DCS時(shí)間同步系統(tǒng)退防策略與分析

張穎穎 余冠華 郭歐杰

摘要：時(shí)間統(tǒng)一是分布式控制系統(tǒng)（DCS）中至關(guān)重要的部分。在DCS系統(tǒng)的長時(shí)間運(yùn)行中，可能會(huì)發(fā)生GPS時(shí)鐘源的網(wǎng)線光口組件老化、B碼線連接掉落或者接觸不良、GPS時(shí)鐘源硬件故障等等故障類型。本文提出了DCS時(shí)間同步系統(tǒng)退防策略，在出現(xiàn)故障的情況下，仍保證系統(tǒng)中在線設(shè)備的時(shí)間一致性。

關(guān)鍵詞：DCS；時(shí)鐘源；退防；故障量化；基準(zhǔn)控制器

中圖分類號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）12-0049-02

Defense Strategy and Analysis of DCS Time Synchronization System

ZHANG Ying-ying， YU Guan-hua， GUO Ou-jie

（China Nuclear Control System Engineering CO， LTD， Beijing 102488， China）

Abstract： Time synchronization is an important part of distributed control system （DCS）. In the long-term operation of DCS system， there may be some types of faults， such as aging of network optical port components of GPS clock source， dropping or poor contact of B code line connection， hardware failure of GPS clock source， etc. In this paper， a defense strategy for DCS time synchronization system is proposed. In case of failure， the time consistency of on-line equipment in the system is guaranteed.

Key word： DCS； Clock Source； Defense； Fault Quantization； Benchmark Controller

時(shí)間統(tǒng)一是分布式控制系統(tǒng)（DCS）中至關(guān)重要的部分。日志數(shù)據(jù)、歷史庫數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)都是按照時(shí)間序列存儲(chǔ)或顯示的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。如果系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備的時(shí)間不統(tǒng)一，將直接影響監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的歷史追溯和事故分析。

基于GPS時(shí)鐘源，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)和設(shè)備的時(shí)間統(tǒng)一已經(jīng)得到了重視和廣泛應(yīng)用。吳建福介紹了GPS時(shí)間同步系統(tǒng)中設(shè)備安裝接線、設(shè)備調(diào)試方法和維護(hù)注意事項(xiàng)[1]。張九賓等介紹了無線分布式測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間主控模塊的設(shè)計(jì)[2]。葛雅川等實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)標(biāo)志和誤差的在線監(jiān)測(cè)[3]。目前，對(duì)于GPS時(shí)鐘源故障后的時(shí)間同步系統(tǒng)退防策略，研究報(bào)道較少。楊鵬燕等介紹了一種層級(jí)的GPS時(shí)間同步系統(tǒng)，如果某層的被授時(shí)設(shè)備與時(shí)鐘源通信全部斷開，該層以下的對(duì)時(shí)設(shè)備容易形成時(shí)間孤島，與上層時(shí)間不一致[4]。本文介紹了一種更為完備的DCS時(shí)間同步系統(tǒng)的退防策略，在GPS時(shí)鐘源故障或者某臺(tái)對(duì)時(shí)設(shè)備與時(shí)鐘源連接故障的情況下，仍能保持時(shí)間的一致性。

1 DCS時(shí)間同步系統(tǒng)簡(jiǎn)介

DCS時(shí)間同步系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。GPS時(shí)鐘源接收衛(wèi)星時(shí)間信號(hào)，為DCS系統(tǒng)提供高精度的時(shí)間同步基準(zhǔn)。GPS時(shí)鐘源通過以太網(wǎng)接口與操縱員站、工程師站、歷史服務(wù)器、通信服務(wù)器等二層設(shè)備進(jìn)行對(duì)時(shí)，通過光纖傳輸B碼信號(hào)與控制器進(jìn)行對(duì)時(shí)，使得系統(tǒng)內(nèi)被授時(shí)設(shè)備的本地時(shí)間均和GPS時(shí)鐘源時(shí)間保持一致。B 碼信號(hào)是每秒一幀的時(shí)間串碼，它將時(shí)間同步信號(hào)和秒、分、時(shí)、天等時(shí)間碼信息加載到頻率為1 kHz 的信號(hào)載體中，不再需要GPS時(shí)鐘源輸出大量脈沖接點(diǎn)信號(hào)，B 碼對(duì)時(shí)在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[5]。

2 退防策略與分析

在DCS系統(tǒng)的長時(shí)間運(yùn)行中，可能會(huì)發(fā)生各種故障，例如：GPS時(shí)鐘源的網(wǎng)線光口組件老化、B碼線連接掉落或者接觸不良、GPS時(shí)鐘源硬件故障等等。

在正常運(yùn)行情況下，時(shí)間同步系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備均和GPS時(shí)鐘源進(jìn)行通信。若二層網(wǎng)絡(luò)中，某臺(tái)設(shè)備與GPS時(shí)鐘源無法再進(jìn)行通信，該設(shè)備的時(shí)鐘源退防為通信服務(wù)器，即該設(shè)備從通信服務(wù)器獲取當(dāng)前時(shí)間，通訊服務(wù)器可以和GPS時(shí)鐘源對(duì)時(shí)，間接實(shí)現(xiàn)繼續(xù)和GPS時(shí)鐘源對(duì)時(shí)。若二層設(shè)備與二層網(wǎng)絡(luò)連接全斷開，該設(shè)備被判定為離線，離線設(shè)備無法與通信服務(wù)器和GPS時(shí)鐘源進(jìn)行對(duì)時(shí)，在該設(shè)備與二層網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)連接時(shí)，繼續(xù)與GPS時(shí)鐘源對(duì)時(shí)。若一層網(wǎng)絡(luò)中，某控制器與GPS時(shí)鐘源連接斷開，該控制器的時(shí)鐘源退防為基準(zhǔn)控制器，基準(zhǔn)控制器是從所有控制器中選舉出的最優(yōu)控制器，該基準(zhǔn)控制器與通信服務(wù)器進(jìn)行對(duì)時(shí)，通信服務(wù)器和GPS時(shí)鐘源對(duì)時(shí)。若控制器與GPS時(shí)鐘源連接恢復(fù)，則繼續(xù)與GPS時(shí)鐘源進(jìn)行對(duì)時(shí)。

基準(zhǔn)控制器的選舉策略為：選舉控制器中故障最少的且ip地址最小的為基準(zhǔn)控制器。

第i臺(tái)控制器的故障量化公式如下：

[Fi=16*BMGPS+8*BMA+8*BMB+4*BSGPS+1*BSA+1*BSB]

其中：

[BMGPS]為主控制器與GPS時(shí)鐘源的連接故障狀態(tài)，故障為1，正常為0；

[BMA]為主控制器與一層網(wǎng)絡(luò)A網(wǎng)的連接故障狀態(tài)，故障為1，正常為0；

[BMB]為主控制器與一層網(wǎng)絡(luò)B網(wǎng)的連接故障狀態(tài)，故障為1，正常為0；

[BSGPS]為備控制器與GPS時(shí)鐘源的連接故障狀態(tài)，故障為1，正常為0；

[BSA]為備控制器與一層網(wǎng)絡(luò)A網(wǎng)的連接故障狀態(tài)，故障為1，正常為0；

[BSB]為備控制器與一層網(wǎng)絡(luò)A網(wǎng)的連接故障狀態(tài)，故障為1，正常為0。

所有控制器中，如果有多個(gè)故障量化值F最小的控制器，其中ip地址最小的即為基準(zhǔn)控制器。

基于單一故障原則和上述時(shí)鐘源退防策略，當(dāng)出現(xiàn)某種故障后，對(duì)時(shí)設(shè)備的時(shí)鐘源選擇以及時(shí)間一致情況，見下表。

3 實(shí)際應(yīng)用

本文所提時(shí)鐘源退防策略已經(jīng)應(yīng)用到了NicSys2000 DCS系統(tǒng)中，在表1所列的故障類型的測(cè)試中，均可保持系統(tǒng)在線設(shè)備的時(shí)間一致性。在與GPS時(shí)鐘源對(duì)時(shí)的情況下，時(shí)間誤差小于5毫秒，在與通信服務(wù)器對(duì)時(shí)的情況下，時(shí)間誤差小于50毫秒。

4 結(jié)束語

考慮DCS系統(tǒng)在長時(shí)間運(yùn)行中可能出現(xiàn)的故障，提出了時(shí)間同步系統(tǒng)的退防策略，分析了各種故障類型下了時(shí)間同步系統(tǒng)的運(yùn)行影響。時(shí)間同步系統(tǒng)的退防策略可以提高DCS系統(tǒng)的抗風(fēng)險(xiǎn)程度和安全性能，為全廠自動(dòng)化設(shè)備的安全生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳建福.GPS同步系統(tǒng)在電廠的改造應(yīng)用[J].華中電力，2009，22（137）， 06：85-87.

[2] 張九賓，張丕狀，杜坤坤. 無線分布式測(cè)試系統(tǒng)時(shí)間統(tǒng)一技術(shù)的研究 [J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)， 2010，30（173）， 03 84-88.

[3] 葛雅川，董貝，韓春江，徐頔飛. 數(shù)字化變電站對(duì)時(shí)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)的解決方案 [J]. 電力系統(tǒng)通信， 2012，33（236）， 06：50-53.

[4] 楊鵬燕，王華強(qiáng)，彭洪斌. GPS 時(shí)間同步在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置[J].2018，2：109-112.

[5] 周斌，黃國方，王耀鑫，張何.在變電站智能設(shè)備中實(shí)現(xiàn)B碼對(duì)時(shí)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2005，09：90-92.

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