Өнеркәсіптік коммуникация топологиясындағы ақаулар: жобалау кемшіліктері басқару жүйелерін қалай істен шығарады
Зауыттық автоматтандырудағы сызықтық, жұлдызша, сақина және ағаш топологияларын практикалық талдау — ABB AC 800M және Profibus DP көмегімен өндірісте сынақтан өткен ақауларды жою тәсілдері.
Өнеркәсіптік желілердегі топология ақаулары неліктен маңызды
Өнеркәсіптік басқару жүйелері детерминирленген байланысқа тәуелді. Бір ғана кабельдің үзілуі бүкіл өндірістік желіні тоқтатуы мүмкін. Сондықтан инженерлер әр топологияның ақау жағдайында қалай жұмыс істейтінін түсінуі керек. Көптеген оқулықтар қалыпты жұмыс режимін қамтиды. Бұл мақалада кабельдер үзілгенде, түйіндер істен шыққанда немесе кедергі қателер енгізгенде не болатыны қарастырылады.
Заманауи кәсіпорындарда бірнеше топология қатар қолданылады. Әдеттегі мұнай өңдеу зауытында магистральдық сақинадан тарайтын жұлдызша сегменттері пайдаланылады. Бір сегмент істен шыққанда, сақина тәуелсіз жұмысын жалғастыруы тиіс. Егер жобалау кезінде бұл ескерілмесе, бір коммутатордың істен шығуы бүкіл зауыт бойынша ақаулар тізбегін туындатады.
Сызықтық топология ақаулары — өндірісті білдіртпей тоқтатушы фактор
Шина тәрізді сызықтық топология барлық құрылғыны тізбекті қосылу арқылы байланыстырады. Инженерлер оны кабель шығыны аз болғандықтан ұнатады. Алайда бір үзілген байланыс бүкіл сегментті ажыратады. Іс жүзінде бұл күтілгеннен жиірек болады. Кабель науаларындағы кабельдің жаншылуы, далалық тарату қораптарындағы коннекторлардың коррозиясы және терминатор параметрлерінің ауытқуы ішінара үзілістерге әкеледі.
Profibus DP пайдаланатын ABB AC 800M контроллерлері диагностиканы DP-V1 асинхронды қызметтері арқылы береді. Құл құрылғы жауап бермей қалғанда, контроллер 16#21 оқиға кодын (қашықтағы станцияның істен шығуы) тіркейді. Содан кейін техниктер сегментті тексеруі керек. Fluke 124 немесе соған ұқсас осциллографпен 10 МГц жиілігінде кедергі сәйкессіздігін көрсететін шағылу шыңдарын тексеріңіз. Терминатор кедергісінің нормадан 10%-дан артық ауытқуы қайталама жіберулердің тұрақсыз болуына себеп болады.
С: Сызықтық топология ақауын кезең-кезеңімен қалай оқшаулауға болады?
1-қадам: HMI архивінен шина сегментінің деректерін алыңыз. Тегтердің ескірген уақыт белгілерін жазып алыңыз. Бұл ақау болған уақыт аралығын ±30 секунд дәлдікпен анықтауға мүмкіндік береді. Сол кезеңдегі нысан қызметін ауысым журналдарымен салыстырыңыз.
2-қадам: Сегменттің екі шетіндегі терминатор резисторларын тексеріңіз. Әр терминатордың Bus+ және Bus− желілері арасындағы кедергісі 220 Ом болуы керек. Ауытқуы 5%-дан жоғары кез келген терминаторды ауыстырыңыз.
3-қадам: Сегментті ортаңғы тарату қорабы тұсында бөліңіз. Әр жартысын жеке сұрау үшін Profibus диагностикалық құралын пайдаланыңыз. Бұл екілік іздеу әдісі ақаудың қай жартыда орналасқанын анықтайды.
4-қадам: Кабель енгізгіштерін, құбырларды және тарату қорабының тығыздағыштарын ылғалдың енуіне тексеріңіз. Ылғал бір метрге шаққандағы сыйымдылықты арттырып, Profibus DP Type A кабелі үшін белгіленген 150 Ом сипаттамалық кедергіден асырады.
Жұлдызша топологиясы — оқшауланған ақаулар, бірақ жаңа осалдықтар
Жұлдызша топологиясында әр құрылғы орталық коммутаторға қосылады. Бір кабель үзілсе, тек сол құрылғы оқшауланады. Сондықтан жұлдызша топологиясы маңызды түйіндер үшін қолайлы. Алайда инженерлер жаңа мәселеге тап болады: коммутатордың өзі істен шығудың бірыңғай нүктесіне айналады.
400 MW аралас циклді электр станциясында DCS операторы 12 қысым түрлендіргішінің көрсеткіштері бір уақытта жоғалғанын хабарлады. Негізгі себеп — далалық аспаптарға қызмет көрсететін басқарылатын Ethernet коммутаторының балқымалы сақтандырғыш арқылы қоректену желісіндегі ақауға байланысты қуатсыз қалуы. Коммутатор ешқандай дабыл көрсетпеген. Бұл деңгейде резервтеу болмаған.
Бұған жол бермеу үшін IEC 62439-2 стандартына сәйкес MRP (Media Redundancy Protocol) қолдайтын сақиналық резервтелген басқарылатын коммутаторларды пайдаланыңыз. Кез келген жалғыз ақау кезінде жарамды байланыс жолы сақталуы үшін екі тәуелсіз коммутатор жолын баптаңыз. HMI жаңарту бюджетіне сай болу үшін MRP қалпына келу уақытын ең көбі 200 мс етіп орнатыңыз.
Сақиналық топология — күрделі диагностика жағдайындағы жоғары қолжетімділік
Сақиналық топология кабель құнына шаққандағы ең жоғары қолжетімділікті қамтамасыз етеді. Құрылғылар кадрларды екі бағытта да жібереді. Бір кабель үзілсе де, байланыс екінші бағыт арқылы жалғасады. Қиындық бірнеше құрылғы бір уақытта істен шыққанда, сақинаның бұзылуына қай құрылғы себеп болғанын анықтауда туындайды.
Profinet IRT (Isochronous Real-Time) пайдаланатын Siemens S7-400H жүйелері резервтеу үшін сақиналық топологияны талап етеді. Олар MRP протоколын 100 мс қалпына келу уақытымен іске қосады. Сақинаға жаңа құрылғы қосқанда, құрылғыны желіге қоспас бұрын әрдайым бүкіл сақина байланысын қайта іске қосыңыз. Бұл қадамды өткізіп жіберу spanning tree қайта конфигурацияланған кезде HMI тегтерінің 90 секундқа дейін жоғалуына әкеледі.
С: Тегтерді жоғалтпай резервтелген сақинаны қалай іске қосуға болады?
1-қадам: Өзгерістер енгізбес бұрын барлық коммутатор порттарының MAC мекенжайларын құжаттаңыз. Кабельдердің екі ұшына нөмірленген жапсырмалар жапсырыңыз. Қолданыстағы сақина сымдарының орналасуын анықтама үшін суретке түсіріңіз.
2-қадам: Барлық басқарылатын коммутаторларда порт қауіпсіздігін қосыңыз. Әр коммутатор портын тек бір рұқсат етілген MAC мекенжайына бекітіңіз. Бұл рұқсатсыз құрылғының spanning tree қайта сайлауын іске қосуына жол бермейді.
3-қадам: Жаңа құрылғыны физикалық түрде қосыңыз. HMI тегтерінің сапа кодтарын нақты уақытта бақылаңыз. Сапа Good деңгейінен төмендесе, қосуды дереу тоқтатып, тұйық контурды тексеріңіз.
4-қадам: Қосқаннан кейін әр коммутатордың веб-басқару интерфейсі арқылы MRP байланыс күйін тексеріңіз. Әр құрылғының екі резервтік жолды көретініне және spanning tree 30 секунд ішінде тұрақтанғанына көз жеткізіңіз.
Ағаш топологиясы — иерархиялық жобалау иерархиялық қорғанысты талап етеді
Ағаш топологиясы магистраль астындағы жұлдызша және сызықтық сегменттерді біріктіреді. Далалық шиналар басқару бөлмесіне дейін кросс-панельдер арқылы қосылатындықтан, ірі кәсіпорындарда ағаш құрылымы табиғи түрде қалыптасады. Мұндағы қауіп агрегация нүктелерінде болады. Магистральдық коммутатордың істен шығуы зауыттың тұтас бөлімдерін оқшаулауы мүмкін.
Foundation Fieldbus HSE пайдаланатын Foxboro DCS жүйелері сегмент контроллері деңгейінде ағаш топологиясын жиі қолданады. Әр сегмент контроллері 32-ге дейін H1 fieldbus сегментіне қызмет көрсетеді. Сегмент контроллерінің Ethernet жоғары байланысы істен шықса, барлық 32 сегмент бір уақытта байланысты жоғалтады. Сегмент контроллерін екінші магистральдық коммутаторға резервтік жоғары байланыспен баптаңыз.
Ағаш топологияларын жобалағанда әр агрегация деңгейінде N+1 резервтеу қағидасын қолданыңыз. Маңызды апаттық ажырату жүйелері үшін бөлек құбыр жолдары арқылы қосылған қос резервті сегмент контроллерлерін пайдаланыңыз. Резервтік жолдар арасында қорек көздерін ортақ пайдаланбаңыз.
Қорытынды және әрекет ету жөніндегі кеңес
Өнеркәсіптік желі топологиясы теориялық таңдау емес. Әр топология нақты ақау түрлерін қалыптастырады. Инженерлер атқаратын негізгі әрекеттер: зауыттағы барлық байланыс сегменттерін картаға түсіру, коммутаторлар мен терминаторлардағы істен шығудың бірыңғай нүктелерін анықтау және әр жүйенің SIL деңгейіне сәйкес резервтеу стандартын қолдану. Ақау болғанда ғана мәселені анықтауды күтпеңіз.
Іске қосқаннан кейін 24 сағат ішінде топологиядағы барлық өзгерісті нақты салынған сызбалармен құжаттаңыз. Бұл болашақ техникалық қызмет көрсету топтарының істен шыққан құрылғыны ауыстырғанда жаңа істен шығудың бірыңғай нүктелерін байқамай құруына жол бермейді. Топологияны резервтеуге тәртіппен қарау кез келген жеке DCS жаңартуынан гөрі жоспардан тыс тоқтаулардың алдын алуда тиімдірек болды.
