Das Mark VIe-Steuerungssystem erweist sich als anspruchsvolle Lösung, die den strengen Anforderungen der modernen Automatisierung in einem vielfältigen Anwendungsspektrum gerecht wird, von der Energieerzeugung bis hin zu komplexen Fertigungsprozessen. Diese integrierte Plattform zeichnet sich durch ihre fortschrittliche Architektur aus, die deterministische Hochgeschwindigkeitsnetzwerke nahtlos mit umfassenden Redundanzoptionen und einer einheitlichen Softwareumgebung verbindet.
Das Herzstück des Mark VIe-Systems ist ein leistungsstarker Single-Board-Controller. Diese Einheit integriert die Hauptverarbeitungseinheit mit redundanten Ethernet-Treibern, die speziell für die Verwaltung der Netzwerk-Eingangs-/Ausgangskommunikation (I/O) entwickelt wurden. Zusätzliche dedizierte Ethernet-Schnittstellen sind integriert, um den Netzwerkverkehr zu steuern und so einen getrennten und priorisierten Datenfluss zu gewährleisten. Der Controller arbeitet auf einem Echtzeit-Multitasking-Betriebssystem und garantiert eine deterministische Leistung für zeitkritische Regelkreise. Die Anwendungslogik wird mithilfe einer konfigurierbaren blockbasierten Programmiersprache ausgeführt und im nichtflüchtigen Speicher gespeichert, um Verluste bei Stromzyklen zu vermeiden. Diese Sprache ähnelt dem 32-Bit-Gleitkommaformat IEEE 854 und bietet Ingenieuren eine leistungsstarke und vertraute Umgebung für die Entwicklung komplexer Steuerungsstrategien. Darüber hinaus stehen Sequential Function Charts (SFC) zur Orchestrierung komplizierter Betriebsabläufe zur Verfügung, wodurch die Fähigkeit des Systems zur Verwaltung anspruchsvoller mehrstufiger Prozesse verbessert wird.
Ein zentrales Element der Architektur ist das I/O-Netzwerk oder IONet. Hierbei handelt es sich um ein dediziertes Vollduplex-Punkt-zu-Punkt-Protokoll, das eine deterministische Hochgeschwindigkeits-100-MB-Kommunikationsinfrastruktur aufbaut. Das IONet ist so konzipiert, dass es sowohl lokale als auch verteilte E/A-Geräte unterstützt und als kritische Datenautobahn zwischen dem/den Hauptcontroller(n) und den verschiedenen vernetzten E/A-Modulen dient. Seine deterministische Natur stellt sicher, dass Datenpakete innerhalb eines garantierten Zeitrahmens zugestellt werden, was für präzise Steuerungsanwendungen unerlässlich ist. Das Netzwerk unterstützt einfach-, dual- und dreifach-redundante Konfigurationen und bietet sowohl Kupfer- als auch Glasfaserschnittstellen, um unterschiedlichen Installationsanforderungen gerecht zu werden, beispielsweise der Immunität gegen elektromagnetische Störungen in rauen Anlagenumgebungen.
Das physische I/O-Subsystem ist um modulare I/O-Pakete herum strukturiert. Jedes Modul besteht aus drei Hauptelementen: einer Klemmenplatine, einem Klemmenblock und dem E/A-Paket selbst. Auf das Klemmenbrett werden Barriere- oder Rahmenklemmen montiert, die anschließend auf einer DIN-Schiene oder einer Grundplatte im Schaltschrank befestigt werden. Das I/O-Paket ist die intelligente Komponente, die zwei Ethernet-Ports für den Anschluss an das IONet, ein Netzteil, einen lokalen dedizierten Prozessor und eine Datenerfassungskarte enthält, die speziell auf ihre I/O-Funktion zugeschnitten ist. Dieser modulare Aufbau ermöglicht eine skalierbare Systemerweiterung; Die I/O-Kapazität wird einfach durch das Hinzufügen weiterer Pakete zum Netzwerk erhöht. Diese Flexibilität ermöglicht den Einsatz in Simplex-, Dual- oder Triple-Modular-Redundant-Konfigurationen (TMR). Für Anwendungen, die eine außergewöhnliche Geschwindigkeit erfordern, wie z. B. die Servosteuerung, kann der lokale Prozessor in jedem Paket spezielle Algorithmen mit deutlich höheren Raten als der Hauptregelkreis ausführen, wodurch die Verarbeitungslast vom zentralen Controller entlastet und die Gesamtsystemleistung verbessert wird.
Die Mark VIe-Plattform ist bekannt für ihre umfangreichen und konfigurierbaren Redundanzfunktionen, die auf die Kritikalität des zu steuernden Prozesses zugeschnitten sind. Redundanzphilosophien können auf Sensoren, Netzwerke, Controller und Ausgangsmodule angewendet werden und bieten einen tiefgreifenden Verteidigungsansatz zur Maximierung der Verfügbarkeit und zur Minderung einzelner Fehlerquellen.
Doppelt redundante Systeme sind eine gängige Konfiguration für Hochverfügbarkeitsanwendungen. In diesem Setup werden Eingangssignale von Sensoren von Eingangspaketen (die ihrerseits einzeln oder redundant sein können) gelesen und über zwei unabhängige IONets an ein Paar Mark VIe-Controller übertragen. Auf diesen Controllern wird identische Anwendungssoftware im Gleichschritt ausgeführt. Die Ausgaben der Controller werden dann an Ausgabepakete gesendet. Für die kritischsten Endkontrollelemente kann ein Dreifach-Voting-Ausgangsschema implementiert werden, bei dem drei separate Ausgangs-I/O-Pakete die Befehlssignale empfangen. Ein hardware- oder softwarebasierter Wähler wählt den richtigen Ausgang auf der Grundlage einer Mehrheitsentscheidung (2 von 3) aus und stellt so sicher, dass ein Fehler in einem Ausgangskanal keine unerwünschte Aktion im Feldgerät auslöst. Diese Architektur kann einfach, doppelt oder dreifach redundante Sensoreingänge aufnehmen.
Für höchste Kritikalität wird ein dreifach modulares Redundanzsystem (TMR) eingesetzt. Diese Konfiguration ist darauf ausgelegt, einen Ausfall einer einzelnen Komponente zu tolerieren, ohne den Prozess zu unterbrechen. Drei unabhängige Controller laufen parallel und empfangen Eingangsdaten von dreifach redundanten Sensoren über drei separate IONets. Das System führt kontinuierlich eine Abstimmung (entweder eine 2-aus-3-Auswahl oder eine Medianwertauswahl) für alle kritischen Eingangssignale durch. Jeder Controller führt seine Logik basierend auf diesem abgestimmten oder „richtigen“ Wert aus. Ausgefeilte Diagnosefunktionen überwachen kontinuierlich alle drei Kanäle, um einen Geräteausfall schnell zu erkennen und einen Alarm auszulösen. Diese Funktion verkürzt die mittlere Reparaturzeit (MTTR) erheblich, indem die fehlerhafte Komponente sofort lokalisiert wird. Darüber hinaus ermöglicht die Online-Reparaturfunktion des Systems Technikern, das ausgefallene Modul auszutauschen, ohne den gesamten Prozess offline zu nehmen, wodurch sich die mittlere Zeit zwischen erzwungenen Ausfällen (MTBFO) erheblich verlängert. Feldsensoren für diese Systeme können je nach erforderlichem Integritätsgrad als Einzel-, Doppel- oder Dreifachsensoren konfiguriert werden.
Die I/O-Pakete im Mark VIe-System sind weit mehr als nur einfache Signalwandler. Es handelt sich um intelligente Geräte, die wesentlich zur Gesamtleistungsfähigkeit des Systems beitragen. Jedes Paket verfügt über eine lokale Prozessorplatine, auf der ein Echtzeitbetriebssystem läuft, und eine spezielle Datenerfassungsplatine. Dieses Design ermöglicht eine verteilte Verarbeitung, sodass Funktionen wie schnelle PID-Schleifen oder Servoventilregelung lokal im Modul mit sehr hohen Geschwindigkeiten ausgeführt werden können, unabhängig von der Abtastzeit des Hauptcontrollers.
Ein wesentliches Merkmal dieser Module ist ein integrierter Temperatursensor mit einer Genauigkeit von ±2 °C. Dieser Sensor überwacht kontinuierlich die Betriebstemperatur des I/O-Packs. Wenn eine zu hohe Temperatur festgestellt wird, wird ein Diagnosealarm generiert. Der Temperaturwert und der Alarmstatus werden in der Datenbank des Steuerungssystems (Signalraum) zur Verfügung gestellt, sodass die Steuerungslogik präventive Maßnahmen ergreifen kann, z. B. die Einleitung einer kontrollierten Abschaltung oder die Warnung des Bedieners mit einer benutzerdefinierten Alarmmeldung, um so Hardwareschäden zu verhindern.
Zu den Standardfunktionen aller I/O-Module gehören zwei 100-MB-Vollduplex-Ethernet-Ports für robuste Netzwerkkonnektivität, umfassende Unterstützung für Online-Reparatur und -Austausch sowie automatische Neukonfiguration beim Modulaustausch. Genauigkeitsangaben sind über den gesamten Betriebstemperaturbereich gewährleistet. Der Status wird über LEDs für Stromversorgung, Netzwerkaktivität und anwendungsspezifische Bedingungen angezeigt. Die Module werden über eine 28-V-Gleichstromversorgung mit Strom versorgt, die über einen internen Halbleiterschaltkreisschutz mit einem Auslösepunkt von nominal 2 A und einen Sanftanlaufschaltkreis zur Vermeidung von Einschaltstromproblemen verfügt. Die negative Gleichstromversorgung ist durch das Metallgehäuse geerdet, was die Störfestigkeit und Sicherheit erhöht.
Das Mark VIe-System bietet zwei Haupttypen von Anschlussmodulen (T-Typ- und S-Typ-Module), um unterschiedlichen Verkabelungs- und Redundanzanforderungen gerecht zu werden.
T-Typ-Module sind für Anwendungen konzipiert, die ein hohes Maß an Signalredundanz und -isolierung erfordern. Sie verteilen typischerweise ein einzelnes Feldeingangssignal an drei separate I/O-Pakete für TMR-Systeme. Diese Module enthalten zwei abnehmbare 24-Punkt-Barriereklemmenblöcke. Jeder Punkt kann zwei Drähte bis zu 3,0 mm² (#12 AWG) mit einer Isolationsleistung von 300 V aufnehmen und unterstützt Flach- oder Ringkabelschuhe sowie unverlierbare Klemmen für blanke Drähte. Der Schraubenabstand beträgt von Mitte zu Mitte mindestens 9,53 mm. Sie werden in der Regel oberflächenmontiert und verfügen über einen integrierten Abschirmungsstreifen, der mit der Montagebasis verbunden ist, um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu verbessern.
S-Typ-Module bieten eine kompaktere und kostengünstigere Lösung für Simplex-, Dual- oder dedizierte TMR-Anwendungen, bei denen Signale nicht aufgefächert werden. Sie sind halb so groß wie T-Module und können auf der DIN-Schiene oder auf der Oberfläche montiert werden. Sie bieten einen einzigen Abschlusspunkt pro I/O-Signal. Feste Kastenklemmen nehmen einen 3,0-mm²-Draht oder zwei 2,0-mm²-Drähte (#14 AWG) auf. Es ist auch eine Version mit abnehmbaren Anschlüssen erhältlich, die den Austausch vor Ort durch alternative Anschlusstechnologien wie Federklemmen oder Schneidklemmtechnik ermöglicht. Jeder Block verfügt über einen Abschirmungsstreifen, der mit der Funktionserde verbunden ist.
Mark VIe-Komponenten sind für den weltweiten Einsatz unter verschiedenen Umgebungsbedingungen konzipiert. Die Kernelektronik, einschließlich Controller, E/A-Module und Netzteile, ist für den Betrieb bei -30 °C bis 65 °C ausgelegt. Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, wird empfohlen, Module mit restriktiveren Temperaturgrenzen, wie z. B. bestimmte Feldbus-Gateways (z. B. PROFIBUS Master: -20 bis 55 °C, FOUNDATION Fieldbus: 0 bis 55 °C), tiefer im Schaltschrank zu installieren, wo die Temperaturen kühler sind. Kontrollraumgeräte wie Bedienerarbeitsplätze haben einen engeren Betriebsbereich von 20 bis 30 °C. Sämtliche Geräte sind so konzipiert, dass sie größeren Temperaturbereichen (-40 bis 85 °C für Controller, 0 bis 30 °C für Workstations) während des Transports und der Lagerung standhalten.
Die Hardwarefunktionen des Mark VIe werden durch die ControlST-Software-Suite vollständig freigeschaltet. Dieser integrierte Satz von Tools bietet eine einheitliche Umgebung für jeden Aspekt des Lebenszyklus des Steuerungssystems. Das Herzstück ist die ToolboxST-Anwendung, die für die Programmierung, Konfiguration, Echtzeit-Trendanalyse und detaillierte Diagnoseanalyse in allen Mark VIe- und Mark VIeS-Systemen verwendet wird. Es stellt sicher, dass qualitativ hochwertige, zeitkohärente Daten sowohl innerhalb der Controller als auch auf Anlagenebene verfügbar sind und eine solide Grundlage für ein effektives Asset-Management und betriebliche Entscheidungsfindung bilden.
Für sicherheitskritische Anwendungen, die eine Zertifizierung nach Normen wie IEC 61508 erfordern, kommt das Mark VIeS Safety System zum Einsatz. Dieses System nutzt die gleiche bekannte ControlST-Software-Suite und das gleiche ToolboxST-Toolset für Wartung und Konfiguration, wodurch der Schulungsaufwand für die Bediener erheblich reduziert wird. Es verfügt jedoch über einen physisch und logisch getrennten Satz zertifizierter Hardware- und Software-Funktionsblöcke. ToolboxST bietet Sicherheitsfunktionen zum Sperren oder Entsperren des Sicherheitssystems für die Konfiguration und SIF-Programmierung (Safety Instrumented Function), um sicherzustellen, dass die Integrität der Sicherheitslogik niemals gefährdet wird.
Das E/A-Portfolio des Systems ist umfangreich und umfasst sowohl generische Module wie diskrete Eingänge (je nach Spannungsnennwert und Isolierung variierend) als auch hochspezialisierte anwendungsspezifische Module. Spezielle Servomodule sorgen beispielsweise für die ultraschnelle Verarbeitung, die für die präzise Regelung von Turbinenaktoren erforderlich ist. Ebenso stehen spezielle Vibrationsüberwachungsmodule zur genauen Messung der radialen und axialen Wellenverschiebung in rotierenden Maschinen zur Verfügung und integrieren den Schutz direkt in das Steuerungssystem. Zu den Auswahlkriterien für Module gehören nicht nur der Signaltyp, sondern auch die erforderliche Redundanz, der Isolationsgrad, der Klemmenblockstil, die Sicherheitszertifizierung (SIL) und die Zulassungen für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen.
Referenzen: https://www.gevernova.com/content/dam/gepower-new/global/en_US/downloads/gas-new-site/resources/reference/GEA35311-Mark-VIe-Control-Product-Description-Brochure-DRAFT.pdf
