В последнее время наблюдается оживление рынка систем промышленной автоматизации как в России, так и за рубежом. Основные производственные фонды российских предприятий требуют серьезной модернизации, что стимулирует развитие рынка АСУТП и встроенных систем. Как правило, заказчика систем управления интересуют системы повышенной надежности или, другими словами, отказоустойчивые системы.

Отказоустойчивое решение должно гарантировать исполнение функционала системы даже при наличии неисправностей. Это означает не только применение высоконадежных элементов, а скорее проектирование системы таким образом, чтобы отдельные неисправности не влияли на ее работу в целом. В простейшем случае отказоустойчивая технология основывается на некоторой избыточности. Если какая-то часть, аппаратная либо программная, не работает, то ее заменяет другой компонент.

Можно обозначить различные типы избыточности.
• Физическая избыточность возникает за счет резервирования некоторых элементов. В том числе под физической избыточностью можно понимать избыточность аппаратной части для обеспечения диагностики состояния оборудования.
• Информационная избыточность используется, например, в коммуникационных протоколах в виде служебной информации, добавляемой к пакету для того, чтобы обеспечить восстановление искаженных сообщений.

Таким образом, основной принцип повышения надежности — применение схем резервирования элементов системы. Резервирование — одно из основных средств обеспечения заданного уровня надежности объекта при недостаточно надежных компонентах и элементах. Цель резервирования — обеспечить безотказность объекта в целом, т.е. сохранить его работоспособность, когда возник отказ одного или нескольких элементов. При решении проблемы повышения надежности «в лоб» с помощью применения схем резервирования всех элементов системы возникают два совершенно противоречивых требования. Сделать как можно более надежную систему, с одной стороны. С другой стороны, минимизировать затраты на создание системы. По опыту проектирования систем можно смело утверждать, что системы с полноценным резервированием стоят на порядок (иногда на несколько порядков) больше, чем системы без резервирования. Один из путей решения данного противоречия — резервирование только критичных к отказам элементов или элементов системы с меньшей надежностью.

Была поставлена задача создания решения, позволяющего формировать системы управления [4] разной степени отказоустойчивости [5]. Для решения данной проблемы на основании опыта создания систем управления технологическими объектами были выделены основные факторы, обеспечивающие повышенную отказоустойчивость системы, построенной на базе программируемого логического контроллера.

Были выделены следующие основные факторы.
1. Резервирование системы электропитания и применение в системе управления источника бесперебойного питания. В идеальном случае бесперебойное питание должно распространяться и на исполнительные органы, но это не всегда возможно. Обычно ограничиваются подключением только управляющего контроллера.
2. Возможность «горячей» замены модуля. Любой модуль в контроллере может быть изъят из коммутационной панели и установлен без отключения питания.
3. Резервирование контроллеров с «безударным» переключением при выходе из строя одного из контроллеров.
4. Перекрестная диагностика контроллерами состояния. Данная особенность позволяет повысить вероятность правильного принятия решения о переходе на резервную систему управления в случае возникновения отказа.
5. Резервирование линий передачи данных в систему верхнего уровня.
6. Резервирование линий передачи данных между контроллерами. Данный фактор влияет на отказоустойчивость системы в случае построения распределенной системы управления.
7. Резервирование линий обмена данными с контроллерами расширения ввода-вывода.
8. Наличие системы диагностики работы всех составных систем контроллера.
9. Наличие системы диагностики аппаратного отказа любого модуля в системе.
10. Наличие системы диагностики измерительных трактов аппаратных модулей.

Выбор из вышеперечисленного списка факторов позволяет строить систему определенной стоимости и надежности.

ПЛК ЭЛСИ-ТМ с системой исполнения ЭлсиТМА предназначен для построения отказоустойчивых систем автоматизации. Архитектура контроллера предоставляет большой выбор способов резервирования элементов системы. Особенностью является то, что существует возможность произвольной комбинации способов резервирования в зависимости от специфики и бюджета проекта, а также требований к отказоустойчивости. Далее приведены основные способы резервирования отдельных элементов.

Резервирование электропитания
Резервирование электропитания обеспечивает непрерывную работу контроллера при отказе линии питания, первичного источника питания или других компонент системы электропитания. Существует множество вариантов подключения электропитания. Для примера на приводятся два способа подключения – от одной сети электропитания (вариант А) и от разных сетей электропитания (вариант Б).
Вариант А, в отличие от варианта Б, предполагает наличие двух независимых линий электропитания. Очевидно, что вариант А обеспечивает большую надежность, его применение особенно целесообразно, когда существует большая вероятность отказа одной из линий питания. По сравнению вариантом Б схема подключения варианта А дороже, так как подразумевает прокладку двух линий электропитания. В обоих вариантах предусмотрено резервирование источника питания, установленного в коммутационной панели контроллера.

Резервирование контроллера
Резервирование базового контроллера обеспечивает непрерывную работу контроллера при выходе из строя различных элементов системы. Этот способ предполагает использование двух контроллеров, «мастер-модули», которые соединены двумя разнотипными линиями связи, в статье приведена схема соединения контроллеров. Один из контроллеров является основным — выполняет технологические задачи, другой является резервным. Резервный контроллер переходит в основной режим при отсутствии связи с основным контроллером по обеим линиям в течение заданного промежутка времени — основной признак сбоя.
Оба контроллера обмениваются информацией о своем состоянии. Это позволяет резервному контроллеру немедленно приступить к работе при обнаружении неисправности основного — выполнить функцию «горячего резервирования».

Основная особенность работы контроллера в том, что контроллер имеет возможность принудительного перехода в резерв по заданному пользователем алгоритму (алгоритм задается в программе пользователя). В программе пользователя доступна информация о состоянии как основного, так и резервного контроллеров в виде переменных задачи пользователя. Решение о переключении в резерв может быть принято, исходя из специфики конкретного проекта. Например, на основном контроллере вышел из строя модуль сигнализации о вскрытии щита, а на резервном отсутствует связь с объектом управления — выбор пользовательской программы «не переключаться» очевиден.
В дополнение для каждого контроллера может быть применена схема резервирования электропитания. Информация о состоянии линии питания также доступна программе пользователя.

Резервирование связи с объектом управления
Связь с объектом управления осуществляется по протоколу Modbus RTU [8]. Для резервирования линий связи применяется двухканальный модуль, приведена схема подключения коммуникационного модуля. Резервирование связи с объектом управления может применяться совместно с резервированием системы электропитания и резервированием контроллеров.

Резервирование связи с контроллерами расширения
Контроллером расширения (КР) является контроллер, использующий в качестве «мастер-модуля» коммуникационный модуль TE 601 и осуществляющий связь с «мастер-модулем» базового контроллера по фирменному протоколу с использованием канала RS 485/422 и/или волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Приведена схема резервирования связи с контроллерами расширения без резервирования базового контроллера.

Кроме того, резервирование связи c КР можно выполнить совместно с резервированием базового контроллера, при этом немного меняется схема подключения интерфейсов связи. Приведена схема резервирования связи с контроллерами расширения и резервирование базового контроллера.

Резервирование канала связи межконтроллерного обмена
Как правило, в современных системах автоматизации существует обмен информацией между равноправными узлами — контроллерами. В таких случаях система становится критичной к отказам линий связи, по которым осуществляется обмен данными. В нашем случае предусмотрен вариант резервирования каналов связи межконтроллерного обмена. Обмен данными производится по фирменному протоколу, переход с одной линии связи на другую происходит автоматически при обнаружении неисправности. Понятие «узел» может означать как отдельный контроллер, так и контроллер с резервированием. В статье представлены варианты подключения линий связи для обеспечения межконтроллерного обмена в варианте без резервирования базового контроллера и с резервированием базового контроллера.
Резервирование связи с верхним уровнем (под верхним уровнем понимаются SCADA-системы) осуществляется по тем же принципам, что и при межконтроллерном обмене.

Для обобщения вышеприведенных вариантов построения системы управления технологическими объектами представлен пример построения системы управления с резервированием каналов связи с верхним уровнем, резервированием связи межконтроллерного обмена, резервированием связи с контроллерами расширения и резервированием связи с модулями ввода-вывода.

В статье продемонстрированы варианты построения отказоустойчивых систем автоматизации на базе контроллеров ЭЛСИ-ТМ. Одним из главных преимуществ является модульный подход к резервированию, позволяющий строить систему под индивидуальные потребности заказчика. Такая система обладает большой экономической и инженерной эффективностью.

Тел. (3822) 242214
Pavel.Nesterenko@elesy.ru