El sistema de control Mark VIe surge como una solución sofisticada diseñada para satisfacer las rigurosas demandas de la automatización moderna en un espectro diverso de aplicaciones, desde generación de energía hasta procesos de fabricación complejos. Esta plataforma integrada se distingue por su arquitectura avanzada, que combina a la perfección redes deterministas de alta velocidad con opciones integrales de redundancia y un entorno de software unificado.
En el corazón del sistema Mark VIe se encuentra un potente controlador de placa única. Esta unidad integra la unidad de procesamiento principal con controladores Ethernet redundantes diseñados específicamente para gestionar las comunicaciones de entrada/salida (E/S) de la red. Se incorporan interfaces Ethernet dedicadas adicionales para manejar el tráfico de red de control, asegurando un flujo de datos segregado y priorizado. El controlador opera en un sistema operativo multitarea en tiempo real, lo que garantiza un rendimiento determinista para bucles de control sensibles al tiempo. La lógica de la aplicación se ejecuta utilizando un lenguaje de programación basado en bloques configurable, almacenado en una memoria no volátil para evitar pérdidas durante los ciclos de energía. Este lenguaje, similar al formato de punto flotante IEEE 854 de 32 bits, proporciona a los ingenieros un entorno potente y familiar para desarrollar estrategias de control complejas. Además, los gráficos de funciones secuenciales (SFC) están disponibles para orquestar secuencias operativas complejas, mejorando la capacidad del sistema para gestionar procesos sofisticados de múltiples etapas.
Un elemento fundamental de la arquitectura es la red de E/S o IONet. Se trata de un protocolo punto a punto dedicado, full-duplex, que establece una infraestructura de comunicaciones determinista y de alta velocidad de 100 MB. IONet está diseñado para admitir dispositivos de E/S localizados y distribuidos, sirviendo como autopista de datos críticos entre los controladores principales y los diversos módulos de E/S en red. Su naturaleza determinista garantiza que los paquetes de datos se entreguen dentro de un plazo garantizado, lo cual es esencial para aplicaciones de control precisas. La red admite configuraciones redundantes simples, dobles y triples, y ofrece interfaces de cobre y fibra óptica para satisfacer diferentes requisitos de instalación, como inmunidad a interferencias electromagnéticas en entornos de planta hostiles.
El subsistema de E/S físico está estructurado en torno a paquetes de E/S modulares. Cada módulo se compone de tres elementos principales: un tablero de terminales, un bloque de terminales y el propio paquete de E/S. Los bloques de terminales tipo caja o de barrera se montan en el tablero de terminales, que posteriormente se fija a un riel DIN o a una placa base dentro del gabinete de control. El paquete de E/S es el componente inteligente, que alberga dos puertos Ethernet para la conexión a IONet, una fuente de alimentación, un procesador local dedicado y una placa de adquisición de datos diseñada específicamente para su función de E/S. Este diseño modular permite la expansión escalable del sistema; La capacidad de E/S aumenta simplemente agregando más paquetes a la red. Esta flexibilidad permite implementaciones en configuraciones modulares redundantes (TMR) simplex, dual o triple. Para aplicaciones que exigen una velocidad excepcional, como el servocontrol, el procesador local dentro de cada paquete puede ejecutar algoritmos especializados a velocidades significativamente más altas que el bucle de control principal, descargando la carga de procesamiento del controlador central y mejorando el rendimiento general del sistema.
La plataforma Mark VIe es reconocida por sus capacidades de redundancia amplias y configurables, que se adaptan a la criticidad del proceso que se controla. Las filosofías de redundancia se pueden aplicar a sensores, redes, controladores y módulos de salida, proporcionando un enfoque de defensa en profundidad para maximizar la disponibilidad y mitigar puntos únicos de falla.
Los sistemas duales redundantes son una configuración común para aplicaciones de alta disponibilidad. En esta configuración, las señales de entrada de los sensores se leen mediante paquetes de entrada (que a su vez pueden ser únicos o redundantes) y se transmiten a través de IONets duales e independientes a un par de controladores Mark VIe. Estos controladores ejecutan software de aplicación idéntico al mismo tiempo. Luego, las salidas de los controladores se envían a los paquetes de salida. Para los elementos de control final más críticos, se puede implementar un esquema de salida de votación triple, donde tres paquetes de E/S de salida separados reciben las señales de comando. Un votante basado en hardware o software selecciona la salida correcta basándose en una mayoría de votos (2 de 3), asegurando que una falla en un canal de salida no cause una acción espuria en el dispositivo de campo. Esta arquitectura puede acomodar entradas de sensores redundantes simples, dobles o triples.
Para situaciones de máxima criticidad, se implementa un sistema triple modular redundante (TMR). Esta configuración está diseñada para tolerar una falla en cualquier componente sin interrumpir el proceso. Tres controladores independientes funcionan en paralelo y reciben datos de entrada de sensores triplemente redundantes a través de tres IONets separados. El sistema realiza continuamente una votación (ya sea una selección de 2 de 3 o una selección de valor medio) en todas las señales de entrada críticas. Cada controlador ejecuta su lógica basándose en este valor votado o 'correcto'. Los diagnósticos sofisticados monitorean continuamente los tres canales, identificando rápidamente y generando alarmas en caso de falla del dispositivo. Esta capacidad reduce drásticamente el tiempo medio de reparación (MTTR) al identificar instantáneamente el componente defectuoso. Además, la función de reparación en línea del sistema permite a los técnicos reemplazar el módulo defectuoso sin desconectar todo el proceso, lo que aumenta significativamente el tiempo medio entre cortes forzados (MTBFO). Los sensores de campo para estos sistemas se pueden configurar como simples, duales o triples, según el nivel de integridad requerido.
Los paquetes de E/S del sistema Mark VIe son mucho más que simples convertidores de señal; son dispositivos inteligentes que contribuyen significativamente a la capacidad general del sistema. Cada paquete incluye una placa procesadora local que ejecuta un sistema operativo en tiempo real y una placa de adquisición de datos especializada. Este diseño permite el procesamiento distribuido, permitiendo que funciones como bucles PID rápidos o regulación de servoválvulas se ejecuten localmente dentro del módulo a velocidades muy altas, independientemente del tiempo de exploración del controlador principal.
Una característica clave de estos módulos es un sensor de temperatura integrado con una precisión de ±2°C. Este sensor monitorea continuamente la temperatura de funcionamiento del paquete de E/S. Si se detecta una temperatura excesiva, genera una alarma de diagnóstico. El valor de temperatura y el estado de la alarma están disponibles en la base de datos del sistema de control (espacio de señal), lo que permite que la lógica de control tome acciones preventivas, como iniciar un apagado controlado o alertar a los operadores con un mensaje de alarma personalizado, evitando así daños al hardware.
Las características estándar de los módulos de E/S incluyen dos puertos Ethernet full-duplex de 100 MB para una conectividad de red sólida, soporte integral para reparación y reemplazo en línea y reconfiguración automática al reemplazar el módulo. Las especificaciones de precisión están garantizadas en todo el rango de temperatura de funcionamiento. El estado se indica mediante LED para alimentación, actividad de la red y condiciones específicas de la aplicación. Los módulos se alimentan con una fuente de alimentación de 28 V CC, que cuenta con protección de circuito interno de estado sólido con un punto de disparo nominal de 2 A y un circuito de arranque suave para evitar problemas de corriente de entrada. El suministro de CC negativo está conectado a tierra a través de la carcasa metálica, lo que mejora la inmunidad al ruido y la seguridad.
El sistema Mark VIe ofrece dos tipos principales de módulos de terminales (módulos tipo T y tipo S) para adaptarse a diferentes necesidades de cableado y redundancia.
Los módulos tipo T están diseñados para aplicaciones que requieren altos niveles de aislamiento y redundancia de señal. Normalmente distribuyen una única señal de entrada de campo a tres paquetes de E/S separados para sistemas TMR. Estos módulos contienen dos bloques de terminales tipo barrera extraíbles de 24 puntos. Cada punto puede aceptar dos cables de hasta 3,0 mm² (#12 AWG) con clasificación de aislamiento de 300 V y admite terminales tipo pala o anillo, así como abrazaderas cautivas para cables desnudos. El espacio entre tornillos es de un mínimo de 9,53 mm de centro a centro. Por lo general, se montan en superficie e incluyen una tira de protección integrada conectada a la base de montaje para mejorar la compatibilidad electromagnética (EMC).
Los módulos tipo S proporcionan una solución más compacta y rentable para aplicaciones TMR simples, duales o dedicadas donde las señales no se distribuyen en abanico. Tienen la mitad del tamaño de los módulos tipo T y pueden montarse en carril DIN o en superficie. Ofrecen un único punto de terminación por señal de E/S. Los terminales fijos tipo caja aceptan un cable de 3,0 mm² o dos cables de 2,0 mm² (#14 AWG). También está disponible una versión con terminales extraíbles, que permite el reemplazo en campo con tecnologías de conexión alternativas como tipos de abrazadera de resorte o de desplazamiento de aislamiento. Cada bloque incluye una tira protectora unida a tierra funcional.
Los componentes del Mark VIe están diseñados para su implementación global en una variedad de condiciones ambientales. La electrónica central, incluidos controladores, módulos de E/S y fuentes de alimentación, está clasificada para funcionar entre -30 °C y 65 °C. Para garantizar la confiabilidad, se recomienda que los módulos con clasificaciones de temperatura más restrictivas, como ciertas puertas de enlace de bus de campo (por ejemplo, PROFIBUS Master: -20 a 55 °C, FOUNDATION Fieldbus: 0 a 55 °C), se instalen en la parte inferior del gabinete de control, donde las temperaturas son más frías. Los equipos de la sala de control, como las estaciones de trabajo del operador, tienen un rango de funcionamiento más estrecho, de 20 a 30 °C. Todo el equipo está diseñado para soportar rangos de temperatura más amplios (de -40 a 85 °C para controladores, de 0 a 30 °C para estaciones de trabajo) durante el envío y el almacenamiento.
Las capacidades de hardware del Mark VIe están completamente desbloqueadas mediante el paquete de software ControlST. Este conjunto integrado de herramientas proporciona un entorno unificado para cada aspecto del ciclo de vida del sistema de control. En esencia, se encuentra la aplicación ToolboxST, que se utiliza para programación, configuración, tendencias en tiempo real y análisis de diagnóstico en profundidad en todos los sistemas Mark VIe y Mark VIeS. Garantiza que haya datos de alta calidad y coherentes en el tiempo disponibles tanto dentro de los controladores como a nivel de planta, formando una base sólida para una gestión de activos y una toma de decisiones operativas eficaces.
Para aplicaciones críticas para la seguridad que requieren certificación según estándares como IEC 61508, se emplea el sistema de seguridad Mark VIeS. Este sistema utiliza el mismo paquete de software ControlST y el mismo conjunto de herramientas ToolboxST para mantenimiento y configuración, lo que reduce en gran medida los requisitos de capacitación del operador. Sin embargo, mantiene un conjunto física y lógicamente separado de bloques de funciones de hardware y software certificados. ToolboxST proporciona funciones de seguridad para bloquear o desbloquear el sistema de seguridad para la configuración y programación de la función instrumentada de seguridad (SIF), lo que garantiza que la integridad de la lógica de seguridad nunca se vea comprometida.
La cartera de E/S del sistema es amplia y abarca tanto módulos genéricos como entradas discretas (que varían según la tensión nominal y el aislamiento) como módulos altamente especializados para aplicaciones específicas. Por ejemplo, los servomódulos dedicados proporcionan el procesamiento ultrarrápido necesario para un control preciso de circuito cerrado de los actuadores de turbinas. De manera similar, se encuentran disponibles módulos de monitoreo de vibraciones especializados para medir con precisión el desplazamiento radial y axial del eje en maquinaria rotativa, integrando la protección directamente en el sistema de control. Los criterios de selección de módulos incluyen no solo el tipo de señal, sino también la redundancia requerida, el nivel de aislamiento, el estilo del bloque de terminales, la certificación de seguridad (SIL) y las aprobaciones para su uso en ubicaciones peligrosas.
Referencias: 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
