Система управления Mark VIe представляет собой сложное решение, разработанное для удовлетворения строгих требований современной автоматизации в широком спектре приложений, от производства электроэнергии до сложных производственных процессов. Эта интегрированная платформа отличается своей усовершенствованной архитектурой, которая органично сочетает в себе высокоскоростную детерминированную сеть с комплексными возможностями резервирования и унифицированной программной средой.
В основе системы Mark VIe лежит мощный одноплатный контроллер. Это устройство объединяет основной процессор с резервными драйверами Ethernet, специально разработанными для управления сетевыми соединениями ввода-вывода (I/O). Дополнительные выделенные интерфейсы Ethernet встроены для обработки сетевого трафика управления, обеспечивая разделение и приоритетность потока данных. Контроллер работает в многозадачной операционной системе реального времени, гарантируя детерминированную производительность для чувствительных ко времени контуров управления. Логика приложения выполняется с использованием настраиваемого блочного языка программирования, хранящегося в энергонезависимой памяти для предотвращения потерь во время циклов включения и выключения питания. Этот язык, аналогичный 32-битному формату чисел с плавающей запятой IEEE 854, предоставляет инженерам мощную и знакомую среду для разработки сложных стратегий управления. Кроме того, доступны последовательные функциональные диаграммы (SFC) для организации сложных рабочих последовательностей, что расширяет возможности системы по управлению сложными многоэтапными процессами.
Ключевым элементом архитектуры является сеть ввода-вывода или IONet. Это выделенный полнодуплексный протокол «точка-точка», который создает детерминированную высокоскоростную коммуникационную инфраструктуру со скоростью 100 МБ. IONet спроектирован для поддержки как локальных, так и распределенных устройств ввода-вывода, выступая в качестве критически важной магистрали данных между главным контроллером(ами) и различными сетевыми модулями ввода-вывода. Его детерминированный характер гарантирует доставку пакетов данных в течение гарантированного периода времени, что важно для приложений точного управления. Сеть поддерживает конфигурации с одинарным, двойным и тройным резервированием и предлагает как медные, так и оптоволоконные интерфейсы для удовлетворения различных требований к установке, таких как устойчивость к электромагнитным помехам в суровых условиях предприятия.
Физическая подсистема ввода-вывода структурирована на основе модульных пакетов ввода-вывода. Каждый модуль состоит из трех основных элементов: клеммной колодки, клеммной колодки и самого блока ввода-вывода. Клеммные колодки барьерного или коробчатого типа монтируются на клеммную колодку, которая впоследствии крепится к DIN-рейке или опорной плите внутри шкафа управления. Пакет ввода-вывода представляет собой интеллектуальный компонент, включающий два порта Ethernet для подключения к IONet, источник питания, локальный выделенный процессор и плату сбора данных, специально предназначенную для выполнения функций ввода-вывода. Эта модульная конструкция обеспечивает масштабируемое расширение системы; Емкость ввода-вывода увеличивается просто за счет добавления в сеть дополнительных пакетов. Такая гибкость обеспечивает развертывание в конфигурациях с симплексным, двойным или тройным модульным резервированием (TMR). Для приложений, требующих исключительной скорости, таких как сервоуправление, локальный процессор в каждом пакете может выполнять специализированные алгоритмы со скоростью, значительно превышающей скорость основного контура управления, разгружая вычислительную нагрузку с центрального контроллера и повышая общую производительность системы.
Платформа Mark VIe известна своими обширными и настраиваемыми возможностями резервирования, которые адаптированы к критичности контролируемого процесса. Принципы резервирования могут применяться к датчикам, сетям, контроллерам и модулям вывода, обеспечивая подход к глубокоэшелонированной защите для максимизации доступности и уменьшения количества отдельных точек отказа.
Системы с двойным резервированием являются обычной конфигурацией для приложений высокой доступности. В этой конфигурации входные сигналы от датчиков считываются входными пакетами (которые сами по себе могут быть одиночными или резервными) и передаются через две независимые сети IONet на пару контроллеров Mark VIe. Эти контроллеры одновременно используют идентичное прикладное программное обеспечение. Выходные данные контроллеров затем отправляются в выходные пакеты. Для наиболее важных элементов конечного управления может быть реализована схема вывода тройного голосования, при которой три отдельных блока вывода ввода-вывода получают командные сигналы. Избиратель, основанный на аппаратном или программном обеспечении, выбирает правильный выход на основе большинства голосов (2 из 3), гарантируя, что сбой в одном выходном канале не вызовет ложного действия в полевом устройстве. Эта архитектура может поддерживать одиночные, двойные или тройные резервные входы датчиков.
Для обеспечения максимальной критичности развернута система тройного модульного резервирования (TMR). Эта конфигурация предназначена для допуска сбоя в любом отдельном компоненте без нарушения процесса. Три независимых контроллера работают параллельно, получая входные данные от датчиков с тройным резервированием через три отдельные сети IONet. Система непрерывно выполняет голосование (либо выбор 2 из 3, либо выбор медианного значения) по всем критическим входным сигналам. Каждый контроллер выполняет свою логику на основе этого принятого или «правильного» значения. Сложная система диагностики непрерывно контролирует все три канала, быстро выявляя и сигнализируя о сбое устройства. Эта возможность значительно сокращает среднее время ремонта (MTTR) за счет мгновенного определения неисправного компонента. Кроме того, функция онлайн-ремонта системы позволяет техническим специалистам заменять неисправный модуль, не переводя весь процесс в автономный режим, тем самым значительно увеличивая среднее время между вынужденными отключениями (MTBFO). Полевые датчики для этих систем могут быть сконфигурированы как одиночные, сдвоенные или тройные, в зависимости от требуемого уровня целостности.
Пакеты ввода-вывода в системе Mark VIe — это нечто большее, чем просто преобразователи сигналов; это интеллектуальные устройства, которые вносят значительный вклад в общую производительность системы. Каждый комплект включает в себя плату локального процессора, на которой установлена операционная система реального времени, и специализированную плату сбора данных. Такая конструкция обеспечивает распределенную обработку, позволяя выполнять такие функции, как быстрые контуры ПИД или регулирование сервоклапана, локально внутри модуля на очень высоких скоростях, независимо от времени сканирования главного контроллера.
Ключевой особенностью этих модулей является встроенный датчик температуры с точностью ±2°C. Этот датчик постоянно контролирует рабочую температуру блока ввода-вывода. Если обнаруживается чрезмерная температура, генерируется диагностический сигнал тревоги. Значение температуры и статус сигнализации доступны в базе данных системы управления (пространстве сигналов), что позволяет логике управления предпринимать упреждающие действия, такие как инициирование контролируемого отключения или оповещение операторов с помощью специального тревожного сообщения, тем самым предотвращая повреждение оборудования.
Стандартные функции модулей ввода-вывода включают два полнодуплексных порта Ethernet емкостью 100 МБ для надежного сетевого подключения, комплексную поддержку оперативного ремонта и замены, а также автоматическую реконфигурацию при замене модуля. Характеристики точности гарантированы во всем диапазоне рабочих температур. Состояние отображается с помощью светодиодов, отображающих питание, сетевую активность и условия конкретного приложения. Модули питаются от источника постоянного тока 28 В, который оснащен внутренней защитой полупроводниковой цепи с номинальной точкой срабатывания 2 А и схемой плавного пуска для предотвращения проблем с пусковым током. Отрицательный источник постоянного тока заземлен через металлический корпус, что повышает помехоустойчивость и безопасность.
Система Mark VIe предлагает два основных типа терминальных модулей (модули T-типа и S-типа) для удовлетворения различных потребностей в проводке и резервировании.
Модули T-типа предназначены для приложений, требующих высокого уровня резервирования и изоляции сигналов. Обычно они распределяют один входной сигнал на три отдельных блока ввода-вывода для систем TMR. Эти модули содержат две съемные 24-точечные клеммные колодки барьерного типа. Каждая точка может принимать два провода сечением до 3,0 мм² (#12 AWG) с номиналом изоляции 300 В и поддерживает лепестковые или кольцевые наконечники, а также невыпадающие зажимы для неизолированных проводов. Расстояние между винтами составляет минимум 9,53 мм между центрами. Обычно они монтируются на поверхность и включают встроенную защитную полосу, соединенную с монтажным основанием для улучшения электромагнитной совместимости (ЭМС).
Модули S-типа представляют собой более компактное и экономичное решение для симплексных, двойных или специализированных приложений TMR, где сигналы не разветвляются. Они вдвое меньше модулей Т-типа и могут монтироваться на DIN-рейку или на поверхность. Они предлагают одну точку завершения для каждого сигнала ввода-вывода. Фиксированные клеммы коробчатого типа рассчитаны на один провод сечением 3,0 мм² или два провода сечением 2,0 мм² (#14 AWG). Также доступна версия со съемными клеммами, позволяющая заменять их на месте альтернативными технологиями подключения, такими как пружинные зажимы или типы со смещением изоляции. Каждый блок включает в себя защитную полосу, привязанную к функциональному заземлению.
Компоненты Mark VIe предназначены для глобального применения в различных условиях окружающей среды. Основная электроника, включая контроллеры, модули ввода-вывода и источники питания, рассчитана на работу при температуре от -30°C до 65°C. Для обеспечения надежности рекомендуется устанавливать модули с более строгими температурными диапазонами, такие как некоторые шлюзы полевой шины (например, PROFIBUS Master: от -20 до 55°C, FOUNDATION Fieldbus: от 0 до 55°C), устанавливать их ниже в шкафу управления, где температура ниже. Оборудование диспетчерской, такое как рабочие станции операторов, имеет более узкий рабочий диапазон — от 20 до 30°C. Все оборудование рассчитано на более широкий диапазон температур (от -40 до 85°C для контроллеров, от 0 до 30°C для рабочих станций) во время транспортировки и хранения.
Аппаратные возможности Mark VIe полностью раскрыты пакетом программного обеспечения ControlST. Этот интегрированный набор инструментов обеспечивает единую среду для каждого аспекта жизненного цикла системы управления. В его основе лежит приложение ToolboxST, которое используется для программирования, настройки, отслеживания тенденций в реальном времени и углубленного диагностического анализа во всех системах Mark VIe и Mark VIeS. Это гарантирует, что высококачественные, согласованные во времени данные доступны как внутри контроллеров, так и на уровне предприятия, образуя прочную основу для эффективного управления активами и принятия оперативных решений.
Для критически важных с точки зрения безопасности приложений, требующих сертификации по таким стандартам, как IEC 61508, используется система безопасности Mark VieS. В этой системе для обслуживания и настройки используется тот же знакомый пакет программного обеспечения ControlST и набор инструментов ToolboxST, что значительно снижает требования к обучению операторов. Однако он поддерживает физически и логически отдельный набор сертифицированных функциональных блоков аппаратного и программного обеспечения. ToolboxST предоставляет функции безопасности для блокировки или разблокировки системы безопасности для настройки и программирования инструментальных функций безопасности (SIF), гарантируя, что целостность логики безопасности никогда не будет нарушена.
Портфель систем ввода-вывода обширен и включает в себя как общие модули, такие как дискретные входы (различающиеся в зависимости от номинального напряжения и изоляции), так и узкоспециализированные модули для конкретных приложений. Например, специальные сервомодули обеспечивают сверхбыструю обработку, необходимую для точного управления приводами турбин с обратной связью. Аналогичным образом, доступны специализированные модули мониторинга вибрации для точного измерения радиального и осевого смещения вала во вращающихся машинах, интегрируя защиту непосредственно в систему управления. Критерии выбора модулей включают не только тип сигнала, но и необходимое резервирование, уровень изоляции, стиль клеммной колодки, сертификацию безопасности (SIL) и разрешения на использование в опасных зонах.
Ссылки: 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
