Hệ thống điều khiển Mark VIe nổi lên như một giải pháp tinh vi được thiết kế để đáp ứng nhu cầu khắt khe của tự động hóa hiện đại trên nhiều ứng dụng đa dạng, từ sản xuất điện đến các quy trình sản xuất phức tạp. Nền tảng tích hợp này khác biệt nhờ kiến trúc tiên tiến, kết hợp liền mạch mạng xác định tốc độ cao với các tùy chọn dự phòng toàn diện và môi trường phần mềm hợp nhất.
Trọng tâm của hệ thống Mark VIe là bộ điều khiển một bo mạch mạnh mẽ. Bộ phận này tích hợp bộ xử lý chính với trình điều khiển Ethernet dự phòng được thiết kế đặc biệt để quản lý hoạt động truyền thông đầu vào/đầu ra (I/O) mạng. Các giao diện Ethernet chuyên dụng bổ sung được tích hợp để xử lý lưu lượng mạng điều khiển, đảm bảo luồng dữ liệu được phân tách và ưu tiên. Bộ điều khiển hoạt động trên hệ điều hành đa tác vụ, thời gian thực, đảm bảo hiệu suất xác định cho các vòng điều khiển nhạy cảm với thời gian. Logic ứng dụng được thực thi bằng ngôn ngữ lập trình dựa trên khối có thể định cấu hình, được lưu trữ trong bộ nhớ cố định để tránh mất mát trong các chu kỳ cấp nguồn. Ngôn ngữ này, giống với định dạng dấu phẩy động 32 bit của IEEE 854, cung cấp cho các kỹ sư một môi trường mạnh mẽ và quen thuộc để phát triển các chiến lược điều khiển phức tạp. Hơn nữa, Sơ đồ chức năng tuần tự (SFC) hiện có sẵn để sắp xếp các chuỗi hoạt động phức tạp, nâng cao khả năng của hệ thống trong việc quản lý các quy trình nhiều giai đoạn phức tạp.
Yếu tố then chốt của kiến trúc là Mạng I/O hoặc INet. Đây là giao thức điểm-điểm, song công hoàn toàn, chuyên dụng, thiết lập cơ sở hạ tầng truyền thông 100 MB tốc độ cao, xác định. INetet được thiết kế để hỗ trợ cả thiết bị I/O cục bộ và phân tán, đóng vai trò là đường truyền dữ liệu quan trọng giữa (các) bộ điều khiển chính và các mô-đun I/O được nối mạng khác nhau. Bản chất xác định của nó đảm bảo rằng các gói dữ liệu được phân phối trong một khung thời gian được đảm bảo, điều này rất cần thiết cho các ứng dụng điều khiển chính xác. Mạng hỗ trợ các cấu hình dự phòng đơn, kép và ba, đồng thời cung cấp cả giao diện đồng và cáp quang để đáp ứng các yêu cầu lắp đặt khác nhau, chẳng hạn như khả năng chống nhiễu điện từ trong môi trường nhà máy khắc nghiệt.
Hệ thống con I/O vật lý được cấu trúc xung quanh các gói I/O mô-đun. Mỗi mô-đun bao gồm ba thành phần chính: bảng đầu cuối, khối đầu cuối và gói I/O. Các khối thiết bị đầu cuối dạng rào chắn hoặc dạng hộp được gắn vào bảng thiết bị đầu cuối, sau đó được cố định vào thanh ray DIN hoặc tấm đế trong tủ điều khiển. Gói I/O là thành phần thông minh, chứa các cổng Ethernet kép để kết nối với INet, nguồn điện, bộ xử lý chuyên dụng cục bộ và bảng thu thập dữ liệu được thiết kế riêng cho chức năng I/O của nó. Thiết kế mô-đun này cho phép mở rộng hệ thống có thể mở rộng; Dung lượng I/O được tăng lên đơn giản bằng cách thêm nhiều gói hơn vào mạng. Tính linh hoạt này cho phép triển khai theo cấu hình dự phòng mô-đun đơn giản, kép hoặc ba mô-đun (TMR). Đối với các ứng dụng yêu cầu tốc độ vượt trội, chẳng hạn như điều khiển servo, bộ xử lý cục bộ trong mỗi gói có thể thực thi các thuật toán chuyên biệt ở tốc độ cao hơn đáng kể so với vòng điều khiển chính, giảm tải gánh nặng xử lý cho bộ điều khiển trung tâm và nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.
Nền tảng Mark VIe nổi tiếng với khả năng dự phòng mở rộng và có thể định cấu hình, được điều chỉnh phù hợp với mức độ quan trọng của quy trình được kiểm soát. Triết lý dự phòng có thể được áp dụng cho các cảm biến, mạng, bộ điều khiển và mô-đun đầu ra, cung cấp cách tiếp cận bảo vệ chuyên sâu để tối đa hóa tính khả dụng và giảm thiểu các điểm lỗi duy nhất.
Hệ thống dự phòng kép là cấu hình phổ biến cho các ứng dụng có tính sẵn sàng cao. Trong thiết lập này, tín hiệu đầu vào từ các cảm biến được đọc bởi các gói đầu vào (bản thân chúng có thể là đơn hoặc dự phòng) và truyền qua IONets kép, độc lập tới một cặp bộ điều khiển Mark VIe. Các bộ điều khiển này chạy phần mềm ứng dụng giống hệt nhau theo từng bước. Đầu ra từ bộ điều khiển sau đó được gửi đến các gói đầu ra. Đối với các phần tử kiểm soát cuối cùng quan trọng nhất, có thể triển khai sơ đồ đầu ra biểu quyết ba lần, trong đó ba gói I/O đầu ra riêng biệt nhận tín hiệu lệnh. Cử tri dựa trên phần cứng hoặc phần mềm chọn đầu ra chính xác dựa trên phiếu bầu đa số (2 trên 3), đảm bảo rằng lỗi ở một kênh đầu ra không gây ra hành động giả trong thiết bị hiện trường. Kiến trúc này có thể chứa các đầu vào cảm biến dự phòng đơn, kép hoặc ba.
Để đạt mức quan trọng cao nhất, hệ thống dự phòng ba mô-đun (TMR) được triển khai. Cấu hình này được thiết kế để chịu đựng lỗi ở bất kỳ thành phần nào mà không làm gián đoạn quá trình. Ba bộ điều khiển độc lập chạy song song, nhận dữ liệu đầu vào từ ba cảm biến dự phòng thông qua ba IONets riêng biệt. Hệ thống liên tục thực hiện bỏ phiếu (lựa chọn 2 trên 3 hoặc lựa chọn giá trị trung bình) trên tất cả các tín hiệu đầu vào quan trọng. Mỗi bộ điều khiển thực thi logic của nó dựa trên giá trị được bình chọn hoặc 'chính xác' này. Chẩn đoán tinh vi liên tục giám sát cả ba kênh, nhanh chóng xác định và cảnh báo khi có lỗi thiết bị. Khả năng này làm giảm đáng kể Thời gian sửa chữa trung bình (MTTR) bằng cách xác định ngay thành phần bị lỗi. Hơn nữa, tính năng sửa chữa trực tuyến của hệ thống cho phép các kỹ thuật viên thay thế mô-đun bị lỗi mà không dừng toàn bộ quy trình, do đó làm tăng đáng kể Thời gian trung bình giữa các lần ngừng hoạt động cưỡng bức (MTBFO). Cảm biến trường cho các hệ thống này có thể được cấu hình thành đơn, kép hoặc ba, tùy thuộc vào mức độ toàn vẹn được yêu cầu.
Các gói I/O trong hệ thống Mark VIe không chỉ là những bộ chuyển đổi tín hiệu đơn giản; chúng là những thiết bị thông minh đóng góp đáng kể vào khả năng tổng thể của hệ thống. Mỗi gói đều có một bo mạch xử lý cục bộ chạy hệ điều hành thời gian thực và một bo mạch thu thập dữ liệu chuyên dụng. Thiết kế này cho phép xử lý phân tán, cho phép các chức năng như vòng lặp PID nhanh hoặc điều chỉnh van servo được thực hiện cục bộ trong mô-đun ở tốc độ rất cao, không phụ thuộc vào thời gian quét của bộ điều khiển chính.
Tính năng chính của các mô-đun này là cảm biến nhiệt độ tích hợp với độ chính xác ±2°C. Cảm biến này liên tục theo dõi nhiệt độ hoạt động của gói I/O. Nếu phát hiện nhiệt độ quá cao, nó sẽ tạo ra cảnh báo chẩn đoán. Giá trị nhiệt độ và trạng thái cảnh báo được cung cấp trong cơ sở dữ liệu của hệ thống điều khiển (không gian tín hiệu), cho phép logic điều khiển thực hiện các hành động ưu tiên, chẳng hạn như bắt đầu tắt máy có kiểm soát hoặc cảnh báo cho người vận hành bằng thông báo cảnh báo tùy chỉnh, do đó ngăn ngừa hư hỏng phần cứng.
Các tính năng tiêu chuẩn trên các mô-đun I/O bao gồm hai cổng Ethernet song công hoàn toàn 100 MB để kết nối mạng mạnh mẽ, hỗ trợ toàn diện cho việc sửa chữa và thay thế trực tuyến cũng như tự động cấu hình lại khi thay thế mô-đun. Thông số kỹ thuật chính xác được đảm bảo trên toàn bộ phạm vi nhiệt độ hoạt động. Trạng thái được biểu thị qua đèn LED về nguồn điện, hoạt động mạng và các điều kiện dành riêng cho ứng dụng. Các mô-đun được cấp nguồn bằng nguồn điện một chiều 28 V, có tính năng bảo vệ mạch trạng thái rắn bên trong với điểm ngắt 2 A danh nghĩa và mạch khởi động mềm để ngăn chặn các sự cố dòng điện khởi động. Nguồn DC âm được nối đất qua vỏ kim loại, tăng cường khả năng chống ồn và an toàn.
Hệ thống Mark VIe cung cấp hai loại mô-đun đầu cuối chính (Mô-đun loại T và Loại S) để đáp ứng các nhu cầu nối dây và dự phòng khác nhau.
Các mô-đun loại T được thiết kế cho các ứng dụng yêu cầu mức độ dự phòng và cách ly tín hiệu cao. Chúng thường phân phối một tín hiệu đầu vào trường duy nhất tới ba gói I/O riêng biệt cho hệ thống TMR. Các mô-đun này chứa hai khối thiết bị đầu cuối loại rào chắn 24 điểm có thể tháo rời. Mỗi điểm có thể chấp nhận hai dây có kích thước lên đến 3,0 mm2 (#12 AWG) với định mức cách điện 300 V và hỗ trợ các vấu kiểu thuổng hoặc vòng, cũng như kẹp cố định cho dây trần. Khoảng cách vít tối thiểu là 9,53 mm từ tâm đến tâm. Chúng thường được gắn trên bề mặt và bao gồm một dải chắn tích hợp được kết nối với đế gắn để cải thiện khả năng tương thích điện từ (EMC).
Mô-đun S-Type cung cấp giải pháp nhỏ gọn hơn và tiết kiệm chi phí hơn cho các ứng dụng TMR đơn giản, kép hoặc chuyên dụng, nơi tín hiệu không bị tản ra. Chúng có kích thước bằng một nửa mô-đun loại T và có thể được gắn trên thanh DIN hoặc gắn trên bề mặt. Họ cung cấp một điểm kết thúc duy nhất cho mỗi tín hiệu I/O. Thiết bị đầu cuối loại hộp cố định chấp nhận một dây 3,0 mm2 hoặc hai dây 2,0 mm2 (#14 AWG). Một phiên bản với các đầu cuối có thể tháo rời cũng có sẵn, cho phép thay thế tại hiện trường bằng các công nghệ kết nối thay thế như loại kẹp lò xo hoặc loại dịch chuyển cách điện. Mỗi khối bao gồm một dải khiên gắn với mặt đất chức năng.
Các thành phần Mark VIe được thiết kế để triển khai toàn cầu trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau. Các thiết bị điện tử lõi, bao gồm bộ điều khiển, mô-đun I/O và bộ nguồn, được định mức hoạt động ở nhiệt độ từ -30°C đến 65°C. Để đảm bảo độ tin cậy, chúng tôi khuyến nghị lắp đặt các mô-đun có xếp hạng nhiệt độ hạn chế hơn, chẳng hạn như một số cổng fieldbus nhất định (ví dụ: PROFIBUS Master: -20 đến 55°C, FOUNDATION Fieldbus: 0 đến 55°C), nên được lắp đặt thấp hơn trong tủ điều khiển nơi nhiệt độ mát hơn. Thiết bị trong phòng điều khiển, giống như trạm làm việc của người vận hành, có phạm vi hoạt động hẹp hơn từ 20 đến 30°C. Tất cả thiết bị đều được thiết kế để chịu được phạm vi nhiệt độ rộng hơn (-40 đến 85°C đối với bộ điều khiển, 0 đến 30°C đối với máy trạm) trong quá trình vận chuyển và bảo quản.
Khả năng phần cứng của Mark VIe được mở khóa hoàn toàn nhờ bộ phần mềm ControlST. Bộ công cụ tích hợp này cung cấp một môi trường thống nhất cho mọi khía cạnh của vòng đời hệ thống điều khiển. Cốt lõi của nó là ứng dụng ToolboxST, được sử dụng để lập trình, cấu hình, xu hướng thời gian thực và phân tích chẩn đoán chuyên sâu trên tất cả các hệ thống Mark VIe và Mark VIeS. Nó đảm bảo rằng dữ liệu nhất quán về thời gian, chất lượng cao có sẵn cả trong bộ điều khiển và ở cấp nhà máy, tạo thành nền tảng vững chắc để quản lý tài sản hiệu quả và ra quyết định vận hành.
Đối với các ứng dụng quan trọng về an toàn yêu cầu chứng nhận theo tiêu chuẩn như IEC 61508, hệ thống An toàn Mark VIeS sẽ được sử dụng. Hệ thống này sử dụng bộ phần mềm ControlST quen thuộc và bộ công cụ ToolboxST để bảo trì và cấu hình, giúp giảm đáng kể yêu cầu đào tạo người vận hành. Tuy nhiên, nó duy trì một tập hợp các khối chức năng phần cứng và phần mềm được chứng nhận riêng biệt về mặt vật lý và logic. ToolboxST cung cấp các tính năng bảo mật để khóa hoặc mở khóa hệ thống an toàn để lập cấu hình và lập trình Chức năng thiết bị an toàn (SIF), đảm bảo tính toàn vẹn của logic an toàn không bao giờ bị xâm phạm.
Danh mục I/O của hệ thống rất rộng lớn, bao gồm cả các mô-đun chung như đầu vào riêng biệt (thay đổi theo định mức điện áp và cách ly) và các mô-đun dành riêng cho ứng dụng có tính chuyên môn cao. Ví dụ, các mô-đun servo chuyên dụng cung cấp khả năng xử lý cực nhanh cần thiết để điều khiển vòng kín chính xác của bộ truyền động tuabin. Tương tự, các mô-đun giám sát độ rung chuyên dụng hiện có sẵn để đo chính xác độ dịch chuyển của trục hướng tâm và hướng trục trong máy quay, tích hợp chức năng bảo vệ trực tiếp vào hệ thống điều khiển. Tiêu chí lựa chọn cho các mô-đun không chỉ bao gồm loại tín hiệu mà còn bao gồm dự phòng bắt buộc, mức cách ly, kiểu khối thiết bị đầu cuối, chứng nhận an toàn (SIL) và phê duyệt để sử dụng ở những vị trí nguy hiểm.
Tài liệu tham khảo: 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
