Systemy redundantne w aplikacjach krytycznych

Zakłady przemysłowe, w których kluczem do sukcesu rynkowego jest utrzymanie ciągłości produkcji, powinny rozważyć zastosowanie redundantnych systemów sterowania procesami. Tym bardziej, że pojawiła się tańsza możliwość dla rozproszonych systemów sterowania DCS bazująca na nowoczesnych sterownikach PLC.


Wydatki na zakup podwójnej liczby sterowników, elementów systemowych, modułów We/Wy mogą być oczywiście znaczące, ale – jak się często okazuje – niższe od wydatków związanych z ewentualnym remontem czy wymianą skomplikowanych zazwyczaj maszyn produkcyjnych.


W wielu gałęziach przemysłu pojawiają się tzw. aplikacje krytyczne, które wymagają zastosowania nadzwyczajnych sposobów i środków zapobiegających – choćby chwilowemu – przestojowi czy zatrzymaniu. Dlatego w wielu zakładach produkcyjnych instaluje się systemy redundantne (ang. hot standby), umożliwiające utrzymanie ciągłości sterowania lub szybkie odtworzenie parametrów pracy urządzeń, na przykład po krótkotrwałej awarii. Systemy redundantne cieszą się coraz większą popularnością wszędzie tam, gdzie wystąpienie najmniejszych przerw czy zatrzymań produkcji wiąże się z olbrzymimi stratami. Najczęściej można spotkać je w przemyśle petrochemicznym i farmaceutycznym. Aplikacje tego typu pojawiają się również w innych sektorach: spożywczym, produkcji napojów, gospodarki wodnej, transporcie bagaży czy transporcie morskim. I nic dziwnego: awaria procesu produkcji w branży spożywczej może doprowadzić do pomylenia proporcji składników pożywienia czy napoju, co zmusza producenta do wycofania całej partii produktów. Najczęściej bowiem niemożliwe jest dokładneustalenie, w którym momencie wadliwe produkty pojawiły się na taśmie. Z kolei w przypadku branży gospodarki wodnej utrata kontroli nad jakością wody to nie tylko problem dla samego zakładu uzdatniania, ale również potencjalne zagrożenie dla środowiska naturalnego i ludzi. Z kolei awaria systemu sterowania czy maszyn w aplikacjach przemysłu farmaceutycznego może oznaczać niewłaściwe proporcje składników w wyprodukowanych lekach. Taka sytuacja, podobnie jak w branży spożywczej, wiąże się z koniecznością utylizacji całej partii produktów, aby uniknąć zagrożenia życia chorych. Systemy typu hot standby mają olbrzymie znaczenie również w krytycznych procesach obsługi aparatury i sprzętu na statkach. W tym przypadku awaria systemu monitoringu i sterowania silnikami, energią elektryczną, balastem, dostarczaniem paliwa może prowadzić do nieodwracalnych skutków.

Redundantne sterowniki PLC pracują równolegle, połączone między sobą, z modułami We/Wy oraz innymi urządzeniami systemowymi przez sieć Ethernet 

Współpraca ludzi i maszyn

Dla wielu użytkowników implementacja systemu bazującego na dość drogich urządzeniach rozproszonych systemów sterowania DCS nie wydaje się zbyt praktycznym rozwiązaniem. Jednak w ostatnim czasie pojawiła się bardziej przystępna cenowo metoda zabezpieczenia funkcjonalności systemu sterowania. Tzw. systemy hot standby bazują na nowoczesnych sterownikach PLC. Termin hot standby, używany zamiennie z pojęciem redundancji, oznacza zastosowanie dwu identycznych systemów sterowania pracujących równocześnie: głównego oraz awaryjnego w stanie tzw. czuwania. System pozostający w stanie czuwania przejmuje sterowanie procesem w momencie awarii systemu głównego. Nadrzędnym celem tego typu rozwiązania jest zapobieżenie nieprzewidywalnym przerwom w procesie produkcyjnym, które mogą prowadzić do znaczących strat materiałów oraz zniszczenia urządzeń.

Kluczową kwestią jest zapewnienie redundancji w następujących obszarach systemów sterowania: układy procesorów i mikrokontrolerów, komunikacja z modułami We/Wy, cała sieć komunikacyjna i zasilanie. Jeżeli aplikacja ma redundantne zasilacze połączone dodatkowo z dwiema niezależnymi liniami zasilania z sieci energetycznej, praktycznie nie jest możliwa utrata zasilania. Celem nadrzędnym jest zabezpieczenie ciągłości pracy urządzeń w procesie. Kolejna ważna kwestia to ścisła współpraca techników i inżynierów obsługujących dany proces przemysłowy czy produkcyjny. Wymiana doświadczeń i wiedzy sprzyja dobremu rozpoznaniu podstawowych parametrów pracy i zagrożeń w procesie. Dzięki temu możliwy jest dobór optymalnych rozwiązań systemowych i ustalenie obszarów krytycznych, w których wymagana jest redundancja sterowania, zasilania itp. Nie można przy tym zapomnieć o prawidłowym opracowaniu projektu systemu redundantnego, gdyż tylko wtedy zapewni on maksymalne zabezpieczenie aplikacji przed możliwymi stanami awaryjnymi i uchroni użytkowników od nieprzewidzianych przerw i zatrzymań procesu produkcyjnego.

Idź na całość

W jaki sposób przedsiębiorstwo może ocenić stopień zagrożenia awariami i ich skutkami w swoich zakładach i zdecydować o konieczności instalacji systemów redundantnych? Pierwszy krok to oszacowanie możliwych następstw awarii w procesach produkcyjnych. I to zarówno w kwestii strat materialnych, jak też czasowych. Następnie należałoby porównać uzyskane wyniki ze spodziewanymi kosztami zakupu i instalacji systemu redundantnego. Wydatki na zakup podwójnej liczby sterowników, elementów systemowych, modułów We/Wy mogą być oczywiście znaczące, ale – jak się często okazuje – niższe od wydatków związanych z ewentualnym remontem czy wymianą skomplikowanych zazwyczaj maszyn produkcyjnych. Warto pamiętać, że zastosowanie tańszego systemu redundantnego, niezapewniającego kompletnej obsługi zdarzeń awaryjnych, może okazać się niewiele lepsze niż jego całkowity brak. System, który nie przełącza się w ramach pojedynczego, logicznego cyklu sterowania, może wywołać skutki awarii porównywalne z całkowitym wyłączeniem procesu produkcyjnego. Oczywiście system redundantny powinien być przede wszystkim dobrany do konkretnej aplikacji przemysłowej. Nowe technologie ułatwiają dokonanie wyboru.

Co trzeba wiedzieć?

Nie wszystkie systemy typu hot standby są takie same. Jeżeli przedsiębiorstwo decyduje się na zainstalowanie tego typu rozwiązania, musi dokładnie rozeznać, czy w ten sposób będzie w stanie zabezpieczyć wszystkie wymagane aplikacje.

Control Engineering Polska poleca zastosowanie czterech podstawowych kryteriów, które pozwolą stwierdzić, czy dany system jest naprawdę redundantny:

    • Czy przełączenie między systemem głównym a awaryjnym realizowane jest w jednym cyklu logicznym?

W pełni funkcjonalny system typu hot standby przełącza sterowanie w ramach pojedynczego cyklu logicznego. Dzięki temu nie następuje utrata istotnych danych o sterowanym procesie i awaria w zasadzie pozostaje niezauważona.

    • Czy w momencie przełączania system awaryjny przejmuje obsługę sygnałowych modułów We/Wy w jednym cyklu logicznym?

Jeżeli tak nie jest, w modułach We/Wy może pojawić się zjawisko zaniku lub zderzenia sygnałów. W efekcie na przykład sterowany zawór może otworzyć się lub zamknąć w niekontrolowany sposób, wywołując dodatkowe negatywne skutki awarii. Bez łagodnego i szybkiego przełączenia między częścią główną systemu a częścią awaryjną w sterowanym procesie mogą wystąpić liczne problemy. W przypadku systemów rzeczywiście redundantnych ciągłość sterowania procesem zostaje zachowana w całości.

    • Czy wszystkie dane z systemu głównego przechwytywane są przez system awaryjny?

Każdy system typu hot standby przenosi jakieś dane z toru głównego do awaryjnego. Jednak wiele systemów nie przenosi wszystkich danych. Taka sytuacja może spowodować dodatkowe komplikacje w poprawnym funkcjonowaniu sterowania. System może na przykład zadziałać opierając się na starych danych, nie zaś na aktualnych. Należy pamiętać, że powstanie tego typu sytuacji jest niedopuszczalne w tzw. aplikacjach krytycznych.

    • Czy system redundantny automatycznie przejmuje funkcje adresowania urządzeń i sterowników PLC, czy przełączaniem adresowania zajmuje się operator systemu?

W prawdziwych systemach hot standby przełączanie adresów odbywa się tylko i wyłącznie w sposób zautomatyzowany, bez udziału operatora.

ce

Artykuł pod redakcją
dra inż. Andrzeja Ożadowicza,
adiunkta w Katedrze Automatyki
Napędui Urządzeń Przemysłowych
AkademiiGórniczo-Hutniczej
w Krakowie

 


Ceny maleją, zainteresowanie rośnie

Dla Control Engineering Polska mówi Piotr Merwart,

dyrektor Działu Systemów Sterowania, Astor:

Wciąż zwiększa się liczba instalacji, w których stosowane są układy rezerwacji. Niemniej rynek na tego typu rozwiązania dopiero zaczyna się tworzyć. Do tej pory systemy tego typu były kojarzone właściwe głównie z systemami DCS, a przez to z przemysłem chemicznym i energetyką zawodową. Jednym z ważnych kryteriów zastosowania takiego układu jest koszt rozwiązania. Klienci przekonani o konieczności zastosowania takiego układu zwykle decydują się na rozwiązanie hot standby na bazie mniejszych kontrolerów z programową synchronizacją danych (na przykład układ Max-On na bazie kontrolera RX3i firmy GE Fanuc). Dla średnich systemów jest to w większości przypadków wystarczające, jeśli weźmiemy pod uwagę zasoby do prowadzenia procesu czy też mechanizmy do synchronizacji danych. W przypadku instalacji większych lub wymagających bardzo szybkiego przetwarzania danych zdecydowanie bardziej odpowiednie jest stosowanie rozwiązań bazujących na specjalizowanych, bardzo szybkich kartach komunikacyjnych łączonych światłowodem iprocesorach o dużej mocy przetwarzania (kontrolery PACSystem RX7i z jednostkami centralnymi z procesorami taktowanymi zegarem do 1,8 GHz połączone specjalizowanymi kartami wykorzystującymi protokół CMX do mapowania pamięci). Systemy DCS i układy hot standby zdecydowanie przybliżyły się do siebie pod względem cen i funkcjonalności. Stało się tak dzięki wyposażaniu sterowników PLC w języki programowania zbliżone do sposobu programowania układów DCS, mocy obliczeniowej procesorów i zdolności obsługi dużej liczby sygnałów ciągłych oraz integracji narzędzi do programowania i konfiguracji układów PLC z systemami SCADA. Równocześnie użytkownicy doceniają większą otwartość PLC na łączenie z innymi systemami sterowania i uniwersalność, przez co wzrasta pozycja tego typu rozwiązań w aplikacjach hybrydowych, gdzie oprócz sterowania procesem ciągłym występują elementy sterowania dyskretnego. Współzawodnictwo tych dwóch rozwiązań możemy zaobserwować wszędzie tam, gdzie mówimy o nieprzerwanej pracy systemu, czyli przede wszystkim w przemyśle chemicznym czy energetyce. Pojawia się jednakże coraz większe zainteresowanie wśród użytkowników z innych branż.