Il sistema di controllo Mark VIe emerge come una soluzione sofisticata progettata per soddisfare le rigorose esigenze dell'automazione moderna in un ampio spettro di applicazioni, dalla generazione di energia ai complessi processi di produzione. Questa piattaforma integrata si distingue per la sua architettura avanzata, che fonde perfettamente reti deterministiche ad alta velocità con opzioni di ridondanza complete e un ambiente software unificato.
Al centro del sistema Mark VIe si trova un potente controller a scheda singola. Questa unità integra l'unità di elaborazione principale con driver Ethernet ridondanti progettati specificatamente per la gestione delle comunicazioni di ingresso/uscita (I/O) di rete. Sono integrate ulteriori interfacce Ethernet dedicate per gestire il traffico di rete di controllo, garantendo un flusso di dati separato e prioritario. Il controller opera su un sistema operativo multitasking in tempo reale, garantendo prestazioni deterministiche per i circuiti di controllo sensibili al fattore tempo. La logica dell'applicazione viene eseguita utilizzando un linguaggio di programmazione configurabile basato su blocchi, archiviato nella memoria non volatile per evitare perdite durante i cicli di accensione. Questo linguaggio, simile al formato a virgola mobile a 32 bit IEEE 854, fornisce agli ingegneri un ambiente potente e familiare per lo sviluppo di strategie di controllo complesse. Inoltre, sono disponibili diagrammi funzionali sequenziali (SFC) per orchestrare sequenze operative complesse, migliorando la capacità del sistema di gestire sofisticati processi multistadio.
Un elemento fondamentale dell'architettura è la rete I/O, o IONet. Si tratta di un protocollo dedicato, full-duplex, punto a punto che stabilisce un'infrastruttura di comunicazione deterministica e ad alta velocità da 100 MB. IONet è progettato per supportare dispositivi I/O sia localizzati che distribuiti, fungendo da autostrada dati critica tra i controller principali e i vari moduli I/O collegati in rete. La sua natura deterministica garantisce che i pacchetti di dati vengano consegnati entro un periodo di tempo garantito, che è essenziale per applicazioni di controllo precise. La rete supporta configurazioni ridondanti singole, doppie e triple e offre interfacce sia in rame che in fibra ottica per soddisfare diversi requisiti di installazione, come l'immunità alle interferenze elettromagnetiche in ambienti impiantistici difficili.
Il sottosistema I/O fisico è strutturato attorno a pacchetti I/O modulari. Ogni modulo è composto da tre elementi principali: una morsettiera, una morsettiera e il pacchetto I/O stesso. Le morsettiere a barriera o a scatola vengono montate sulla morsettiera, che viene successivamente fissata su una guida DIN o su una piastra base all'interno del quadro elettrico. Il pacchetto I/O è il componente intelligente, che ospita due porte Ethernet per la connessione a IONet, un alimentatore, un processore locale dedicato e una scheda di acquisizione dati specificatamente adattata per la sua funzione I/O. Questo design modulare consente l'espansione scalabile del sistema; La capacità I/O viene aumentata semplicemente aggiungendo più pacchetti alla rete. Questa flessibilità consente implementazioni in configurazioni simplex, doppie o triple ridondanti modulari (TMR). Per le applicazioni che richiedono velocità eccezionali, come il servocontrollo, il processore locale all'interno di ciascun pacchetto può eseguire algoritmi specializzati a velocità significativamente più elevate rispetto al loop di controllo principale, alleggerendo il carico di elaborazione dal controller centrale e migliorando le prestazioni complessive del sistema.
La piattaforma Mark VIe è rinomata per le sue funzionalità di ridondanza estese e configurabili, adattate alla criticità del processo controllato. Le filosofie di ridondanza possono essere applicate a sensori, reti, controller e moduli di output, fornendo un approccio di difesa approfondito per massimizzare la disponibilità e mitigare i singoli punti di guasto.
I sistemi ridondanti doppi sono una configurazione comune per le applicazioni ad alta disponibilità. In questa configurazione, i segnali di ingresso provenienti dai sensori vengono letti dai pacchetti di input (che possono essere singoli o ridondanti) e trasmessi su IONet doppi e indipendenti a una coppia di controller Mark VIe. Questi controller eseguono software applicativo identico in sincronia. Gli output dei controller vengono quindi inviati ai pacchetti di output. Per gli elementi di controllo finali più critici, è possibile implementare uno schema di uscita a tripla votazione, in cui tre pacchetti I/O di uscita separati ricevono i segnali di comando. Un elettore basato su hardware o software seleziona l'uscita corretta in base a un voto a maggioranza (2 su 3), garantendo che un guasto in un canale di uscita non causi un'azione spuria nel dispositivo di campo. Questa architettura può ospitare ingressi sensore ridondanti singoli, doppi o tripli.
Per la massima criticità, viene implementato un sistema triplo ridondante modulare (TMR). Questa configurazione è progettata per tollerare un guasto in ogni singolo componente senza interrompere il processo. Tre controller indipendenti funzionano in parallelo, ricevendo dati di input da sensori a tripla ridondanza tramite tre IONet separati. Il sistema esegue continuamente un voto (una selezione 2 su 3 o una selezione del valore mediano) su tutti i segnali di ingresso critici. Ogni controller esegue la propria logica in base a questo valore votato, o 'corretto'. La diagnostica sofisticata monitora continuamente tutti e tre i canali, identificando rapidamente e generando allarmi in caso di guasto del dispositivo. Questa funzionalità riduce drasticamente il tempo medio di riparazione (MTTR) individuando istantaneamente il componente difettoso. Inoltre, la funzionalità di riparazione online del sistema consente ai tecnici di sostituire il modulo guasto senza portare offline l'intero processo, aumentando così in modo significativo il tempo medio tra le interruzioni forzate (MTBFO). I sensori di campo per questi sistemi possono essere configurati come singoli, doppi o tripli, a seconda del livello di integrità richiesto.
I pacchetti I/O del sistema Mark VIe sono molto più che semplici convertitori di segnale; sono dispositivi intelligenti che contribuiscono in modo significativo alla capacità complessiva del sistema. Ciascun pacchetto comprende una scheda processore locale che esegue un sistema operativo in tempo reale e una scheda specializzata per l'acquisizione dati. Questo design consente l'elaborazione distribuita, consentendo l'esecuzione locale di funzioni come i loop PID veloci o la regolazione della servovalvola a velocità molto elevate, indipendentemente dal tempo di scansione del controller principale.
Una caratteristica fondamentale di questi moduli è un sensore di temperatura integrato con una precisione di ±2°C. Questo sensore monitora continuamente la temperatura operativa del pacchetto I/O. Se viene rilevata una temperatura eccessiva, genera un allarme diagnostico. Il valore della temperatura e lo stato dell'allarme sono resi disponibili nel database del sistema di controllo (spazio segnale), consentendo alla logica di controllo di intraprendere azioni preventive, come avviare uno spegnimento controllato o avvisare gli operatori con un messaggio di allarme personalizzato, prevenendo così danni all'hardware.
Le caratteristiche standard dei moduli I/O includono doppie porte Ethernet full-duplex da 100 MB per una solida connettività di rete, supporto completo per riparazioni e sostituzioni online e riconfigurazione automatica alla sostituzione del modulo. Le specifiche di precisione sono garantite sull'intero intervallo di temperature di esercizio. Lo stato è indicato tramite LED per alimentazione, attività di rete e condizioni specifiche dell'applicazione. I moduli sono alimentati da un'alimentazione a 28 V CC, dotata di protezione interna del circuito a stato solido con un punto di intervento nominale di 2 A e un circuito di avvio graduale per evitare problemi di corrente di spunto. L'alimentazione CC negativa è messa a terra attraverso l'involucro metallico, migliorando l'immunità al rumore e la sicurezza.
Il sistema Mark VIe offre due tipi principali di moduli terminali (moduli di tipo T e di tipo S) per soddisfare diverse esigenze di cablaggio e ridondanza.
I moduli T-Type sono progettati per applicazioni che richiedono elevati livelli di ridondanza e isolamento del segnale. In genere distribuiscono un singolo segnale di ingresso di campo a tre pacchetti I/O separati per i sistemi TMR. Questi moduli contengono due morsettiere rimovibili a barriera da 24 punti. Ciascun punto può accettare due cavi fino a 3,0 mm² (#12 AWG) con grado di isolamento di 300 V e supporta capicorda a forcella o ad anello, nonché morsetti imperdibili per cavi scoperti. La spaziatura delle viti è di minimo 9,53 mm da centro a centro. Sono generalmente montati su superficie e includono una striscia di schermatura integrata collegata alla base di montaggio per una migliore compatibilità elettromagnetica (EMC).
I moduli di tipo S forniscono una soluzione più compatta ed economica per applicazioni TMR simplex, doppie o dedicate in cui i segnali non vengono distribuiti a ventaglio. Sono grandi la metà dei moduli di tipo T e possono essere montati su guida DIN o su superficie. Offrono un singolo punto terminale per segnale I/O. I terminali fissi a scatola accettano un filo da 3,0 mm² o due fili da 2,0 mm² (n. 14 AWG). È disponibile anche una versione con terminali rimovibili, che consente la sostituzione sul campo con tecnologie di connessione alternative come i tipi con morsetto a molla o a perforazione di isolante. Ogni blocco include una striscia di protezione collegata alla terra funzionale.
I componenti Mark VIe sono progettati per l'implementazione globale in una varietà di condizioni ambientali. I componenti elettronici principali, inclusi controller, moduli I/O e alimentatori, sono progettati per funzionare a temperature comprese tra -30°C e 65°C. Per garantire l'affidabilità, si consiglia di installare i moduli con temperature nominali più restrittive, come alcuni gateway bus di campo (ad esempio, master Profibus: da -20 a 55°C, FOUNDATION Fieldbus: da 0 a 55°C), essere installati più in basso nel quadro elettrico dove le temperature sono più fresche. Le apparecchiature della sala di controllo, come le postazioni di lavoro degli operatori, hanno un intervallo operativo più ristretto compreso tra 20 e 30°C. Tutte le apparecchiature sono progettate per resistere a intervalli di temperatura più ampi (da -40 a 85°C per i controller, da 0 a 30°C per le workstation) durante la spedizione e lo stoccaggio.
Le funzionalità hardware del Mark VIe sono completamente sbloccate dalla suite software ControlST. Questo set integrato di strumenti fornisce un ambiente unificato per ogni aspetto del ciclo di vita del sistema di controllo. Al centro c'è l'applicazione ToolboxST, utilizzata per la programmazione, la configurazione, l'andamento in tempo reale e l'analisi diagnostica approfondita su tutti i sistemi Mark VIe e Mark VIeS. Garantisce che dati di alta qualità e coerenti nel tempo siano disponibili sia all'interno dei controllori che a livello di impianto, costituendo una solida base per una gestione efficace delle risorse e un processo decisionale operativo.
Per le applicazioni critiche per la sicurezza che richiedono la certificazione secondo standard come IEC 61508, viene utilizzato il sistema Mark VIeS Safety. Questo sistema utilizza la stessa familiare suite software ControlST e il set di strumenti ToolboxST per la manutenzione e la configurazione, riducendo notevolmente i requisiti di formazione degli operatori. Tuttavia, mantiene un insieme fisicamente e logicamente separato di blocchi funzione hardware e software certificati. ToolboxST fornisce funzionalità di sicurezza per bloccare o sbloccare il sistema di sicurezza per la configurazione e la programmazione delle funzioni strumentate di sicurezza (SIF), garantendo che l'integrità della logica di sicurezza non venga mai compromessa.
Il portafoglio I/O del sistema è vasto e comprende sia moduli generici come ingressi discreti (che variano in base alla tensione nominale e all'isolamento) sia moduli specifici per l'applicazione altamente specializzati. Ad esempio, i moduli servo dedicati forniscono l'elaborazione ultraveloce necessaria per un controllo preciso a circuito chiuso degli attuatori delle turbine. Allo stesso modo, sono disponibili moduli specializzati per il monitoraggio delle vibrazioni per misurare con precisione lo spostamento radiale e assiale dell'albero nelle macchine rotanti, integrando la protezione direttamente nel sistema di controllo. I criteri di selezione dei moduli includono non solo il tipo di segnale, ma anche la ridondanza richiesta, il livello di isolamento, il tipo di morsettiera, la certificazione di sicurezza (SIL) e le approvazioni per l'uso in aree pericolose.
Riferimenti: 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
