)的自控率較高，無論是負(fù)荷控制、工藝PID調(diào)節(jié)、設(shè)備聯(lián)鎖保護(hù)以及順序控制都需要幾套不同自控系統(tǒng)之間的互相配合才能夠完成。其中絕大多數(shù)的操作都與系統(tǒng)時(shí)鐘相關(guān)，所以幾套系統(tǒng)之間的時(shí)鐘同步就具有重要意義。

同時(shí)特別需要指出的是對(duì)于化工企業(yè)這種高危行業(yè)而言事故分析對(duì)于企業(yè)的安全生產(chǎn)也具有重要意義，本廠原來幾套系統(tǒng)間各自都是獨(dú)立的時(shí)鐘，出現(xiàn)事故后分析事故原因非常不便，幾套控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步能夠保證事故發(fā)生時(shí)各個(gè)系統(tǒng)的SOE、報(bào)警信息、聯(lián)鎖信息的同步性，從而保證幾套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在事故分析時(shí)具有相互參考的價(jià)值。

2 NANO-200GPS技術(shù)參數(shù)[1]

本次技改本廠選用的是西安納諾電子科技有限公司的NANO-200GPS時(shí)鐘源，它具有授時(shí)精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，可提供多路授時(shí)信號(hào)等特點(diǎn)，具體技術(shù)參數(shù)如下。

2.1 時(shí)碼源部分

1）時(shí)間源：GPS衛(wèi)星時(shí)間信號(hào)。

2）時(shí)間精度：≤1μs。

3）同步捕獲時(shí)間：≤10min。

2.2 網(wǎng)絡(luò)授時(shí)部分

1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：NTP/SNTP。

2）網(wǎng)絡(luò)接口：10/100Mbps RJ45接口。

3）授時(shí)精度：在100次/s用戶請(qǐng)求以內(nèi)，精度0ms～200ms(典型值)。

4）可獨(dú)立配置的10/100Mbps自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口6路。

2.3 設(shè)備顯示控制部分

1）通過WEB方式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

2）液晶顯示屏。

3）電源指示燈。

4）GPS工作狀態(tài)。

5）年（4位）/月（2位）/日（2位）/時(shí)（2位）/分（2位）/秒（2位）UTC時(shí)間。

6）經(jīng)度（度/分/秒）、緯度（度/分/秒）、高度（米）。

7）系統(tǒng)設(shè)置按鈕。

8）各路網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)置按鈕。

2.4 設(shè)備接口

六路可獨(dú)立設(shè)置IP地址的RJ45接口，如圖1 所示。

圖1 設(shè)備外觀圖Fig.1 Equipment appearance fi gure

3 GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)的具體搭建

本次搭建同步時(shí)鐘的控制系統(tǒng)包括1套DCS系統(tǒng)和4套TRICON SIS系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)用于本廠二化合成、尿素裝置的過程控制，其中包括PID控制以及順序控制等。

1套TRICON SIS系統(tǒng)用于合成裝置的聯(lián)鎖保護(hù)及2臺(tái)小冰機(jī)和1臺(tái)事故冰機(jī)的控制，它與DCS系統(tǒng)之間通過RS485實(shí)現(xiàn)通訊。

1套TRICON SIS系統(tǒng)用于合成裝置的4大機(jī)組的調(diào)速、防喘振、狀態(tài)檢測(cè)及聯(lián)鎖保護(hù)控制，與DCS沒有通訊，需共享和交換的數(shù)據(jù)通過硬接線實(shí)現(xiàn)。

1套TRICON SIS系統(tǒng)用于合成裝置的燃?xì)廨啓C(jī)的調(diào)速、導(dǎo)葉控制、狀態(tài)檢測(cè)及聯(lián)鎖保護(hù)控制，與DCS沒有通訊，需共享和交換的數(shù)據(jù)通過硬接線實(shí)現(xiàn)。

1套TRICON SIS系統(tǒng)用于尿素裝置的CO2壓縮機(jī)及4臺(tái)高速離心泵的調(diào)速、防喘振、狀態(tài)檢測(cè)及聯(lián)鎖保護(hù)控制，與DCS沒有通訊，需共享和交換的數(shù)據(jù)通過硬接線實(shí)現(xiàn)。

原來5套系統(tǒng)間沒有進(jìn)行時(shí)鐘同步，定期手動(dòng)校時(shí)，本次引進(jìn)GPS時(shí)鐘源目的是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的時(shí)鐘同步。

3.1 NANO-200GPS主時(shí)鐘的搭建和顯示說明

主時(shí)鐘的搭建主要分為兩個(gè)步驟：

1）NANO-200GPS服務(wù)器的外設(shè)連接。

在戶外設(shè)置GPS天線于信號(hào)良好無干擾的位置。

正確連接設(shè)備的電源、網(wǎng)線、GPS天線延伸線。

打開電源顯示“WAITING FOR GPS SIGNAL”表明連接正確，設(shè)備正在捕獲GPS衛(wèi)星信號(hào)。

2）服務(wù)器與授時(shí)計(jì)算機(jī)的通訊搭建[2]：

按下設(shè)備面板上“SETUP”按鈕，SETUP按鈕的紅色指示燈亮后，選擇要設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)接口，對(duì)設(shè)備IP地址進(jìn)行設(shè)置（僅在第一次使用時(shí)或?qū)P地址進(jìn)行修改時(shí)才需要設(shè)置，運(yùn)行時(shí)保證“SETUP”按鈕處于彈起狀態(tài)）。

3）記錄下當(dāng)前顯示的設(shè)備IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)信息。

連接一臺(tái)PC與設(shè)備到同網(wǎng)段，保證PC的IP地址與子網(wǎng)掩碼與設(shè)備在同一網(wǎng)段，然后就可以進(jìn)行PC的設(shè)置了。在IE瀏覽器中輸入設(shè)備IP出現(xiàn)窗口界面。

4）在出現(xiàn)的設(shè)置界面中輸入需要設(shè)置的IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)等信息后，點(diǎn)擊“SUBMIT”（IP地址要保證控制系統(tǒng)與校時(shí)系統(tǒng)在一個(gè)網(wǎng)段上）。

5）在PC上安裝授時(shí)SNTP客戶端軟件（校時(shí)系統(tǒng)自帶）。

3.2 SNTP2.4NTP 客戶服務(wù)端軟件配置及使用說明[2]

3.2.1 主界面

界面包括幾個(gè)功能菜單：

1）測(cè)時(shí)：測(cè)量服務(wù)器與本機(jī)時(shí)間偏差，不會(huì)更改計(jì)算機(jī)時(shí)鐘。

2）校準(zhǔn)：使用點(diǎn)擊測(cè)時(shí)菜單或按鈕測(cè)量得出服務(wù)器與本機(jī)時(shí)間的偏差值更改本機(jī)時(shí)間。

3）設(shè)置：打開設(shè)置欄，如圖2 所示。

圖2 主界面圖Fig.2 Main interface fi gure

3.2.2 設(shè)置欄打開后的主界面

1）服務(wù)器1IP：NTP服務(wù)器1的IP地址。

2）服務(wù)器2IP：NTP服務(wù)器2的IP地址；在服務(wù)器1無法連接時(shí)，自動(dòng)切換到服務(wù)器2，反之亦然。

3）本機(jī)端口：本機(jī)所使用的UDP端口，用戶可以自行調(diào)整。

4）監(jiān)測(cè)機(jī)IP：運(yùn)行SNTPD軟件的計(jì)算機(jī)IP地址。

5）時(shí)差限制：在定時(shí)校時(shí)功能開啟后，當(dāng)服務(wù)器與本機(jī)自動(dòng)檢測(cè)出的時(shí)差大于設(shè)定值后，不允許自動(dòng)調(diào)整計(jì)算機(jī)時(shí)間，以防止自動(dòng)模式下時(shí)間被錯(cuò)誤的改動(dòng)。

6）校時(shí)數(shù)據(jù)保存：保存測(cè)量和校時(shí)的數(shù)據(jù)到相應(yīng)的文件下。

3.3 DCS系統(tǒng)的GPS時(shí)鐘同步

本廠DCS系統(tǒng)選用的是橫河公司的CS3000系統(tǒng)。該系統(tǒng)由控制站、操作站、工程師站及輔助機(jī)柜組成，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步需在工程師站安裝SNTP客戶端軟件，安裝完成后按照前面3.2配置說明配置好后運(yùn)行軟件即可，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要保證該軟件一直在運(yùn)行，時(shí)鐘同步的應(yīng)用對(duì)DCS系統(tǒng)的趨勢(shì)和歷史信息有一點(diǎn)的影響，如果處理不當(dāng)就可能造成數(shù)據(jù)丟失，嚴(yán)重時(shí)可能造成事故。本廠的應(yīng)用考慮到這個(gè)問題，對(duì)時(shí)鐘同步的時(shí)間間隔做了設(shè)置，每5min對(duì)時(shí)一次，這樣每次時(shí)間按調(diào)整值都是ms級(jí)，而DCS掃描周期都在1s左右，所以時(shí)間調(diào)整對(duì)系統(tǒng)趨勢(shì)及歷史信息沒有影響，而且本廠還設(shè)置了當(dāng)時(shí)差超過500ms是不執(zhí)行時(shí)間調(diào)整，系統(tǒng)依據(jù)內(nèi)部時(shí)鐘繼續(xù)運(yùn)行，確保在時(shí)鐘源出現(xiàn)問題時(shí)，系統(tǒng)工作正常。需要指出的是由于CS3000系統(tǒng)對(duì)IP地址有要求，末位地址必須是128以上，如192.168.131.129到192.168.131.192之間，GPS時(shí)鐘源地址只需要在同一網(wǎng)段，與控制系統(tǒng)地址不沖突即可，但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，地址設(shè)到128以下時(shí)，SNTP客戶端軟件雖然在工作，但實(shí)際DCS時(shí)鐘并沒有被修改，后來將地址設(shè)到128以上（本廠設(shè)的是254），時(shí)鐘同步工作正常，對(duì)此咨詢了橫河廠家以及GPS時(shí)鐘源廠家，都沒有一個(gè)合理的解釋。

3.4 TRICON系統(tǒng)的GPS時(shí)鐘同步[3]

3.4.1 TRICON V10系統(tǒng)與GPS時(shí)鐘的同步

TRICON V1O系統(tǒng)通訊卡是TCM卡，可以直接與外部時(shí)鐘源進(jìn)行時(shí)鐘同步，無需安裝SNTP客戶端軟件，只需將時(shí)鐘源接入本系統(tǒng)交換機(jī)即可，如圖3所示。從這里可以看出，TRICON V10系統(tǒng)與GPS時(shí)鐘源是實(shí)時(shí)進(jìn)行同步，時(shí)鐘偏差可以忽略不計(jì)，對(duì)系統(tǒng)的趨勢(shì)及歷史記錄不存在影響，只是會(huì)占用一點(diǎn)系統(tǒng)的掃描周期。具體設(shè)置如下：

1）打開station 1131軟件，進(jìn)入需要同步的項(xiàng)目，打開后進(jìn)入Configuration硬件組態(tài)。

2）選擇1#機(jī)架雙擊TCM卡。打開屬性窗口，在窗口中點(diǎn)擊SETUP打開設(shè)置窗口。

3）在設(shè)置窗口中點(diǎn)擊TIME SYNC 選項(xiàng)卡，確認(rèn)選擇left slot，在側(cè)邊窗中選擇SNTP，網(wǎng)絡(luò)選擇NET。IP地址輸入GPS 主時(shí)鐘IP確認(rèn)退出。

4）保存設(shè)置，進(jìn)入controller panel。聯(lián)機(jī)，編譯無誤后即可下裝。

5）下裝后進(jìn)入controller panelUTILITYSystime修改時(shí)間，觀察是否會(huì)自動(dòng)校時(shí)，確認(rèn)配置效果。

3.4.2 TRICON V8、V9系統(tǒng)與GPS時(shí)鐘的同步

這里討論的是系統(tǒng)中存在V10系統(tǒng)時(shí)的配置過程，即以V10系統(tǒng)作為主站情況來說明，由于V8、V9系統(tǒng)所使用的通訊卡NCM卡無法與GPS時(shí)鐘直接通訊所以采用以下方式：

1）幾套系統(tǒng)是通過P to P方式進(jìn)行通訊的，其中以V10為主站、其他站為從站V8、V9系統(tǒng)通過1臺(tái)帶有BNC的HUB與V10相連。幾套系統(tǒng)要配置在一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)，V10系統(tǒng)設(shè)置為NODE1，其余幾套系統(tǒng)依次設(shè)置為NODE2NODE3等；由于V8、V9系統(tǒng)的通訊卡NCM卡是BNC接口，所以需用BNC同軸電纜將幾套V8、V9系統(tǒng)通過NCM卡的NET1口串聯(lián)起來，接入HUB的BNC口，T型頭終端用50Ω終端電阻封堵；V10系統(tǒng)系統(tǒng)的通訊卡TCM卡是RJ45接口，所以需用網(wǎng)線將V10系統(tǒng)接入HUB的RJ45口。

2）在V8、V9站上打開station 1131軟件，打開后進(jìn)入Configuration硬件組態(tài)。打開NCM卡，在ON Net選項(xiàng)卡中勾選enable time synchan with tricon main，如圖4所示。

3）在V10站上打開station 1131軟件，打開后進(jìn)入Configuration硬件組態(tài)。打開TCM卡，在Peer to peer選項(xiàng)卡中勾選enable commoncation with TRICON V9/V8 Peer to Peer system，如圖5所示。

3.5 計(jì)算機(jī)時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘的同步

控制系統(tǒng)與GPS時(shí)鐘同步后，在有些控制系統(tǒng)中，操作站時(shí)鐘并不隨系統(tǒng)時(shí)鐘同步，造成操作站與機(jī)架時(shí)鐘不同步，容易造成一些誤解，所以需對(duì)操作站時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，一般做法是在上位程序中編寫腳本文件，定期進(jìn)行同步。由于各個(gè)廠家軟件腳本文件不盡相同，在此不做贅述?，F(xiàn)在有了GPS時(shí)鐘源后，可以將上位計(jì)算機(jī)直接與GPS時(shí)鐘源同步，具體做法如下。

3.5.1 PC機(jī)WinXP的配置過程

1）在開始菜單中的運(yùn)行里，輸入gpedit.msc運(yùn)行，如圖6所示。

2）在彈出的窗口中打開管理面板，單擊系統(tǒng)---windows時(shí)間服務(wù)---時(shí)間提供程序---配置windowsNTP客戶端，如圖7所示。

3）在彈出的窗口中在NTP server輸入GPS時(shí)鐘源的IP（注意后綴0x1要保留）類型選擇為NTP，在Speciol pollintrval中設(shè)置同步周期，如圖8所示。

以上配置需要先完成GPS時(shí)鐘客戶端的安裝并保證其功能正常。

3.5.2 PC機(jī)Windows其他版本的配置過程

各個(gè)版本的windows的配置方式基本相同，都是在windows時(shí)間服務(wù)中進(jìn)行配置的。相關(guān)進(jìn)入方法不在此處贅述，須指出的是windows2000以下版本不支持此項(xiàng)功能[4]。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)投入使用后運(yùn)行穩(wěn)定，各系統(tǒng)間時(shí)鐘誤差都在ms級(jí)，應(yīng)用非常成功。GPS時(shí)鐘同步的應(yīng)用對(duì)于化工企業(yè)，當(dāng)然還有一些其他高危行業(yè)的自動(dòng)控制及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)而言具有重要意義，是控制系統(tǒng)特別是多套控制系統(tǒng)配合工作的可靠保證。所以，GPS時(shí)鐘同步應(yīng)用的推廣也具有重要意義。

[1]佚名.NANO-200GPS主時(shí)鐘用戶手冊(cè)[Z].西安納諾電子科技有限公司.

[2]佚名.中國石油烏魯木齊石化公司二合成隱患治理系統(tǒng)竣工資料[Z].北京康吉森自動(dòng)化設(shè)備技術(shù)有限公司.

[3]張曉飛.GPS同步時(shí)鐘技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].廣西電業(yè),2009(4).

[4]姬志民,宋博,任煥龍,等.GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)在電廠變電站中的應(yīng)用[J].河北電力技術(shù),2011(6).