Контроллеры противоаварийной защиты

Контроллер TRICON серии 3008 компании Triconex (Invensys).

В шасси TRICON размещены три модуля главных процессоров (Main Processor, MP), каждый из которых обслуживает один канал контроллера. Главные процессоры расположены рядом с модулями питания на шасси TRICON. Каждый процессор независимо осуществляет связь с подсистемой ввода/вывода и выполняет написанную программу управления. Три главных процессора сравнивают данные и программу управления через определенные интервалы.

Каждый главный процессор работает автономно и не имеет общих часов, стабилизаторов питания или других цепей. 32-битный процессор NS32GX32 выполняет функции первичного процессора и работает вместе с двумя другими процессорами, управляющими подсистемой ввода/вывода и коммуникационной подсистемой. Процессор NS32GX32 работает на частоте 25 МГц. Коммуникационный процессор 80C152 работает на частоте 16 МГц и обеспечивает скорость обмена данными 2 Мбод, а коммуникационный процессор ввода/вывода 80C31 работает на частоте 12 МГц и обеспечивает скорость обмена данными 375 Кбод.

Высокоскоростная система шины TRIBUS, подключенная к каждому из главных процессоров, выполняет следующие функции:

− межпроцессорные коммуникации;

− аппаратная мажоритарная выборка для всех цифровых входных данных;

− сравнение переменных программы управления.

Шина TRIBUS использует полностью изолированный последовательный коммуникационный канал, работающий со скоростью 4 Мбод. Контроллер прямого доступа к памяти управляет синхронизацией, передачей, выборкой и коррекцией данных независимо от приложений пользователя или выполняющегося программного обеспечения.

Рисунок 2.16 – Внешний вид контроллера Tricon

Главные процессоры модели #3008 имеют статическое ОЗУ емкостью 16 мегабайт.

Платы ввода/вывода. Типы плат ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов определены измерительными каналами системы.

Аналоговые входные модули имеют три изолированных входных канала. Каждый входной канал получает сигналы изменяющегося напряжения от каждой точки, преобразует их в цифровые значения и передает значения трем главным процессорам по требованию. Для того, чтобы получить для каждого цикла правильное значение, выбирается одно из них с помощью алгоритма выборки среднего значения. Оценка каждой входной точки производится таким образом, что одиночный отказ в одном канале не действует на другой канал. Каждый аналоговый входной модуль производит полную текущую диагностику для каждого канала. Отказ любого диагностического теста на любом канале активизирует индикатор неисправности FAULT модуля, который в свою очередь активизирует сигнал аларма шасси. Аналоговые модули поддерживают режим горячего резервирования, который позволяет проводить замену неисправного модуля в оперативном режиме или постоянное резервирование активного модуля.

Преобразование токового сигнала 4-20 мА в сигнал 0-5 В осуществляется средствами, включенными в состав искробезопасного барьера HID 2026.

Каждый модуль цифрового входа имеет три изолированных входных канала, которые независимо обрабатывают все данные, вводимые в модуль. Каждая точка входа опрашивается микропроцессором на каждом канале, который обрабатывает данные и передает их по запросу в главный процессор. Затем главный процессор проводит мажоритарную выборку входных данных до их обработки, обеспечивая таким образом наивысшую надежность системы.

Все модули цифрового входа обеспечивают полную непрерывную диагностику для каждого канала. Если диагностируется отказ в каком-либо канале, включается индикатор FAULT (ОТКАЗ) модуля, который, в свою очередь, активизирует тревожную сигнализацию шасси. Индикатор FAULT модуля указывает на то, что произошел отказ в канале, а не свидетельствует об отказе всего модуля. Модуль гарантирует правильную работу при одном отказе и может продолжать правильно работать при определенных видах многократных отказов. Все цифровые входные модули поддерживают режим горячего резервирования, который позволяет проводить замену неисправного модуля в оперативном режиме или постоянное резервирование активного модуля.

Каждый цифровой выходной модуль содержит цепи для трех идентичных изолированных каналов. Каждый канал включает в себя микропроцессор ввода/вывода, который получает свою выходную таблицу от коммуникационного процессора ввода/вывода из соответствующего главного процессора. Все цифровые выходные модули используют специальную счетверенную выходную цепь, который выбирает конкретный выходной сигнал непосредственно перед его подачей на нагрузку. Эти цепи выборки основаны на параллельно-последовательных путях подачи напряжения, если драйверы каналов A и B, или каналов B и C, или каналов A и C выдают команду на замыкание ключей – другими словами, производится мажоритарная выборка 2-из-3 драйверов, находящихся в состоянии ON (ВКЛ). Учетверенные выходные цепи обеспечивают многократное резервирование всех критических цепей подачи сигнала, что гарантирует безопасность и максимальную готовность.

Упрощенная схема аналогового входного модуля TMR

Каждый тип цифрового выходного модуля выполняет свой собственный тип выходной мажоритарной диагностики (Output Voter Diagnostics, OVD) для каждой точки. В общем случае в процессе выполнения OVD устанавливаемое состояние выходного драйвера на короткое время меняется на обратное, и так на всех драйверах друг за другом. Петля обратной связи в модуле позволяет каждому из микропроцессоров считывать выходное значение точки, чтобы определить имеется ли в выходных цепях скрытая неисправность. Контролирующие цифровые выходные модули имеют петли обратной связи как по напряжению, так и по току, что позволяет обеспечить обнаружение отказов как для условия подачи питания для отключения, так и для условия снятия питания для отключения. Кроме того, контролирующие цифровые выходные модули проверяют присутствие полевой нагрузки путем непрерывной проверки целостности цепи. Любая потеря полевой нагрузки оповещается модулем.

Рисунок 2.19 - Упрощенная схема цифрового входного модуля TMR высокой плотности (модель #3504E – 24 или 48 В постоянного тока)

Все модули цифрового выхода поддерживают горячее резервирование для замены неисправного модуля в оперативном режиме или для непрерывного резервирования активного модуля. Каждый модуль имеет механический ключ для предотвращения неправильной установки в конфигурированное шасси.

Коммуникационный модуль NCM. Система TRICON имеет возможность работать в сети 802.3 с помощью сетевого коммуникационного модуля (Network Communication Module, NCM), который поддерживает все протоколы и приложения Triconex, написанные пользователем приложения и “открытое” соединение по сети с внешними системами. Модуль NCM (модель #4329) совместим со стандартом электрического интерфейса IEEE 802.3 и работает с коммуникационными скоростями до 10 Мбод.

Модифицированный коммуникационный модуль. Модифицированный коммуникационный модуль (Advanced Communication Module, ACM) (модель #4609) работает как интерфейс между контроллером TRICON и САУ (I/A Series). Модуль ACM обеспечивает предоставление оператору-технологу информации о протекании технологического процесса, а также диагностическую информации о состоянии модулей, включенных в систему ПАЗ.

Шасси. Шасси предназначено для монтажа на нее контроллеров, модулей ввода-вывода, коммуникационных модулей и модулей питания. Терминальные панели модулей ввода/вывода. Внешние терминальные панели являются электрически-пассивными печатными платами (printed circuit board, PCB), к которым легко подключаются провода полевых устройств.

Модуль источника питания. В каждом шасси Tricon имеется два модуля источника питания, включенные по схеме двойного резервирования. На каждый модуль питание подается через разъемы на задней панели шасси. Модули источников питания имеют отдельные стабилизаторы для каждого канала системы.

Источник питания имеет встроенную схему диагностики, которая отслеживает выход напряжения за допустимые приделы и превышение температурного режима. Короткое замыкание в канале блокирует регулятор напряжения, но не влияет на шину питания.

Программирование контроллера осуществляется посредством специализированной программы TriStation 1131.

Контроллер Trident имеет следующие функции и возможности:

- обеспечивает архитектуру с тройным модульным резервированием (TMR), в которой каждый из трех идентичных каналов независимо выполняет прикладную программу, и специальные аппаратные и программные средства осуществляют мажоритарную выборку входов и выходов;

- позволяет работать в жестких промышленных средах;

- интегрирует модуль ввода/вывода с клеммной сборкой;

- позволяет выполнять монтаж и ремонт полевых устройств на уровне модулей, при этом контроллер продолжает работать в режиме онлайн;

- поддерживает до 14 модулей ввода/вывода;

- обеспечивает связь с использованием протоколов Modbus и Tristation от главного процессора (МР) или от коммуникационного модуля (СМ);

- выполняет прикладные программы, разработанные и отлаженные с помощью системы программирования TriStation;

- использует выделенный сопроцессор, который управляет модулями ввода/вывода, для уменьшения рабочей нагрузки главного процессора (МР);

- обеспечивает интегрированную диагностику в режиме онлайн с возможностями адаптивного ремонта;

- позволяет выполнять нормальное техническое обслуживание при работающем контроллере, не оказывая влияния на управляемый технологический процесс;

- поддерживают модули ввода/вывода с горячим резервированием для критических применений, для которых может отсутствовать возможность быстрого технического обслуживания;

- обеспечивает интегрированную поддержку резервированных источников питания для логических и полевых цепей.

Отказоустойчивость, являющаяся наиболее важной характеристикой контроллера, представляет собой возможность обнаруживать ошибки во время переходных и устойчивых состояний и предпринимать соответствующие корректирующие действия в режиме онлайн. Отказоустойчивость позволяет увеличить надежность и коэффициент готовности контроллера и управляемого технологического процесса.

Архитектура контроллера. Контроллер имеет архитектуру с тройным модульным резервированием для обеспечения отказоустойчивости и безошибочного бесперебойного управления процессом в случае отказа компонентов или сбоев внутренних или внешних источников питания.

Каждый модуль ввода/вывода имеет три независимых канала. Каждый канал входного модуля считывает технологические данные и передает их в соответствующий главный процессор (МР). Все три главных процессора осуществляют связь друг с другом, используя запатентованную высокоскоростную шину TriBus.

Вкаждом цикле главные процессоры (МР) синхронизируются между собой и осуществляют связь по шине TriBus. TriBus передает копии всех аналоговых и цифровых входных данных на каждый МР и сравнивает выходные данные, поступающие от каждого МР. Главные процессоры производят мажоритарную выборку входных данных, выполняют прикладную программу и передают обработанные выходные сигналы на выходные модули. Кроме того, контроллер производит мажоритарную выборку выходных данных на выходных модулях, расположенных как можно ближе к полевым устройствам, чтобы обнаруживать и компенсировать любые ошибки, которые могут произойти на этапе между мажоритарной выборкой TriBus и окончательным выходным управляющим сигналом.

Для каждого модуля ввода/вывода контроллер может поддерживать факультативный модуль горячего резерва. В этом случае, модуль горячего резерва берет на себя управление, если во время работы обнаруживается неисправность основного модуля. Позиция модуля горячего резерва также используется для выполнения ремонта неисправного модуля ввода/вывода в режиме онлайн.

Контроллер содержит три главных процессора (МР). Каждый МР управляет одним каналом и работает параллельно с двумя другими МР (рисунок 2.4.17).

Выделенный процессор ввода/вывода на каждом МР управляет обменом данных между МР и модулями ввода/вывода. Тройная шина ввода/вывода, расположенная на монтажных платах, переходит с одной линейки модулей ввода/вывода на другую, используя кабели шины ввода/вывода.

При опросе каждого модуля ввода/вывода, соответствующий канал шины ввода/вывода передает новые входные данные в свой МР. Входные данные компонуются в таблицу в МР и записываются в память для использования в процессе мажоритарной выборки.

Индивидуальная таблица входных данных в каждом МР передается в соседний МР по шине TriBus. После этого производится мажоритарная выборка. Шина TriBus использует программируемое устройство с прямым доступом к памяти для синхронизации, передачи и сравнения данных трех МР.

Рисунок 2.4.17 – Упрощенная блок-схема

Если появится несоответствие, то принимается значение сигнала, обнаруженное в двух из трех таблиц, а третья таблица корректируется надлежащим образом. Однократные несоответствия, вызванные отклонениями тактирования выборки, выявляются путем сравнения различающихся данных. Каждый МР сохраняет данные о необходимых коррекциях в локальной памяти. Любое несовпадение отмечается флагом и используется в конце цикла встроенной программой анализатора ошибок, чтобы определить, присутствует ли неисправность в конкретном модуле.

МР передает скорректированные данные в прикладную программу. 32-х разрядный МР выполняет прикладную программу параллельно с соседними МР и генерирует таблицу выходных значений, которая основывается на таблице входных значений в соответствии с определяемыми пользователем правилами. Процессор управления вводом/выводом на каждом МР управляет передачей выходных данных в выходные модули по шине ввода/вывода.

Тройная шина ввода/вывода переходит с одной монтажной платы на другую с помощью соединительных устройств, модулей расширения ввода/вывода и кабелей шины ввода/вывода. Резервированная схема электропитания логических схем состоит из соединительных устройств и модулей расширения ввода/вывода.

Шина TriBus, состоит из трех независимых последовательных линий, работающих со скоростью передачи данных 25Мб/сек. Шина TriBus синхронизирует главные процессоры в начале цикла. Затем каждый МР передает данные соседним процессорам. Важной особенностью архитектуры контроллера Trident является использование одного передатчика для передачи данных предыдущему и последующему процессорам. Это позволяет процессорам принимать одинаковые данные.

Контроллер может осуществлять связь непосредственно с TriStation или другими устройствами через модуль главного процессора и коммуникационный модуль.

Рисунок 2.4.18 – Архитектура главного процессора

Каждый главный процессор (МР) может обеспечивать непосредственную связь с TriStation или с другими устройствами по шине Modbus.

Коммуникационный модуль (СМ) обеспечивает факультативный, три-к-одному интерфейс с главными процессорами, который поддерживает различные протоколы связи с внешними хост-компьютерами. Один контроллер поддерживает до двух коммуникационных модулей на одной монтажной плате коммуникационных модулей. Каждый коммуникационный модуль работает независимо друг от друга. Два коммуникационных модуля могут обеспечить резервированные коммуникационные соединения или независимые коммуникационные порты.

Каждый коммуникационный модуль обеспечивает три последовательных порта RS-232/485 и два порта Ethernet. Эти порты позволяют контроллеру осуществлять связь с:

- внешними хост-компьютерами;

- распределенными системами управления (DCS);

- открытыми сетями;

- сетевыми принтерами;

- другими контроллерами Trident или Tricon V9.

Контроллер управляет обменом данных между МР и следующими модулями ввода/вывода:

1 Модуль аналогового ввода. В модуле аналогового ввода (AI) каждый канал асинхронно измеряет входные сигналы и заносит результаты в таблицу. Каждая таблица входных значений через шину ввода/вывода передается в соответствующий главный процессор. Таблица входных значений в каждом МР передается соседним процессорам по шине TriBus. Каждый главный процессор выбирает среднее значение, и таблица входных значений каждого главного процессора корректируется надлежащим образом. В режиме тройного модульного резервирования (TMR) прикладная программа использует среднее из трех значений; в дуплексном режиме используется среднеарифметическое двух значений.

Предусмотрена функция самодиагностики, позволяющая в течение 500 миллисекунд обнаруживать все неисправности типа залипания или отклонения от заданной точности преобразования с последующей выдачей аварийных сигналов. Данная функция позволяет нормально функционировать системе в условиях множественных отказов.

2 Модули аналогового вывода. Модуль аналогового вывода принимает три таблицы выходных значений, по одной таблице для каждого канала от соответствующего главного процессора. Каждая точка в каждом канале имеет свой собственный цифро-аналоговый преобразователь (DAC). Один из трех каналов выбирается для управления аналоговыми выходами. Выходные сигналы выбранного канала непрерывно проверяются с помощью входов по контуру обратной связи ввода/вывода от каждой точки, которые считываются всеми тремя каналами. В случае появления неисправности в управляющем канале, этот канал декларируется неисправным и отключается, и выбирается новый канал для управления полевыми устройствами. Функция управляющего канала по очереди передается каждому из каналов, так что все три канала периодически тестируются.

3 Модуль цифрового ввода. Модуль цифрового ввода имеет три идентичных канала (А, В и С). Хотя каналы находятся в одном модуле, они полностью изолированы друг от друга и функционируют совершенно независимо. Каждый канал обрабатывает сигналы самостоятельно и обеспечивает оптическую изоляцию между полевыми устройствами и контроллером. Неисправность в одном канале не влияет на другие каналы. Кроме того, каждый канал содержит запатентованную специализированную интегральную схему (ASIC), которая обеспечивает связь с соответствующим главным процессором и поддерживает диагностику во время выполнения программы.

Каждый из трех входных каналов асинхронно измеряет входные сигналы от каждой точки на монтажной плате, определяет соответствующие состояния входных сигналов и помещает их значения в таблицы входных значений "А", "В" и "С" соответственно. Каждая из этих таблиц периодически опрашивается через шину ввода/вывода коммуникационным процессором соответствующего главного процессора.

4 Модуль цифрового вывода. Модуль цифрового вывода (DO) имеет три идентичных изолированных канала. Каждый канал содержит запатентованную специализированную интегральную схему (ASIC), которая принимает таблицу выходных значений от коммуникационного процессора ввода/вывода соответствующего главного процессора. Все модули цифрового вывода используют специальную четырехвариантную схему мажоритарной выборки индивидуальных выходных сигналов непосредственно перед их поступлением на выходную нагрузку. Данная схема выборки основана на параллельно-последовательных цепях, которые пропускают сигнал, если драйверы каналов "А" и "В" или "В" и "С" или "А" и "С" выдают им команду на замыкание - другими словами, два драйвера из трех выбираются схемой голосования. Четырехвариантная схема мажоритарной выборки обеспечивает многократное резервирование всех критических путей прохождения сигналов, гарантируя тем самым безопасность и максимальную готовность.

Модуль цифрового вывода периодически выполняет рутинную программу диагностики схемы мажоритарной выборки выходного сигнала (OVD) для каждой точки. Данная обеспечивающая безопасность функция позволяет нормально функционировать системе в условиях множественных отказов.

Полученные от датчиков сигналы проходят через искробезопасные барьеры (см. пункт 2.4.7) и обрабатываются встроенными в платы ввода АЦП и затем, поступают на внутреннюю цифровую шину данных и в контроллер.