Индустриални комуникационни протоколи в нефтената и газовата индустрия: внедряване на Modbus TCP и Foundation Fieldbus с Yokogawa CENTUM VP и Emerson DeltaV
Рамка за избор на протокол за приложения в нефтената и газовата индустрия
Нефтените и газовите съоръжения представляват уникални комуникационни предизвикателства. Една офшорна платформа може да използва петнадесет различни протокола за системи за безопасност, управление на процеси, откриване на пожар и газ, както и управление на активи. Изборът на грешен протокол води до забавяния в интеграцията, които струват от 50 000 до 200 000 долара на ден заради отложено производство.
Първо, класифицирайте всяко приложение според нивото на критичност. SIL-3 функции за безопасност изискват протоколи с сертифицирана комуникация с черен канал, като PROFIsafe върху PROFINET. Второ, класифицирайте според обема на данните. Система за мониторинг на здравето на компресор, която предава 500 тагове на цикли от 100 ms, изисква EtherNet/IP или Modbus TCP. Система за измерване на нивото в резервоар с десет стойности, обновяващи се на всеки 5 секунди, работи надеждно с Modbus RTU при 9600 bps през RS-485. Освен това, вземете предвид инсталираната база на вашата DCS. Системата Yokogawa CENTUM VP комуникира нативно на Vnet/IP, който използва стандартен Ethernet с 1 Gbps и поддържа Modbus TCP чрез комуникационния модул ALR121. Системата Emerson DeltaV използва излишен Ethernet с Modbus TCP чрез интерфейса VIM (Virtual I/O Module) и Foundation Fieldbus H1 за полеви инструменти чрез картата DeltaV H1.
Стъпка 1: Картографирайте всяка точка на данни според необходимата скорост на обновяване. Критични контролни цикли: 100–250 ms. Оперативни дисплеи: 1–2 секунди. Управление на активи: 5–30 секунди.
Стъпка 2: Назначете протоколи според възможностите за скорост на обновяване. PROFINET RT и EtherNet/IP поддържат 1–10 ms. Modbus TCP поддържа 50–500 ms. Foundation Fieldbus H1 при 31.25 kbps поддържа 250 ms–1 секунда на устройство.
Стъпка 3: Проектирайте сегментация на мрежата. Дръжте трафика, свързан с безопасността, на физически отделни VLAN-и. Използвайте управлявани суичове с QoS, за да приоритизирате протоколите в реално време пред диагностичния трафик.
Интеграция на Modbus TCP в Yokogawa CENTUM VP
DCS системата Yokogawa CENTUM VP предлага стабилна Modbus TCP свързаност чрез комуникационния модул ALR121. Всеки ALR121 поддържа до 32 Modbus TCP клиентски връзки с общ капацитет от 2000 регистъра в секунда.
Първо, конфигурирайте IP адреса на ALR121 в системния изглед на CENTUM VP. Модулът използва фиксиран IP адрес в контролната мрежа Vnet/IP и конфигурируем IP адрес в полевата мрежа. Задайте IP адреса на полевата мрежа в същата подсистема като устройствата Modbus TCP сървъри. Второ, дефинирайте файла за комуникация Modbus чрез инженерната станция на CENTUM VP. Този XML-базиран файл картографира адресите на Modbus регистрите към данните на функционалните блокове в CENTUM VP. Картографирането на регистрите следва стандартния Modbus модел на данни:
- Адреси на бобини: 00001–09999
- Дискретни входове: 10001–19999
- Входни регистри: 30001–39999
- Регистри за задържане: 40001–49999
Въпреки това, много устройства на трети страни използват адресиране, започващо от нула. ALR121 автоматично обработва преобразуването на офсета, когато зададете параметъра COM_ADDR_BASE на "0" вместо по подразбиране "1".
Затова винаги тествайте картографирането на регистрите с Modbus клиентски инструмент като Modbus Poll преди пускане в експлоатация. Запишете известна стойност в регистър за задържане 40001 и проверете дали се появява в правилния PIO елемент на CENTUM VP. Често срещан проблем е редът на байтовете. ALR121 по подразбиране използва голямо-ендийно подреждане на думите. Yokogawa нарича това "Motorola формат". Ако Modbus сървърът използва малко-ендийно подреждане, задайте параметъра COM_BYTE_ORDER на "Intel". Неправилният ред на байтовете разменя високите и ниските думи на 32-битови плаващи стойности, което води до несмислени показания на дисплея на оператора.
Проектиране на сегмент Foundation Fieldbus H1 за Emerson DeltaV
Foundation Fieldbus H1 работи при 31.25 kbps по усукана двойка кабел с захранване по шината. Всеки H1 сегмент поддържа до 16 устройства, но практическите проекти ограничават до 8–12 устройства на сегмент заради марж на спад на напрежението. Стандартен FF H1 захранващ кондиционер доставя 24VDC при 500 mA. Всяко FF устройство консумира 10–25 mA. Сегмент с осем предавателя Emerson Rosemount 3051S консумира приблизително 160 mA, което е добре в рамките на капацитета на кондиционера.
Първо, изчислете напрежителния бюджет на сегмента. Спецификацията на FF изисква минимум 9VDC на клемите на устройството. Започнете от изхода на захранващия кондиционер с 24VDC. Извадете спад на напрежението в кабела, изчислен като V = I × R, където R е съпротивлението на кабелната верига. За 1 км кабел AWG 18 с 12.8 ома на 1000 фута, съпротивлението на веригата е приблизително 42 ома. При ток на сегмента 160 mA спадът на напрежението е 6.7V. Напрежението на последното устройство е 17.3V, което удобно надвишава минималните 9V.
Освен това, FF H1 използва Манчестър кодирано захранване по шината, което комбинира DC захранване и цифрова комуникация по една и съща двойка. Този дизайн опростява окабеляването, но създава точка на свързване за шум. Всеки 50 Hz или 60 Hz индуктивен шум от съседни моторни кабели се свързва директно към FF сигнала. Използвайте FF-специфичен екраниран усукан кабел като Belden 3076F. Поддържайте поне 300 мм разстояние от AC захранващи кабели. При паралелни трасета над 10 метра увеличете разстоянието до 600 мм.
Накрая, пуснете в експлоатация всеки FF сегмент с Emerson AMS Device Manager. Стартирайте диагностичния инструмент на сегмента, за да измерите средния шум, пиковия шум и нивото на сигнала за всяко устройство. Ниво на сигнала под 500 mV пик-пик показва проблем с окабеляването, проникване на вода в разклонителна кутия или неизправен електронен модул на устройството.
Заключение и препоръки за действие
Изборът на протокол в автоматизацията на нефтената и газовата индустрия е инженерно решение с пряк ефект върху разходите по проекта и оперативната надеждност. Съобразявайте протокола с критичността на приложението и изискванията за скорост на данните. Проверявайте конфигурациите на реда на байтовете на всяка Modbus TCP връзка между Yokogawa CENTUM VP и устройства на трети страни. Проектирайте сегментите Foundation Fieldbus H1 с изчисления на напрежителния бюджет, а не по брой устройства по правило. Пускайте всеки сегмент с анализатор на шината преди свързване към картата DeltaV H1. Протоколите са зрели и доказани. Грешките при интеграция, които спират производството, са напълно предотвратими с дисциплинирана пускова експлоатация.
Автор: Ванг Джинхуа е инженер по индустриална автоматизация с над 10 години опит в PLC, DCS и системи за управление.
