Automatizálási hírlevél Magas rendelkezésre állás mindenek felett – redundáns megoldások a Schneider Electrictôl A mai ipari vállalatok számára – és ide nemcsak a kritikus üzemû technológiákat értjük – biztonsági, technológiai és gazdasági szempontok miatt az eszközök magas rendelkezésre állása, a leállási idôkbôl fakadó veszteségek minimalizálása a cél. A gyártók kínálatában ezért egyre fontosabb szerepe van azoknak a megoldásoknak, melyek ezeknek a követelményeknek is eleget tesznek, így a redundáns vagy tartalékrendszereknek. Mielôtt azonban áttekintenénk a lehetôségeket, tisztázni kell, miért van szükség magas rendelkezésre állási funkcióra az adott alkalmazásban. Alapvetôen azt kell biztosítani, hogy egyetlen meghibásodás ne lehessen oka egy végzetes eseménynek. A feladat specifikálása az adott rendszertôl függôen többféle szintû lehet. Az elsô szinten el kell kerülni, hogy a vezérlôrendszer olyan helyzetbe kerüljön, hogy a kezelôk nem kapnak információt, és nem tudnak beavatkozni, vagyis a vezérlôállomás nem lehet „fekete lyuk”. A következô szintet a vezérlôrendszer központi funkcióinak elvesztése jelentheti, majd a végsô veszély a vezérlôrendszer-funkciók egy fontos alrészének elvesztése lehet.
A Telemecanique ipari automatizálási kínálatában már régóta megtalálható a redundancia, mely az alkalmazásokat kiszolgáló, megvalósító rendszerek egyes elemeire vonatkozik. Így a Modicon Premium és Quantum PLC családok tápellátása, kommunikációja vagy akár elosztott – decentralizált – I/O rendszerei lehetnek redun-
dánsak. Emellett mindkét kínálatot melegtartalék-képzési lehetôség is gazdagítja. A gyors javíthatóságot, így a leállási idôk minimalizálását szolgálja a Hot Swap tulajdonság is, mely azt jelenti, hogy a PLC kártyák vagy modulok üzemi futás közben leállítás nélkül kicserélhetôek. Természetesen nem kizárólag ezekkel az eszközökkel lehet biztonságos, magas rendelkezésre állású installációt megvalósítani, hanem magával az alkalmazási program nyújtotta lehetôségekkel is. A biztonságos, állandó eszköz-elérhetôség már a Zelio, Twido kategória vezérlôivel is megvalósítható. Ezt bizonyítja az a jelentôs mennyiségû megvalósított átkapcsoló-automatika, mely képes több betáplálási pont közötti tartalék-átkapcsolást elvégezni, kombinálva a transzformátor betáp-pontokat Diesel- vagy gázüzemû aggregátorállomásokkal. A példa mutatja, hogy a gondos tervezés, a helyesen elvégzett programozás, a pontos kivitelezés hogyan garantálhatja üzemünk, épületünk vagy gazdasági egységünk állandó mûködését. A magas rendelkezésre állású rendszer megalkotásánál a hangsúly nem kizárólag a kiváló minôségen van. A legfontosabb szerepet az ún. MTBF – Mean Time between Faults – érték, azaz a meghibásodások között eltelt idô játsza. Általában ezt az értéket a gyártók megadják készülékeikre. Általánosan elmondható, hogy a legmagasabb értéke azon eszközöknek van, melyek nem képesek meghibásodni. Képzeljünk el egy szekrényt vagy kábelrendszert, melyre tulajdonképpen nem is lehet definiálni ezt az értéket. Alacsonyabb azon eszközöknek az MTBF értéke, melyek már mozgó – így meghibásodásra alkalmas – alkatrészeket tartalmaznak, így pl. a relék, mágneskapcsolók stb., bár ezek értéke is nagyságrendekkel nagyobb, mint a számítógépeké. Az automatizálási rendszerekben a szûk keresztmetszetet, vagyis a legkisebb MTBF értéket, a PC-k – különösen az irodai változatuk – képezik. E tény ellenére mégis nagyon sokan telepítik ezeket az eszközöket nagy számban rendszereikbe. Sokszor esünk abba a hibába, hogy az eladhatóság jelenti egyben a vesztünket is. Ma már elképzelhetetlen, hogy egy installáció ne tartalmazzon egy HMI/SCADA állo-
2
mást, gyönyörû animált ábrákkal, videókkal. Ezen eszközök általában a kérdéses „megbízhatóságú” Windows rendszeren alapulnak. Ne várjunk tehát csodát, ha a rendszerünk egyszerûen lelassul vagy lefagy, hiszen ezt nap mint nap megéljük az irodáinkban is. A PLC-k és általánosan az ipari kivitelû automatizálási eszközök egy magasabb megbízhatósági kategóriát képeznek. Nem ritka az 1.000.000 óra feletti MTBF érték, mely közel 115 évet jelent (mindez a legérzékenyebb PLC eszközre a CPU-ra vonatkozik). A digitális vagy analóg be-/kimenetek ennél magasabb értékekkel is rendelkezhetnek. A kínálat legkritikusabb eleme a Quantum HotStandby rendszere, mely közel 400.000 órát „tud” 30°C-on folyamatos üzemben, ami a rendszerre 45 év rendelkezésre állást garantál! Ugyanezt a paramétert a gyártók ritkán adják meg PC-hardver esetén, a szoftver oldalra meg szinte definiálni is felesleges. A legtöbb esetben nem is az eszközök „spontán” meghibásodása okozza a leállást, hanem valamilyen emberi tényezô. Az ilyen tényezôk elkerülésére, az installációk megvédésére születtek a redundáns megoldások, ahol a meghibásodott eszköz szerepét egy másik, tartalékeszköz veszi át. A Telemecanique kínálatában mind a gyártásautomatizálásra optimalizált Modicon Premium, mind a folyamatos technológiák folyamatirányításában jeleskedô Modicon Quantum termékcsalád számára kifejlesztettek ilyen megoldást. A Modicon Premiumhoz készült el késôbb a melegtartalék megoldás, de mivel a Warm Standby korlátozottabb lehetôséget kínál, ezért ezzel kezdenénk a bemutatást. A termékcsomag már nevében is sugallja, hogy melegtartalékról van szó. A rendszer két PLC rack-bôl áll, melyek természetesen tápegységet és proceszszort tartalmaznak. A CPU-ra integrált Fipio port igen kedvezô árú I/O megosztást biztosít. A rackeket az X-busz segítségével akár ki is terjeszthetjük. Magát az átkapcsolást egy speciális Ethernet kommunikációs modul garantálja a Premium számára kifejlesztett Ethway protokollal. A két PLC közül az egyik a NORMAL, mely elsôdlegesen üzemel, a második a BACKUP, amelyik a tartalékot jelenti. A rendszerkiépítés automatikus átkapcsolást biztosít a hibás PLC-rôl a jóra. Igény esetén a karbantartók ezt az átkapcsolást manuálisan is elvégezhetik egy rendszerbit segítségével. A PLC-programban funkcióblokkok segítségével természetesen definiálhatunk különféle paramétereket az átkapcsolásra, melyek a kimeneteken lévô beavatkozó-eszközök biztonságos mûködését biztosítják. A normál üzem alatt minden egyes PLC-ciklus során a BACKUP PLC állapotai is frissülnek. A hibás mûködést jelzések közlik a rendszerrel, ekkor történik az átkapcsolás, melyet a PLC közöl a HMI-nek. A kezelôk online elvégezhetik a javításokat. Maga a kínálat hardver- és szoftvercsomagból áll, melyet kiegészíthetünk redundáns I/O-kkal az Advantys Telefast rendszer segítségével. A Warm Standby kínálat azonban némi korlátozást is tartogat. A kihelyezett I/O redundancia kizárólag a digitális I/O-kra vonatkozik. Analóg kártyák csak a központi rackekben lehetnek, valamint a rendszer nem tartalmazhat intelligens modulokat pl. mérleg-, mozgásvezérlést. Ennél nagyobb korlátozást a mára már elavultnak tekinthetô Ethway és a 10MB/s kommunikációs sebesség jelent. A PLC hibája esetén a folyamatnak el kell tûrnie az I/O-k „elvesztését” néhány másodpercre. A Warm Standby tehát nem garantálja az adatvesztés nélküli átkapcsolást, csak a vezérlés és felügyelet gyors visszatérését. Ennek megfelelôen csak a Premium által megcélzott alkalmazásokhoz ajánlott, azaz az infrastruktúra területeire, mint pl. úthálózatok, alagutak vezérlése, víz- és szennyvízkezelésre, valamint a diszkrét ipari folyamatokra.
3
A Modicon Quantum és elôdei számára a tartalékképzés már egy több mint 20 éves történet. Az elsô Hot Standbyt(!), tehát adatvesztés nélküli átkapcsolást biztosító termékcsomagot, 1983-ban az 584-es PLC család számára fejlesztették ki az amerikai mérnökök. Ezt követte 1986-ban a 984-es Hot Standby rendszer elôször rézvezetéken, majd üvegszálon. Míg 1998-ban elkészült az IEC-s Hot Standby kit a hozzá tartozó letölthetô funkcióblokkokkal. Az igazi áttörést a Unity V2 megjelenésével a Unity Hot Standby megoldás jelenti, mely ma a legkorszerûbb PLC-redundancia megoldás. Az új megoldás egyben jelentôs költségcsökkentést is jelent, mely talán azt is lehetôvé teszi, hogy egyre több hazai alkalmazásba is bekerülhessen. A korábbi több millió forintos CHS kit-et a Unity rendszernél nem kell megvenni, hiszen a Hot Standby a 140CPU67160 jelzésû CPU-ra van integrálva. Az egész Hot Standby alapjaiban átalakult. A kommunikáció alapját egy dedikált, saját, biztonságos, zárt protokollú Ethernet-kapcsolat biztosítja 100MB/s sebességen duplikált üvegszálon, mely ütközésmentes teljes duplex kapcsolatot nyújt. A korábbi Hot Standby-hoz képest hihetetlen könnyebbséget jelent, hogy nincs szükség speciális modulra, továbbá nem kell használni speciális programot vagy letölthetô funkcióblokkokat. Az új rendszer ugyanúgy támogatja a régi RIO távoli I/O rendszert, mint korábbi társa. A két kontroller közötti üvegszálas nagysebességû kapcsolat egyfelôl zavaroktól mentes mûködést, másfelôl gyorsabb adatátvitelt garantál akár 2 km-es távoldágon, ami minimalizálja a plusz funkció miatti PLC végrehajtási idô növekedését. A Unity fejlôdést mutat a memória területén is, így akár 7.2 MB memóriát fordíthatunk programozásra. Ez a nagy terület a Hot Standby számára is transzparens, tehát egy ciklusidô alatt a teljes alkalmazás átvihetô a Primary – elsôdleges – PLC-bôl a Standby-ba. A rendszer mûködése semmiféle manuális beavatkozást vagy kézi vezérlést nem igényel, a rendszer bekapcsoláskor automatikusan áttölti a teljes alkalmazást a tartalékkészülékbe. A sok automatizmus ellenére lehetôségünk van bármikor meggyôzôdni a programkülönbözôségekrôl. Ezt a CPU-n található kulcs elforgatásával, vagy egy parancsregiszter segítségével tehetjük meg, akár a SCADA alkalmazásból is.
4
A Unity Hot Standby kiépítésére három architektúra is kínálkozik. Az elsô a hagyományosnak tekinthetô S908 architektúra, amely a legtöbbször használt az ilyen rendszerek esetén.
A rendszer redundanciát mutat mind a CPU, mind a tápegységek, mind a RIO drop-ok kábelezése terén. A Quantum távoli I/O rendszere, a RIO, ebben az esetben 31 db drop-ot, vagyis olyan PLC-hátlapot tartalmazhat, mely a tápegységen és a speciális RIO fejprocesszoron kívül I/O modulokat foglalhat magában. Ezt az architektúrát leginkább a folyamatos technológiák területén: a vegyiparban, petrokémiában és a gyógyszeriparban szeretik használni. Az infrastruktúra területe valamivel árérzékenyebb, ezért az I/O-k megosztására egy kissé kevésbé megbízható, de kedvezôbb árú Ethernet technológiát lehet alkalmazni. Ebben az esetben eltekintünk a RIO drop-ok használatától, azonban a Hot Standby rendszer mûködéséhez mindkét racknek tartalmaznia kell a CRP RIO modult. Az I/O eszközökkel való kommu-
nikáció azonban nem ezen keresztül valósul meg, hanem a NOE Ethernet TCP/IP modulokon, valamint a switchek segítségével felépített Ethernet infrastruktúrán. Ebben az esetben a Hot Standby mûködése során definiálhatjuk a kimenetek állapotait az átkapcsolás idôtartamára. Átkapcsoláskor minden paraméter átvitelre kerül, így a két rack két Ethernet kommunikációs processzora is IP-címet cserél. Végül, de nem utolsó sorban vegyesen is használhatjuk az elôbb bemutatott két rendszert, így kihasználhatjuk a kevert architektúra elônyeit, és optimalizálhatjuk a költségeket. Reméljük, cikkünkkel sikerült felkelteni az érdeklôdést a magas rendelkezésre állást garantáló rendszereink iránt, és a jövôben bizalommal fordulnak majd hozzánk akár kritikus rendszerek megvalósításával is. Amennyiben megválaszolatlan kérdése maradt, kérjük, vegye fel a kapcsolatot mûszaki támogatóinkkal vagy töltsön le bôvebb írott anyagokat a www.aut.hu weboldalunkról.
5
Modbus TCP/IP szabvány – egy újabb mérföldkô a Transparent Ready világában Transparent ™
A változások az ipari világban nap mint nap érzékelhetôek. Néhány évvel ezelôtt szinte elképzelhetetlen volt, hogy egy olyan nem determinisztikus, valós válaszidôket nem garantáló hálózat, mint az Ethernet bekerüljön a kritikus üzemû ipari vállalatokhoz. Nos ez a tendencia változik! Az utóbbi év mérföldkô volt az Ethernet és webtechnológiák támogatottságában az ipari automatizálás és energiaelosztás területén. Számos neves gyártó kínálatában megjelent az Ethernet mint alternatív kommunikációs lehetôség. A szakma sokat hallhatott az Ethernet/IP-rôl, a Profinet-rôl, az EtherCAT-rôl stb. Mind a gyártók, mind a felhasználók jövôbe mutató megoldást látnak ebben a lehetôségben. A Schneider Electric már 1998-ban felismerte a szabványos, nyitott technológiákban rejlô lehetôségeket, melyet az informatikai világ fejlesztett ki magának és az ipar számára. Az elmúlt 6 évben a Transparent Ready-nek hatalmas szerepe volt az információs technológia ipari alkalmazásokba történô bevezetésében, és a széles eszközkínálat kifejlesztésében. A vállalat Modbus TCP/IP és a web világát mozgató TCP/IP protokollhalmaz mellett tört pálcát. Ezzel a döntéssel azonban máig visel egy terhet is, hiszen sem a Modbus, sem az Ethernet, sem a TCP/IP nem szabvány. Számos alkalmazás megköveteli a szabványos, dokumentált megoldások meglétét, és a Transparent Ready kínálat, szolgáltatásainak tökéletessége ellenére sem felel meg e kívánalomnak. A Modbus a több mint 25 éves pályafutása alatt sokat fejlôdött, az ipar egyik legszélesebb körében támogatott kommunikációs struktúrává vált, mára pedig a Modbus TCP/IP-vel a leginnovatívabb is lett. Ebben nagy szerepe volt a Schneider Electricnek, a Modicon jogutódjának, majd mint a „Modbus Organization” független szervezet legfontosabb megalapítójának. A Modbus protokoll üzenetváltási struktúra, melyet a Modicon vezetett be 1979-ben, hogy master-slave vagy kliens-szerver kommunikációt biztosítson intelligens eszközök között. Mivel a Modbus protokoll kizárólag csak üzenetváltási struktúra, ezért független az alatta lévô fizikai rétegtôl. Általában RS232-t, RS422-t, RS485-t használva valósul meg soros vonalon, de Ethernet vagy sok más átviteli közeg is színesíti a választékot (pl. vezeték nélküli kommunikáció, üvegszál, rádió, mobiltelefon, mûholdas kapcsolat stb.). A Modbus egy de facto szabvány, egy valóban nyitott és az ipari/termelési környezetben legszélesebb körben használt protokoll. Használatát és fejlôdését az ipar igényei vezérelték, bármiféle hálózati szervezet támogatása nélkül. A Modbus egyszerû Master (kliens) / Slave (szerver) alkalmazási protokoll: – a kliens készíti elô és küldi el a kérést a szervernek, – a szerver kiértékeli a kérést, feldolgozza azt és választ küld a kliensnek. Ez a módszer szinte minden ipari alkalmazás számára megfelelô. A Modbus egy skálázható protokoll, tehát a szerver képes arra, hogy a Modbus protokollnak csak egyes részeit hasznája. A Modbus publikus és felhasználó által definiált funkciókódokból áll. A Modbus alkalmazási protokoll egy funkciókód-listát kínál az adatok olvasásához vagy írásához, vagy távoli feldolgozás aktiválására távoli szerveren, pl. adat szavak olvasása / írása, bitek olvasása / írása, diagnosztika, azonosítás.
6
Számos érv szól a Modbus használata mellett, ezeket az elônyöket bármely ipari alkalmazásban kihasználhatjuk. Elôször is a Modbus a világ elsô számú ipari protokollja, a legnagyobb telepített bázissal az IMS (független nemzetközi marketingkutató intézet) kutatása alapján. Egy valódi nyitott és ingyenes eszköz (nincsenek díjak, költségek, az információk könnyen hozzáférhetôek anélkül, hogy függeni kellene bármiféle szervezettôl). Ettôl lett „de facto” – tényleges - szabvány az iparban, és ez tette lehetôvé széles körû elterjedését. Nagyon egyszerû, könnyen fejleszthetô, és költséghatékony. Sokkal jobb skálázhatóságot kínál, mint a sokkal komplexebb kommunikációs alternatívái. Az átviteli közegtôl független, így megvalósítható Etherneten, soros vonalon, vezeték nélküli rendszeren, száloptikán, rádión, stb. A soros vonali Modbus eszközök ezrei, és a Modbus TCP/IP eszközök százai fejlôdtek ki az idôk folyamán, és kerültek kereskedelmi forgalomba már régóta. Ezek a tulajdonságai garantálják megfelelôségét az ipari alkalmazások széles köréhez. A Modbus Ethernet (Modbus TCP/IP) nagyon erôs pozíciót szerzett a piacon az utóbbi három év alatt. A piac ezt a trendet diktálja!
A fenti ábrán a Modbus kommunikáció különféle megvalósulásai láthatóak az OSI – Open System Interconnection – modellben. A Modbus nyitottságát mi sem igazolja jobban, mint a specifikációk teljes publikussága. A Modbus alkalmazási protokoll teljes leírása, a soros vonali Modbus üzenetváltási struktúra specifikációja, valamint a Modbus TCP/IP megvalósítási leírása is megtalálható a www.modbus-ida.org weboldalon. Emellett természetesen az OSI modell alacsonyabb szintjeirôl is nyitott információk állnak rendelkezésre, pl. az Ethernet II vagy 802.3 specifikációja az ezeket gondozó független IEEE szervezet oldalán a www.ieee.org –on, vagy a TCP/IP protokollhalmaz-ajánlások – RFC – Request For Comment – az azt összefogó független szervezet az IETF – Internet Engineering Task Force oldalán a www.ietf.org –on található. Az internet technológia sarokkövei az Ethernet és az internet protokollkészletek. Annak ellenére, hogy az Ethernet már egy ideje a piacon van, az internet és a nyitott ipari protokollok kombinációja az, amely a ma is érezhetô robbanást okozta. Az Ethernet és az inter-
7
net protokollkészlet (különösen a TCP/IP) két különbözô technológia, nagyon különbözô eredettel. Az Ethernet a fizikai és az adatkapcsolati rétegen jelenik meg, míg az internet protokollkészlet független az alatta lévô hálózati technológiától. A TCP keretbe csomagolódó ipari protokollok szintén függetlenek az alatta lévô rétegektôl, és általában az ipari szervezetek menedzselik ôket. Az Ethernet TCP/IP szállítóként mûködik, mely magába csomagolja az üzeneteket. A felhasználók az alatta lévô technológiák által biztosított szolgáltatásokhoz felhasználói interfészeken keresztül férnek hozzá. Ezen technológiák nyitottságának köszönhetôen növekszik a szolgáltatások mennyisége és minôsége: pl. web. A Schneider Electric annak ellenére, hogy tulajdonosa volt az elôzôekben bemutatott, csodálatos Modbus protokollnak, 2004. április 12-én átadta a tulajdonjogokat a „Modbus Organization Inc.” non-profit, független szervezetnek, mely egy webalapú közösséget fog össze, a Modbus-IDA.org-ot, melynek bárki tagja lehet. A szervezet missziója a következôkben foglalható össze: „A Modbus-IDA független felhasználók és automatizálási eszközgyártók csoportja, melynek feladata a Modbus kommunikációs protokollkészlet alkalmazásának felügyelete, és a különféle piaci szegmenseknek megfelelô elosztott automatizálási rendszerek címzési architektúrájának fejlesztése. A Modbus-IDA szolgáltatja azt a szükséges infrastruktúrát, és osztja meg az információt a protokollokról, alkalmazásukról és minôsítésükrôl, melyek egyszerûsítik a felhasználók általi megvalósítást csökkentett költségen.” A Modbus-IDA elsô legfontosabb feladata a Modbus TCP/IP szabványosítása volt. Ennek köszönhetôen ezév október közepétôl a Modbus, valamint a valósidejû adatcsere RTPS – Real Time Publish Subscribe - protokollja IEC elôszabvány lett „IEC PAS (Publicly Available Specification) 62030” néven. A szervezetet alkotó 25 ország közel 100 tagja egyhangúlag szavazta meg a lépést, melyet a világ szabványosítási csoportjai – IEC, IAONA, IGS, ODVA, EPSG, ETG – is örömmel üdvözöltek. Az érvényes szabványosítási szabályok szerint a Modbus összes (!) változata 2007-ben fog bekerülni az akkor megjelenô az IEC-61158 terepi buszszabvány 4. kiadásába. Addig is szabványként lehet kezelni ezt az impozáns tulajdonságokkal rendelkezô kommunikációs architektúrát, melyrôl a Modbus-IDA elnöke a következôket nyilatkozta: „A Modbus az egyetlen olyan üzenetváltási protokoll, melyet az internet hatóság már elismer (502-es TCP port). A Modbus TCP/IP-nek van a legnagyobb telepített bázisa világszerte több mint 7.2 millió csomóponttal. A pozitív szavazatokkal a Modbus TCP profil elindult a valódi terepi buszok útján, és az IEC PAS 62030 azt jelenti, hogy a profil most már része lesz a nemzetközi IEC 61158 és IEC 61784-2 szabvány új kiadásának. Ez jelentôs elôrelépés volt a Schneider Electric által támogatott hatékony, üzembiztos és költséghatékony ipari Ethernet számára. A pozitív döntés garantálja a jövôt azon vevôink által megvalósított villamosenergia-elosztási és ipari automatizálási rendszerek ezreinek, ahol az új Ethernet és webtechnológiát használják.” A vállalat több évtizedes fejlesztési törekvése és az innováció melletti elkötelezettsége beérett, és ez a változás remélhetôleg egy komoly robbanást fog jelenteni az ipar területén. További információért kérdezze automatizálási csapatunkat, vagy keresse fel a cikkben említett weboldalakat és a www.aut.hu oldalt.
8
