GPS时钟源在控制系统中的应用

邓开进，李华山，袁 野

（中国石油天然气股份有限公司 乌鲁木齐石化分公司，乌鲁木齐 830019）

0 引言

乌石化公司化肥厂二化装置作为乌石化公司的重要的生产设备，其多项指标创化肥行业记录，年生产能力为3×105t合成氨、5.2×105t尿素。合成氨采用的是布朗工艺，节能效果明显，装置分转换、脱碳、合成、净化等。尿素装置采用斯塔米卡邦的CO2气体工艺。2012年控制系统升级改造，改造后的系统构成为：横河CS3000系统作为过程控制系统；1套TRICON ESD系统作为工艺联锁保护系统及小冰机的控制；3套TRICONEX TS3000系统作为机组控制系统，控制合成氨装置四大机组及尿素机组。改造完成后由于几套系统都有自己的时钟，系统之间时钟有偏差，因此，引进1套时钟源用于系统间的时钟同步。

1 控制系统中时钟同步的意义

化工生产的工艺控制系统的自控率较高，无论是负荷控制、工艺PID调节、设备联锁保护以及顺序控制都需要几套不同自控系统之间的互相配合才能够完成。其中绝大多数的操作都与系统时钟相关，所以几套系统之间的时钟同步就具有重要意义。

同时特别需要指出的是对于化工企业这种高危行业而言事故分析对于企业的安全生产也具有重要意义，本厂原来几套系统间各自都是独立的时钟，出现事故后分析事故原因非常不便，几套控制系统的时钟同步能够保证事故发生时各个系统的SOE、报警信息、联锁信息的同步性，从而保证几套系统的数据在事故分析时具有相互参考的价值。

2 NANO-200GPS技术参数[1]

本次技改本厂选用的是西安纳诺电子科技有限公司的NANO-200GPS时钟源，它具有授时精度高，运行稳定，可提供多路授时信号等特点，具体技术参数如下。

2.1 时码源部分

1）时间源：GPS卫星时间信号。

2）时间精度：≤1μs。

3）同步捕获时间：≤10min。

2.2 网络授时部分

1）网络协议：NTP/SNTP。

2）网络接口：10/100Mbps RJ45接口。

3）授时精度：在100次/s用户请求以内，精度0ms～200ms(典型值)。

4）可独立配置的10/100Mbps自适应网络接口6路。

2.3 设备显示控制部分

1）通过WEB方式进行参数设置。

2）液晶显示屏。

3）电源指示灯。

4）GPS工作状态。

5）年（4位）/月（2位）/日（2位）/时（2位）/分（2位）/秒（2位）UTC时间。

6）经度（度/分/秒）、纬度（度/分/秒）、高度（米）。

7）系统设置按钮。

8）各路网络接口设置按钮。

2.4 设备接口

六路可独立设置IP地址的RJ45接口，如图1 所示。

图1 设备外观图Fig.1 Equipment appearance fi gure

3 GPS时钟同步系统的具体搭建

本次搭建同步时钟的控制系统包括1套DCS系统和4套TRICON SIS系统。DCS系统用于本厂二化合成、尿素装置的过程控制，其中包括PID控制以及顺序控制等。

1套TRICON SIS系统用于合成装置的联锁保护及2台小冰机和1台事故冰机的控制，它与DCS系统之间通过RS485实现通讯。

1套TRICON SIS系统用于合成装置的4大机组的调速、防喘振、状态检测及联锁保护控制，与DCS没有通讯，需共享和交换的数据通过硬接线实现。

1套TRICON SIS系统用于合成装置的燃气轮机的调速、导叶控制、状态检测及联锁保护控制，与DCS没有通讯，需共享和交换的数据通过硬接线实现。

1套TRICON SIS系统用于尿素装置的CO2压缩机及4台高速离心泵的调速、防喘振、状态检测及联锁保护控制，与DCS没有通讯，需共享和交换的数据通过硬接线实现。

原来5套系统间没有进行时钟同步，定期手动校时，本次引进GPS时钟源目的是实现系统间的时钟同步。

3.1 NANO-200GPS主时钟的搭建和显示说明

主时钟的搭建主要分为两个步骤：

1）NANO-200GPS服务器的外设连接。

在户外设置GPS天线于信号良好无干扰的位置。

正确连接设备的电源、网线、GPS天线延伸线。

打开电源显示“WAITING FOR GPS SIGNAL”表明连接正确，设备正在捕获GPS卫星信号。

2）服务器与授时计算机的通讯搭建[2]：

按下设备面板上“SETUP”按钮，SETUP按钮的红色指示灯亮后，选择要设定的网络接口，对设备IP地址进行设置（仅在第一次使用时或对IP地址进行修改时才需要设置，运行时保证“SETUP”按钮处于弹起状态）。

3）记录下当前显示的设备IP地址、子网掩码、网关信息。

连接一台PC与设备到同网段，保证PC的IP地址与子网掩码与设备在同一网段，然后就可以进行PC的设置了。在IE浏览器中输入设备IP出现窗口界面。

4）在出现的设置界面中输入需要设置的IP地址、子网掩码、网关等信息后，点击“SUBMIT”（IP地址要保证控制系统与校时系统在一个网段上）。

5）在PC上安装授时SNTP客户端软件（校时系统自带）。

3.2 SNTP2.4NTP 客户服务端软件配置及使用说明[2]

3.2.1 主界面

界面包括几个功能菜单：

1）测时：测量服务器与本机时间偏差，不会更改计算机时钟。

2）校准：使用点击测时菜单或按钮测量得出服务器与本机时间的偏差值更改本机时间。

3）设置：打开设置栏，如图2 所示。

图2 主界面图Fig.2 Main interface fi gure

3.2.2 设置栏打开后的主界面

1）服务器1IP：NTP服务器1的IP地址。

2）服务器2IP：NTP服务器2的IP地址；在服务器1无法连接时，自动切换到服务器2，反之亦然。

3）本机端口：本机所使用的UDP端口，用户可以自行调整。

4）监测机IP：运行SNTPD软件的计算机IP地址。

5）时差限制：在定时校时功能开启后，当服务器与本机自动检测出的时差大于设定值后，不允许自动调整计算机时间，以防止自动模式下时间被错误的改动。

6）校时数据保存：保存测量和校时的数据到相应的文件下。

3.3 DCS系统的GPS时钟同步

本厂DCS系统选用的是横河公司的CS3000系统。该系统由控制站、操作站、工程师站及辅助机柜组成，实现时钟同步需在工程师站安装SNTP客户端软件，安装完成后按照前面3.2配置说明配置好后运行软件即可，系统运行时要保证该软件一直在运行，时钟同步的应用对DCS系统的趋势和历史信息有一点的影响，如果处理不当就可能造成数据丢失，严重时可能造成事故。本厂的应用考虑到这个问题，对时钟同步的时间间隔做了设置，每5min对时一次，这样每次时间按调整值都是ms级，而DCS扫描周期都在1s左右，所以时间调整对系统趋势及历史信息没有影响，而且本厂还设置了当时差超过500ms是不执行时间调整，系统依据内部时钟继续运行，确保在时钟源出现问题时，系统工作正常。需要指出的是由于CS3000系统对IP地址有要求，末位地址必须是128以上，如192.168.131.129到192.168.131.192之间，GPS时钟源地址只需要在同一网段，与控制系统地址不冲突即可，但在实际应用中发现，地址设到128以下时，SNTP客户端软件虽然在工作，但实际DCS时钟并没有被修改，后来将地址设到128以上（本厂设的是254），时钟同步工作正常，对此咨询了横河厂家以及GPS时钟源厂家，都没有一个合理的解释。

3.4 TRICON系统的GPS时钟同步[3]

3.4.1 TRICON V10系统与GPS时钟的同步

TRICON V1O系统通讯卡是TCM卡，可以直接与外部时钟源进行时钟同步，无需安装SNTP客户端软件，只需将时钟源接入本系统交换机即可，如图3所示。从这里可以看出，TRICON V10系统与GPS时钟源是实时进行同步，时钟偏差可以忽略不计，对系统的趋势及历史记录不存在影响，只是会占用一点系统的扫描周期。具体设置如下：

1）打开station 1131软件，进入需要同步的项目，打开后进入Configuration硬件组态。

2）选择1#机架双击TCM卡。打开属性窗口，在窗口中点击SETUP打开设置窗口。

3）在设置窗口中点击TIME SYNC 选项卡，确认选择left slot，在侧边窗中选择SNTP，网络选择NET。IP地址输入GPS 主时钟IP确认退出。

4）保存设置，进入controller panel。联机，编译无误后即可下装。

5）下装后进入controller panelUTILITYSystime修改时间，观察是否会自动校时，确认配置效果。

3.4.2 TRICON V8、V9系统与GPS时钟的同步

这里讨论的是系统中存在V10系统时的配置过程，即以V10系统作为主站情况来说明，由于V8、V9系统所使用的通讯卡NCM卡无法与GPS时钟直接通讯所以采用以下方式：

1）几套系统是通过P to P方式进行通讯的，其中以V10为主站、其他站为从站V8、V9系统通过1台带有BNC的HUB与V10相连。几套系统要配置在一个网段内，V10系统设置为NODE1，其余几套系统依次设置为NODE2NODE3等；由于V8、V9系统的通讯卡NCM卡是BNC接口，所以需用BNC同轴电缆将几套V8、V9系统通过NCM卡的NET1口串联起来，接入HUB的BNC口，T型头终端用50Ω终端电阻封堵；V10系统系统的通讯卡TCM卡是RJ45接口，所以需用网线将V10系统接入HUB的RJ45口。

2）在V8、V9站上打开station 1131软件，打开后进入Configuration硬件组态。打开NCM卡，在ON Net选项卡中勾选enable time synchan with tricon main，如图4所示。

3）在V10站上打开station 1131软件，打开后进入Configuration硬件组态。打开TCM卡，在Peer to peer选项卡中勾选enable commoncation with TRICON V9/V8 Peer to Peer system，如图5所示。

3.5 计算机时钟与GPS时钟的同步

控制系统与GPS时钟同步后，在有些控制系统中，操作站时钟并不随系统时钟同步，造成操作站与机架时钟不同步，容易造成一些误解，所以需对操作站时钟与系统时钟同步，一般做法是在上位程序中编写脚本文件，定期进行同步。由于各个厂家软件脚本文件不尽相同，在此不做赘述。现在有了GPS时钟源后，可以将上位计算机直接与GPS时钟源同步，具体做法如下。

3.5.1 PC机WinXP的配置过程

1）在开始菜单中的运行里，输入gpedit.msc运行，如图6所示。

2）在弹出的窗口中打开管理面板，单击系统---windows时间服务---时间提供程序---配置windowsNTP客户端，如图7所示。

3）在弹出的窗口中在NTP server输入GPS时钟源的IP（注意后缀0x1要保留）类型选择为NTP，在Speciol pollintrval中设置同步周期，如图8所示。

以上配置需要先完成GPS时钟客户端的安装并保证其功能正常。

3.5.2 PC机Windows其他版本的配置过程

各个版本的windows的配置方式基本相同，都是在windows时间服务中进行配置的。相关进入方法不在此处赘述，须指出的是windows2000以下版本不支持此项功能[4]。

4 结束语

本系统投入使用后运行稳定，各系统间时钟误差都在ms级，应用非常成功。GPS时钟同步的应用对于化工企业，当然还有一些其他高危行业的自动控制及联锁保护系统而言具有重要意义，是控制系统特别是多套控制系统配合工作的可靠保证。所以，GPS时钟同步应用的推广也具有重要意义。

[1]佚名.NANO-200GPS主时钟用户手册[Z].西安纳诺电子科技有限公司.

[2]佚名.中国石油乌鲁木齐石化公司二合成隐患治理系统竣工资料[Z].北京康吉森自动化设备技术有限公司.

[3]张晓飞.GPS同步时钟技术在电力系统中的应用分析[J].广西电业,2009(4).

[4]姬志民,宋博,任焕龙,等.GPS时钟同步系统在电厂变电站中的应用[J].河北电力技术,2011(6).