SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

ПЛК ТЕКОН для ответственных применений

В статье рассматриваются способы обеспечения непрерывной и безотказной работы объектов особой важности на базе контроллеров «ТЕКОН». Описаны способы реализации, технические и эксплуатационные характеристики.

Группа компаний «ТЕКОН», г. Москва

Tecon.jpg

«ТЕКОН» еще в 1990-х годах стал одной из первых российских компаний, которая разработала и начала серийный выпуск устройств, предназначенных для обеспечения непрерывной и безотказной работы объектов, прекращение работы которых связано с существенными производственными потерями. 

Именно снижением вероятности производственных потерь обусловлено применение отказо­устойчивых систем автоматизации на базе программируемых контроллеров с повышенным коэффициентом готовности. При этом система автоматизации проектируется таким образом, чтобы она всегда оставалась готовой к заранее определенным (запрограммированным) действиям при любых ситуациях, даже в случае возникновения отказа одного или нескольких компонентов системы. Чем выше уровень производственных потерь, связанных с незапланированным остановом промышленного объекта, тем более целесообразно применение отказоустойчивой системы автоматизации.

Обеспечение высокой надежности функционирования контроллерного оборудования, которая непосредственно связана с отказоустойчивостью системы автоматизации в целом, является ключевой отличительной особенностью сложных и ответственных систем, выполненных на базе контроллеров «ТЕКОН».

Требуемый уровень надежности достигается комплексом мероприятий, к числу которых относятся:
- использование в контроллерах современной элементной базы. Технические средства включают оптимальное число электронных компонентов, имеющих повышенную надежность;
- специальные меры по снижению потребляемой и рассеиваемой мощности оборудования для уменьшения вероятности возможного локального перегрева аппаратуры и ее отказов;
- оптимальное соотношение преемственности и инновационности. Идеи и методы, заложенные в аппаратное и программное обеспечение контроллеров, с одной стороны, во многом проверены практикой, а с другой – современны, чтобы длительное время быть основой для перспективных решений в области автоматизации;
- наличие развитых средств непрерывной самодиагностики контроллеров, что позволяет определить неисправность с точностью до узла (модуля) или до канала. Информация о возникновении и устранении неисправности оперативно регистрируется в энергонезависимой памяти контроллеров и является доступной для других средств системы автоматизации как контроллерного, так и станционного уровней;
- обеспечение возможности проектного многоуровневого резервирования отдельных узлов и модулей контроллеров, а также сетевых каналов обмена информацией с другими устройствами контроллерного и станционного уровней системы автоматизации. Для автоматического переключения на «горячий» резерв используются результаты работы непрерывной самодиагностики контроллеров;
- поддержание высокого уровня культуры и оснащенности производства, система менеджмента качества которого соответствует требованиям международного стандарта ISO 9001 с 2003 года. Производственному контролю подвергаются 100% изделий после каждой технологической операции: монтаж, сборка, настройка, тестирование. Окончательная приемка изделий производится по результатам заводских испытаний с обязательным термопрогоном. Перед отправкой заказчику в ходе комплексного тестирования оборудования и программного обеспечения на специальном полигоне дополнительно проверяются функциональность и характеристики контроллерного оборудования.

Решения, заложенные в контроллерах ТЕКОН, дают возможность пользователю применять принцип проектного резервирования. В зависимости от задачи автоматизации можно использовать тот или иной тип контроллера, резервировать определенные или все компоненты (узлы) контроллера, повышая тем самым коэффициент готовности системы автоматизации. При использовании проектного резервирования реализуются следующие возможности:
- резервирование по схеме «основной-резервный» модулей центральных процессоров (ЦП) при отсутствии резервирования модулей ввода/вывода сигналов (УСО) или их выборочном резервировании; 
- резервирование (дублирование или троирование) выделенных модулей ввода аналоговых и дискретных сигналов;
- резервирование по схеме «основной – резервный» выделенных модулей вывода аналоговых и дискретных сигналов;
- дублирование системы питания контроллера, когда питание осуществляется от двух блоков (БП), подключенных к одному или разным фидерам сетей 220 В переменного или постоянного тока;
- резервирование цифровых интерфейсов для обмена информацией с устройствами контроллерного и станционного уровней системы автоматизации;
- резервирование всех узлов контроллера (100% «горячий» резерв) с синхронизацией технологической информации основного (активного) контроллера в резервном (пассивном) при использовании выделенного интерфейса.

pic1.jpg

Рис. 1. Структура резервированного комплекса контроллеров МФК


Серия контроллеров МФК

Впервые возможность программно-аппаратного резервирования компонентов программируемых контроллеров ТЕКОН была реализована в контроллере МФК, выпущенном в 1996 году и ставшем впоследствии одним из самых популярных российских контроллеров. Успех контроллера МФК во многом был обеспечен заложенными в него схемотехническими решениями. Для контроллера были разработаны 12 типов модулей ввода/вывода с групповой и индивидуальной гальванической развязкой, которые могли быть установлены в 16‑позиционный крейт в любых сочетаниях. К основным особенностям контроллеров серии МФК можно отнести также высокую точность измерения аналоговых сигналов и аппаратную поддержку резервирования контроллеров. 

В 2002–2003 годах, когда, с одной стороны, ужесточились требования к отказоустойчивости АСУ ТП, а с другой – стали появляться решения по резервированию, доступные для большинства заказчиков, ЗАО ПК «Промконтроллер» (производственная компания, входящая в группу «ТЕКОН») выпустила резервированный комплекс контроллеров МФК, который базировался на модернизированном варианте контроллера МФК (рис. 1).

pic2.jpg

Рис. 2. Схема резервирования МФК при отсутствии отказов

Резервированный комплекс контроллеров МФК реализован по схеме 100% «горячего» резервирования контроллеров (рис. 2), что предусматривает выполнение следующих условий: 
- контроллеры имеют идентичные наборы и порядок размещения модулей УСО;
- между контроллерами по выделенному каналу связи производится обмен диагностической информацией и информацией о состоянии технологической программы.

Схема резервирования МФК допускает отказ одного из компонентов в одном из контроллеров («единичный отказ») без нарушения функционирования комплекса в целом (рис. 3). Отказы двух компонентов в различных контроллерах комплекса приводят, как минимум, к неработоспособности отдельных функций и, как максимум, к неработоспособности резервированного комплекса контроллеров МФК в целом.

pic3.jpg

Рис. 3. Схема резервирования МФК при наличии отказа компонента


МФК3000

Развитие технологий резервирования получило свое продолжение в контроллере МФК3000, который поставляется с 2005 года.

Многофункциональный контроллер МФК3000 (рис. 4) имеет распределенную архитектуру и модульную конструкцию, что позволяет конфигурировать контроллер из 1, 2 или 3 крейтов на расстоянии до 30 метров. Контроллер может содержать 1 или 2 модуля центрального процессора (ЦП) и до 61 модуля ввода/вывода в различных сочетаниях. Номенклатура модулей ввода/вывода включает 16 типов модулей с числом каналов от 6 до 48 на все основные типы сигналов и диапазоны измерений. Пределы допускаемой основной приведенной погрешности аналоговых модулей не превышают ±0,1%, в том числе и при измерении сигналов от термопар и термопреобразователей сопротивления по 3- и 4-проводным схемам подключения. Модуль измерения частотных сигналов (в том числе сигналов датчиков частоты вращения турбины) обеспечивает относительную погрешность измерения частоты 3 кГц в пределах ±0,005% при времени измерения от 4 мс.

pic4_small.jpg

Рис. 4. Структура резервированного контроллера МФК3000

Помимо вышеперечисленных, МФК3000 обладает следующими преимуществами:
- высокопроизводительный модуль ЦП;
- «горячая» замена модулей и механизм «plug & play» модулей;
- развитая система самодиагностики;
- реализация механизма инициативных (срочных) сообщений от модулей УСО.

МФК3000 используется как устройство для контроля и управления технологическими процессами объектов с повышенными требованиями к надежности. Для применения на объектах ­РОСЭНЕРГОАТОМА контроллер удовлетворяет требованиям ЭМС по ГОСТ Р 50746-00 для классов безопасности 2У или 3У в зависимости от типов модулей, входящих в контроллер. Контроллер, помимо обязательных стандартов IEC 61131 и пакета ГОСТов по ЭМС, удовлетворяет требованиям следующих стандартов и руководящих документов: IEC 61508, РД 34.35.127-93, РД 153-34.1-35.137-00.

pic5.jpg

Рис. 5. Схема резервирования МФК3000 при отсутствии отказов

В контроллере МФК3000 реализована концепция многоуровневого резервирования (рис. 5): 
- принципиально, на уровне конструкции, дублируются шины питания каждого модуля контроллера и системная шина обмена информацией между модулями контроллера;
- все остальные компоненты (узлы) контроллера могут быть резервированы.

Многоуровневое резервирование МФК3000 допускает отказ одного из компонентов в резервируемом узле без нарушения функционирования контроллера в целом (рис. 6). Отказы двух компонентов в резервируемом узле приводят к неработоспособности отдельных функций или контроллера МФК3000 в целом.

pic6.jpg

Рис. 6. Схема резервирования МФК3000 при наличии отказов нескольких компонентов


МФК1500

Осенью 2009 года группа компаний «ТЕКОН» представила новый универсальный модульный контроллер МФК1500 (рис. 7), предназначенный для создания распределенных систем управления среднего и высокого уровня сложности на основе локальной сети Ethernet, а также для построения отдельных подсистем в составе крупных АСУ ТП.

Контроллер МФК1500 унаследовал от МФК3000 передовые схемотехнические решения, такие, как возможность резервирования и «горячей» замены модулей, дублированную системную шину и схему питания, возможность подключения нескольких шасси расширения, что позволяет использовать до 64 модулей в составе одного контроллера, включая модуль центрального процессора.


pic7_small.jpg

Рис. 7. Контроллер МФК1500

Среди отличий нового контроллера применение инновационного пластмассового корпуса для модулей, прочных компактных открытых шасси на 4, 8 и 16 посадочных мест; использование внешних клеммных соединителей и умощнителей дискретных сигналов, обеспечивающих удобство подключения объектовых проводов и исключающих ввод опасных напряжений, а также рассеивание значительного количества тепла в модулях контроллера. Использование унифицированных кабелей для подключения модулей контроллера к клеммным соединителям и умощнителям наряду с удобством монтажа обеспечивает простоту переконфигурирования типовых решений при необходимости их адаптации под изменившийся набор сигналов ввода/вывода.

Большое внимание при создании нового контроллера уделялось гибкости конфигурирования аппаратной части, позволяющей свести к минимуму избыточность, оптимизировать размещение и состав каналов ввода/вывода на шасси контроллера и в шкафу в целом:
- общее число каналов на 1 модуль составляет 4–8 аналоговых либо 16–32 дискретных; 
- высокое удобство подключения цепей ввода/вывода за счет доступа к объектовым разъемам со стороны передних панелей модулей УСО, что позволяет размещать МФК1500 в шкафах с односторонним обслуживанием;
- наличие в номенклатуре модулей-исполнений с половинным количеством каналов для сигналов каждого типа;
- наличие модулей с двумя разновидностями каналов ввода/вывода; 
- наличие трех типоразмеров шасси на 4, 8 и 16 посадочных мест.

В составе контроллера МФК1500, наряду с использованием собственных процессорных модулей, предусмотрена возможность подключения мощного процессорного модуля МФК3000, что значительно расширяет области применения контроллера и во многом снимает ограничения на масштаб прикладного проекта и сложность алгоритмов управляющих систем, создаваемых на его базе. 

Алгоритмы работы контроллера МФК1500 и его отдельных компонентов в режиме резервирования, а также принципы применения МФК1500 в резервированных схемах управления технологическими процессами аналогичны контроллеру МФК3000.


P06R и P06R DIO ТЕКОНИК®

Сегодня отмечается тенденция существенного повышения требований к аппаратуре АСУ ТП, причем не только для автоматизации относительно крупных объектов в привычных отраслях (атомная, энергетическая, химическая, неф­тегазовая). В нашей практике встречаются случаи, когда требования по резервированию контроллеров вводятся для АСУ ТП таких объектов, как тепловые пункты, или для систем автоматики отдельных технологических узлов и агрегатов.

Для систем такого уровня в настоящее время завершена разработка малоканального резервированного комплекса на базе системы интеллектуальных модулей ­ТЕКОНИК, поставки которого начнутся в конце текущего года.


pic8_small.jpg

Рис. 8. Пример структуры резервирования в системе ТЕКОНИК на базе модуля Р06

Система интеллектуальных модулей ТЕКОНИК® (рис. 8) предназначена для построения распределенных систем управления технологическими процессами, локальных схем контроля и управления, систем телемеханики, учета энергоресурсов и диспетчеризации. В отличие от упрощенных зарубежных аналогов, модули ТЕКОНИК® имеют специальные средства защиты для применения в условиях сильных промышленных помех по ГОСТ Р 51317.6.2 (МЭК 61000-6-2) и обязательное покрытие влагозащитным лаком для работы в расширенном диапазоне температур от –40 до +55°C. В специальном исполнении модули ТЕКОНИК® могут работать при температуре окружающей среды от +5 до +70°C. Модули УСО поддерживают все основные типы дискретных и аналоговых сигналов и имеют коммуникационный интерфейс RS-485. Система ТЕКОНИК® может содержать один процессорный модуль P06 (два в режиме резервирования), графическую панель оператора V04M и до 250 модулей ввода/вывода в произвольной конфигурации, а также интеллектуальные датчики температуры ТСТ11, приборы учета энергоресурсов и другие устройства с интерфейсами RS-232/RS-485. Для увеличения быстродействия системы, модули ввода/вывода и другие устройства могут подключаться к разным портам RS-485 процессорного модуля P06.

Процессорный модуль P06 на базе технологии t-mezon имеет несколько исполнений, отличающихся друг от друга производительностью процессора (INTEL XScale® 266/533 МГц), объемом flash-памяти и оперативной памяти (16/32/64 Мбайт), рабочим диапазоном температур и наличием дополнительных коммуникационных интерфейсов. Исполнения P06 DIO имеют встроенные 32 канала дискретного ввода и 16 каналов дискретного вывода и могут применяться в схемах автономного управления различных агрегатов и технологических установок. Все исполнения P06 и P06 DIO имеют два интерфейса Ethernet IEEE 802.3 10/100 Мбит, энергонезависимое ОЗУ 1 Мб. Исполнения P06R и P06R DIO поддерживают режим программно-аппаратного резервирования, что является уникальным свойством контроллеров такого класса.

Применение различных типов модулей ЦП (с/без встроенных каналов ввода/вывода DIO) и возможность подключения к модулю ЦП до 6 сетей (системных шин) удаленных модулей ввода/вывода системы ТЕКОНИК позволяют реализовать: 
- резервирование всех узлов системы ТЕКОНИК (100% «горячий» резерв), в т.ч. и сетей (системных шин) удаленных модулей УСО (аналогично схеме, приведенной на рис. 2);
- резервирование по схеме «основной – резервный» модулей ЦП при отсутствии резервирования системных шин и удаленных модулей УСО (аналогично схеме, приведенной на рис. 9); 
- комбинацию приведенных выше способов резервирования, например, «горячее» резервирование модулей ЦП со встроенными каналами ввода/вывода DIO при отсутствии резервирования системной шины и удаленных модулей УСО (рис. 8). 


pic9.jpg

Рис. 9. Пример схемы резервирования ТЕКОНИК при отсутствии отказов

Приведенный выше вариант резервирования системы интеллектуальных модулей ТЕКОНИК допускает отказ одного из компонентов в резервируемом узле без нарушения функционирования системы в целом (рис. 10). Отказы двух компонентов в резервируемом узле или отказ нерезервируемого компонента приводят к неработоспособности отдельных функций или системы ТЕКОНИК в целом.


pic10.jpg

Рис. 10. Пример схемы резервирования ТЕКОНИК при наличии отказов компонентов


Заключение

Разработка и производство оборудования для ответственных применений предъявляет к компании-производителю ряд важнейших требований, среди которых отличная техническая оснащенность, высокий уровень подготовки персонала, эффективная система управления качеством, развитый сервис и техническая поддержка. Выпуск продукции такого уровня подразумевает тщательный отбор надежных поставщиков высококачественных комплектующих и входной контроль каждой детали, точное соблюдение технологии производства на всех стадиях и надежную систему проверки готовой продукции. Другими словами, предприятие, которое выпускает оборудование для ответственных применений, должно соответствовать самым высоким требованиям, предъявляемым к современным производителям наукоемкой продукции. Сотрудничество с компанией, обладающей столь мощными ресурсами и многолетним опытом, вселяет в заказчика уверенность в качестве и надежности каждого приобретаемого устройства, будь то микроконтроллер для системы локального управления или резервированный комплекс контроллеров класса Large.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 4(24)_2009

Н.Н. Сергиенко, В.В. Скороходов, 
Группа компаний «ТЕКОН», г. Москва,
тел.: (495) 730-41-12, 
e-mail: info@tecon.ru