Автор: Редактор сайта Время публикации: 11.09.2025 Происхождение: Сайт
HIQuad X — это инновационная, высокопроизводительная программируемая электронная система (PES), обеспечивающая безопасность, разработанная HIMA и построенная на проверенной системной платформе HIQuad. Он предназначен для критически важных приложений до уровня SIL 3 (IEC 61508) и PL e (EN ISO 13849), а также обладает характеристиками высокой доступности. HIQuad X подходит для решения различных задач управления в перерабатывающей промышленности и автоматизации производства, особенно на технологических объектах. Система имеет модульную конструкцию, поддерживает гибкую конфигурацию и может программироваться, конфигурироваться, контролироваться, эксплуатироваться и документироваться с использованием зрелого инженерного инструмента SILworX® от HIMA.
Семейства и структура систем
HIQuad X включает два семейства систем: H51X и H41X. Они используют идентичные модули, но отличаются структурой и возможностями расширения:
HIQuad H51X:
Структура: Высокомодульная.
Базовая стойка: 1 (не содержит модулей ввода-вывода).
Стойки расширения: максимум 16.
Процессорные модули (F-CPU 01): 1 или 2.
Модули обработки ввода-вывода (F-IOP 01): 1 на стойку расширения.
Коммуникационные модули (F-COM 01): до 10 в базовой стойке.
Модулей ввода-вывода на стойку расширения: 16.
Всего модулей ввода-вывода: до 256.
HIQuad H41X:
Структура: Модульная.
Базовая стойка: 1 (может вместить до 12 модулей ввода-вывода).
Стойки расширения: максимум 1.
Процессорные модули (F-CPU 01): 1 или 2.
Модули обработки ввода-вывода (F-IOP 01): 1 в базовой стойке, 1 в стойке расширения.
Коммуникационные модули (F-COM 01): до 2 в базовой стойке.
Модулей ввода-вывода на стойку расширения: 16.
Всего модулей ввода-вывода: до 28.
Эти различия позволяют пользователям выбирать наиболее подходящую системную платформу на основе требований конкретного приложения к количеству и доступности ввода-вывода.
Основные функции
1. Безопасность и сертификация
Система HIQuad X разработана для приложений безопасности, придерживающихся принципов «отключение питания до отключения» и «включение питания до отключения». Его основные функции безопасности включают в себя:
Уровень полноты безопасности (SIL): поддерживает до SIL 3 (IEC 61508), PL e (ISO 13849).
Сертификация: Система и ее модули ввода-вывода сертифицированы в соответствии с различными международными стандартами (см. Руководство по безопасности HI 803 209 E), в том числе для использования в системах пожарной сигнализации (в соответствии с DIN EN 54-2 и NFPA 72) и пригодности для установки в опасных зонах 2.
Архитектура 1oo2: процессорные модули безопасности (F-CPU 01) и модули обработки ввода-вывода (F-IOP 01) включают в себя внутреннюю процессорную систему 1oo2 (один из двух). Два ядра микропроцессора непрерывно синхронизируют и сравнивают данные, обеспечивая безотказную работу.
Связь, связанная с безопасностью: поддерживает связь, связанную с безопасностью, через протокол SafeEthernet.
2. Высокая доступность и резервирование
Система предлагает несколько вариантов резервирования, направленных на максимальную доступность системы (Примечание: резервирование повышает доступность, а не уровень полноты безопасности — SIL):
Резервирование процессора: может быть сконфигурировано с двумя резервными процессорными модулями F-CPU 01. При выходе из строя одного модуля система автоматически переключается на другой для обеспечения безопасной работы. Неисправный модуль можно заменить во время работы системы (горячая замена в режиме резервирования).
Резервирование системной шины: для связи система использует две независимые системные шины (A и B). В резервированной конфигурации обе шины работают одновременно. Выход из строя одной шины не влияет на работу системы.
Резервирование модулей ввода-вывода: поддерживает резервирование модулей (два модуля ввода-вывода одного типа, образующих группу резервирования) и резервирование каналов (объединение каналов с одинаковыми номерами в резервированные модули). Для повышения доступности резервные модули следует устанавливать в разные стойки.
Резервирование источника питания: поддерживает подключение к резервным источникам питания 24 В постоянного тока, обеспечивая высокую доступность источника питания. Дополнительные буферные модули (F-PWR 02) можно использовать для компенсации провалов напряжения длительностью более 20 мс.
3. Модульная конструкция и масштабируемость
В системе используется стандартная 19-дюймовая стойка, обеспечивающая высокую гибкость:
Базовая стойка: содержит объединительную плату для установки процессорных модулей, модулей связи и модулей питания (H41X также включает модули ввода-вывода).
Стойки расширения: с помощью стоек расширения F-BASE RACK 11 систему H51X можно расширить до 16 стоек, каждая из которых способна вместить 16 модулей ввода-вывода и один модуль F-IOP 01, что значительно увеличивает емкость ввода-вывода.
Типы модулей: Система поддерживает широкий спектр типов модулей, в том числе:
F-CPU 01: Модуль процессора безопасности.
F-IOP 01: Модуль обработки ввода-вывода, соединяющий системную шину с шиной ввода-вывода.
F-PWR 01: Модуль питания 24 В постоянного тока/5 В постоянного тока.
F-PWR 02: Буферный модуль 24 В постоянного тока.
Различные модули ввода-вывода: включая цифровой ввод-вывод (DI/DO), аналоговый ввод-вывод (AI/AO), релейный выход, модули счетчиков и т. д., предназначенные как для приложений, связанных с безопасностью, так и для приложений, не связанных с безопасностью.
4. Коммуникационные возможности
Система взаимодействует с внешними системами через модули F-COM 01:
Протоколы безопасности: поддерживает протокол безопасности SafeEthernet HIMA.
Стандартные протоколы: поддерживает различные стандартные протоколы промышленной связи (требуется лицензия), например Modbus. Резервирование связи должно управляться либо с помощью пользовательской программы, либо с помощью самого конкретного протокола (например, Modbus Slave).
Инженерное соединение: через интерфейсы Ethernet (RJ-45) можно подключить до 5 инструментов программирования и отладки (PADT), но только один из них может иметь доступ для записи в любой момент времени.
5. Диагностика и обслуживание.
Система предоставляет комплексные диагностические функции для быстрого устранения неисправностей и технического обслуживания:
Светодиодные индикаторы: на передней панели каждого модуля имеются светодиодные индикаторы, показывающие рабочее состояние, ошибки, состояние связи и т. д.
История диагностики: модули F-CPU, F-IOP и F-COM имеют встроенные буферы истории диагностики (кольцевые буферы), в которых регистрируются системные события, ошибки и предупреждения, разделенные на краткосрочную и долгосрочную диагностику. Это можно просмотреть и проанализировать с помощью инструмента SILworX.
Онлайн-диагностика: в онлайн-представлении SILworX состояние модуля интуитивно отображается с помощью изменения цвета (например, красный для критических ошибок, желтый для предупреждений), а также можно просмотреть подробную информацию о состоянии.
Мониторинг системных переменных: предоставляет обширные системные переменные (например, температурное состояние, состояние источника питания, время цикла, счетчики ошибок), которые можно использовать в пользовательской программе или в целях мониторинга.
6. Программирование и настройка
Системное проектирование выполняется с использованием SILworX:
Языки программирования: поддерживает языки программирования, соответствующие стандарту IEC 61131-3.
Управление переменными: поддерживает локальные и глобальные переменные. Переменным могут быть присвоены начальные значения, атрибуты Retain (RETAIN) и т.д.
Системные параметры и переменные: предоставляет многочисленные системные параметры (для настройки поведения контроллера, например, время безопасности, время сторожевого таймера) и системные переменные (для получения информации о состоянии системы), доступные на разных уровнях, таких как ресурс и оборудование.
Принудительная функция: позволяет пользователям переопределять текущие значения переменных для целей тестирования и моделирования. Ограничения по времени и права доступа для принудительного использования могут быть установлены для обеспечения безопасного использования.
Управление пользователями: предлагает двухуровневое управление пользователями: PADT (доступ к проекту) и PES (доступ к контроллеру). Могут быть определены различные группы пользователей и разрешения (например, «Только чтение», «Оператор», «Чтение+запись», «Администратор»), что повышает безопасность системы.
7. Шумоподавление
Чтобы повысить устойчивость системы к временным помехам, HIQuad X обеспечивает функцию шумоподавления:
Функция: Подавляет переходные помехи на шинах или модулях ввода-вывода, сохраняя последнее допустимое значение в течение заданного времени, чтобы предотвратить ошибочный переход системы в безопасное состояние из-за кратковременных помех, тем самым повышая доступность.
Конфигурация: Эффективное время подавления шума зависит от времени безопасности, времени сторожевого таймера и времени цикла (Макс. время подавления шума = время безопасности – (2 x время сторожевого таймера)). Его можно сконфигурировать для модулей ввода-вывода в SILworX.
Эффективное направление: шумоподавление может действовать в разных направлениях:
От входного модуля к процессорному модулю (подавление входных и шинных помех).
От процессорного модуля к выходному модулю (подавление помех на шине).
От модуля вывода к модулю процессора (подавление подтверждения состояния, например, обнаружение SC/OC).
Принцип работы
Основная работа системы HIQuad X основана на ее аппаратной архитектуре и механизмах безопасности.
Поток и обработка сигналов:
Входная сторона: сигналы полевых датчиков подключаются к модулям ввода-вывода безопасности (например, модуль F 3237 DI). Модули ввода-вывода обмениваются данными через шину ввода-вывода с модулем обработки ввода-вывода F-IOP 01 в соответствующей стойке.
Обработка данных: Модуль F-IOP 01 обменивается данными с процессорными модулями F-CPU 01 в базовой стойке через резервированные системные шины (A и B). F-CPU 01 использует внутреннюю архитектуру 1oo2, в которой два ядра процессора циклически считывают входные данные, выполняют пользовательскую программу и сравнивают результаты.
Сторона вывода: Модули процессора отправляют результаты обработки обратно по системным шинам на модуль F-IOP 01, который затем передает их по шине ввода-вывода на модули вывода (например, модуль F 3330 DO), тем самым управляя полевыми исполнительными устройствами. F-IOP 01 также отвечает за генерацию и мониторинг сигнала сторожевого таймера ввода-вывода (WD). Модули вывода работают только при наличии этого сигнала (высокий уровень); в противном случае они переходят в безопасное состояние.
Механизмы безопасности:
Обнаружение неисправностей: система постоянно выполняет самотестирование и перекрестные проверки на различных уровнях, включая сравнение ядер процессора, контрольные суммы связи, мониторинг состояния модуля, мониторинг источника питания и мониторинг температуры.
Безопасное состояние: при обнаружении внутренней неисправности или внешней команды (например, аварийного останова) система следует принципу «отключение до отключения», переводя выходы в заранее определенное безопасное состояние (обычно обесточенное состояние).
Мониторинг времени: Время безопасности — это максимально допустимое время реакции для процесса. Время сторожевого таймера — это максимально допустимая продолжительность цикла процессора; в случае превышения система запускает защитную реакцию. Время цикла — это фактическое время, необходимое процессору для выполнения одного цикла пользовательской программы. Конфигурация этих таймингов имеет решающее значение для безопасности и производительности системы.
Синхронизация резервирования:
В резервированной конфигурации два процессорных модуля непрерывно синхронизируют свое внутреннее состояние и данные через системные шины.
Если основной процессорный модуль выходит из строя, резервный модуль немедленно обнаруживает это и берет на себя управление, поддерживая непрерывную безопасную работу системы, обеспечивая плавное переключение и высокую доступность.
Распределение мощности:
Система питается от источника питания SELV/PELV напряжением 24 В постоянного тока. Модули распределения питания (например, К 7212) используются для распределения и защиты силовых цепей.
Электропитание 5 В в базовой стойке генерируется модулями F-PWR 01 и распределяется через объединительную плату. Питание 5 В для стоек расширения подается от базовой стойки по топологии «звезда».
Вспомогательное и полевое питание 24 В для модулей ввода-вывода распределяется и защищается модулями распределения питания (F 7133), причем каждый F 7133 обеспечивает защиту предохранителями для 4 слотов модулей ввода-вывода.
Термическое управление:
При проектировании системы учитывается отвод тепла от электронных компонентов. Для поддержания температуры окружающей среды в диапазоне от 0°C до +60°C внутри шкафа управления необходима соответствующая вентиляция (естественная конвекция или принудительное воздушное охлаждение).
Модули оснащены датчиками температуры, а состояние температуры можно отслеживать с помощью системных переменных. При превышении пороговых значений температуры выдаются предупреждения или ошибки, хотя сам контроль температуры не связан с безопасностью.
Области применения
Система HIQuad X широко используется в отраслях с высокими требованиями к безопасности и доступности:
Химическая и нефтехимическая промышленность: системы аварийного останова (ESD), системы управления горелками (BMS), системы останова технологических процессов.
Нефть и газ: Управление устьем скважин, Системы защиты трубопроводов, Системы безопасности морских платформ.
Производство электроэнергии: управление турбиной, системы аварийного отключения.
Металлургия: Системы безопасности для доменных печей, системы управления мельницами.
Железнодорожный транспорт: Системы контроля сигнализации (при соблюдении соответствующих стандартов).
Общая автоматизация производства: Защитное управление машинами (до PL e).
Системы обнаружения пожара и газа: использование сертифицированных модулей аналогового ввода.
