Systemy redundantne, czyli jak chronić się przed nieplanowanym przestojem

W wielu zakładach przemysłowych awaria lub nawet krótkie zatrzymanie pracy jednej instalacji powoduje zatrzymanie całego ciągu technologicznego, generując przy tym duże straty: zniszczenie części produkcji, obniżenie jej jakości lub wydajności, uszkodzenie maszyn czy urządzeń oraz konieczność ponownego kosztownego rozruchu.

Skuteczną metodą eliminacji nieplanowanych przestojów jest zastosowanie redundancji, czyli podwojenie kluczowych elementów systemu - tak, aby w razie awarii jednego z nich element rezerwowy natychmiast przejął jego rolę bez zatrzymywania procesu produkcyjnego. Jeszcze kilka lat temu takie systemy spotykane były w aplikacjach o charakterze procesowym. Dziś są popularne również w systemach sterowania dyskretnego.

Nowe technologie wspierają rozwój systemów redundantnych

Na popularyzację systemów o takiej architekturze ma wpływ przede wszystkim zastosowana nowoczesna technologia. Wydajne jednostki centralne 1 GHz oraz szybkość wymiany danych mierzona w GHz pozwala na wykorzystanie układów redundantnych w szybkozmiennych procesach dyskretnych i analogowych, gwarantując bezuderzeniowe przełączenie na element rezerwowy w czasie pojedynczego cyklu kontrolera, co w praktyce oznacza kilka milisekund.

Przykładem takiego rozwiązania jest PACSystems High Availability - system sterowania wysokiej dostępności od GE Intelligent Platforms, polecanych do aplikacji, których zatrzymanie jest niedopuszczalne. Bezuderzeniowe, automatyczne przełączenie na element rezerwowy możliwe jest dzięki zastosowaniu sprzętowej synchronizacji danych, która w żaden sposób nie obciąża jednostek centralnych.

Moduły realizują synchronizację danych dwukrotnie w każdym cyklu kontrolera, gwarantując tym samym, że w chwili przełączenia element zapasowy przejmie kontrolę nad procesem z dokładnie takimi samymi parametrami, jakie miał element główny w chwili, gdy nastąpiła jego awaria. Dane pomiędzy kontrolerami wymieniane są po magistrali światłowodowej z prędkością 2,12 GHz, co pozwala oddalić je o 10 km względem siebie, w dalszym ciągu gwarantując bezuderzeniowe przełączenie.

Redundancja wymaga czytelnej architektury odpornej na awarie

Światłowodowa komunikacja wykorzystywana jest także do komunikacji pomiędzy kontrolerami a układami wejść/wyjść oddalonych. Standardowe wyposażenie modułów komunikacyjnych w interfejsy do podłączenia kabli światłowodowych lub miedzianych eliminują switche, konwertery oraz inne aktywne urządzenia sieciowe, upraszczając architekturę całego systemu oraz redukując koszty wdrożenia.

Za bezpieczeństwo i szybkość przesyłania danych w systemie odpowiedzialnie są interfejsy Profinet, które przesyłają dane z szybkością 1 Gb i mogą pracować w sieci o topologii pierścienia. Jest to możliwe dzięki obsłudze standardu Media Redundancy Protocol, który pozwala spiąć w RING wszystkie urządzenia, gwarantując redundantną, alternatywną drogę dotarcia danych do celu w razie uszkodzenia magistrali lub samego modułu komunikacyjnego.

Czas komunikacji pomiędzy kontrolerami nadrzędnymi a układami wejść/wyjść wynosi od 1 ms (dla pięciu oddalonych węzłów wejść/wyjść w systemie), co gwarantuje efektywną obsługę nawet najszybszych aplikacji przemysłowych. Taka szybka komunikacja i przełączanie sterowania pozwala na stosowanie układów redundantnych w szybkozmiennych aplikacjach dyskretnych.

PACSystems High Availability - łatwa integracja, szybkie konfigurowanie

To co w PACSystems High Availability zasługuje na szczególną uwagę, to sposób jego konfiguracji. Proficy Machine Edition - oprogramowanie narzędziowe dla wszystkich urządzeń GE Intelligent Platforms - zostało wyposażone w szereg mechanizmów, których celem jest ułatwienie, przyspieszenie oraz minimalizacja możliwości popełnienia błędów przez programistę.

System programuje się tak, jak pojedynczy kontroler, a konfiguracja sprzętowa wykonywana jest tylko dla jednego kontrolera. Gotowe mechanizmy automatycznie powielą konfigurację na kontroler redundantny. Wbudowany redundantny adres IP sprawia, że system widoczny jest jako pojedynczy kontroler pod jednym adresem IP, dzięki czemu jego integracja z dowolnym systemem SCADA/HMI jest bardzo prosta. Zaimplementowane narzędzie do debugowania programu, skanowania urządzeń podłączonych do sieci Profinet oraz optymalizatory sieci podpowiadają programiście, jak prawidłowo skonfigurować parametry pracy, aby system działał efektywnie.

Koszt inwestycji w redundancję

Nowa jednostka centralna IC695CPE330, która w ofercie pojawi się w drugiej połowie 2015 roku, pozwoli na pracę jako autonomiczny system sterowania lub jako kontroler w układach redundantnych. Pozwoli to ograniczyć koszty i dobrze rozplanować inwestycję w system wysokiej dostępności.

Każdy system sterowania wykorzystujący taką jednostkę będziemy w stanie w dowolnym momencie przerobić na system redundantny, stosując wszystkie posiadane elementy. Redundancja systemu będzie mogła obejmować podwojone jednostki centralne, zasilacze systemowe, moduły komunikacyjne oraz moduły do synchronizacji danych - tylko od użytkownika zależy, na jakie awarie nasz system ma być odporny.

W zależności od branży, koszt, jaki musimy ponieść na system redundantny, może zwrócić się już w kilka miesięcy od jego uruchomienia. Korzyści z jego posiadania zaczynamy czerpać w chwili, gdy pojawiająca się awaria nie zatrzymuje naszego procesu, a my możemy produkować bez przerw, utrzymując wysoką jakość i wydajność produkcji. Bez względu na to, w jakiej branży działamy.

Więcej informacji o systemach wysokiej dostępności PACSystems High Availability na stronie www.astor.com.pl/ha

Piotr Adamczyk
Specjalista ds. systemów sterowania
ASTOR
www.astor.com.pl