二进制加权在DCS系统校时机制中的应用

孙景乐 冯勋亮

摘要：文章主要针对分散控制系统中的校时机制，利用二进制思想对控制器的多个故障状态指标项进行权重分配，采用该权重分配方案的计算结果可以保证筛选出状态最好的控制器作为校时基准，并避免不必要地切换校时控制器，保证校时系统的稳定运行。

关键词：DCS;校时;控制器;二进制;加权

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）14-0092-02

1 前言

在分散控制系统（Distributed Control System，DCS）中，为了保证信号采集的时序性，每个环节都需要进行校时。控制器是DCS中最重要的组成部分，一般来说，数据的时间戳都由控制器负责标记，时间戳的准确性决定了数据时序可信度的重要保障，所以一种可靠的控制器校时机制是证DCS数据时序的根本保障[1]。

在正常情况下，系统都会跟GPS时钟源进行校时。但是为了提高系统的可靠性，会设计一种退防机制[2]，确保所有控制器在时钟源信号故障时仍然能保证时间一致性。本文主要讲述一种基于二进制权重分配的故障状态加权校时退防机制。

2 DCS系统的基本结构介绍

为了更好地讲述控制器校时退防机制，先介绍一下DCS的结构以及控制器在DCS中的位置。如图 1所示，为了提高DCS的可靠性，一般都采用冗余设计，即双机双网。双机指两个控制器互为备份，其中一个发生故障时，另一个仍然能保证系统的正常运行，一个为主，另一个备用。双网指每个节点设备都有两个网卡，分别连接到两个物理隔离的网络中，分为A网和B网。控制器通过时钟源IRIG-B 码（为后面叙述方便统称为B码）[3]进行校时，数据服务器和HMI通过NTP协议与时钟源校时。

3 控制器校时机制

3.1 术语约定

校时控制器：DCS系统中有很多組控制器，会选举一组控制器来承担为其他控制器组提供校时服务，被选中的控制器组称之为校时控制器。

3.1 控制器校时机制

1） 时钟源正常时，所有控制器都与时钟源校时;

2） 所有控制器都与数据服务器进行通信，并报告自己的故障状态，数据服务收集所有控制器的故障状态;

3） 数据服务器对所有控制器进行综合故障状态评价，根据评价结果选择一个状态最好的控制器作为校时控制器，即该控制器为其他所有控制器提供校时服务;

4） 当发生单个或部分控制器自身的B码信号故障。故障控制器跟校时控制器进行校时。不采用直接跟数据服务器进行校时的原因有两个：B码校时精度高于NTP方式的校时精度。所以，只要校时控制器的B码正常，则优先跟校时控制器进行校时;当数据服务故障时，控制器之间仍然可保持时间同步;

5） 当发生GPS时钟源故障时，所有B码信号都失效，此种情况下，其他控制器仍然与校时控制器进行校时，而校时控制器与数据服务器进行校时。这样可确保控制器之间以及控制器与数据服务器之间都可以保持时间同步;

6） 上述控制器校时机制在实施时需要解决一个问题，如何评价控制器的综合故障状态，确保选举的校时控制器状态不差于其他所有控制器。本文提出了一种基于二进制加权的故障状态加权的综合评价方法。

3.2 基于二进制加权的综合故障状态评价方法

3.2.1 控制器故障指标项及权重

首先，需要明确控制器跟校时相关的故障指标项有：时钟源故障、单网络故障和双网络故障，如表 1所示，其中，单网故障是指控制器的A网或B网故障，双网故障是指控制器的A网和B网都故障。因为一个控制器组包含主控制器和备控制器，所以总共有6个健康指标项。

控制器综合故障状态值的计算方法是将所有故障指标相对应的故障权重值累加。故障指标项的权重一般都采用平均权重分配策略。但实际上，每个指标的重要程度是不一样的，无故障时，主控制器执行所有业务，备控制器不响应所有请求，所以主控制器的重要程度高于备控制器。控制器发生双网故障时，即使B码时钟源正常，也无法与其他控制器进行通信，所以双网故障的重要程度高于B码故障。

如果平均分配权重值，则会出现发生选择的校时控制器不是状态最好的。如表1所示，每个指标项的权重都是1，0表示正常，1表示故障。

表1中所示的两组控制故障状态，如果按照平均权重进行评价，则1#的综合故障状态值更小，选择结果是1#控制器。但实际情况是1#控制器的B码信号故障，自身的时间都不能保证准确，所以1#控制器不能作为校时控制器。

针对该问题，需要对每个指标设置不同的权重。二进制加权法在电气[3]和目标跟踪[4]等多个领域有着较为广泛的应用。本文将二进制加权的思想应用于控制器故障状态评价，解决了上述问题，取得了较好的评价效果。基本思路为：按照指标项的重要程度从左向右排序，重要的高位，每一项对应二进制中的一位。该位所代表的十进制数值就是其对应的权重值。该种权重值分配策略的优点是，越重要的指标项的在二进制中的位越高，且其影响力可以超过右侧所有指标项的影响力之和。每个指标项的故障权重值如表2所示。

控制器最大故障状态值总和为63，表示每个健康指标项都处于故障状态;最小故障状态值为0，表示无故障状态。综合故障值越小表示控制器状态越好，越大表示控制器状态越差。按照表2中的权重值再来对表1所示的两组控制器进行评价，1#控制器的综合故障状态值为16，2#控制器的综合故障状态值为15，选择结果为2#控制器，与实际相符。

3.2.2 控制器具备提供校时能力的最大故障状态值

控制器能对外提供校时的必要条件是主控制器的B码正常，主控制器单网故障，备用机都故障，如表3所示。

累加表3中的所有故障状态权重值之和等于15，即该状态下，时钟源正常，且单个网络正常，校时控制器仍能提供准确的校时服务。如果再增加“双网故障”和“B码故障”中的任何一个，该控制器都不具备为其他控制器提供准确校时的能力。对于“B码故障”，此时该控制器自身的时间是不可靠的，而其他B码正常的控制器的时间是比该控制器的时间更可信。对于“双网故障”，此时该控制器已经无法与其他控制器通信，失去提供校时的能力。

3.2.3 校时控制器的选择策略

基于上述控制器状态评价方法，指定如下校时控制器选择策略。

1）选择故障状态值最小的控制器组;

2）如果故障状态值相等，则选择IP最小的;

3）为了避免校时控制器频繁更换，当前校时控制器的故障状态值不大于15时，即便其他控制器的综合故障状态值（小于15）好于该控制器，仍保持当前校时控制器不变，继续提供校时服务;

4）当校时控制器发生变化时，则通过广播告知其他控制器组。

校时控制器选择示例，如表4所示，0表示指标项正常，1表示指标项故障时。

4 结論

本文提出了基于二进制的权重分配策略，应用于控制器的故障状态综合评价，可以有效地体现出各个指标项的重要程度，可正确选出最合适的控制器作为校时控制器，确保整个系统运行在最好的校时状态，确保整个控制系统的时间一致性。

参考文献：

[1] 吴纳磊，徐少雄，张春豪，等.一种实时动态跟踪的对时方法[J].农村电气化，2021（8）：34-36.

[2] 杜慧.核电非安全级DCS校时系统设计方案和故障处理方法[J].工业控制计算机，2016，29（2）：22-23，25.

[3] 曲维越，张钊锋，梅年松.一种二进制缩放重组电容加权SAR ADC[J].微电子学与计算机，2020，37（6）：24-29.

[4] 孙晓艳，李建东，陈彦辉，等.二进制传感器网络加权目标跟踪算法研究[J].电子与信息学报，2010，32（9）：2052-2057.

收稿日期：2022-01-10

作者简介：孙景乐（1977—），男，北京人，工程师，博士，研究方向为信号与信息处理。