DCS时间同步系统退防策略与分析

张颖颖 余冠华 郭欧杰

摘要：时间统一是分布式控制系统（DCS）中至关重要的部分。在DCS系统的长时间运行中，可能会发生GPS时钟源的网线光口组件老化、B码线连接掉落或者接触不良、GPS时钟源硬件故障等等故障类型。本文提出了DCS时间同步系统退防策略，在出现故障的情况下，仍保证系统中在线设备的时间一致性。

关键词：DCS；时钟源；退防；故障量化；基准控制器

中图分类号：TP301 文献标识码：A

文章编号：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

時间统一是分布式控制系统（DCS）中至关重要的部分。日志数据、历史库数据和报警数据都是按照时间序列存储或显示的监控数据。如果系统内各个设备的时间不统一，将直接影响监控数据的历史追溯和事故分析。

基于GPS时钟源，实现自动化系统和设备的时间统一已经得到了重视和广泛应用。吴建福介绍了GPS时间同步系统中设备安装接线、设备调试方法和维护注意事项[1]。张九宾等介绍了无线分布式测试系统的时间主控模块的设计[2]。葛雅川等实现了对时标志和误差的在线监测[3]。目前，对于GPS时钟源故障后的时间同步系统退防策略，研究报道较少。杨鹏燕等介绍了一种层级的GPS时间同步系统，如果某层的被授时设备与时钟源通信全部断开，该层以下的对时设备容易形成时间孤岛，与上层时间不一致[4]。本文介绍了一种更为完备的DCS时间同步系统的退防策略，在GPS时钟源故障或者某台对时设备与时钟源连接故障的情况下，仍能保持时间的一致性。

1 DCS时间同步系统简介

DCS时间同步系统的网络拓扑图如图1所示。GPS时钟源接收卫星时间信号，为DCS系统提供高精度的时间同步基准。GPS时钟源通过以太网接口与操纵员站、工程师站、历史服务器、通信服务器等二层设备进行对时，通过光纤传输B码信号与控制器进行对时，使得系统内被授时设备的本地时间均和GPS时钟源时间保持一致。B 码信号是每秒一帧的时间串码，它将时间同步信号和秒、分、时、天等时间码信息加载到频率为1 kHz 的信号载体中，不再需要GPS时钟源输出大量脉冲接点信号，B 码对时在自动化控制系统中得到了广泛应用[5]。

2 退防策略与分析

在DCS系统的长时间运行中，可能会发生各种故障，例如：GPS时钟源的网线光口组件老化、B码线连接掉落或者接触不良、GPS时钟源硬件故障等等。

在正常运行情况下，时间同步系统中各个设备均和GPS时钟源进行通信。若二层网络中，某台设备与GPS时钟源无法再进行通信，该设备的时钟源退防为通信服务器，即该设备从通信服务器获取当前时间，通讯服务器可以和GPS时钟源对时，间接实现继续和GPS时钟源对时。若二层设备与二层网络连接全断开，该设备被判定为离线，离线设备无法与通信服务器和GPS时钟源进行对时，在该设备与二层网络恢复连接时，继续与GPS时钟源对时。若一层网络中，某控制器与GPS时钟源连接断开，该控制器的时钟源退防为基准控制器，基准控制器是从所有控制器中选举出的最优控制器，该基准控制器与通信服务器进行对时，通信服务器和GPS时钟源对时。若控制器与GPS时钟源连接恢复，则继续与GPS时钟源进行对时。

基准控制器的选举策略为：选举控制器中故障最少的且ip地址最小的为基准控制器。

第i台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]为主控制器与GPS时钟源的连接故障状态，故障为1，正常为0；

[BMA]为主控制器与一层网络A网的连接故障状态，故障为1，正常为0；

[BMB]为主控制器与一层网络B网的连接故障状态，故障为1，正常为0；

[BSGPS]为备控制器与GPS时钟源的连接故障状态，故障为1，正常为0；

[BSA]为备控制器与一层网络A网的连接故障状态，故障为1，正常为0；

[BSB]为备控制器与一层网络A网的连接故障状态，故障为1，正常为0。

所有控制器中，如果有多个故障量化值F最小的控制器，其中ip地址最小的即为基准控制器。

基于单一故障原则和上述时钟源退防策略，当出现某种故障后，对时设备的时钟源选择以及时间一致情况，见下表。

3 实际应用

本文所提时钟源退防策略已经应用到了NicSys2000 DCS系统中，在表1所列的故障类型的测试中，均可保持系统在线设备的时间一致性。在与GPS时钟源对时的情况下，时间误差小于5毫秒，在与通信服务器对时的情况下，时间误差小于50毫秒。

4 结束语

考虑DCS系统在长时间运行中可能出现的故障，提出了时间同步系统的退防策略，分析了各种故障类型下了时间同步系统的运行影响。时间同步系统的退防策略可以提高DCS系统的抗风险程度和安全性能，为全厂自动化设备的安全生产提供强有力的技术保障

参考文献：

[1] 吴建福.GPS同步系统在电厂的改造应用[J].华中电力，2009，22（137）， 06：85-87.

[2] 张九宾，张丕状，杜坤坤. 无线分布式测试系统时间统一技术的研究 [J]. 核电子学与探测技术， 2010，30（173）， 03 84-88.

[3] 葛雅川，董贝，韩春江，徐頔飞. 数字化变电站对时状态在线监测的解决方案 [J]. 电力系统通信， 2012，33（236）， 06：50-53.

[4] 杨鹏燕，王华强，彭洪斌. GPS 时间同步在工厂自动化系统中的应用.工业仪表与自动化装置[J].2018，2：109-112.

[5] 周斌，黄国方，王耀鑫，张何.在变电站智能设备中实现B码对时[J].电力自动化设备，2005，09：90-92.

【通联编辑：梁书】