System wysokiej dostępności zbudowany na bazie sieci Profinet

Od lat jednym z rozwiązań dla przemysłu, w których specjalizuje się firma GE Intelligent Platforms, jest system wysokiej dostępności (High Availability). Wraz pojawianiem się nowych sposobów komunikacji przechodził on metamorfozy, dostosowując się do najnowocześniejszych technologii. I tak, pierwsze rozwiązania tego typu oparte były o sterowniki serii 90-70 i wysoce stabilną sieć GENIUS, po czym rozwiązanie ewaluowało w kierunku kontrolerów serii RX7i oraz RX3i i powszechnie stosowanej sieci Ethernet. Obecnie możemy korzystać z nowej wersji tego rozwiązania – opartej o kontrolery RX3i i sieć Profinet, dzięki czemu transmisja jest pewna, a konfigurowanie systemu – niezbyt skomplikowane.

System wysokiej dostępności przewiduje użycie rozproszonych układów wejść/wyjść, z którymi komunikacja przebiega za pośrednictwem kabla miedzianego lub światłowodu. Dzięki temu może on geograficznie obejmować znaczny obszar, pozostając przy tym nieczuły na zakłócenia i przepięcia. Idea systemu wysokiej dostępności pozostaje niezmienna; występują w nim podwojone elementy, dzięki czemu w przypadku wystąpienia awarii, może on kontynuować pracę, a przejęcie sterowania przez element rezerwowy odbywa się bezuderzeniowo.

Redundancja obejmuje przede wszystkim dwie jednostki nadrzędne (Primary i Secondary), z których jedna steruje procesem, a druga pozostaje w gotowości.

Układy wejść/wyjść rozproszonych

Jako układy wejść/wyjść rozproszonych mogą zostać użyte wyspy zbudowane na bazie serii RX3i lub VersaMax. Występują w nich tzw. interfejsy komunikacyjne (PNS), których zadaniem jest pośredniczenie pomiędzy modułami wejść/wyjść a jednostkami nadrzędnymi Primary i Secondary.

Użycie serii RX3i do budowy węzłów pozwala na zastosowanie bardziej zaawansowanych modułów, np. dokonujących skalowania i kontroli alarmów, natomiast układy wejść/wyjść rozproszonych Versa-Max umożliwiają budowę ekonomicznych węzłów. W węzłach opartych o serię VersaMax można w razie potrzeby instalować moduły komunikacyjne Profibus Master i Modbus Master, a przewidywane jest dodanie do zestawu modułów instalowanych w węźle RX3i również modułów zaawansowanych, takich jak moduły komunikacyjne Profibus (IC695PBM300) czy też na łącze szeregowe (IC695CMM002/IC695CMM004).

Podobnie, jak w poprzednich wersjach systemu wysokiej dostępności, dla uproszczenia komunikacji z systemem HMI przewidziano specjalny adres IP, tzw. adres redundantny (Redundant IP Address). Jest on samoczynnie uaktywniany w tej jednostce nadrzędnej, która w danej chwili steruje procesem co upraszcza prace programistyczne w systemie SCADA. Połączenie z HMI może być opcjonalnie redundowane.

Architektura systemu wysokiej dostępności zbudowanego na bazie sieci Profinet

Topologia sieci Profinet 

Komunikacja z układami wejść/wyjść rozproszonych odbywa się przy użyciu sieci Profinet, która może przyjmować formę pierścienia (tzw. ringu). Używa się wtedy protokołu MRP (Media Redundancy Protocol), co w efekcie wpływa na podniesienie dostępności tej sieci – zabezpiecza przed utratą komunikacji w przypadku przerwania jej w dowolnym miejscu. Producent przewiduje rozbudowę funkcjonalności w postaci możliwości korzystania z dwóch redundantnych sieci Profinet, opcjonalnie pracujących w formie pierścieni.

Różnicą w stosunku do poprzedników i zarazem zaletą nowego rozwiązania jest fakt, że interfejs sieciowy Profinet serii RX3i wykonany został w postaci modułu zajmującego tylko jedno gniazdo i producent wyposażył go w porty pozwalające na zbudowanie sieci Profinet bez konieczności używania zewnętrznych switchów. W ten sposób zostały zaoszczędzone trzy gniazda w kasecie bazowej węzła i może on pomieścić więcej modułów wejść/wyjść.

Wygoda i oszczędność

Oszczędnością w pracy dla programisty jest możliwość konfigurowania układów wejść/wyjść rozproszonych tylko z jednego miejsca – podczas konfigurowania jednostek nadrzędnych, a w zasadzie przygotowując konfigurację dla jednostki Primary. Nie trzeba konfigurować ramek do komunikacji z układami wejść/wyjść, a jedynie wystarczy określić moduły w nich zainstalowane i zadeklarować czas odświeżania danych wymienianych z węzłem.

Należy zauważyć, że czas ten może wynosić nawet 1 ms (w poprzednim rozwiązaniu minimalny czas odświeżania wynosił 10 ms). Nieco inaczej działa również mechanizm przejmowania sterowania węzłem przez jednostkę rezerwową.

W starym rozwiązaniu węzeł otrzymywał równocześnie dane z obu jednostek i dokonywał wyboru spośród otrzymanych danych na podstawie statusu komunikacji. W nowym rozwiązaniu sterowanie węzłem realizowane jest przez jeden kontroler nadrzędny, a drugi pozostaje w stanie nasłuchu, aby w razie potrzeby przejąć sterowanie nad węzłem. Ponieważ ramki Profinet są uprzywilejowane, to ewentualne dołączenie urządzeń Ethernet do sieci Profinet nie zaburzy komunikacji z układami wejść/wyjść rozproszonych.

Zastosowanie

Bez względu na branżę, w której działa przedsiębiorstwo, nieplanowany przestój zawsze ma negatywny wpływ na ciągłość produkcji, natomiast konsekwencje mogą być różne. Jeśli przestój oznacza nie tylko niższą jakość, ale i zniszczenie części instalacji lub produkcji, zagrożenie dla ludzi i środowiska, wówczas inwestycja w systemy redundantne jest uzasadniona i znacząco redukuje koszty operacyjne.

System wysokiej dostępności znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie nieplanowane przestoje i awarie stanowią duże zagrożenie dla wszystkich przedsiębiorstw narażając je na spadek wydajności i rentowności, spadek satysfakcji i zadowolenia klientów oraz utratę reputacji. W przypadku, gdy zatrzymanie procesu produkcyjnego jest nieakceptowalne z uwagi na wysokie konsekwencje finansowe, zagrożenie dla życia ludzkiego lub zanieczyszczenia środowiska, inwestuje się w systemy podnoszące dostępność.

Zastosowanie systemów wysokiej dostępności

PACSystems HA przynosi szereg korzyści dla użytkownika końcowego oraz dla służb odpowiedzialnych za utrzymanie ruchu. System taki pozwala na:

• ‚‚podniesienie niezawodności i dostępności systemu sterowania,
• ‚‚redukcję kosztów dzięki minimalizacji ryzyka wystąpienia nieplanowanych przestojów,
• ‚‚możliwość łatwej rozbudowy i serwisu systemu bez jego zatrzymywania.

Rozwiązania wysokiej dostępności PACSystems HA zostały zaprojektowane z myślą o systemach produkcji ciągłej, wsadowej oraz dyskretnej i z powodzeniem mogą być stosowane w aplikacjach, gdzie sterowany proces ma charakter wolno lub szybkozmienny.

Znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie nieplanowany przestój oznacza zagrożenie dla życia i zdrowia ludzkiego lub pociąga za sobą duże koszty oraz utratę reputacji firmy w oczach klientów.

Grzegorz Faracik
Specjalista ds. systemów sterowania
ASTOR Sp. z o.o.
grzegorz.faracik@astor.com.pl