O sistema de controle Mark VIe surge como uma solução sofisticada projetada para atender às rigorosas demandas da automação moderna em um amplo espectro de aplicações, desde geração de energia até processos complexos de fabricação. Esta plataforma integrada distingue-se pela sua arquitetura avançada, que combina perfeitamente redes determinísticas de alta velocidade com opções abrangentes de redundância e um ambiente de software unificado.
No coração do sistema Mark VIe está um poderoso controlador de placa única. Esta unidade integra a unidade de processamento principal com drivers Ethernet redundantes projetados especificamente para gerenciar comunicações de entrada/saída (E/S) de rede. Interfaces Ethernet dedicadas adicionais são incorporadas para controlar o tráfego de rede, garantindo um fluxo de dados segregado e priorizado. O controlador opera em um sistema operacional multitarefa em tempo real, garantindo desempenho determinístico para malhas de controle sensíveis ao tempo. A lógica da aplicação é executada usando uma linguagem de programação configurável baseada em blocos, armazenada em memória não volátil para evitar perdas durante os ciclos de energia. Esta linguagem, semelhante ao formato de ponto flutuante de 32 bits IEEE 854, fornece aos engenheiros um ambiente poderoso e familiar para o desenvolvimento de estratégias de controle complexas. Além disso, gráficos de funções sequenciais (SFC) estão disponíveis para orquestrar sequências operacionais complexas, melhorando a capacidade do sistema de gerenciar processos sofisticados de vários estágios.
Um elemento central da arquitetura é a Rede de E/S, ou IONet. Este é um protocolo ponto a ponto dedicado, full-duplex, que estabelece uma infra-estrutura de comunicações determinística e de alta velocidade de 100 MB. O IONet foi projetado para suportar dispositivos de E/S localizados e distribuídos, servindo como via de dados crítica entre o(s) controlador(es) principal(is) e os vários módulos de E/S em rede. Sua natureza determinística garante que os pacotes de dados sejam entregues dentro de um prazo garantido, o que é essencial para aplicações de controle precisas. A rede suporta configurações redundantes simples, duplas e triplas e oferece interfaces de cobre e fibra óptica para atender a diferentes requisitos de instalação, como imunidade a interferências eletromagnéticas em ambientes severos de fábrica.
O subsistema de E/S física é estruturado em torno de pacotes de E/S modulares. Cada módulo é composto de três elementos primários: uma placa terminal, um bloco terminal e o próprio pacote de E/S. Os blocos de terminais do tipo barreira ou caixa são montados na placa de terminais, que é posteriormente fixada a um trilho DIN ou a uma placa de base dentro do gabinete de controle. O pacote de E/S é o componente inteligente, abrigando portas Ethernet duplas para conexão ao IONet, uma fonte de alimentação, um processador local dedicado e uma placa de aquisição de dados especificamente adaptada para sua função de E/S. Este design modular permite expansão escalável do sistema; A capacidade de E/S é aumentada simplesmente adicionando mais pacotes à rede. Essa flexibilidade permite implantações em configurações modulares redundantes simples, duplas ou triplas (TMR). Para aplicações que exigem velocidade excepcional, como controle de servo, o processador local dentro de cada pacote pode executar algoritmos especializados a taxas significativamente mais altas do que o circuito de controle principal, aliviando a carga de processamento do controlador central e melhorando o desempenho geral do sistema.
A plataforma Mark VIe é conhecida por seus recursos de redundância extensos e configuráveis, adaptados à criticidade do processo que está sendo controlado. Filosofias de redundância podem ser aplicadas a sensores, redes, controladores e módulos de saída, fornecendo uma abordagem de defesa profunda para maximizar a disponibilidade e mitigar pontos únicos de falha.
Sistemas redundantes duplos são uma configuração comum para aplicativos de alta disponibilidade. Nesta configuração, os sinais de entrada dos sensores são lidos por pacotes de entrada (que podem ser únicos ou redundantes) e transmitidos por IONets duplos e independentes para um par de controladores Mark VIe. Esses controladores executam software de aplicação idêntico em sincronia. As saídas dos controladores são então enviadas para pacotes de saída. Para os elementos de controle final mais críticos, um esquema de saída de votação tripla pode ser implementado, onde três pacotes de E/S de saída separados recebem os sinais de comando. Um eleitor baseado em hardware ou software seleciona a saída correta com base na votação majoritária (2 em 3), garantindo que uma falha em um canal de saída não cause uma ação espúria no dispositivo de campo. Esta arquitetura pode acomodar entradas de sensores redundantes simples, duplas ou triplas.
Para maior criticidade, um sistema triplo modular redundante (TMR) é implantado. Esta configuração foi projetada para tolerar uma falha em qualquer componente único sem interromper o processo. Três controladores independentes funcionam em paralelo, recebendo dados de entrada de sensores triplamente redundantes através de três IONets separados. O sistema realiza continuamente uma votação (seleção 2 de 3 ou seleção de valor mediano) em todos os sinais de entrada críticos. Cada controlador executa sua lógica com base neste valor votado, ou 'correto'. Diagnósticos sofisticados monitoram continuamente todos os três canais, identificando rapidamente e dando alarme em caso de falha do dispositivo. Esta capacidade reduz drasticamente o Tempo Médio de Reparo (MTTR), identificando instantaneamente o componente defeituoso. Além disso, o recurso de reparo on-line do sistema permite que os técnicos substituam o módulo com falha sem colocar todo o processo off-line, aumentando significativamente o Tempo Médio entre Interrupções Forçadas (MTBFO). Os sensores de campo para esses sistemas podem ser configurados como simples, duplos ou triplos, dependendo do nível de integridade exigido.
Os pacotes de E/S do sistema Mark VIe são muito mais do que simples conversores de sinal; são dispositivos inteligentes que contribuem significativamente para a capacidade geral do sistema. Cada pacote apresenta uma placa de processador local executando um sistema operacional em tempo real e uma placa de aquisição de dados especializada. Este design permite o processamento distribuído, permitindo que funções como loops PID rápidos ou regulação de servoválvulas sejam executadas localmente dentro do módulo em velocidades muito altas, independentemente do tempo de varredura do controlador principal.
Uma característica fundamental desses módulos é um sensor de temperatura integrado com precisão de ±2°C. Este sensor monitora continuamente a temperatura operacional do pacote de E/S. Se for detectada temperatura excessiva, gera um alarme de diagnóstico. O valor da temperatura e o status do alarme são disponibilizados no banco de dados do sistema de controle (espaço de sinal), permitindo que a lógica de controle tome ações preventivas, como iniciar um desligamento controlado ou alertar os operadores com uma mensagem de alarme personalizada, evitando assim danos ao hardware.
Os recursos padrão dos módulos de E/S incluem duas portas Ethernet full-duplex de 100 MB para conectividade de rede robusta, suporte abrangente para reparo e substituição on-line e reconfiguração automática após a substituição do módulo. As especificações de precisão são garantidas em toda a faixa de temperatura operacional. O status é indicado por meio de LEDs para alimentação, atividade de rede e condições específicas da aplicação. Os módulos são alimentados por uma fonte de 28 V CC, que possui proteção interna de circuito de estado sólido com um ponto de disparo nominal de 2 A e um circuito de partida suave para evitar problemas de corrente de partida. A alimentação CC negativa é aterrada através do invólucro metálico, aumentando a imunidade a ruídos e a segurança.
O sistema Mark VIe oferece dois tipos principais de módulos terminais (módulos tipo T e tipo S) para acomodar diferentes necessidades de fiação e redundância.
Os módulos tipo T são projetados para aplicações que exigem altos níveis de redundância e isolamento de sinal. Eles normalmente distribuem um único sinal de entrada de campo para três pacotes de E/S separados para sistemas TMR. Esses módulos contêm dois blocos terminais removíveis de 24 pontos do tipo barreira. Cada ponto pode aceitar dois fios de até 3,0 mm² (#12 AWG) com classificação de isolamento de 300 V e suporta terminais tipo espada ou anel, bem como braçadeiras cativas para fios desencapados. O espaçamento dos parafusos é de no mínimo 9,53 mm de centro a centro. Eles normalmente são montados em superfície e incluem uma faixa de blindagem integrada conectada à base de montagem para melhorar a compatibilidade eletromagnética (EMC).
Os módulos tipo S fornecem uma solução mais compacta e econômica para aplicações TMR simplex, duplas ou dedicadas, onde os sinais não são distribuídos. Eles têm metade do tamanho dos módulos tipo T e podem ser montados em trilho DIN ou em superfície. Eles oferecem um único ponto de terminação por sinal de E/S. Os terminais tipo caixa fixa aceitam um fio de 3,0 mm² ou dois fios de 2,0 mm² (#14 AWG). Também está disponível uma versão com terminais removíveis, permitindo a substituição em campo por tecnologias de conexão alternativas, como braçadeira de mola ou tipos de deslocamento de isolamento. Cada bloco inclui uma faixa de blindagem ligada ao aterramento funcional.
Os componentes Mark VIe são projetados para implantação global em diversas condições ambientais. Os componentes eletrônicos principais, incluindo controladores, módulos de E/S e fontes de alimentação, são classificados para operação de -30°C a 65°C. Para garantir a confiabilidade, recomenda-se que módulos com classificações de temperatura mais restritivas, como certos gateways fieldbus (por exemplo, PROFIBUS Master: -20 a 55°C, FOUNDATION Fieldbus: 0 a 55°C), sejam instalados mais abaixo no gabinete de controle, onde as temperaturas são mais baixas. Os equipamentos da sala de controle, como as estações de trabalho dos operadores, têm uma faixa operacional mais estreita, de 20 a 30°C. Todos os equipamentos são projetados para suportar faixas mais amplas de temperatura (-40 a 85°C para controladores, 0 a 30°C para estações de trabalho) durante o transporte e armazenamento.
Os recursos de hardware do Mark VIe são totalmente desbloqueados pelo conjunto de software ControlST. Este conjunto integrado de ferramentas fornece um ambiente unificado para todos os aspectos do ciclo de vida do sistema de controle. Em sua essência está o aplicativo ToolboxST, que é usado para programação, configuração, tendências em tempo real e análise de diagnóstico aprofundada em todos os sistemas Mark VIe e Mark VIeS. Ele garante que dados de alta qualidade e coerentes com o tempo estejam disponíveis tanto nos controladores quanto no nível da planta, formando uma base sólida para o gerenciamento eficaz de ativos e a tomada de decisões operacionais.
Para aplicações críticas de segurança que exigem certificação sob padrões como IEC 61508, o sistema Mark VIeS Safety é empregado. Este sistema utiliza o mesmo conjunto de software familiar ControlST e conjunto de ferramentas ToolboxST para manutenção e configuração, reduzindo significativamente os requisitos de treinamento do operador. No entanto, ele mantém um conjunto físico e logicamente separado de blocos de funções de hardware e software certificados. O ToolboxST fornece recursos de segurança para bloquear ou desbloquear o sistema de segurança para configuração e programação de Função Instrumentada de Segurança (SIF), garantindo que a integridade da lógica de segurança nunca seja comprometida.
O portfólio de E/S do sistema é vasto, abrangendo módulos genéricos como entradas discretas (variando de acordo com a classificação de tensão e isolamento) e módulos altamente especializados para aplicações específicas. Por exemplo, servomódulos dedicados fornecem o processamento ultrarrápido necessário para o controle preciso de circuito fechado de atuadores de turbinas. Da mesma forma, módulos especializados de monitoramento de vibração estão disponíveis para medir com precisão o deslocamento radial e axial do eixo em máquinas rotativas, integrando a proteção diretamente no sistema de controle. Os critérios de seleção dos módulos incluem não apenas o tipo de sinal, mas também a redundância necessária, o nível de isolamento, o estilo do bloco terminal, a certificação de segurança (SIL) e as aprovações para uso em locais perigosos.
Referências: 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
