Autor: Editor do Site Horário de Publicação: 11/09/2025 Origem: Site
O HIQuad X é um sistema eletrônico programável (PES) inovador e de alto desempenho relacionado à segurança desenvolvido pela HIMA, construído sobre a comprovada plataforma do sistema HIQuad. Ele foi projetado para aplicações críticas de segurança até SIL 3 (IEC 61508) e PL e (EN ISO 13849), além de apresentar características de alta disponibilidade. O HIQuad X é adequado para diversas tarefas de controle na indústria de processos e automação de fábricas, destacando-se especialmente em instalações de processos. O sistema emprega um design modular, suporta configuração flexível e pode ser programado, configurado, monitorado, operado e documentado usando a ferramenta de engenharia SILworX® da HIMA.
Famílias e Estrutura do Sistema
O HIQuad X abrange duas famílias de sistemas: H51X e H41X. Eles utilizam módulos idênticos, mas diferem em estrutura e capacidade de expansão:
HIQuad H51X:
Estrutura: Altamente modular.
Rack Base: 1 (não contém módulos de E/S).
Racks de extensão: Máximo de 16.
Módulos Processadores (F-CPU 01): 1 ou 2.
Módulos de Processamento de E/S (F-IOP 01): 1 por rack de extensão.
Módulos de Comunicação (F-COM 01): Até 10 no rack base.
Módulos de E/S por rack de extensão: 16.
Total de módulos de E/S: até 256.
HIQuad H41X:
Estrutura: Modular.
Rack Base: 1 (pode acomodar até 12 módulos de E/S).
Racks de extensão: Máximo de 1.
Módulos Processadores (F-CPU 01): 1 ou 2.
Módulos de Processamento de E/S (F-IOP 01): 1 no rack base, 1 no rack de extensão.
Módulos de Comunicação (F-COM 01): Até 2 no rack base.
Módulos de E/S por rack de extensão: 16.
Total de módulos de E/S: até 28.
Essas diferenças permitem que os usuários selecionem a plataforma de sistema mais adequada com base nos requisitos específicos da aplicação para contagem de E/S e disponibilidade.
Recursos principais
1. Segurança e Certificação
O sistema HIQuad X foi projetado para aplicações de segurança que aderem aos princípios 'Desenergizar para desarmar' e 'Energizar para desarmar'. Seus principais recursos de segurança incluem:
Nível de integridade de segurança (SIL): Suporta até SIL 3 (IEC 61508), PL e (ISO 13849).
Certificação: O sistema e seus módulos de E/S são certificados de acordo com vários padrões internacionais (ver Manual de Segurança HI 803 209 E), inclusive para uso em sistemas de alarme de incêndio (em conformidade com DIN EN 54-2 e NFPA 72) e adequação para montagem em áreas perigosas da Zona 2.
Arquitetura 1oo2: Os módulos de processador relacionados à segurança (F-CPU 01) e módulos de processamento de E/S (F-IOP 01) incorporam um sistema de processador interno 1oo2 (um em dois). Dois núcleos de microprocessador sincronizam e comparam dados continuamente, garantindo uma operação à prova de falhas.
Comunicação relacionada à segurança: Suporta comunicação relacionada à segurança por meio do protocolo safeethernet.
2. Alta disponibilidade e redundância
O sistema oferece múltiplas opções de redundância destinadas a maximizar a disponibilidade do sistema (Nota: A redundância aumenta a disponibilidade, não o Nível de Integridade de Segurança - SIL):
Redundância de Processador: Pode ser configurada com dois módulos de processador F-CPU 01 redundantes. Se um módulo falhar, o sistema muda automaticamente para o outro para manter uma operação segura. O módulo defeituoso pode ser substituído durante a operação do sistema (troca a quente no modo de redundância).
Redundância de barramento de sistema: O sistema depende de dois barramentos de sistema independentes (A e B) para comunicação. Numa configuração redundante, ambos os barramentos operam simultaneamente. A falha de um barramento não afeta a operação do sistema.
Redundância de módulo de E/S: Suporta redundância de módulo (dois módulos de E/S do mesmo tipo formando um grupo de redundância) e redundância de canal (emparelhamento de números de canais idênticos dentro de módulos redundantes). Para aumentar a disponibilidade, os módulos redundantes devem ser instalados em racks diferentes.
Redundância da fonte de alimentação: Suporta conexão com fontes de alimentação redundantes de 24 VCC, garantindo alta disponibilidade da fonte de alimentação. Módulos buffer opcionais (F-PWR 02) podem ser usados para compensar quedas de tensão superiores a 20ms.
3. Design modular e escalabilidade
O sistema emprega uma estrutura de rack padrão de 19 polegadas, oferecendo alta flexibilidade:
Base Rack: Contém o backplane para instalação de módulos de processador, módulos de comunicação, módulos de fonte de alimentação (o H41X também inclui módulos de E/S).
Racks de extensão: Usando racks de extensão F-BASE RACK 11, o sistema H51X pode ser expandido em até 16 racks, cada um capaz de acomodar 16 módulos de E/S e um módulo F-IOP 01, aumentando significativamente a capacidade de E/S.
Tipos de módulos: O sistema oferece suporte a uma ampla variedade de tipos de módulos, incluindo:
F-CPU 01: Módulo Processador de Segurança.
F-IOP 01: Módulo de processamento de E/S, conectando o barramento do sistema ao barramento de E/S.
F-COM 01: Módulo de Comunicação, disponibilizando 2 interfaces Ethernet e 1 interface fieldbus.
F-PWR 01: Módulo de Alimentação 24VDC/5VDC.
F-PWR 02: Módulo Buffer 24VDC.
Vários módulos de E/S: incluindo entrada/saída digital (DI/DO), entrada/saída analógica (AI/AO), saída de relé, módulos de contador, etc., atendendo a aplicações relacionadas e não relacionadas à segurança.
4. Capacidades de comunicação
O sistema comunica com sistemas externos através de módulos F-COM 01:
Protocolos de segurança: Suporta o protocolo de segurança safeethernet da HIMA.
Protocolos padrão: Suporta vários protocolos de comunicação industrial padrão (é necessário licenciamento), como Modbus. A redundância de comunicação deve ser gerenciada através do programa do usuário ou pelo próprio protocolo específico (ex. Modbus Slave).
Conexão de engenharia: Até 5 ferramentas de programação e depuração (PADTs) podem ser conectadas via interfaces Ethernet (RJ-45), mas apenas uma pode ter acesso de gravação por vez.
5. Diagnóstico e Manutenção
O sistema fornece funções de diagnóstico abrangentes para rápida solução de problemas e manutenção:
Indicadores LED: Cada placa frontal do módulo possui indicadores LED que mostram status operacional, erros, status de comunicação, etc.
Histórico de diagnóstico: Os módulos F-CPU, F-IOP e F-COM possuem buffers de histórico de diagnóstico integrados (buffers de anel) que registram eventos, erros e avisos do sistema, categorizados em diagnósticos de curto e longo prazo. Isso pode ser visualizado e analisado usando a ferramenta SILworX.
Diagnóstico on-line: Na visualização on-line do SILworX, o status do módulo é exibido intuitivamente através de mudanças de cores (por exemplo, vermelho para falhas críticas, amarelo para avisos) e informações detalhadas sobre o status podem ser visualizadas.
Monitoramento de Variáveis do Sistema: Fornece extensas variáveis do sistema (por exemplo, estado de temperatura, status da fonte de alimentação, tempo de ciclo, contadores de erros) que podem ser usadas dentro do programa do usuário ou para fins de monitoramento.
6. Programação e Configuração
A engenharia do sistema é realizada usando SILworX:
Linguagens de programação: Suporta linguagens de programação compatíveis com o padrão IEC 61131-3.
Gerenciamento de Variáveis: Suporta variáveis locais e globais. As variáveis podem receber valores iniciais, atributos Retain (RETAIN), etc.
Parâmetros e Variáveis do Sistema: Fornece vários parâmetros do sistema (para configurar o comportamento do controlador, por exemplo, Tempo de Segurança, Tempo de Watchdog) e variáveis do sistema (para obter informações de status do sistema), acessíveis em diferentes níveis, como recursos e hardware.
Função Forçar: Permite que os usuários substituam o valor atual das variáveis para fins de teste e simulação. Limites de tempo e permissões de acesso para forçar podem ser definidos para garantir um uso seguro.
Gerenciamento de usuários: Oferece gerenciamento de usuários em dois níveis: PADT (acesso ao projeto) e PES (acesso ao controlador). Diferentes grupos de usuários e permissões (por exemplo, Somente leitura, Operador, Leitura+Escrita, Administrador) podem ser definidos, aumentando a segurança do sistema.
7. Supressão de ruído
Para melhorar a imunidade do sistema contra interferências transitórias, o HIQuad X fornece uma função de supressão de ruído:
Função: Suprime interferências transitórias nos barramentos ou módulos de E/S, mantendo o último valor válido por um tempo configurado para evitar que o sistema entre erroneamente em estado seguro devido a interferências de curto prazo, aumentando assim a disponibilidade.
Configuração: O tempo efetivo de supressão de ruído depende do Tempo de Segurança, Tempo de Watchdog e Tempo de Ciclo (Tempo Máx. de Supressão de Ruído = Tempo de Segurança - (2 x Tempo de Watchdog)). Ele pode ser configurado para módulos I/O no SILworX.
Direção Efetiva: A supressão de ruído pode atuar em diferentes direções:
Do módulo de entrada ao módulo processador (suprimindo interferência de entrada e barramento).
Do módulo processador ao módulo de saída (suprimindo interferência de barramento).
Do módulo de saída ao módulo processador (suprimindo reconhecimentos de status, por exemplo, detecção SC/OC).
Princípio de funcionamento
A operação principal do sistema HIQuad X gira em torno de sua arquitetura de hardware e mecanismos de segurança.
Fluxo e processamento de sinal:
Lado de entrada: Os sinais do sensor de campo são conectados aos módulos de E/S de segurança (por exemplo, módulo F 3237 DI). Os módulos de E/S se comunicam através do barramento de E/S com o módulo de processamento de E/S F-IOP 01 em seu respectivo rack.
Processamento de dados: O módulo F-IOP 01 troca dados com os módulos processadores F-CPU 01 no rack base através dos barramentos de sistema redundantes (A e B). O F-CPU 01 utiliza uma arquitetura interna 1oo2 onde dois núcleos de processador leem ciclicamente os dados de entrada, executam o programa do usuário e comparam os resultados.
Lado de saída: Os módulos processadores enviam os resultados do processamento de volta através dos barramentos do sistema para o módulo F-IOP 01, que então os transmite através do barramento de E/S para os módulos de saída (por exemplo, módulo F 3330 DO), controlando assim os atuadores de campo. O F-IOP 01 também é responsável por gerar e monitorar o sinal I/O Watchdog (WD). Os módulos de saída só operam quando este sinal está presente (alto nível); caso contrário, eles entrarão em um estado seguro.
Mecanismos de segurança:
Detecção de falhas: O sistema realiza continuamente autotestes e verificações cruzadas em vários níveis, incluindo comparação do núcleo do processador, somas de verificação de comunicação, monitoramento de status do módulo, monitoramento da fonte de alimentação e monitoramento de temperatura.
Estado Seguro: Ao detectar uma falha interna ou comando externo (por exemplo, parada de emergência), o sistema segue o princípio de “desenergizar para desarmar”, colocando as saídas em um estado seguro predefinido (normalmente o estado desenergizado).
Monitoramento de Tempo: O Tempo de Segurança é o tempo máximo de resposta permitido para o processo. O Watchdog Time é a duração máxima permitida para o ciclo do processador; se for excedido, o sistema desencadeia uma reação de segurança. O Tempo de Ciclo é o tempo real que o processador leva para executar um ciclo de programa do usuário. A configuração dessas temporizações é crucial para a segurança e o desempenho do sistema.
Sincronização de redundância:
Numa configuração redundante, os dois módulos processadores sincronizam continuamente o seu estado interno e dados através dos barramentos do sistema.
Se o módulo do processador primário falhar, o módulo de espera detecta imediatamente e assume o controle, mantendo a operação segura e contínua do sistema, permitindo comutação contínua e alta disponibilidade.
Distribuição de energia:
O sistema é alimentado por uma fonte de alimentação SELV/PELV de 24 VCC. Módulos de distribuição de energia (por exemplo, K 7212) são usados para distribuir e proteger circuitos de energia.
A fonte de alimentação de 5 V dentro do rack base é gerada pelos módulos F-PWR 01 e distribuída através do backplane. A alimentação de 5 V para racks de extensão é fornecida pelo rack base em uma topologia em estrela.
A alimentação auxiliar e de campo de 24 V para módulos de E/S é distribuída e protegida por módulos de distribuição de energia (F 7133), com cada F 7133 fornecendo proteção com fusível para 4 slots de módulo de E/S.
Gerenciamento Térmico:
O projeto do sistema considera a dissipação de calor dos componentes eletrônicos. É necessária ventilação adequada (convecção natural ou resfriamento de ar forçado) dentro do gabinete de controle para manter uma temperatura ambiente entre 0°C e +60°C.
Os módulos incorporam sensores de temperatura e o status da temperatura pode ser monitorado através de variáveis do sistema. Avisos ou erros são sinalizados se os limites de temperatura forem excedidos, embora o monitoramento da temperatura em si não seja relacionado à segurança.
Áreas de aplicação
O sistema HIQuad X é amplamente utilizado em indústrias com altas demandas de segurança e disponibilidade:
Química e Petroquímica: Sistemas de Desligamento de Emergência (ESD), Sistemas de Gerenciamento de Queimadores (BMS), Sistemas de Desligamento de Processo.
Petróleo e Gás: Controle de poços, Sistemas de proteção de dutos, Sistemas de segurança de plataformas offshore.
Geração de Energia: Controle de turbina, Sistemas de disparo de emergência.
Metais: Sistemas de segurança para altos-fornos, controles de moinhos.
Transporte Ferroviário: Sistemas de controle de sinalização (sujeitos às normas pertinentes).
Automação Geral de Fábrica: Controles de máquinas de segurança (até PL e).
Sistemas de detecção de incêndio e gás: Utilizando módulos de entrada analógica certificados.
