इनवेंसिस ट्राइकोनेक्स टीएमआर आर्किटेक्चर

इनवेनसिस ऑपरेशंस मैनेजमेंट (अब श्नाइडर इलेक्ट्रिक का हिस्सा) द्वारा विकसित ट्राइकोनेक्स वी10 सिस्टम, एक अत्यधिक विश्वसनीय और उपलब्ध ट्रिपल मॉड्यूलर रिडंडेंट (टीएमआर) प्रोग्रामेबल लॉजिक कंट्रोलर (पीएलसी) है जो परमाणु ऊर्जा, पेट्रोकेमिकल और बिजली उत्पादन जैसे बेहद उच्च सुरक्षा और विश्वसनीयता आवश्यकताओं वाले उद्योगों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इस प्रणाली को मूल वेस्टिंगहाउस ईगल 21 सुरक्षा प्रणाली की जगह, पैसिफिक गैस एंड इलेक्ट्रिक कंपनी (पीजी एंड ई) डियाब्लो कैन्यन न्यूक्लियर पावर प्लांट में प्रोसेस प्रोटेक्शन सिस्टम (पीपीएस) अपग्रेड प्रोजेक्ट के लिए चुना गया था।

ट्राइकोनेक्स V10 प्रणाली निरर्थक हार्डवेयर और सॉफ़्टवेयर डिज़ाइन के माध्यम से ट्रिपल मॉड्यूलर रिडंडेंट (टीएमआर) आर्किटेक्चर को नियोजित करती है, जो एकल या एकाधिक बिंदु विफलता होने पर भी निरंतर संचालन और विश्वसनीय सुरक्षा सुनिश्चित करती है।

टीएमआर वास्तुकला के मूल सिद्धांत

ट्राइकोनेक्स प्रणाली का मूल इसका ट्रिपल मॉड्यूलर रिडंडेंट (टीएमआर) आर्किटेक्चर है, जो भौतिक अलगाव, समानांतर प्रसंस्करण और बहुमत मतदान तंत्र के माध्यम से अत्यधिक उच्च दोष सहिष्णुता और सिस्टम विश्वसनीयता प्राप्त करता है। पूरे सिस्टम में तीन पूरी तरह से स्वतंत्र प्रसंस्करण चैनल होते हैं, प्रत्येक में एक पूर्ण सिग्नल प्रोसेसिंग श्रृंखला होती है: सेंसर सिग्नल इनपुट, एनालॉग/डिजिटल रूपांतरण, नियंत्रण तर्क के मुख्य प्रोसेसर निष्पादन से लेकर अंतिम आउटपुट ड्राइव तक। ये तीन चैनल भौतिक और विद्युत दोनों रूप से पूरी तरह से अलग-थलग हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि किसी एक चैनल में विफलता अन्य दो चैनलों के सामान्य संचालन को प्रभावित नहीं करती है।

प्रत्येक स्कैन चक्र की शुरुआत में, तीन मुख्य प्रोसेसर मॉड्यूल समय को सिंक्रनाइज़ करते हैं और समर्पित ट्राइबस हाई-स्पीड सिंक्रोनस बस के माध्यम से डेटा का आदान-प्रदान करते हैं। ट्राईबस को भी ट्रिपल रिडंडेंसी के साथ डिज़ाइन किया गया है, जिसमें तीन स्वतंत्र सीरियल संचार लिंक हैं, जिनमें से प्रत्येक विशेष रूप से एक मुख्य प्रोसेसर चैनल की सेवा प्रदान करता है। यह डिज़ाइन सुनिश्चित करता है कि भले ही एक ट्राईबस लिंक विफल हो जाए, शेष लिंक अभी भी सिस्टम संचार और सिंक्रनाइज़ेशन कार्यों को बनाए रख सकते हैं। सिंक्रनाइज़ेशन के बाद, प्रत्येक मुख्य प्रोसेसर अपने संबंधित चैनल से इनपुट डेटा पढ़ना शुरू कर देता है। डिजिटल इनपुट सिग्नल के लिए, सिस्टम एक हार्डवेयर वोटिंग तंत्र का उपयोग करता है जहां तीन चैनल एक ही सिग्नल को अलग-अलग पढ़ते हैं, फिर बहुमत वोटिंग के माध्यम से अंतिम वैध मूल्य निर्धारित करते हैं। यह डिज़ाइन चैनल विफलताओं या बाहरी हस्तक्षेप के कारण होने वाले त्रुटि संकेतों को स्वचालित रूप से ढाल सकता है।

एनालॉग इनपुट सिग्नल के लिए, सिस्टम प्रसंस्करण के लिए एक माध्य चयन एल्गोरिदम का उपयोग करता है। तीन चैनल अलग-अलग नमूना लेते हैं और एनालॉग सिग्नल पर एनालॉग-टू-डिजिटल रूपांतरण करते हैं, फिर तीन रूपांतरण परिणामों की तुलना करते हैं और वैध इनपुट के रूप में औसत मूल्य का चयन करते हैं। यह प्रसंस्करण विधि एकल चैनल में विफलताओं के कारण होने वाले सिग्नल विचलन से बचते हुए शोर हस्तक्षेप को प्रभावी ढंग से दबा देती है। सभी इनपुट सिग्नलों के वोट या चयन के बाद, नियंत्रण तर्क को निष्पादित करने के लिए तीन मुख्य प्रोसेसर के लिए एक सुसंगत इनपुट डेटा तालिका बनाई जाती है।

नियंत्रण कार्यक्रम का निष्पादन पूरी तरह से स्वतंत्र और तीन चैनलों में समानांतर है। प्रत्येक मुख्य प्रोसेसर, सुसंगत इनपुट डेटा के आधार पर, समान नियंत्रण एल्गोरिदम निष्पादित करता है और आउटपुट परिणाम उत्पन्न करता है। आउटपुट डेटा को आउटपुट मॉड्यूल में भेजे जाने से पहले एक और वोटिंग प्रक्रिया से गुजरना होगा। प्रत्येक मुख्य प्रोसेसर ट्राइबस के माध्यम से अपना आउटपुट डेटा अन्य दो मुख्य प्रोसेसर को भेजता है, और तीन प्रोसेसर आउटपुट डेटा पर क्रॉस-तुलना और वोट करते हैं। यदि किसी प्रोसेसर का आउटपुट डेटा अन्य दो के साथ असंगत है, तो सिस्टम इसे दोषपूर्ण चैनल के रूप में चिह्नित करता है, इसके आउटपुट को अलग करता है, और शेष दो स्वस्थ चैनलों को नियंत्रण कार्य जारी रखने की अनुमति देता है।

आउटपुट मॉड्यूल भी ट्रिपल रिडंडेंट डिज़ाइन को अपनाते हैं, जिसमें प्रत्येक आउटपुट बिंदु तीन स्वतंत्र आउटपुट सर्किट द्वारा संचालित होता है। आउटपुट मॉड्यूल में अंतर्निहित आउटपुट वोटर डायग्नोस्टिक्स (ओवीडी) कार्यक्षमता है, जो प्रत्येक आउटपुट बिंदु पर समय-समय पर मजबूर परीक्षण करने में सक्षम है। सिस्टम क्रमिक रूप से आउटपुट बिंदुओं को सक्रिय और डी-एनर्जेटिक स्थिति में ले जाता है और पता लगाता है कि आउटपुट प्रतिक्रिया सामान्य है या नहीं। यह परीक्षण आउटपुट सर्किट की विश्वसनीयता सुनिश्चित करते हुए 500 माइक्रोसेकंड से 2 मिलीसेकंड के भीतर पूरा किया जा सकता है। सभी नैदानिक ​​परीक्षण टीएमआर मोड में आयोजित किए जाते हैं, जो किसी भी एकल बिंदु विफलता स्थिति के तहत 100% गलती का पता लगाने की कवरेज की गारंटी देता है।

सिस्टम की दोष सहनशीलता निदान और सुरक्षा तंत्र की कई परतों के माध्यम से हासिल की जाती है। प्रत्येक मुख्य प्रोसेसर मॉड्यूल स्वतंत्र मेमोरी डिटेक्शन, क्लॉक मॉनिटरिंग और वॉचडॉग टाइमर से सुसज्जित है। फर्मवेयर निष्पादन और संचार स्थिति की निगरानी के लिए I/O मॉड्यूल में अपने स्वयं के प्रोसेसर और वॉचडॉग सर्किट भी होते हैं। सभी बस प्रणालियाँ (ट्राइबस, आई/ओ बस, कम्युनिकेशन बस) ट्रिपल रिडंडंट डिज़ाइन अपनाती हैं और उनमें निरंतर अखंडता निगरानी कार्य होते हैं। जब किसी खराबी का पता चलता है, तो सिस्टम स्वचालित रूप से दोषपूर्ण घटक को अलग कर सकता है और संकेतक रोशनी और अलार्म सिग्नल के माध्यम से ऑपरेटरों को सूचित कर सकता है। सिस्टम के चलने के दौरान दोषपूर्ण मॉड्यूल को बदला जा सकता है, जिससे सही ऑनलाइन मरम्मत संभव हो सकेगी और सिस्टम की उपलब्धता अधिकतम हो सकेगी।

सिस्टम संरचना और कार्य

ट्राइकोनेक्स V10 सिस्टम का हार्डवेयर आर्किटेक्चर एक मॉड्यूलर डिज़ाइन को अपनाता है, जो अच्छी स्केलेबिलिटी और लचीलापन प्रदान करता है। प्रत्येक पूर्ण सुरक्षा सेट में तीन मुख्य घटक होते हैं: मुख्य चेसिस, सुरक्षा-संबंधित प्राथमिक रिमोट विस्तार चेसिस (प्राथमिक आरएक्सएम), और गैर-सुरक्षा-संबंधित रिमोट विस्तार चेसिस (रिमोट आरएक्सएम)। यह पदानुक्रमित डिज़ाइन गैर-सुरक्षा प्रणालियों के साथ संचार के लिए इंटरफ़ेस क्षमताएं प्रदान करते हुए सुरक्षा-संबंधित कार्यों की विश्वसनीयता सुनिश्चित करता है।

मुख्य चेसिस पूरे सिस्टम की मुख्य प्रसंस्करण इकाई है, जिसमें हस्तक्षेप और पर्यावरणीय अनुकूलनशीलता के प्रति उच्च प्रतिरक्षा के साथ एक मजबूत औद्योगिक-ग्रेड डिज़ाइन शामिल है। चेसिस के सबसे बाईं ओर अतिरेक में कॉन्फ़िगर किए गए दो स्वतंत्र बिजली आपूर्ति मॉड्यूल हैं; प्रत्येक स्वतंत्र रूप से संपूर्ण चेसिस को पावर दे सकता है। बिजली को दोहरी पावर रेल के माध्यम से बैकप्लेन के केंद्र में वितरित किया जाता है, प्रत्येक मॉड्यूल दोहरी पावर नियामकों के माध्यम से दोनों रेल से बिजली खींचता है, जिससे बिजली प्रणाली की विश्वसनीयता सुनिश्चित होती है। पावर मॉड्यूल के ठीक बगल में तीन 3008N मुख्य प्रोसेसर मॉड्यूल (एमपी ए, बी, सी) हैं। ये मॉड्यूल 32-बिट सुरक्षा-ग्रेड माइक्रोप्रोसेसरों का उपयोग करते हैं, प्रत्येक में दो प्रोसेसिंग इकाइयाँ होती हैं: एक एप्लिकेशन प्रोसेसर और एक I/O और संचार नियंत्रक (IOCCOM)। एप्लिकेशन प्रोसेसर ETSX ऑपरेटिंग सिस्टम को चलाने और नियंत्रण एप्लिकेशन को निष्पादित करने के लिए जिम्मेदार है, जबकि IOCCOM प्रोसेसर I/O बस और संचार बस का प्रबंधन करता है।

मुख्य चेसिस के शेष भाग को विभिन्न I/O मॉड्यूल और संचार मॉड्यूल स्थापित करने के लिए छह तार्किक स्लॉट में विभाजित किया गया है। प्रत्येक तार्किक स्लॉट दो भौतिक स्थिति प्रदान करता है, एक सक्रिय मॉड्यूल के लिए और दूसरा वैकल्पिक हॉट-स्टैंडबाय मॉड्यूल के लिए। यह डिज़ाइन सिस्टम संचालन को बाधित किए बिना दोषपूर्ण मॉड्यूल को बदलने की अनुमति देता है। संचार मॉड्यूल स्लॉट समर्पित है और हॉट-स्टैंडबाय स्थिति प्रदान नहीं करता है। सभी मॉड्यूल सटीक बैकप्लेन कनेक्टर के माध्यम से बैकप्लेन बस सिस्टम से जुड़ते हैं, जिससे सिग्नल की अखंडता और विश्वसनीयता सुनिश्चित होती है।

सुरक्षा-संबंधी प्राथमिक रिमोट एक्सपेंशन चेसिस (प्राथमिक आरएक्सएम) ट्रिपल-रिडंडेंट I/O बस केबल के माध्यम से मुख्य चेसिस से जुड़ा है और इसका उपयोग सुरक्षा-संबंधित I/O बिंदुओं का विस्तार करने के लिए किया जाता है। आरएक्सएम चेसिस की संरचना मुख्य चेसिस के समान है, लेकिन आरएक्सएम मॉड्यूल मुख्य प्रोसेसर पदों पर स्थापित हैं। ये मॉड्यूल विस्तार चेसिस और मुख्य चेसिस के बीच संचार और डेटा ट्रांसमिशन के प्रबंधन के लिए जिम्मेदार हैं। प्राथमिक आरएक्सएम चेसिस आमतौर पर मुख्य चेसिस के पास स्थापित की जाती है और इसका उपयोग उन I/O मॉड्यूल को समायोजित करने के लिए किया जाता है जो सुरक्षा से संबंधित हैं लेकिन उन्हें मुख्य चेसिस में स्थित होने की आवश्यकता नहीं है।

गैर-सुरक्षा-संबंधी रिमोट एक्सपेंशन चेसिस (रिमोट आरएक्सएम) मल्टीमोड फाइबर ऑप्टिक्स के माध्यम से प्राथमिक आरएक्सएम से जुड़ा है, जो सुरक्षा प्रणाली और गैर-सुरक्षा प्रणालियों के बीच विद्युत और भौतिक अलगाव प्रदान करता है। रिमोट आरएक्सएम चेसिस 4200-सीरीज़ आरएक्सएम मॉड्यूल का उपयोग करता है, जो फाइबर पर ट्रांसमिशन के लिए तांबे-आधारित I/O बस सिग्नल को ऑप्टिकल सिग्नल में परिवर्तित करता है। प्रत्येक I/O बस चैनल (ए, बी, सी) को प्राथमिक आरएक्सएम और रिमोट आरएक्सएम चेसिस को जोड़ने के लिए 4200-4201 आरएक्सएम मॉड्यूल और दो फाइबर (एक ट्रांसमिट, एक रिसीव) की एक जोड़ी की आवश्यकता होती है, कुल छह फाइबर। यह डिज़ाइन पूर्ण विद्युत अलगाव प्रदान करता है, प्रभावी ढंग से ग्राउंड लूप और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप के मुद्दों को रोकता है, जबकि लंबी दूरी पर सिग्नल अखंडता सुनिश्चित करता है।

सिस्टम की बस वास्तुकला एक बहु-स्तरीय निरर्थक डिज़ाइन का उपयोग करती है। ट्राईबस तीन मुख्य प्रोसेसरों को जोड़ने वाली एक आंतरिक हाई-स्पीड बस है, जिसका उपयोग डेटा सिंक्रोनाइज़ेशन, प्रोग्राम लोडिंग और क्रॉस-वोटिंग के लिए किया जाता है। I/O बस एक सिस्टम बस है जो मुख्य प्रोसेसर को I/O मॉड्यूल से जोड़ती है, जो 375 केबीपीएस की ट्रांसमिशन दर के साथ मास्टर-स्लेव सीरियल संचार प्रोटोकॉल का उपयोग करती है। संचार बस मुख्य प्रोसेसर को 2 एमबीपीएस की दर से संचार मॉड्यूल से जोड़ती है और बाहरी प्रणालियों के साथ संचार के लिए उपयोग की जाती है। सभी बसें ट्रिपल-अनावश्यक हैं, प्रत्येक बस में स्वतंत्र दोष का पता लगाने और अलगाव तंत्र हैं।

संचार और अलगाव के संदर्भ में, सिस्टम सख्त सुरक्षा गारंटी प्रदान करता है। ट्राइकॉन कम्युनिकेशन मॉड्यूल (टीसीएम) परमाणु सुरक्षा अनुप्रयोगों के लिए प्रमाणित एकमात्र संचार इंटरफ़ेस है, जो विद्युत और डेटा अलगाव प्रदान करता है। टीसीएम बाहरी नेटवर्क से जुड़ने के लिए फाइबर ऑप्टिक मीडिया का उपयोग करता है, यह सुनिश्चित करते हुए कि संचार त्रुटियां सुरक्षा कार्यों के निष्पादन को प्रभावित नहीं करती हैं। रखरखाव वर्कस्टेशन (एमडब्ल्यूएस) टीसीएम के माध्यम से ट्राइकॉन सिस्टम के साथ संचार करता है, जिसका उपयोग सिस्टम की स्थिति की निगरानी, ​​​​नैदानिक ​​​​जानकारी देखने और पैरामीटर संशोधन करने के लिए किया जाता है। गैर-सुरक्षा प्रणालियों के साथ सभी संचार सख्त पहुंच नियंत्रण और सुरक्षा ऑडिटिंग से गुजरते हैं, यह सुनिश्चित करते हुए कि सुरक्षा प्रणाली की अखंडता से समझौता नहीं किया जाता है।

सिस्टम एनालॉग इनपुट (एआई), एनालॉग आउटपुट (एओ), डिजिटल इनपुट (डीआई), और डिजिटल आउटपुट (डीओ) सहित आई/ओ मॉड्यूल की एक समृद्ध विविधता प्रदान करता है। प्रत्येक I/O मॉड्यूल एक ट्रिपल-अनावश्यक डिज़ाइन को अपनाता है, जिसमें तीन पूरी तरह से स्वतंत्र चैनल होते हैं, प्रत्येक का अपना प्रोसेसर और डायग्नोस्टिक सर्किट होता है। एनालॉग इनपुट मॉड्यूल विभिन्न सिग्नल प्रकारों जैसे 4-20mA, RTD और थर्मोकपल का समर्थन करते हैं, जिसमें उच्च परिशुद्धता और उच्च शोर प्रतिरक्षा होती है। डिजिटल आउटपुट मॉड्यूल आउटपुट वोटर डायग्नोस्टिक्स (ओवीडी) तकनीक का उपयोग करते हैं, जो समय-समय पर प्रत्येक आउटपुट बिंदु की विश्वसनीयता का परीक्षण करने में सक्षम है। सभी I/O मॉड्यूल हॉट-स्वैपिंग कार्यक्षमता का समर्थन करते हैं, जिससे सिस्टम चलने के दौरान प्रतिस्थापन की अनुमति मिलती है, जिससे सिस्टम रखरखाव और उपलब्धता में काफी वृद्धि होती है।

सॉफ्टवेयर आर्किटेक्चर

1. ऑपरेटिंग सिस्टम और फ़र्मवेयर

• ईटीएसएक्स ऑपरेटिंग सिस्टम: प्रत्येक एमपी के एप्लिकेशन प्रोसेसर पर चलता है, जो सिस्टम शेड्यूलिंग, रिडंडेंसी प्रबंधन और गलती से निपटने के लिए जिम्मेदार है।

• IOCCOM प्रोसेसर: डुअल-पोर्ट रैम (DPRAM) के माध्यम से MP के साथ डेटा का आदान-प्रदान करते हुए I/O और संचार बसों का प्रबंधन करता है।

2. एप्लीकेशन सॉफ्टवेयर

• ट्राइस्टेशन 1131: फ़ंक्शन ब्लॉक डायग्राम (एफबीडी) और स्ट्रक्चर्ड टेक्स्ट (एसटी) प्रोग्रामिंग भाषाओं दोनों का समर्थन करते हुए, सुरक्षा-संबंधित एप्लिकेशन सॉफ़्टवेयर विकसित करने के लिए उपयोग किया जाता है।

• सॉफ़्टवेयर इंटीग्रिटी लेवल (SIL4): IEEE 1012-1998 मानक का अनुपालन करता है, जो परमाणु सुरक्षा से संबंधित प्रणालियों के लिए उपयुक्त है।

3. ऑनलाइन रखरखाव और परीक्षण कार्य

• आउट-ऑफ-सर्विस (ओओएस) स्विच: अन्य सुरक्षा कार्यों को प्रभावित किए बिना परीक्षण या पैरामीटर संशोधन के लिए एक विशिष्ट सुरक्षा फ़ंक्शन को अस्थायी रूप से सेवा से बाहर करने की अनुमति देता है।

• बाईपास फ़ंक्शन: रखरखाव या परीक्षण उद्देश्यों के लिए एक चैनल को सॉफ़्टवेयर या हार्डवेयर स्विच के माध्यम से बाईपास किया जा सकता है।

• डायग्नोस्टिक्स और अलार्मिंग: सिस्टम लगातार प्रत्येक मॉड्यूल की स्थिति की निगरानी करता है और एमडब्ल्यूएस के माध्यम से विस्तृत गलती की जानकारी प्रदान करता है।

अनुप्रयोग परिदृश्य और लाभ

1. परमाणु ऊर्जा संयंत्र प्रक्रिया सुरक्षा प्रणाली (पीपीएस)

• कार्य: संयंत्र मापदंडों (जैसे तापमान, दबाव, जल स्तर, आदि) पर नज़र रखता है, सेटपॉइंट के साथ उनकी तुलना करता है, और सीमा पार होने पर रिएक्टर ट्रिप सिस्टम (आरटीएस) या इंजीनियर्ड सेफ्टी फीचर्स एक्चुएशन सिस्टम (ईएसएफएएस) को ट्रिगर करता है।

• चैनल पृथक्करण: चार सुरक्षा सेट (I-IV) क्रमशः विभिन्न सुरक्षा कार्यों को संभालते हैं, अतिरेक और स्वतंत्रता सुनिश्चित करते हैं।

2. लाभ एवं विशेषताएँ

• उच्च विश्वसनीयता: टीएमआर आर्किटेक्चर विफलता का एक भी बिंदु सुनिश्चित नहीं करता है।

• उच्च उपलब्धता: ऑनलाइन मरम्मत और मॉड्यूल हॉट-स्वैपिंग का समर्थन करता है।

• लचीलापन: विभिन्न I/O प्रकार और संचार प्रोटोकॉल का समर्थन करता है।

• सुरक्षा: परमाणु सुरक्षा नियमों (उदाहरण के लिए, 10 सीएफआर 50 परिशिष्ट बी), आरजी 1.152, और अन्य आवश्यकताओं का अनुपालन करता है।

• रखरखाव में आसानी: विस्तृत नैदानिक ​​जानकारी और दूरस्थ निगरानी क्षमताएं प्रदान करता है।

संदर्भ：https://www.nrc.gov/docs/ML1131/ML11318A029.pdf