Мұнай және газ саласындағы өнеркәсіптік коммуникация протоколдары: Yokogawa CENTUM VP және Emerson DeltaV жүйелерімен Modbus TCP және Foundation Fieldbus енгізу
Мұнай және газ қосымшаларына арналған протокол таңдау негізі
Мұнай және газ нысандары ерекше байланыс қиындықтарын тудырады. Бір оффшорлық платформада қауіпсіздік жүйелері, процесс бақылау, өрт пен газды анықтау және активтерді басқару бойынша он бес түрлі протокол жұмыс істейді. Қате протоколды таңдау интеграцияның кешігуіне әкеліп, өндірістің кешігуі күніне 50 000-нан 200 000 долларға дейін шығын әкеледі.
Біріншіден, әр қосымшаны оның маңызды деңгейі бойынша жіктеңіз. SIL-3 қауіпсіздік функциялары PROFINET арқылы PROFIsafe сияқты сертификатталған қара арналы байланыс протоколдарын талап етеді. Екіншіден, деректер көлемі бойынша жіктеңіз. 100 мс циклмен 500 тегті ағытатын компрессордың денсаулығын бақылау жүйесі EtherNet/IP немесе Modbus TCP қажет етеді. Әр 5 секунд сайын он деңгей мәнін жаңартатын резервуарды өлшеу жүйесі RS-485 арқылы 9600 бпс жылдамдықтағы Modbus RTU-да сенімді жұмыс істейді. Сонымен қатар, DCS орнатылған базаны ескеріңіз. Yokogawa CENTUM VP жүйесі Vnet/IP-де тікелей байланысады, ол 1 Гбит/с стандартты Ethernet қолданады және ALR121 байланыс модулі арқылы Modbus TCP-ны қолдайды. Emerson DeltaV жүйесі VIM (Virtual I/O Module) интерфейсі арқылы Modbus TCP-мен қайталанатын Ethernet қолданады және DeltaV H1 картасы арқылы Foundation Fieldbus H1-ді өріс аспаптары үшін пайдаланады.
1-қадам: Әрбір деректер нүктесін қажетті жаңарту жылдамдығына сәйкестендіріңіз. Маңызды басқару циклдары: 100–250 мс. Оператор дисплейлері: 1–2 секунд. Активтерді басқару: 5–30 секунд.
2-қадам: Жаңарту жылдамдығы мүмкіндігіне қарай протоколдарды тағайындаңыз. PROFINET RT және EtherNet/IP 1–10 мс-ті өңдейді. Modbus TCP 50–500 мс-ті қолдайды. Foundation Fieldbus H1 31,25 кбпс жылдамдықта құрылғыға 250 мс–1 секунд аралығында қызмет етеді.
3-қадам: Желіні сегменттеу жобасын жасаңыз. Қауіпсіздікке қатысты трафикті физикалық бөлек VLAN-дарда ұстаңыз. Басқарылатын свитчтерді QoS-пен пайдаланып, нақты уақыттағы протоколдарды диагностикалық трафиктен жоғары басымдыққа қойыңыз.
Yokogawa CENTUM VP-де Modbus TCP интеграциясы
Yokogawa CENTUM VP DCS ALR121 байланыс модулі арқылы сенімді Modbus TCP байланысын ұсынады. Әр ALR121 32 Modbus TCP клиент байланысын және секундына 2000 регистр өткізу қабілетін қолдайды.
Біріншіден, CENTUM VP жүйесінің көрінісінде ALR121 IP мекенжайын баптаңыз. Модуль Vnet/IP басқару желісінде тұрақты IP мекенжайын, ал өріс желісінде конфигурацияланатын IP мекенжайын пайдаланады. Өріс желісінің IP мекенжайын Modbus TCP сервер құрылғыларының желісінде бір субжеліде орнатыңыз. Екіншіден, CENTUM VP инженерлік станциясында Modbus байланыс анықтамалық файлын анықтаңыз. Бұл XML негізіндегі файл Modbus регистр мекенжайларын CENTUM VP функция блогының деректер элементтеріне сәйкестендіреді. Регистр картасы стандартты Modbus деректер моделіне сәйкес:
- Катушкалар мекенжайы: 00001–09999
- Дискретті кірістер: 10001–19999
- Кіріс регистрлері: 30001–39999
- Устатушы регистрлері: 40001–49999
Дегенмен, көптеген үшінші тарап құрылғылары ішкі нөлдік негіздегі мекенжайлауды қолданады. ALR121 параметр COM_ADDR_BASE мәнін әдепкі "1" орнына "0" деп орнатқанда автоматты түрде ығысу түрлендіруін орындайды.
Сондықтан, іске қосу алдында Modbus Poll сияқты Modbus клиент құралымен регистр картасын әрқашан тексеріңіз. 40001 устатушы регистрге белгілі мән жазыңыз және оның дұрыс CENTUM VP PIO деректер элементінде көрінетінін растаңыз. Көбінесе байт тәртібі мәселесі кездеседі. ALR121 әдепкі бойынша үлкен-эндиан сөз тәртібін қолданады. Yokogawa оны "Motorola форматы" деп атайды. Егер Modbus сервері кіші-эндиан қолданса, параметр COM_BYTE_ORDER мәнін "Intel" деп орнатыңыз. Қате байт тәртібі 32-биттік қалқымалы нүктелі мәндердің жоғары және төмен сөздерін ауыстырып, оператор дисплейінде мағынасыз көрсеткіштер тудырады.
Emerson DeltaV үшін Foundation Fieldbus H1 сегментін жобалау
Foundation Fieldbus H1 31,25 кбпс жылдамдықта бұралған жұп сым арқылы және автобус қуатымен жұмыс істейді. Әрбір H1 сегменті 16 құрылғыға дейін қолдайды, бірақ практикалық жобалар сегментке 8–12 құрылғыны шектейді, бұл кернеу төмендеу маржасын қамтамасыз етеді. Стандартты FF H1 қуат кондиционері 24VDC 500 мА береді. Әр FF құрылғысы 10–25 мА тұтынады. Сегментте сегіз Emerson Rosemount 3051S датчигі шамамен 160 мА тұтынады, бұл кондиционердің қуат рейтингісінен әлдеқайда төмен.
Біріншіден, сегменттің кернеу бюджетін есептеңіз. FF спецификациясы құрылғы терминалдарында кемінде 9VDC кернеуді талап етеді. 24VDC қуат кондиционері шығысынан бастаңыз. Сымдағы кернеу төмендеуін V = I × R формуласы бойынша есептеңіз, мұнда R – сымның шеңберлік кедергісі. 1 км AWG 18 сымында 12,8 ом 1000 футқа шаққанда, шеңберлік кедергі шамамен 42 ом болады. 160 мА сегмент ағымымен кернеу төмендеуі 6,7V тең. Соңғы құрылғыдағы кернеу 17,3V, бұл 9V минималды кернеуден әлдеқайда жоғары.
Сонымен қатар, FF H1 Манчестер кодталған автобус қуатын пайдаланады, ол бір жұпта тұрақты ток қуатын және сандық байланыс сигналын біріктіреді. Бұл сымдарды жеңілдетеді, бірақ шу үшін жұптасу нүктесін жасайды. Қасындағы мотор сымдарынан 50 Гц немесе 60 Гц индукция FF сигналына тікелей жұптасады. Belden 3076F сияқты FF-ге арнайы қорғалған бұралған жұп сымын пайдаланыңыз. AC қуат сымдарынан кемінде 300 мм қашықтықты сақтаңыз. 10 метрден асатын параллель жүгірулерде қашықтықты 600 мм-ге дейін арттырыңыз.
Соңында, Emerson AMS Device Manager арқылы әр FF сегментін іске қосыңыз. Әр құрылғы үшін орташа шу, шың шу және сигнал деңгейін өлшейтін сегмент диагностика құралын іске қосыңыз. Сигнал деңгейі 500 мВ шыңнан шыңға төмен болса, бұл сымдарда ақау, қосылу қорабында су түсуі немесе құрылғы электроникасының ақауы бар екенін білдіреді.
Қорытынды және іс-әрекетке кеңес
Мұнай және газ автоматтандыруында протокол таңдау жобаның құны мен жұмыс сенімділігіне тікелей әсер ететін жүйелік инженерлік шешім болып табылады. Протоколды қосымшаның маңызды деңгейі мен деректер жылдамдығына сәйкестендіріңіз. Yokogawa CENTUM VP мен үшінші тарап құрылғылары арасындағы әр Modbus TCP байланысында байт тәртібін тексеріңіз. Foundation Fieldbus H1 сегменттерін құрылғы санының ережесіне сүйенбей, кернеу бюджетін есептей отырып жобалаңыз. DeltaV H1 картасына қосар алдында әр сегментті автобус анализаторы арқылы іске қосыңыз. Протоколдар жетілген және дәлелденген. Өндірісті тоқтататын интеграция қателері тәртіпті іске қосу арқылы толығымен алдын алынады.
Автор: Ван Цзиньхуа – PLC, DCS және басқару жүйелері саласында 10 жылдан астам тәжірибесі бар өнеркәсіптік автоматтандыру инженері.
