Le système de contrôle Mark VIe apparaît comme une solution sophistiquée conçue pour répondre aux exigences rigoureuses de l'automatisation moderne dans un large spectre d'applications, de la production d'énergie aux processus de fabrication complexes. Cette plate-forme intégrée se distingue par son architecture avancée, qui allie de manière transparente un réseau déterministe à haut débit avec des options de redondance complètes et un environnement logiciel unifié.
Au cœur du système Mark VIe se trouve un puissant contrôleur monocarte. Cette unité intègre l'unité de traitement principale avec des pilotes Ethernet redondants spécialement conçus pour gérer les communications d'entrée/sortie (E/S) réseau. Des interfaces Ethernet dédiées supplémentaires sont intégrées pour gérer le trafic réseau de contrôle, garantissant ainsi un flux de données séparé et hiérarchisé. Le contrôleur fonctionne sur un système d'exploitation multitâche en temps réel, garantissant des performances déterministes pour les boucles de contrôle sensibles au temps. La logique de l'application est exécutée à l'aide d'un langage de programmation configurable basé sur des blocs, stocké dans une mémoire non volatile pour éviter toute perte lors des cycles d'alimentation. Ce langage, semblable au format à virgule flottante 32 bits IEEE 854, offre aux ingénieurs un environnement puissant et familier pour développer des stratégies de contrôle complexes. De plus, des diagrammes de fonctions séquentielles (SFC) sont disponibles pour orchestrer des séquences opérationnelles complexes, améliorant ainsi la capacité du système à gérer des processus sophistiqués à plusieurs étapes.
Un élément essentiel de l'architecture est le réseau d'E/S, ou IONet. Il s'agit d'un protocole point à point dédié en duplex intégral qui établit une infrastructure de communication déterministe et à haut débit de 100 Mo. IONet est conçu pour prendre en charge les périphériques d'E/S localisés et distribués, servant d'autoroute de données critique entre le(s) contrôleur(s) principal(s) et les différents modules d'E/S en réseau. Sa nature déterministe garantit que les paquets de données sont livrés dans un délai garanti, ce qui est essentiel pour les applications de contrôle précis. Le réseau prend en charge les configurations à redondance simple, double et triple et offre des interfaces en cuivre et en fibre optique pour répondre aux différentes exigences d'installation, telles que l'immunité aux interférences électromagnétiques dans les environnements d'usine difficiles.
Le sous-système d'E/S physique est structuré autour de packs d'E/S modulaires. Chaque module est composé de trois éléments principaux : un bornier, un bornier et le pack d'E/S lui-même. Les borniers de type barrière ou boîte sont montés sur le bornier, qui est ensuite fixé à un rail DIN ou à une plaque de base à l'intérieur de l'armoire de commande. Le pack d'E/S est le composant intelligent, abritant deux ports Ethernet pour la connexion à IONet, une alimentation, un processeur local dédié et une carte d'acquisition de données spécialement conçue pour sa fonction d'E/S. Cette conception modulaire permet une extension évolutive du système ; La capacité d'E/S est augmentée simplement en ajoutant davantage de packs au réseau. Cette flexibilité permet des déploiements dans des configurations simplex, doubles ou triples redondantes modulaires (TMR). Pour les applications exigeant une vitesse exceptionnelle, telles que le contrôle d'asservissement, le processeur local de chaque pack peut exécuter des algorithmes spécialisés à des fréquences nettement supérieures à celles de la boucle de contrôle principale, déchargeant ainsi la charge de traitement du contrôleur central et améliorant les performances globales du système.
La plateforme Mark VIe est réputée pour ses capacités de redondance étendues et configurables, adaptées à la criticité du processus contrôlé. Les philosophies de redondance peuvent être appliquées aux capteurs, aux réseaux, aux contrôleurs et aux modules de sortie, offrant une approche de défense en profondeur pour maximiser la disponibilité et atténuer les points de défaillance uniques.
Les systèmes à double redondance constituent une configuration courante pour les applications à haute disponibilité. Dans cette configuration, les signaux d'entrée des capteurs sont lus par des packs d'entrée (qui peuvent eux-mêmes être simples ou redondants) et transmis via deux IONets indépendants à une paire de contrôleurs Mark VIe. Ces contrôleurs exécutent un logiciel d’application identique de manière synchronisée. Les sorties des contrôleurs sont ensuite envoyées aux packs de sorties. Pour les éléments de contrôle finaux les plus critiques, un schéma de sortie à triple vote peut être implémenté, dans lequel trois packs d'E/S de sortie distincts reçoivent les signaux de commande. Un voteur matériel ou logiciel sélectionne la sortie correcte sur la base d'un vote majoritaire (2 sur 3), garantissant qu'une défaillance dans un canal de sortie ne provoque pas d'action parasite dans l'appareil de terrain. Cette architecture peut accueillir des entrées de capteurs redondantes simples, doubles ou triples.
Pour la plus grande criticité, un système triple redondance modulaire (TMR) est déployé. Cette configuration est conçue pour tolérer une défaillance d'un seul composant sans perturber le processus. Trois contrôleurs indépendants fonctionnent en parallèle, recevant les données d'entrée de capteurs à triple redondance via trois IONets distincts. Le système effectue en permanence un vote (soit une sélection 2 sur 3, soit une sélection de valeur médiane) sur tous les signaux d'entrée critiques. Chaque contrôleur exécute sa logique en fonction de cette valeur votée ou « correcte ». Des diagnostics sophistiqués surveillent en permanence les trois canaux, identifiant et alarmant rapidement en cas de panne d'un appareil. Cette capacité réduit considérablement le temps moyen de réparation (MTTR) en identifiant instantanément le composant défectueux. De plus, la fonction de réparation en ligne du système permet aux techniciens de remplacer le module défaillant sans mettre l'ensemble du processus hors ligne, augmentant ainsi considérablement le temps moyen entre les pannes forcées (MTBFO). Les capteurs de terrain pour ces systèmes peuvent être configurés comme simples, doubles ou triples, en fonction du niveau d'intégrité requis.
Les packs d'E/S du système Mark VIe sont bien plus que de simples convertisseurs de signal ; ce sont des dispositifs intelligents qui contribuent de manière significative à la capacité globale du système. Chaque pack comprend une carte processeur locale exécutant un système d'exploitation en temps réel et une carte d'acquisition de données spécialisée. Cette conception permet un traitement distribué, permettant à des fonctions telles que des boucles PID rapides ou une régulation de servovanne d'être exécutées localement au sein du module à des vitesses très élevées, indépendamment du temps de scrutation du contrôleur principal.
Une caractéristique clé de ces modules est un capteur de température intégré avec une précision de ±2°C. Ce capteur surveille en permanence la température de fonctionnement du pack d'E/S. Si une température excessive est détectée, une alarme de diagnostic est générée. La valeur de température et l'état de l'alarme sont mis à disposition dans la base de données du système de contrôle (espace de signal), permettant à la logique de contrôle de prendre des actions préventives, telles que le lancement d'un arrêt contrôlé ou l'alerte des opérateurs avec un message d'alarme personnalisé, évitant ainsi les dommages matériels.
Les fonctionnalités standard des modules d'E/S incluent deux ports Ethernet full-duplex de 100 Mo pour une connectivité réseau robuste, une prise en charge complète de la réparation et du remplacement en ligne et une reconfiguration automatique lors du remplacement du module. Les spécifications de précision sont garanties sur toute la plage de températures de fonctionnement. L'état est indiqué via des LED pour l'alimentation, l'activité du réseau et les conditions spécifiques à l'application. Les modules sont alimentés par une alimentation de 28 V CC, dotée d'une protection de circuit statique interne avec un point de déclenchement nominal de 2 A et un circuit de démarrage progressif pour éviter les problèmes de courant d'appel. L'alimentation CC négative est mise à la terre via le boîtier métallique, améliorant ainsi l'immunité au bruit et la sécurité.
Le système Mark VIe propose deux principaux types de modules terminaux (modules de type T et de type S) pour répondre aux différents besoins de câblage et de redondance.
Les modules de type T sont conçus pour les applications nécessitant des niveaux élevés de redondance et d'isolation des signaux. Ils distribuent généralement un signal d'entrée de champ unique à trois packs d'E/S distincts pour les systèmes TMR. Ces modules contiennent deux borniers amovibles de type barrière à 24 points. Chaque point peut accepter deux fils jusqu'à 3,0 mm² (#12 AWG) avec un indice d'isolation de 300 V, et prend en charge des cosses à fourche ou à anneau, ainsi que des pinces imperdables pour les fils nus. L'espacement des vis est d'au moins 9,53 mm de centre à centre. Ils sont généralement montés en surface et comprennent une bande de blindage intégrée connectée à la base de montage pour une compatibilité électromagnétique (CEM) améliorée.
Les modules de type S offrent une solution plus compacte et plus rentable pour les applications TMR simplex, doubles ou dédiées où les signaux ne sont pas distribués. Ils font la moitié de la taille des modules de type T et peuvent être montés sur rail DIN ou en surface. Ils offrent un seul point de terminaison par signal d'E/S. Les bornes fixes de type boîte acceptent un fil de 3,0 mm² ou deux fils de 2,0 mm² (#14 AWG). Une version avec bornes amovibles est également disponible, permettant un remplacement sur site par des technologies de connexion alternatives telles que les types à ressort ou à déplacement d'isolant. Chaque bloc comprend une bande de blindage reliée à la terre fonctionnelle.
Les composants Mark VIe sont conçus pour un déploiement mondial dans diverses conditions environnementales. Les composants électroniques de base, notamment les contrôleurs, les modules d'E/S et les alimentations, sont conçus pour fonctionner entre -30 °C et 65 °C. Pour garantir la fiabilité, il est recommandé que les modules avec des températures nominales plus restrictives, tels que certaines passerelles de bus de terrain (par exemple, PROFIBUS Master : -20 à 55 °C, FOUNDATION Fieldbus : 0 à 55 °C), soient installés plus bas dans l'armoire de commande, là où les températures sont plus fraîches. Les équipements des salles de contrôle, comme les postes de travail des opérateurs, ont une plage de fonctionnement plus étroite de 20 à 30°C. Tous les équipements sont conçus pour résister à des plages de températures plus larges (-40 à 85°C pour les contrôleurs, 0 à 30°C pour les postes de travail) pendant le transport et le stockage.
Les capacités matérielles du Mark VIe sont entièrement débloquées par la suite logicielle ControlST. Cet ensemble d'outils intégré fournit un environnement unifié pour chaque aspect du cycle de vie du système de contrôle. L'application ToolboxST constitue sa base, utilisée pour la programmation, la configuration, les tendances en temps réel et l'analyse de diagnostic approfondie sur tous les systèmes Mark VIe et Mark VIeS. Il garantit que des données de haute qualité et cohérentes dans le temps sont disponibles à la fois au sein des contrôleurs et au niveau de l'usine, formant ainsi une base solide pour une gestion efficace des actifs et une prise de décision opérationnelle.
Pour les applications critiques en matière de sécurité nécessitant une certification selon des normes telles que la norme CEI 61508, le système de sécurité Mark VIeS est utilisé. Ce système utilise la même suite logicielle ControlST et le même ensemble d'outils ToolboxST pour la maintenance et la configuration, réduisant considérablement les besoins de formation des opérateurs. Cependant, il conserve un ensemble physiquement et logiquement séparé de blocs fonctionnels matériels et logiciels certifiés. ToolboxST fournit des fonctionnalités de sécurité pour verrouiller ou déverrouiller le système de sécurité pour la configuration et la programmation des fonctions instrumentées de sécurité (SIF), garantissant ainsi que l'intégrité de la logique de sécurité n'est jamais compromise.
Le portefeuille d'E/S du système est vaste, englobant à la fois des modules génériques tels que des entrées discrètes (variant en fonction de la tension nominale et de l'isolation) et des modules spécifiques à une application hautement spécialisés. Par exemple, des modules d'asservissement dédiés fournissent le traitement ultra-rapide requis pour un contrôle précis en boucle fermée des actionneurs de turbine. De même, des modules spécialisés de surveillance des vibrations sont disponibles pour mesurer avec précision le déplacement radial et axial de l'arbre dans les machines tournantes, intégrant la protection directement dans le système de contrôle. Les critères de sélection des modules incluent non seulement le type de signal, mais également la redondance requise, le niveau d'isolation, le style de bornier, la certification de sécurité (SIL) et les approbations pour une utilisation dans des zones dangereuses.
Références : 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
