Autor: Editor webu Čas publikování: 2025-09-11 Původ: místo
HIQuad X je inovativní, vysoce výkonný programovatelný elektronický systém související s bezpečností (PES) vyvinutý společností HIMA, postavený na osvědčené systémové platformě HIQuad. Je navržen pro aplikace kritické z hlediska bezpečnosti až do SIL 3 (IEC 61508) a PL e (EN ISO 13849), přičemž se vyznačuje také vysokou dostupností. HIQuad X je vhodný pro různé řídicí úlohy v rámci zpracovatelského průmyslu a automatizace továren, zvláště exceluje v procesních zařízeních. Systém využívá modulární konstrukci, podporuje flexibilní konfiguraci a lze jej programovat, konfigurovat, monitorovat, provozovat a dokumentovat pomocí vyspělého inženýrského nástroje HIMA SILworX®.
Systémové rodiny a struktura
HIQuad X zahrnuje dvě systémové rodiny: H51X a H41X. Používají identické moduly, ale liší se strukturou a možnostmi rozšíření:
HIQuad H51X:
Struktura: Vysoce modulární.
Základní Rack: 1 (neobsahuje I/O moduly).
Rozšiřující stojany: maximálně 16.
Moduly procesoru (F-CPU 01): 1 nebo 2.
Moduly zpracování I/O (F-IOP 01): 1 na rozšiřující stojan.
Komunikační moduly (F-COM 01): Až 10 v základním rámu.
I/O moduly na rozšiřující stojan: 16.
Celkový počet I/O modulů: až 256.
HIQuad H41X:
Struktura: Modulární.
Základní Rack: 1 (může pojmout až 12 I/O modulů).
Rozšiřující stojany: Maximálně 1.
Moduly procesoru (F-CPU 01): 1 nebo 2.
Moduly pro zpracování I/O (F-IOP 01): 1 v základní sestavě, 1 v rozšiřující sestavě.
Komunikační moduly (F-COM 01): Až 2 v základním rámu.
I/O moduly na rozšiřující stojan: 16.
Celkový počet I/O modulů: až 28.
Tyto rozdíly umožňují uživatelům vybrat nejvhodnější systémovou platformu na základě specifických požadavků aplikace na počet a dostupnost I/O.
Základní vlastnosti
1. Bezpečnost a certifikace
Systém HIQuad X je navržen pro bezpečnostní aplikace v souladu s principy 'De-energize to Trip' a 'Energize to Trip'. Mezi jeho základní bezpečnostní prvky patří:
Úroveň integrity bezpečnosti (SIL): Podporuje až SIL 3 (IEC 61508), PL e (ISO 13849).
Certifikace: Systém a jeho I/O moduly jsou certifikovány podle různých mezinárodních norem (viz Bezpečnostní příručka HI 803 209 E), včetně použití v systémech požární signalizace (v souladu s DIN EN 54-2 a NFPA 72) a vhodnosti pro montáž do nebezpečných prostor zóny 2.
Architektura 1oo2: Procesorové moduly související s bezpečností (F-CPU 01) a moduly pro zpracování I/O (F-IOP 01) obsahují interní procesorový systém 1oo2 (jeden ze dvou). Dvě mikroprocesorová jádra nepřetržitě synchronizují a porovnávají data a zajišťují bezpečný provoz.
Komunikace související s bezpečností: Podporuje komunikaci související s bezpečností prostřednictvím protokolu safeethernet.
2. Vysoká dostupnost a redundance
Systém nabízí několik možností redundance zaměřené na maximalizaci dostupnosti systému (Poznámka: Redundance zvyšuje dostupnost, nikoli úroveň integrity bezpečnosti - SIL):
Redundance procesoru: Lze nakonfigurovat se dvěma redundantními moduly procesoru F-CPU 01. Pokud jeden modul selže, systém se automaticky přepne na druhý, aby byl zachován bezpečný provoz. Vadný modul může být vyměněn za provozu systému (hot-swap v režimu redundance).
Redundance systémové sběrnice: Systém se pro komunikaci spoléhá na dvě nezávislé systémové sběrnice (A a B). V redundantní konfiguraci pracují obě sběrnice současně. Porucha jedné sběrnice nemá vliv na provoz systému.
Redundance I/O modulu: Podporuje redundanci modulů (dva I/O moduly stejného typu tvořící skupinu redundance) a redundanci kanálů (párování identických čísel kanálů v rámci redundantních modulů). Pro zvýšení dostupnosti by měly být redundantní moduly instalovány v různých stojanech.
Redundance napájecího zdroje: Podporuje připojení k redundantním napájecím jednotkám 24 VDC, což zajišťuje vysokou dostupnost napájecího zdroje. Pro kompenzaci výpadků napětí přesahujících 20 ms lze použít volitelné vyrovnávací moduly (F-PWR 02).
3. Modulární návrh a škálovatelnost
Systém využívá standardní 19palcovou rackovou strukturu, která nabízí vysokou flexibilitu:
Base Rack: Obsahuje základní desku pro instalaci procesorových modulů, komunikačních modulů, napájecích modulů (H41X také obsahuje I/O moduly).
Rozšiřující stojany: Pomocí rozšiřujících stojanů F-BASE RACK 11 lze systém H51X rozšířit až o 16 stojanů, z nichž každý je schopen pojmout 16 I/O modulů a jeden modul F-IOP 01, což výrazně zvyšuje I/O kapacitu.
Typy modulů: Systém podporuje širokou škálu typů modulů, včetně:
F-CPU 01: Modul bezpečnostního procesoru.
F-IOP 01: I/O Processing Module, spojující systémovou sběrnici se I/O sběrnicí.
F-COM 01: Komunikační modul, poskytující 2 rozhraní Ethernet a 1 rozhraní fieldbus.
F-PWR 01: Modul napájení 24VDC/5VDC.
F-PWR 02: Vyrovnávací modul 24VDC.
Různé I/O moduly: Včetně digitálního vstupu/výstupu (DI/DO), analogového vstupu/výstupu (AI/AO), reléového výstupu, čítačových modulů atd., které jsou určeny pro aplikace související s bezpečností i nesouvisející s bezpečností.
4. Komunikační schopnosti
Systém komunikuje s externími systémy prostřednictvím modulů F-COM 01:
Bezpečnostní protokoly: Podporuje bezpečnostní protokol HIMA safeethernet.
Standardní protokoly: Podporuje různé standardní průmyslové komunikační protokoly (vyžaduje licencování), jako je Modbus. Redundance komunikace musí být řízena buď uživatelským programem, nebo samotným specifickým protokolem (např. Modbus Slave).
Inženýrské připojení: Prostřednictvím rozhraní Ethernet (RJ-45) lze připojit až 5 programovacích a ladicích nástrojů (PADT), ale pouze jeden může mít v daný okamžik přístup pro zápis.
5. Diagnostika a údržba
Systém poskytuje komplexní diagnostické funkce pro rychlé řešení problémů a údržbu:
LED indikátory: Každá přední deska modulu obsahuje LED indikátory zobrazující provozní stav, chyby, stav komunikace atd.
Diagnostická historie: Moduly F-CPU, F-IOP a F-COM mají vestavěné vyrovnávací paměti historie diagnostiky (kruhové vyrovnávací paměti), které zaznamenávají systémové události, chyby a varování, rozdělené do kategorií na krátkodobou a dlouhodobou diagnostiku. To lze prohlížet a analyzovat pomocí nástroje SILworX.
Online diagnostika: V online zobrazení SILworX je stav modulu intuitivně zobrazován prostřednictvím barevných změn (např. červená pro kritické poruchy, žlutá pro varování) a lze zobrazit podrobné informace o stavu.
Monitorování systémových proměnných: Poskytuje rozsáhlé systémové proměnné (např. stav teploty, stav napájení, doba cyklu, počítadla chyb), které lze použít v rámci uživatelského programu nebo pro účely monitorování.
6. Programování a konfigurace
Systémové inženýrství se provádí pomocí SILworX:
Programovací jazyky: Podporuje programovací jazyky vyhovující normě IEC 61131-3.
Správa proměnných: Podporuje lokální a globální proměnné. Proměnným lze přiřadit počáteční hodnoty, atributy Retain (RETAIN) atd.
Systémové parametry a proměnné: Poskytuje četné systémové parametry (pro konfiguraci chování řídicí jednotky, např. Safety Time, Watchdog Time) a systémové proměnné (pro získávání informací o stavu systému), které jsou dostupné na různých úrovních, jako jsou zdroje a hardware.
Funkce nucení: Umožňuje uživatelům přepsat aktuální hodnotu proměnných pro účely testování a simulace. Pro zajištění bezpečného používání lze nastavit časové limity a přístupová oprávnění pro vynucení.
Správa uživatelů: Nabízí dvouúrovňovou správu uživatelů: PADT (přístup k projektu) a PES (přístup řadiče). Lze definovat různé skupiny uživatelů a oprávnění (např. pouze pro čtení, operátor, čtení+zápis, správce), čímž se zvyšuje bezpečnost systému.
7. Noise Blanking
Pro zlepšení odolnosti systému proti přechodnému rušení poskytuje HIQuad X funkci potlačení šumu:
Funkce: Potlačuje přechodné rušení na sběrnicích nebo I/O modulech, udržuje poslední platnou hodnotu po nakonfigurovanou dobu, aby se zabránilo chybnému přechodu systému do bezpečného stavu v důsledku krátkodobého rušení, čímž se zvyšuje dostupnost.
Konfigurace: Efektivní doba potlačení hluku závisí na bezpečnostní době, době hlídacího psa a době cyklu (max. čas stírání šumu = bezpečnostní čas - (2 x čas hlídacího obvodu)). Lze jej nakonfigurovat pro I/O moduly v SILworX.
Efektivní směr: Potlačení hluku může působit v různých směrech:
Ze vstupního modulu na modul procesoru (potlačení rušení vstupu a sběrnice).
Od procesorového modulu k výstupnímu modulu (potlačení rušení sběrnice).
Z výstupního modulu do procesorového modulu (potlačení potvrzení stavu, např. detekce SC/OC).
Pracovní princip
Základní operace systému HIQuad X se točí kolem hardwarové architektury a bezpečnostních mechanismů.
Tok signálu a zpracování:
Vstupní strana: Signály snímačů pole jsou připojeny k bezpečnostním I/O modulům (např. F 3237 DI modul). I/O moduly komunikují přes I/O sběrnici s modulem pro zpracování I/O F-IOP 01 v příslušné sestavě.
Zpracování dat: Modul F-IOP 01 si vyměňuje data s moduly procesoru F-CPU 01 v základní sestavě přes redundantní systémové sběrnice (A a B). F-CPU 01 využívá vnitřní architekturu 1oo2, kde dvě procesorová jádra cyklicky čtou vstupní data, spouštějí uživatelský program a porovnávají výsledky.
Výstupní strana: Procesorové moduly odesílají výsledky zpracování zpět přes systémové sběrnice do modulu F-IOP 01, který je pak přenáší přes I/O sběrnici do výstupních modulů (např. modul F 3330 DO), čímž řídí polní akční členy. F-IOP 01 je také zodpovědný za generování a monitorování signálu I/O Watchdog (WD). Výstupní moduly fungují pouze tehdy, když je tento signál přítomen (vysoká úroveň); jinak se dostanou do bezpečného stavu.
Bezpečnostní mechanismy:
Detekce chyb: Systém nepřetržitě provádí autotesty a křížové kontroly na různých úrovních, včetně porovnávání procesorových jader, kontrolních součtů komunikace, monitorování stavu modulu, monitorování napájecího zdroje a monitorování teploty.
Bezpečný stav: Při detekci vnitřní poruchy nebo externího příkazu (např. nouzové zastavení) se systém řídí principem 'de-energie to trip' a uvede výstupy do předem definovaného bezpečného stavu (typicky stav bez napětí).
Sledování času: Bezpečnostní čas je maximální povolená doba odezvy procesu. Watchdog Time je maximální povolená doba trvání cyklu procesoru; při překročení systém spustí bezpečnostní reakci. Doba cyklu je skutečný čas, který procesor potřebuje k provedení jednoho cyklu uživatelského programu. Konfigurace těchto časování je zásadní pro bezpečnost a výkon systému.
Synchronizace redundance:
V redundantní konfiguraci dva procesorové moduly nepřetržitě synchronizují svůj vnitřní stav a data prostřednictvím systémových sběrnic.
Pokud dojde k poruše primárního procesorového modulu, pohotovostní modul to okamžitě detekuje a převezme řízení, čímž udržuje nepřetržitý bezpečný provoz systému, umožňuje bezproblémové přepínání a vysokou dostupnost.
Distribuce energie:
Systém je napájen napájecím zdrojem 24 VDC SELV/PELV. Moduly distribuce energie (např. K 7212) se používají k distribuci a ochraně silových obvodů.
Napájení 5V v základní sestavě je generováno moduly F-PWR 01 a distribuováno přes propojovací desku. Napájení 5V pro rozšiřující stojany je napájeno ze základního stojanu v hvězdicové topologii.
24V pomocné a polní napájení pro I/O moduly je distribuováno a chráněno moduly distribuce napájení (F 7133), přičemž každý F 7133 poskytuje pojistkovou ochranu pro 4 sloty I/O modulů.
Tepelný management:
Návrh systému zohledňuje odvod tepla z elektronických součástek. Pro udržení okolní teploty mezi 0°C a +60°C je vyžadována adekvátní ventilace (přirozená konvekce nebo nucené chlazení vzduchu) v rozvaděči.
Moduly obsahují teplotní senzory a stav teploty lze monitorovat pomocí systémových proměnných. Varování nebo chyby jsou signalizovány při překročení teplotních prahů, ačkoli samotné monitorování teploty nesouvisí s bezpečností.
Oblasti použití
Systém HIQuad X je široce používán v průmyslových odvětvích s vysokými nároky na bezpečnost a dostupnost:
Chemické a petrochemické: systémy nouzového odstavení (ESD), systémy řízení hořáků (BMS), systémy vypínání procesů.
Oil & Gas: Kontrola vrtu, systémy ochrany potrubí, bezpečnostní systémy Offshore plošin.
Výroba energie: Řízení turbíny, nouzové vypínací systémy.
Kovy: Bezpečnostní systémy pro vysoké pece, řízení mlýnů.
Železniční doprava: Systémy řízení signalizace (v souladu s příslušnými normami).
Všeobecná tovární automatizace: Bezpečnostní řízení stroje (až do PL e).
Systémy detekce požáru a plynu: Využití certifikovaných analogových vstupních modulů.
