De HIQuad X is een innovatief, krachtig veiligheidsgerelateerd programmeerbaar elektronisch systeem (PES), ontwikkeld door HIMA, gebouwd op het beproefde HIQuad-systeemplatform. Het is ontworpen voor veiligheidskritische toepassingen tot SIL 3 (IEC 61508) en PL e (EN ISO 13849), terwijl het ook beschikt over hoge beschikbaarheidskenmerken. De HIQuad X is geschikt voor diverse besturingstaken binnen de procesindustrie en fabrieksautomatisering, waarbij hij vooral uitblinkt in procesinstallaties. Het systeem heeft een modulair ontwerp, ondersteunt een flexibele configuratie en kan worden geprogrammeerd, geconfigureerd, bewaakt, bediend en gedocumenteerd met behulp van HIMA's volwassen SILworX®-engineeringtool.
Systeemfamilies en structuur
De HIQuad X omvat twee systeemfamilies: H51X en H41X. Ze maken gebruik van identieke modules, maar verschillen qua structuur en uitbreidingsmogelijkheden:
HIQuad H51X:
Structuur: Zeer modulair.
Basisrek: 1 (bevat geen I/O-modules).
Uitbreidingsrekken: maximaal 16.
Processormodules (F-CPU 01): 1 of 2.
I/O-verwerkingsmodules (F-IOP 01): 1 per uitbreidingsrek.
Communicatiemodules (F-COM 01): Maximaal 10 in het basisrek.
I/O-modules per uitbreidingsrack: 16.
Totaal aantal I/O-modules: maximaal 256.
HIQuad H41X:
Structuur: modulair.
Basisrek: 1 (biedt plaats aan maximaal 12 I/O-modules).
Uitbreidingsrekken: maximaal 1.
Processormodules (F-CPU 01): 1 of 2.
I/O-verwerkingsmodules (F-IOP 01): 1 in het basisrek, 1 in het uitbreidingsrek.
Communicatiemodules (F-COM 01): Maximaal 2 in het basisrek.
I/O-modules per uitbreidingsrack: 16.
Totaal aantal I/O-modules: maximaal 28.
Deze verschillen stellen gebruikers in staat het meest geschikte systeemplatform te selecteren op basis van de specifieke applicatievereisten voor I/O-aantal en beschikbaarheid.
Kernfuncties
1. Veiligheid en certificering
Het HIQuad X-systeem is ontworpen voor veiligheidstoepassingen die voldoen aan de principes 'De-energize to Trip' en 'Energize to Trip'. De belangrijkste veiligheidsvoorzieningen zijn onder meer:
Veiligheidsintegriteitsniveau (SIL): Ondersteunt tot SIL 3 (IEC 61508), PL e (ISO 13849).
Certificering: Het systeem en zijn I/O-modules zijn gecertificeerd volgens verschillende internationale normen (zie veiligheidshandleiding HI 803 209 E), inclusief voor gebruik in brandalarmsystemen (conform DIN EN 54-2 en NFPA 72) en geschiktheid voor montage in gevaarlijke zones van Zone 2.
1oo2-architectuur: De veiligheidsgerelateerde processormodules (F-CPU 01) en I/O-verwerkingsmodules (F-IOP 01) bevatten een intern 1oo2-processorsysteem (één-uit-twee). Twee microprocessorkernen synchroniseren en vergelijken voortdurend gegevens, waardoor een feilloze werking wordt gegarandeerd.
Veiligheidsgerelateerde communicatie: Ondersteunt veiligheidsgerelateerde communicatie via het safeethernet-protocol.
2. Hoge beschikbaarheid en redundantie
Het systeem biedt meerdere redundantieopties gericht op het maximaliseren van de systeembeschikbaarheid (Opmerking: Redundantie verhoogt de beschikbaarheid, niet het Safety Integrity Level - SIL):
Processorredundantie: Kan worden geconfigureerd met twee redundante F-CPU 01-processormodules. Als een module uitvalt, schakelt het systeem automatisch over naar de andere om een veilige werking te behouden. De defecte module kan tijdens de werking van het systeem worden vervangen (hot-swappable in redundantiemodus).
Systeembusredundantie: Het systeem is voor communicatie afhankelijk van twee onafhankelijke systeembussen (A en B). In een redundante configuratie rijden beide bussen gelijktijdig. Een storing van één bus heeft geen invloed op de werking van het systeem.
I/O-moduleredundantie: Ondersteunt moduleredundantie (twee I/O-modules van hetzelfde type die een redundantiegroep vormen) en kanaalredundantie (paren van identieke kanaalnummers binnen redundante modules). Om de beschikbaarheid te verbeteren, moeten redundante modules in verschillende racks worden geïnstalleerd.
Voedingsredundantie: Ondersteunt aansluiting op redundante 24 VDC-voedingseenheden, waardoor een hoge beschikbaarheid van de voeding wordt gegarandeerd. Optionele buffermodules (F-PWR 02) kunnen worden gebruikt om spanningsuitval van meer dan 20 ms te compenseren.
3. Modulair ontwerp en schaalbaarheid
Het systeem maakt gebruik van een standaard 19-inch rackstructuur, wat een hoge flexibiliteit biedt:
Basisrek: Bevat de backplane voor het installeren van processormodules, communicatiemodules en voedingsmodules (H41X bevat ook I/O-modules).
Uitbreidingsracks: Met F-BASE RACK 11-uitbreidingsracks kan het H51X-systeem worden uitgebreid met maximaal 16 racks, elk geschikt voor 16 I/O-modules en één F-IOP 01-module, waardoor de I/O-capaciteit aanzienlijk wordt vergroot.
Moduletypen: Het systeem ondersteunt een breed scala aan moduletypen, waaronder:
F-CPU 01: Veiligheidsprocessormodule.
F-IOP 01: I/O-verwerkingsmodule, die de systeembus verbindt met de I/O-bus.
F-COM 01: Communicatiemodule, met 2 Ethernet-interfaces en 1 veldbusinterface.
F-PWR 01: 24VDC/5VDC voedingsmodule.
F-PWR 02: 24VDC-buffermodule.
Diverse I/O-modules: inclusief digitale ingang/uitgang (DI/DO), analoge ingang/uitgang (AI/AO), relaisuitgang, tellermodules, enz., geschikt voor zowel veiligheidsgerelateerde als niet-veiligheidsgerelateerde toepassingen.
4. Communicatiemogelijkheden
Het systeem communiceert met externe systemen via F-COM 01-modules:
Standaardprotocollen: Ondersteunt verschillende standaard industriële communicatieprotocollen (licentie vereist), zoals Modbus. Communicatieredundantie moet worden beheerd via het gebruikersprogramma of via het specifieke protocol zelf (bijvoorbeeld Modbus Slave).
Technische verbinding: Er kunnen maximaal 5 programmeer- en debuggingtools (PADT's) worden aangesloten via Ethernet-interfaces (RJ-45), maar er kan er op elk moment slechts één schrijftoegang hebben.
5. Diagnose en onderhoud
Het systeem biedt uitgebreide diagnosefuncties voor snelle probleemoplossing en onderhoud:
LED-indicatoren: De voorplaat van elke module is voorzien van LED-indicatoren die de operationele status, fouten, communicatiestatus, enz. weergeven.
Diagnostische geschiedenis: F-CPU-, F-IOP- en F-COM-modules hebben ingebouwde diagnostische geschiedenisbuffers (ringbuffers) die systeemgebeurtenissen, fouten en waarschuwingen registreren, onderverdeeld in diagnostiek op korte en lange termijn. Met de tool SILworX kan dit worden bekeken en geanalyseerd.
Online diagnose: In de SILworX online-weergave wordt de modulestatus intuïtief weergegeven via kleurveranderingen (bijvoorbeeld rood voor kritieke fouten, geel voor waarschuwingen) en kan gedetailleerde statusinformatie worden bekeken.
Bewaking van systeemvariabelen: Biedt uitgebreide systeemvariabelen (bijv. temperatuurstatus, status van de stroomvoorziening, cyclustijd, fouttellers) die kunnen worden gebruikt binnen het gebruikersprogramma of voor monitoringdoeleinden.
6. Programmering en configuratie
De systeemengineering wordt uitgevoerd met behulp van SILworX:
Programmeertalen: Ondersteunt programmeertalen die voldoen aan de IEC 61131-3-standaard.
Variabelenbeheer: Ondersteunt lokale en globale variabelen. Aan variabelen kunnen initiële waarden worden toegewezen, attributen behouden (RETAIN), enz.
Systeemparameters en variabelen: Biedt talrijke systeemparameters (voor het configureren van controllergedrag, bijv. Safety Time, Watchdog Time) en systeemvariabelen (voor het verkrijgen van systeemstatusinformatie), toegankelijk op verschillende niveaus, zoals bronnen en hardware.
Forceerfunctie: Hiermee kunnen gebruikers de huidige waarde van variabelen overschrijven voor test- en simulatiedoeleinden. Tijdslimieten en toegangsrechten voor forceren kunnen worden ingesteld om veilig gebruik te garanderen.
Gebruikersbeheer: Biedt gebruikersbeheer op twee niveaus: PADT (projecttoegang) en PES (controllertoegang). Er kunnen verschillende gebruikersgroepen en machtigingen (bijv. Alleen-lezen, Operator, Lezen+Schrijven, Beheerder) worden gedefinieerd, waardoor de systeembeveiliging wordt verbeterd.
7. Ruisonderdrukking
Om de systeemimmuniteit tegen voorbijgaande interferentie te verbeteren, biedt HIQuad X een ruisonderdrukkingsfunctie:
Functie: Onderdrukt voorbijgaande interferentie op de bussen of I/O-modules, waarbij de laatste geldige waarde gedurende een geconfigureerde tijd wordt gehandhaafd om te voorkomen dat het systeem ten onrechte in een veilige toestand terechtkomt als gevolg van kortstondige interferentie, waardoor de beschikbaarheid wordt verhoogd.
Configuratie: De effectieve ruisonderdrukkingstijd is afhankelijk van de veiligheidstijd, watchdogtijd en cyclustijd (max. ruisonderdrukkingstijd = veiligheidstijd - (2 x watchdogtijd)). Het kan worden geconfigureerd voor I/O-modules in SILworX.
Effectieve richting: Ruisonderdrukking kan in verschillende richtingen werken:
Van de ingangsmodule naar de processormodule (onderdrukking van ingangs- en businterferentie).
Van de processormodule naar de uitgangsmodule (onderdrukking van businterferentie).
Van de uitgangsmodule naar de processormodule (onderdrukken van statusbevestigingen, bijv. SC/OC-detectie).
Werkingsprincipe
De kernwerking van het HIQuad X-systeem draait om de hardware-architectuur en veiligheidsmechanismen.
Signaalstroom en verwerking:
Ingangszijde: Veldsensorsignalen worden aangesloten op veiligheids-I/O-modules (bijv. F 3237 DI-module). De I/O-modules communiceren via de I/O-bus met de F-IOP 01 I/O-verwerkingsmodule in hun respectievelijke rack.
Gegevensverwerking: De F-IOP 01-module wisselt gegevens uit met de F-CPU 01-processormodules in het basisrek via de redundante systeembussen (A en B). De F-CPU 01 maakt gebruik van een interne 1oo2-architectuur waarbij twee processorkernen cyclisch invoergegevens lezen, het gebruikersprogramma uitvoeren en de resultaten vergelijken.
Uitgangszijde: De processormodules sturen de verwerkingsresultaten via de systeembussen terug naar de F-IOP 01-module, die ze vervolgens via de I/O-bus naar de uitgangsmodules (bijv. F 3330 DO-module) verzendt, waardoor veldactuators worden aangestuurd. De F-IOP 01 is ook verantwoordelijk voor het genereren en bewaken van het I/O Watchdog (WD)-signaal. Uitgangsmodules werken alleen als dit signaal aanwezig is (hoog niveau); anders komen ze in een veilige toestand terecht.
Veiligheidsmechanismen:
Foutdetectie: Het systeem voert voortdurend zelftests en kruiscontroles uit op verschillende niveaus, waaronder vergelijking van processorkernen, communicatiechecksums, monitoring van de modulestatus, monitoring van de voeding en temperatuurbewaking.
Veilige toestand: Bij detectie van een interne fout of een extern commando (bijvoorbeeld een noodstop) volgt het systeem het 'de-energize to trip'-principe, waarbij de uitgangen in een vooraf gedefinieerde veilige toestand worden geplaatst (meestal de niet-bekrachtigde toestand).
Tijdbewaking: De veiligheidstijd is de maximaal toegestane responstijd voor het proces. De Watchdog-tijd is de maximaal toegestane duur van de processorcyclus; bij overschrijding activeert het systeem een veiligheidsreactie. De cyclustijd is de werkelijke tijd die de processor nodig heeft om één gebruikersprogrammacyclus uit te voeren. De configuratie van deze timings is cruciaal voor de veiligheid en prestaties van het systeem.
Redundantiesynchronisatie:
In een redundante configuratie synchroniseren de twee processormodules continu hun interne status en gegevens via de systeembussen.
Als de primaire processormodule uitvalt, merkt de standby-module dit onmiddellijk op en neemt de controle over, waardoor de veilige werking van het systeem behouden blijft, waardoor naadloos schakelen en hoge beschikbaarheid mogelijk wordt.
Stroomverdeling:
Het systeem wordt gevoed door een 24 VDC SELV/PELV-voeding. Stroomverdeelmodules (bijv. K 7212) worden gebruikt om stroomcircuits te verdelen en te beschermen.
De 5V-voeding in het basisrek wordt gegenereerd door F-PWR 01-modules en gedistribueerd via de backplane. De 5V-stroom voor uitbreidingsrekken wordt geleverd vanuit het basisrek in een stertopologie.
De 24V hulp- en veldvoeding voor I/O-modules wordt gedistribueerd en beschermd door stroomverdeelmodules (F 7133), waarbij elke F 7133 gezekerde bescherming biedt voor 4 I/O-moduleslots.
Thermisch beheer:
Bij het systeemontwerp wordt rekening gehouden met de warmteafvoer van elektronische componenten. Er is voldoende ventilatie (natuurlijke convectie of geforceerde luchtkoeling) in de schakelkast vereist om een omgevingstemperatuur tussen 0°C en +60°C te handhaven.
Modules bevatten temperatuursensoren en de temperatuurstatus kan worden bewaakt via systeemvariabelen. Als temperatuurdrempels worden overschreden, worden waarschuwingen of fouten gesignaleerd, hoewel de temperatuurbewaking zelf niet veiligheidsgerelateerd is.
Toepassingsgebieden
Het HIQuad X-systeem wordt veel gebruikt in industrieën met hoge eisen aan veiligheid en beschikbaarheid:
Chemie en petrochemie: Emergency Shutdown (ESD) systemen, Burner Management Systems (BMS), Process Shutdown systemen.
Olie en gas: Wellhead-controle, pijpleidingbeschermingssystemen, offshore-platformveiligheidssystemen.
