Ipari kommunikációs protokollok az olaj- és gáziparban: Modbus TCP és Foundation Fieldbus alkalmazása a Yokogawa CENTUM VP és Emerson DeltaV rendszerekkel
Protokollválasztási keretrendszer olaj- és gázipari alkalmazásokhoz
Az olaj- és gázipari létesítmények egyedi kommunikációs kihívásokat jelentenek. Egyetlen tengeri platform akár tizenöt különböző protokollt is használhat a biztonsági rendszerek, a folyamatvezérlés, a tűz- és gázérzékelés, valamint az eszközkezelés területén. A rossz protokoll kiválasztása integrációs késedelmeket okoz, amelyek napi 50 000 és 200 000 dollár közötti kiesést jelentenek a termelésben.
Először is, osztályozza az egyes alkalmazásokat kritikus szintjük szerint. A SIL-3 biztonsági funkciók olyan protokollokat igényelnek, amelyek tanúsított black-channel kommunikációt biztosítanak, mint például a PROFIsafe PROFINET-en keresztül. Másodszor, osztályozza az adatforgalom mennyisége alapján. Egy kompresszor állapotfigyelő rendszer, amely 500 címkét továbbít 100 ms ciklusidővel, EtherNet/IP vagy Modbus TCP protokollt igényel. Egy tartályszintmérő rendszer, amely tíz szintértéket frissít 5 másodpercenként, megbízhatóan működik Modbus RTU-n 9600 bps sebességgel RS-485-ön keresztül. Emellett vegye figyelembe a meglévő DCS telepítést. A Yokogawa CENTUM VP rendszer natívan kommunikál Vnet/IP-n, amely szabványos Ethernetet használ 1 Gbps sebességgel, és támogatja a Modbus TCP-t az ALR121 kommunikációs modulon keresztül. Az Emerson DeltaV rendszer redundáns Ethernetet használ Modbus TCP-vel a VIM (Virtual I/O Module) interfészen keresztül, valamint Foundation Fieldbus H1-et a terepi műszerekhez a DeltaV H1 kártyán keresztül.
1. lépés: Térképezze fel minden adatpont szükséges frissítési sebességét. Kritikus vezérlőhurkok: 100–250 ms. Operátori kijelzők: 1–2 másodperc. Eszközkezelés: 5–30 másodperc.
2. lépés: Rendelje hozzá a protokollokat a frissítési sebesség képessége alapján. A PROFINET RT és az EtherNet/IP 1–10 ms-et kezel. A Modbus TCP 50–500 ms-et. A Foundation Fieldbus H1 31,25 kbps sebességgel 250 ms–1 másodperc eszközönként.
3. lépés: Tervezze meg a hálózati szegmentálást. Tartsa a biztonsági forgalmat fizikailag elkülönített VLAN-okon. Használjon menedzselt switcheket QoS-sel, hogy a valós idejű protokollokat előnyben részesítse a diagnosztikai forgalommal szemben.
Modbus TCP integráció a Yokogawa CENTUM VP-n
A Yokogawa CENTUM VP DCS megbízható Modbus TCP kapcsolódást kínál az ALR121 kommunikációs modulon keresztül. Minden ALR121 akár 32 Modbus TCP klienskapcsolatot támogat, összesen 2000 regiszter/másodperc átbocsátással.
Először konfigurálja az ALR121 IP-címét a CENTUM VP rendszer nézetében. A modul fix IP-címet használ a Vnet/IP vezérlőhálózati oldalon, és konfigurálható IP-címet a terepi hálózati oldalon. Állítsa be a terepi hálózati IP-t ugyanabban az alhálózatban, mint a Modbus TCP szerver eszközök. Másodszor, definiálja a Modbus kommunikációs definíciós fájlt a CENTUM VP mérnöki állomáson. Ez az XML-alapú fájl a Modbus regisztercímeket a CENTUM VP funkcióblokk adatpontjaihoz rendeli. A regisztertérkép a szabványos Modbus adatmodell szerint alakul:
- Tekercscímek: 00001–09999
- Diszkrét bemenetek: 10001–19999
- Bemeneti regiszterek: 30001–39999
- Tartó regiszterek: 40001–49999
Ugyanakkor sok harmadik féltől származó eszköz belsőleg nulláról induló címezést használ. Az ALR121 automatikusan kezeli az eltolás konverzióját, ha a COM_ADDR_BASE paramétert "0"-ra állítja az alapértelmezett "1" helyett.
Ezért mindig tesztelje a regisztertérképet egy Modbus klienseszközzel, például a Modbus Poll-lal a beüzemelés előtt. Írjon ismert értéket a 40001-es tartó regiszterbe, és ellenőrizze, hogy az megjelenik-e a megfelelő CENTUM VP PIO adatpontban. Gyakori probléma a bájtsorrend. Az ALR121 alapértelmezettként nagy-endian szórendű szavakat használ. A Yokogawa ezt "Motorola formátumnak" nevezi. Ha a Modbus szerver kis-endian, állítsa a COM_BYTE_ORDER paramétert "Intel"-re. A helytelen bájtsorrend a 32 bites lebegőpontos értékek magas és alacsony szavainak felcserélődését okozza, ami értelmetlen olvasatokat eredményez az operátori kijelzőn.
Foundation Fieldbus H1 szegmens tervezése Emerson DeltaV-hez
A Foundation Fieldbus H1 31,25 kbps sebességgel működik csavart érpáron, busz tápellátással. Minden H1 szegmens legfeljebb 16 eszközt támogat, de a gyakorlatban 8–12 eszközre korlátozzák a feszültségesés miatt. Egy szabványos FF H1 tápegység 24VDC-t ad 500 mA-rel. Minden FF eszköz 10–25 mA-t fogyaszt. Egy szegmens nyolc Emerson Rosemount 3051S adóból körülbelül 160 mA-t vesz fel, ami bőven a tápegység kapacitása alatt van.
Először számítsa ki a szegmens feszültségkeretét. Az FF specifikáció legalább 9VDC-t követel meg az eszköz termináljainál. Induljon ki a tápegység 24VDC kimenetéből. Vonja le a kábel feszültségesését, amelyet V = I × R képlettel számítunk, ahol R a kábel körellenállása. Egy 1 km hosszú AWG 18 kábel esetén, amely 12,8 ohm/1000 láb ellenállású, a körellenállás kb. 42 ohm. 160 mA szegmensáramnál a feszültségesés 6,7V. Az utolsó eszköz feszültsége 17,3V, ami kényelmesen meghaladja a 9V minimumot.
Ezenkívül az FF H1 Manchester-kódolt busz tápellátást használ, amely egyesíti a DC tápot és a digitális kommunikációt ugyanazon az érpáron. Ez egyszerűsíti a kábelezést, de zajkapcsolódási pontot is létrehoz. Bármilyen 50 Hz vagy 60 Hz indukció a közeli motoros kábelekből közvetlenül befolyásolja az FF jelet. Használjon FF-specifikus árnyékolt csavart érpárt, például Belden 3076F-et. Tartson legalább 300 mm távolságot az AC tápkábelektől. 10 méternél hosszabb párhuzamos futás esetén növelje a távolságot 600 mm-re.
Végül üzemeltesse be minden FF szegmenst az Emerson AMS Device Managerrel. Futtassa a szegmensdiagnosztikai eszközt az átlagos zaj, csúcszaj és jel szint mérésére minden eszköznél. Az 500 mV csúcs-csúcs alatti jel szint kábelezési hibára, víz bejutására a csatlakozó dobozba vagy hibás eszköz elektronikai modulra utal.
Következtetés és javaslatok
A protokollválasztás az olaj- és gázipari automatizálásban rendszermérnöki döntés, amely közvetlen hatással van a projekt költségeire és az üzemeltetési megbízhatóságra. Illessze a protokollt az alkalmazás kritikus szintjéhez és az adatátviteli sebesség követelményéhez. Ellenőrizze a bájtsorrend beállításokat minden Modbus TCP kapcsolaton a Yokogawa CENTUM VP és harmadik féltől származó eszközök között. Tervezze meg a Foundation Fieldbus H1 szegmenseket feszültségkeret számítások alapján, ne csak eszközszám szabályok szerint. Minden szegmenst üzemeltesse be busz analizátorral, mielőtt csatlakoztatná a DeltaV H1 kártyához. A protokollok érettek és beváltak. Az integrációs hibák, amelyek leállítják a termelést, teljes mértékben megelőzhetők fegyelmezett beüzemeléssel.
Szerző: Wang Jinhua, ipari automatizálási mérnök, több mint 10 éves tapasztalattal PLC, DCS és vezérlőrendszerek területén.
