基于NTP的时钟同步技术在成品油管道SCADA系统中的应用

中国石化销售有限公司华南分公司 倪志光

一、引言

成品油管道正在蓬勃发展，并成为输送成品油的主要手段。成品油管道主要采用密闭输送方式，距离长，站点多，工艺复杂，调度运行指挥难度大，传统的人工记录、逐级汇报的方式已经不能满足正常的生产运行需要。SCADA系统（Supervisory Control and Data Acquisition，数据采集与监视控制系统），是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，建立在3C＋S（计算机，控制，通信及传感器）技术上的一门学科，实现实时采集现场数据，全面、监视工艺流程并实施远程控制，实现输油管道的集中指挥和统一管理，提高生产调度速度，因而得到了普遍的应用。

二、成品油管道SCADA系统时钟同步的重要意义

SCADA系统的计算机监控系统、过程控制装置、联锁保护装置、报警管理系统、RTU系统等设备，所使用的时间都是由设备内部时钟提供的，一般的计算机和嵌入式设备时钟精度只有lO-4～lO-5，每天可能误差达十几秒或更多，如果不及时校正，其累积时间误差不可忽视。这些误差会造成系统报警、SOE顺序事故记录、历史趋势等不能正确记录事件发生的正确时间。如果采用人工定期校准系统时间坐标的方式来调准时钟，频繁的调整易造成历史趋势记录错误、归档数据丢失等故障。尤其是成品油管道采用密闭输送方式，作为一个统一的水力系统，管道沿线的一台设备出现故障有可能会引起整个管网水力系统的波动，一旦分布于不同地区的子系统或设备时间不一致，现场信号无法正常传输至调控中心，采取必要的超前保护措施，就可能引发关键设备损坏、爆管等事故。

三、基于NTP的时钟同步工作原理

我们常说的时钟同步有频率同步和时间同步两种。频率同步是指维持各点的频率相同，可以是任意相位。时间同步也称时刻同步，是指要求各点的绝对时间相同。时钟同步技术的传输模式实现了从脉冲式、编码式、PPS、IRIG-B到NTP、PTP、无线电波的演变。目前世界上主要有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS以及欧洲空间局、我国的北斗卫星系统等定位系统。

NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）：由美国德拉瓦大学的David L Mills教授于1985年提出，是用于设计使Internet上的计算机保持时间同步的一种通信协议，由时间协议、ICMP时间戳消息及IP时间戳选项发展而来，用来在分布式时间服务器和客户端之间进行时间同步，采用分层的方法来定义时钟的准确度，采用单播、组播或广播方式发送协议报文。

NTP授时工作原理（如图1）：Device A和Device B通过网络相连，有自己独立的系统时钟，通过交换时间服务器和客户端的时间戳，计算出客户端相对于服务器的时延和偏差，从而实现时间的同步。假设A和B通过以太网端口相连，B做为NTP服务器，同步之前A的时钟设定为10:00:00，B的时钟设定为11:00:00，数据包在A和B之间单向传输所需要的时间为1秒。设备A发送一个NTP报文给设备B，该报文带有它离开设备A时的时间戳，该时间戳为10:00:00am(T1)；当此NTP报文到达设备B时，设备B加上自己的时间戳，该时间戳为11:00:01am(T2)；当此NTP报文离开设备B时，设备B再加上自己的时间戳，改时间戳为11:00:02（T3）；当设备A接收到该响应报文时，设备A的本地时间为10:00:03am(T4)。至此，设备A已经拥有足够的信息来计算两个重要的参数：NTP报文的往返时延Delay=(T4-T1)-(T3-T2)=2秒；设备A相对设备B的时间差offset=((T2-T1)+(T3-T4))/2=1小时。这样，设备A就能够根据这些信息来设定自己的时钟，使之与设备B的时钟同步。

图1 NTP工作原理图

图2 成品油管道SCADA系统硬件结构图

图3 调控中心一级时钟同步系统结构

图4 输油泵站二级时钟同步系统结构

有多种NTP工作模式进行时钟同步，包括：客户端/服务端模式、对等体模式、广播模式、组播模式。根据需要选择合适的工作模式，在不能确定服务器或对等体IP地址，以及网络中需要同步的设备很多等情况下，可以通过广播或组播模式实现时钟同步。

四、华南成品油管网SCADA系统时钟同步应用现状及解决方案

1.华南成品油SCADA系统结构

华南管网已经建成包括西南管道、珠三角管道、昆明-大理管道、柳州-桂林管道、北南百管道等5条成品油管道，下设2个调控中心、43座输油站、15座自控阀室，线路总长达到3842公里，是目前国内最大的成品油管网。系统结构可按照功能区域来分，主要包括主、备调控中心控制系统，各输油站站控系统，远控阀室监控系统及将各功能区域连接起来的通信系统（如图2）。

2.时钟同步设备应用现状

华南管网已于2006年建设了一套覆盖整个网络的同步时钟系统，在调控中心设置了一台GPS，对调控中心和各站SCADA系统设备进行同步，在运行过程由于时间同步精度不高、工作不稳定等，直接影响了SCADA系统的正常运行，包括两台冗余服务器由于时间不一致无法实现冗余工作；个别站场服务器由于时间出现跳变导致历史数据无法归档、服务自动停止等问题，另外，对于各站系统设备和调控中心时钟不一致，无法及时报警、主动对时，给系统安全运行带来隐患。原因是：

同步方式存在不足。通过调控中心的GPS时钟同步设备通过广域网对全线设备进行时钟同步。许多工业控制过程需要高准确度时间，一般要在ms级以内。如果在广域网内进行授时，每次经过的路由器路径可能不相同，授时精度可能无法达到要求，局域网内授时不存在路由器路径延迟问题，因而授时精度理论上可以提到亚毫秒级。

设备配置可靠性不高。时钟同步设备为单机设置，没有实现冗余配置，一旦出现故障后无法实现时间同步；该设备为单电源输入，无法保证可靠的运行稳定性。

守时精度不高。受温度等环境温度影响较大，当无法收到GPS卫星信号时，晶振震荡漂移严重，无法保持高精度的时间输出。

时钟同步管理系统不够人性化。对于各站系统设备和调控中心时钟不一致，无法及时报警、主动对时；而且投入运行超过8年后，优化老化，多次出现故障，给SCADA系统正常运行带来较大影响，必须进一步完善时钟同步架构。

3.华南成品油管网SCADA系统时钟同步解决方案

时钟同步系统分为两级，即调控中心一级时钟和输油站二级时钟。调控中心一级时钟设备作为整个网络时钟基准，设置两套冗余主时钟，可采用北斗或GPS多模卫星作为标准时钟源，并和铷原子钟组成天地互备系统（如图3）。正常情况下，主时钟的时间信号接收单元独立接收GPS卫星发送的时间基准信号；当某一主时钟的时间信号接收单元发生故障时，该主时钟能自动切换到另一台主时钟的时间信号接收单元接收到的时间基准信号，实现时间基准信号互为备用。为避免传输设备的固有传输时延以及干扰、损耗等因素，造成时间延迟，可通过算法取得网络阻塞引起的时间延迟以及设备造成的时延，通过时延补偿技术解决。在输油泵站设置二级时钟设备，采用北斗或GPS多模卫星及本地恒温晶振组成时钟同步系统，并接受调控中心一级时钟设备传来的时钟信息，组成天地互备系统（如图4），给网络内的设备提供时间信号。同时设置授时监控软件，采用轮询的方式采集监控系统的服务器、工作站的时钟同步信息，包括卫星工作模式、搜星数量、天线状态、时钟频率偏差、时钟同步漂移、时钟抖动、时间偏差、同步状态等信息，同时对数据进行整理和分析，提供给系统管理人员。

五、结束语

统一、精确的时间是保证成品油长输管道SCADA系统安全运行的必要措施。本文介绍的华南成品油管网SCADA系统时钟同步方案对其它管道有一定的借鉴意义，但是由于各管道通信链路和设备不同、SCADA系统产品不同以及具体需求有差异，还是要根据管道实际情况，制定符合本管道SCADA系统的时钟同步方案。

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