System sterowania Mark VIe jawi się jako wyrafinowane rozwiązanie zaprojektowane tak, aby spełniać rygorystyczne wymagania nowoczesnej automatyki w zróżnicowanym spektrum zastosowań, od wytwarzania energii po złożone procesy produkcyjne. Ta zintegrowana platforma wyróżnia się zaawansowaną architekturą, która płynnie łączy szybką deterministyczną sieć z kompleksowymi opcjami redundancji i ujednoliconym środowiskiem oprogramowania.
Sercem systemu Mark VIe jest potężny kontroler jednopłytowy. Jednostka ta integruje główną jednostkę przetwarzającą z redundantnymi sterownikami Ethernet zaprojektowanymi specjalnie do zarządzania komunikacją wejścia/wyjścia (I/O) w sieci. Wbudowane są dodatkowe dedykowane interfejsy Ethernet do obsługi ruchu sieciowego sterującego, zapewniając segregację i priorytetyzację przepływu danych. Sterownik działa w oparciu o wielozadaniowy system operacyjny czasu rzeczywistego, gwarantujący deterministyczną wydajność dla pętli sterowania wrażliwych na czas. Logika aplikacji jest wykonywana przy użyciu konfigurowalnego języka programowania opartego na blokach, przechowywanego w pamięci nieulotnej, aby zapobiec utracie podczas cykli zasilania. Język ten, podobny do 32-bitowego formatu zmiennoprzecinkowego IEEE 854, zapewnia inżynierom wydajne i znane środowisko do opracowywania złożonych strategii sterowania. Ponadto dostępne są sekwencyjne wykresy funkcji (SFC) umożliwiające koordynację skomplikowanych sekwencji operacyjnych, zwiększając możliwości systemu w zakresie zarządzania wyrafinowanymi procesami wieloetapowymi.
Kluczowym elementem architektury jest sieć we/wy, w skrócie IONet. Jest to dedykowany, pełnodupleksowy protokół punkt-punkt, który ustanawia deterministyczną, szybką infrastrukturę komunikacyjną o przepustowości 100 MB. Sieć IONet została zaprojektowana do obsługi zarówno zlokalizowanych, jak i rozproszonych urządzeń we/wy, służąc jako krytyczna autostrada danych pomiędzy głównym kontrolerem(ami) a różnymi modułami we/wy połączonymi w sieć. Jego deterministyczny charakter zapewnia dostarczanie pakietów danych w gwarantowanych ramach czasowych, co jest niezbędne w przypadku precyzyjnych aplikacji sterujących. Sieć obsługuje konfiguracje z pojedynczą, podwójną i potrójną redundancją i oferuje interfejsy zarówno miedziane, jak i światłowodowe, aby spełnić różne wymagania instalacyjne, takie jak odporność na zakłócenia elektromagnetyczne w trudnych warunkach instalacji.
Fizyczny podsystem we/wy jest zbudowany wokół modułowych pakietów we/wy. Każdy moduł składa się z trzech podstawowych elementów: listwy zaciskowej, listwy zaciskowej i samego pakietu wejść/wyjść. Listwy zaciskowe barierowe lub skrzynkowe montowane są na listwie zaciskowej, która następnie mocowana jest do szyny DIN lub płyty bazowej w szafie sterowniczej. Pakiet we/wy to inteligentny komponent, zawierający dwa porty Ethernet do podłączenia do sieci IONet, zasilacz, lokalny dedykowany procesor i kartę gromadzenia danych specjalnie dostosowaną do jego funkcji we/wy. Ta modułowa konstrukcja pozwala na skalowalną rozbudowę systemu; Wydajność we/wy można zwiększyć po prostu przez dodanie większej liczby pakietów do sieci. Ta elastyczność umożliwia wdrożenia w konfiguracjach simplex, dual lub triple modular redundant (TMR). W przypadku zastosowań wymagających wyjątkowej szybkości, takich jak sterowanie serwomechanizmem, lokalny procesor w każdym pakiecie może wykonywać wyspecjalizowane algorytmy z szybkością znacznie wyższą niż główna pętla sterowania, odciążając centralny sterownik i zwiększając ogólną wydajność systemu.
Platforma Mark VIe słynie z rozbudowanych i konfigurowalnych możliwości redundancji, które są dostosowane do krytyczności kontrolowanego procesu. Filozofie redundancji można zastosować do czujników, sieci, sterowników i modułów wyjściowych, zapewniając kompleksowe podejście do ochrony w celu maksymalizacji dostępności i łagodzenia pojedynczych punktów awarii.
Systemy z podwójną redundancją są typową konfiguracją dla aplikacji o wysokiej dostępności. W tej konfiguracji sygnały wejściowe z czujników są odczytywane przez pakiety wejściowe (które same w sobie mogą być pojedyncze lub redundantne) i przesyłane przez podwójne, niezależne sieci IONet do pary kontrolerów Mark VIe. Kontrolery te uruchamiają identyczne oprogramowanie aplikacyjne w trybie lockstep. Dane wyjściowe ze sterowników są następnie wysyłane do pakietów wyjściowych. W przypadku najbardziej krytycznych końcowych elementów sterujących można zaimplementować potrójny schemat wyjścia z głosowaniem, w którym trzy oddzielne pakiety wyjściowych wejść/wyjść odbierają sygnały poleceń. Wyborca oparty na sprzęcie lub oprogramowaniu wybiera prawidłowe wyjście na podstawie większości głosów (2 z 3), zapewniając, że awaria w jednym kanale wyjściowym nie spowoduje niepożądanego działania w urządzeniu polowym. Architektura ta umożliwia obsługę pojedynczych, podwójnych lub potrójnych wejść czujników nadmiarowych.
Aby zapewnić najwyższą krytyczność, wdrożono potrójny modułowy system redundantny (TMR). Konfiguracja ta została zaprojektowana tak, aby tolerować awarię dowolnego pojedynczego komponentu bez zakłócania procesu. Trzy niezależne kontrolery działają równolegle i odbierają dane wejściowe z potrójnie redundantnych czujników za pośrednictwem trzech oddzielnych sieci IONet. System w sposób ciągły przeprowadza głosowanie (wybór 2 z 3 lub wybór wartości mediany) na wszystkich krytycznych sygnałach wejściowych. Każdy kontroler wykonuje swoją logikę w oparciu o tę przegłosowaną, czyli „poprawną” wartość. Zaawansowana diagnostyka stale monitoruje wszystkie trzy kanały, szybko identyfikując i alarmując w przypadku awarii urządzenia. Ta funkcja radykalnie skraca średni czas naprawy (MTTR), poprzez natychmiastowe wskazanie wadliwego komponentu. Co więcej, funkcja naprawy online systemu umożliwia technikom wymianę uszkodzonego modułu bez konieczności przełączania całego procesu w tryb offline, co znacznie wydłuża średni czas między wymuszonymi przestojami (MTBFO). Czujniki polowe dla tych systemów można skonfigurować jako pojedyncze, podwójne lub potrójne, w zależności od wymaganego poziomu integralności.
Pakiety wejść/wyjść w systemie Mark VIe to znacznie więcej niż proste konwertery sygnału; są to inteligentne urządzenia, które znacząco wpływają na ogólną wydajność systemu. Każdy pakiet zawiera kartę lokalnego procesora z systemem operacyjnym czasu rzeczywistego oraz wyspecjalizowaną kartę do gromadzenia danych. Taka konstrukcja pozwala na rozproszone przetwarzanie, umożliwiając wykonywanie funkcji takich jak szybkie pętle PID lub regulacja serwozaworu lokalnie w module z bardzo dużymi prędkościami, niezależnie od czasu skanowania głównego sterownika.
Kluczową cechą tych modułów jest zintegrowany czujnik temperatury z dokładnością ±2°C. Czujnik ten stale monitoruje temperaturę roboczą pakietu we/wy. W przypadku wykrycia nadmiernej temperatury generuje alarm diagnostyczny. Wartość temperatury i stan alarmów są udostępniane w bazie danych systemu sterowania (przestrzeń sygnału), umożliwiając logice sterowania podejmowanie działań wyprzedzających, takich jak inicjowanie kontrolowanego wyłączenia lub ostrzeganie operatorów za pomocą niestandardowego komunikatu alarmowego, zapobiegając w ten sposób uszkodzeniu sprzętu.
Standardowe funkcje modułów we/wy obejmują dwa pełnodupleksowe porty Ethernet 100 MB zapewniające niezawodną łączność sieciową, kompleksową obsługę naprawy i wymiany online oraz automatyczną rekonfigurację po wymianie modułu. Dokładność specyfikacji jest gwarantowana w całym zakresie temperatur roboczych. Stan jest wskazywany za pomocą diod LED, informując o zasilaniu, aktywności sieciowej i warunkach specyficznych dla aplikacji. Moduły są zasilane napięciem stałym 28 V, wyposażonym w wewnętrzne zabezpieczenie obwodu półprzewodnikowego z nominalnym punktem wyzwalania 2 A oraz obwód łagodnego rozruchu zapobiegający problemom z prądem rozruchowym. Ujemne zasilanie DC jest uziemione przez metalową obudowę, co zwiększa odporność na zakłócenia i bezpieczeństwo.
System Mark VIe oferuje dwa podstawowe typy modułów terminali (moduły typu T i typu S), aby sprostać różnym potrzebom w zakresie okablowania i redundancji.
Moduły typu T są przeznaczone do zastosowań wymagających wysokiego poziomu redundancji i izolacji sygnału. Zwykle rozdzielają sygnał wejściowy pojedynczego pola do trzech oddzielnych pakietów we/wy dla systemów TMR. Moduły te zawierają dwie wyjmowane 24-punktowe listwy zaciskowe typu barierowego. Do każdego punktu można podłączyć dwa przewody o przekroju do 3,0 mm² (#12 AWG) z napięciem izolacji 300 V i obsługuje końcówki widełkowe lub pierścieniowe, a także zaciski niewypadające do gołych przewodów. Odstęp śrub wynosi co najmniej 9,53 mm od środka do środka. Są one zazwyczaj montowane powierzchniowo i zawierają zintegrowany pasek ekranujący podłączony do podstawy montażowej w celu poprawy kompatybilności elektromagnetycznej (EMC).
Moduły typu S stanowią bardziej kompaktowe i ekonomiczne rozwiązanie dla prostych, podwójnych lub dedykowanych zastosowań TMR, gdzie sygnały nie są rozdzielane. Są o połowę mniejsze od modułów typu T i można je montować na szynie DIN lub na powierzchni. Oferują pojedynczy punkt końcowy na sygnał we/wy. Stałe zaciski skrzynkowe obsługują jeden przewód 3,0 mm² lub dwa przewody 2,0 mm² (#14 AWG). Dostępna jest również wersja ze zdejmowanymi zaciskami, umożliwiająca wymianę w miejscu instalacji alternatywnymi technologiami połączeń, takimi jak zaciski sprężynowe lub typy z wypieraniem izolacji. Każdy blok zawiera pasek ekranujący przywiązany do uziemienia funkcjonalnego.
Komponenty Mark VIe są przeznaczone do stosowania na całym świecie w różnych warunkach środowiskowych. Podstawowe elementy elektroniczne, w tym sterowniki, moduły we/wy i zasilacze, są przystosowane do pracy w temperaturach od -30°C do 65°C. Aby zapewnić niezawodność, zaleca się, aby moduły o bardziej restrykcyjnych temperaturach znamionowych, takie jak niektóre bramki magistrali polowej (np. PROFIBUS Master: od -20 do 55°C, FOUNDATION Fieldbus: od 0 do 55°C), były instalowane niżej w szafie sterowniczej, gdzie temperatury są niższe. Wyposażenie sterowni, podobnie jak stanowiska operatorów, ma węższy zakres temperatur pracy od 20 do 30°C. Cały sprzęt jest zaprojektowany tak, aby wytrzymywał szersze zakresy temperatur (od -40 do 85°C dla sterowników, od 0 do 30°C dla stacji roboczych) podczas transportu i przechowywania.
Możliwości sprzętowe Mark VIe są w pełni odblokowywane przez pakiet oprogramowania ControlST. Ten zintegrowany zestaw narzędzi zapewnia ujednolicone środowisko dla każdego aspektu cyklu życia systemu sterowania. Podstawą jest aplikacja ToolboxST, która służy do programowania, konfiguracji, tworzenia trendów w czasie rzeczywistym i dogłębnej analizy diagnostycznej we wszystkich systemach Mark VIe i Mark VIeS. Zapewnia dostępność wysokiej jakości, spójnych w czasie danych zarówno w obrębie kontrolerów, jak i na poziomie zakładu, tworząc solidną podstawę do skutecznego zarządzania aktywami i podejmowania decyzji operacyjnych.
W przypadku zastosowań krytycznych dla bezpieczeństwa, wymagających certyfikacji zgodnie z normami takimi jak IEC 61508, stosowany jest system bezpieczeństwa Mark VIeS. System ten wykorzystuje ten sam znany pakiet oprogramowania ControlST i zestaw narzędzi ToolboxST do konserwacji i konfiguracji, co znacznie zmniejsza wymagania dotyczące szkolenia operatorów. Jednakże utrzymuje fizycznie i logicznie oddzielny zestaw certyfikowanych bloków funkcyjnych sprzętu i oprogramowania. ToolboxST zapewnia funkcje bezpieczeństwa umożliwiające blokowanie lub odblokowywanie systemu bezpieczeństwa w celu konfiguracji i programowania funkcji bezpieczeństwa (SIF), zapewniając, że integralność logiki bezpieczeństwa nigdy nie zostanie naruszona.
Portfolio wejść/wyjść systemu jest szerokie i obejmuje zarówno moduły ogólne, takie jak wejścia dyskretne (różniące się napięciem znamionowym i izolacją), jak i wysoce wyspecjalizowane moduły przeznaczone do specyficznych zastosowań. Na przykład dedykowane moduły serwo zapewniają ultraszybkie przetwarzanie wymagane do precyzyjnego sterowania siłownikami turbin w pętli zamkniętej. Podobnie dostępne są specjalistyczne moduły monitorowania drgań, umożliwiające dokładny pomiar promieniowego i osiowego przemieszczenia wałów w maszynach wirujących, integrując zabezpieczenia bezpośrednio z systemem sterowania. Kryteria wyboru modułów obejmują nie tylko typ sygnału, ale także wymaganą redundancję, poziom izolacji, rodzaj listwy zaciskowej, certyfikat bezpieczeństwa (SIL) i dopuszczenia do stosowania w lokalizacjach niebezpiecznych.
Referencje: 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
