Tematy 31 maja 2022
WAGO APPLICATION BASED CONTROLLER REDUNDANCY (ACR) bez tajemnic

Redundancja, czyli zwiększona niezawodność działania układów sterowania i monitoringu

W pierwszej części cyklu artykułów na temat redundancji wprowadziliśmy zagadnienia redundancji zasilania, CPU i komunikacji oraz spróbowaliśmy odpowiedzieć na pytanie, dlaczego i w jakich przypadkach użytkownicy potrzebują takiej funkcjonalności. W tej części szerzej omówimy rozwiązanie redundancji WAGO.

Dlaczego stosujemy redundancję:

  • Zwiększamy bezpieczeństwo funkcjonowania instalacji
  • Ograniczamy koszty awarii
  • Optymalizujemy proces zarządzania awarią

Układ redundancji WAGO (ACR) - geneza, kontekst aplikacyjny, obszary zastosowania

Zanim przejdziemy do techniki i szczegółów warto poznać kontekst, w którym powstało rozwiązanie redundancji WAGO, czyli ACR. Inspiracją były konkretne potrzeby branży morskiej - obszaru w których z powodzeniem jest stosowana automatyka sterownikowa WAGO. Jest to branża o tyle ciekawa, że warunki pracy urządzeń i systemów są szczególnie trudne i komponenty oraz układy poddawane są dodatkowej, surowej certyfikacji nieobowiązującej na lądzie.

Trzeba pamiętać, że statek na otwartym morzu jest jednak wyizolowanym środowiskiem – dostęp do części i służb technicznych jest, w porównaniu z lądem, mocno ograniczony. Biorąc pod uwagę powyższe dobrze by na morzu wszystko sprawnie działało, a ewentualne usterki urządzeń nie rzutowały na poziom bezpieczeństwa ludzi i sprzętu. W tym kontekście redundancja jest jak najbardziej pomocna i w części aplikacji wymagana.

Nasi norwescy koledzy wspólnie ze swoimi klientami szukali sposobu na zapewnienie redundantnego sterowania i redundantnej komunikacji dla aplikacji na statkach i aplikacji offshore. Partnerom WAGO zależało na wypracowaniu takiego rozwiązania, które tolerowałoby pojedynczą usterkę w układzie sterowania – tzw. Single Point of Feilure (SPOF).

Spotkaliśmy więc z jednej strony oczekiwanie klientów, by podnieść dostępność (niezawodność) produkowanych przez nich instalacji, z drugiej chęć uniknięcia drastycznego podnoszenia kosztów, które mogłyby ograniczać konkurencyjność systemów produkowanych przez naszych klientów.

Dodatkowo podkreślano wymóg, by całość zbudować tak, by spełnione zostały regulacje morskich towarzystw klasyfikacyjnych. Konkretnie, by wzięto pod uwagę wymagania klasyfikatora DNV.

Jedyną drogą, by nie podnosić kosztów, było wykorzystanie standardowych, a więc łatwo dostępnych jednostek CPU i standardowych modułów wejść/wyjść (na marginesie elementy te mają certyfikację morską), w sposób gwarantujący odporność układu na pojedynczą usterkę, czyli SPOF. Innymi słowy zamiast budować nową rodzinę sterowników z redundancją sprzętową, zadano sobie pytanie, jak połączyć ze sobą standardowe sterowniki, switche i jak oprogramować całość, by spełnione zostały artykułowane przez użytkowników wymagania – stąd Application Based Redundancy.

Większość potrzeb i aplikacji jaki zgłaszali nam klienci dotyczyła procesów wolnozmiennych.

Aplikacje związane były z układami pompowymi, układami HVAC, sterowaniem oświetleniem, systemami alarmowania i monitoringu.

Do tego typu instalacji przyjęty czas gwarantowanego przełączania układu sterowania podstawowego na rezerwowy na poziomie 200 ms był więcej niż wystarczający.

Jak jest zorganizowany układ redundancji WAGO (ACR)
- co jest potrzebne, topologie sieci

Mówiąc o ACR wypada przyjrzeć się dwóm warstwom - warstwie sprzętowej i warstwie programowej. Warstwa sprzętowa bazuje na standardowych sterownikach i modułach I/O WAGO serii 750, czyli sprzęcie, który jest dobrze znany.

  1. Standardowe moduły I/O serii 750 mogą zostać zintegrowane w systemie Smart-Couplery.
  2. Smart-Couplery jako zdecentralizowane sterowniki PLC automatycznie wykrywają podłączone moduły.
  3. Lokalne dane są wysyłane redundantnie do Masterów. Każdy węzeł wiem, która stacja jest dostępna w sieci oraz czy występują jakieś błędy.

Stała synchronizacja zmiennych/stanów pomiędzy obydwoma Masterami gwarantuje czas przełączania do 200 ms. Jeden z Masterów jest wiodący, drugi pozostaje w stanie czuwania.

Rozwiązanie ACR jest systemem ciepłej rezerwy. Mamy w nim master podstawowy- wiodący i drugi rezerwowy - pozostający w stanie czuwania. Masterami są sterowniki rodziny PFC200 drugiej generacji.

System uzupełniają Smart-Couplery, czyli zdecentralizowane jednostki PFC100 z kartami wejść/wyjść dobranymi do wymagań procesu. Ich zadaniem jest obsługa sygnałów obiektowych i redundantna komunikacja stanów I/O do masterów. Co ciekawe nie ma potrzeby ich programowania – tylko konfiguracja, ale o tym później.

By osiągnąć czas przełączania pomiędzy sterowaniem podstawowym a rezerwowym na poziomie 200ms, obraz procesu pojedynczego węzła nie może być większy niż 198bajtów z max. 24 kart I/O. Smart-Couplerów może być w układzie do dwudziestu, co pozwala dopasować konfigurację do całkiem sporych instalacji.

W tym punkcie warto zadać pytanie, jak w praktyce zorganizowana jest wymiana danych? W rzeczywistym układzie mamy do czynienia zarówno z redundancją sterowania jak i redundancją sieci komunikacyjnej, opartej o Ethernet. Używana jest jedna z dwóch topologii sieci: DUAL-LAN lub SINGLE LAN. Omówmy czym się charakteryzują te topologie.

Przede wszystkim DUAL-LAN umożliwia bezprzerwową komunikację. Mamy tu fizycznie dwie sieci, dwa kable LAN z identycznym przepływem danych. Być może, trochę więcej nakładów na okablowanie, ale za to mogą zostać użyte zwykłe, niezarządzalne switche, co także upraszcza konfigurację układu.

Przejdźmy do topologii SINGLE-LAN. Mamy tu sieć opartą o topologię ringu. Jako że ring, to konieczne jest zastosowanie switchy zarządzalnych. Możemy skorzystać z dwóch technologii ringu: standardowego ERPSv2 lub typowego dla WAGO JETRINGu.

Jak spojrzymy na okablowanie to w tej strukturze mamy wyraźnie mniej połączeń - kabli ethernetowych. Dodatkowo, jeżeli wykorzystujemy przewód, to pamiętamy, że dla pojedynczej gałęzi miedzianego ethernetu odległość 100m jest granicą nieprzekraczalną. I tu przy większych odległościach z pomocą przychodzą nam Smart-Couplery.

W tej strukturze zabudowane w Smart-Couplery dwuportowe switche pozwalają łatwo rozciągnąć miedzianą sieć ethernet na dłuższe dystanse. Dlatego ta struktura może być szczególnie wygodna w przypadku instalacji o większym rozproszeniu.

Układ redundancji WAGO (ACR) i udostępnianie danych do systemów SCADA lub HMI

Układ z redundantnym sterowaniem rzadko funkcjonuje jako wyizolowana wyspa. Dlatego warto wspomnieć, jak wygląda udostępnianie danych do systemów nadrzędnych lub do HMI. Od strony systemu SCADA - ACR może być widziany jako dwa serwery Modbus TCP/IP. Każdy ze sterowników Master ma swój indywidualny adres IP, SCADA(HMI), może używać drivera Modbus TCP/IP i odpytywać udostępnioną przestrzeń adresową każdego ze sterowników. Na to, który z masterów w danym momencie jest wiodącym i z którego dane powinny być czytane przez system SCADA wskazuje wystawiana przez sterownik flaga.

Komunikację można także zorganizować w oparciu o OPC UA. Na każdym sterowniku master kilkoma kliknięciami myszy można uruchomić serwer OPC UA – jest on standardowo dostępy i publikować interesujące nas zmienne. Inżynierowie mają swobodę wyboru.

Układ redundancji WAGO (ACR) - na jakie usprawnienia mogą liczyć wdrażający

Omówiliśmy poszczególne struktury i ich cechy, czyli warstwę sprzętową. Teraz dobrze by było odpowiedzieć na pytanie jak oprogramować i uruchomić system oraz jakie narzędzia mogą nam w tym pomóc. Przejdźmy do warstwy softwarowej.

Tu z pomocą przychodzi nam strona WAGO: https://www.wago.com/pl/d/swreg_acr_c

Na stronie dostępny jest pakiet przygotowany na potrzeby budowania redundantnych systemów, wpisujących się w omówiony na początku artykułu zakres aplikacyjny.

W pakiecie znajdziemy przykłady programów, które możemy wykorzystać jako szkielet własnej aplikacji: framework wgrywany na Smart Couplery, przykładowe konfiguracje przygotowane dla switchy ethernetowych (to dla stukrury SINGLE LAN, która jest oparta o ring), bibliotekę WagoAppRedundancyMaster, noty aplikacyjne wyjaśniające krok po kroku proces uruchomienia i działania aplikacji.

Zatrzymajmy się chwilę przy temacie biblioteki WagoAppRedundancyMaster, która stanowi serce systemu ACR i jest ogromnym ułatwieniem dla programistów. Za co odpowiada i co ułatwia biblioteka WagoAppRedundancyMaster? By odpowiedzieć na to pytanie, warto ponownie przywołać schemat blokowy układu ACR.

W redundantnym układzie sterowania trzeba zadbać o pewną transmisję i pewną synchronizację danych. Biblioteka + framework tworzą obszary pamięci mapując dane z procesu, dbają o właściwą synchronizację i przepływ danych pomiędzy Smart-Couplerami oraz o przepływ danych pomiędzy samymi Masterami. Aby zilustrować ten proces posłużę się poniższym schematem.

Na poziomie masterów biblioteka pośredniczy w synchronizacji danych globalnych, ma udział w diagnostyce połączeń oraz uczestniczy w arbitrażu. W oparciu o timeouty i statusy PLC decyduje, który ze sterowników jest wiodący i który będzie realizować w danym momencie program użytkownika.

By mieć pełniejszy obraz zobaczmy także jak jest zorganizowana komunikacja pomiędzy Smart-Couplerami.

Na poziomie Smart-Couplerów wgrany w nie dostępny framework sprawia, że sterownik automatycznie wykrywa podłączone do niego karty wejść i wyjść. Automatycznie tworzy obraz procesu i przygotowuje telegramy. Smart-Couplery działają jako Mastery Modbus UDP. W sposób asynchroniczny za pomocą aktywnych linków komunikacyjnych wymieniają dane z Masterami (A i B). W oparciu o timeouty i dane z Masterów dokonują arbitrażu, które z otrzymanych danych są właściwymi i powinny zostać użyte w danym momencie do sterowania obiektem.

Wiemy jakie mechanizmy są wykorzystywane i jak jest zorganizowana wymiana danych. Teraz dobrze byłoby zapoznać się z tym, jak wygląda sam proces przygotowania sterowników do pracy w układzie redundantnym opartym o ACR.

Autor: Mariusz Pacan
Menedżer ds. rozwoju sprzedaży automatyki przemysłowej
w WAGO ELWAG Sp. z o.o.

Twoja osoba kontaktowa w WAGO.

Mariusz Pacan

Menedżer ds. projektów automatyki przemysłowej

Dowiedz się więcej:

Więcej informacji na ten temat

Redundancja, czyli zwiększona niezawodność działania układów sterowania i monitoringu

Redundancja to nadmiarowość. W układach automatyki stosujemy ją ze względu na bezpieczeństwo, koszty związane z potencjalną awarią albo organizację/zarządzanie sposobami jej usunięcia.

WAGO APPLICATION BASED CONTROLLER REDUNDANCY (ACR) w praktyce

W poprzedniej części artykułu przedstawiliśmy rozwiązanie redundancji WAGO. Opisaliśmy powody, dla których powstał ACR oraz przedstawiliśmy sposób wykorzystania standardowych komponentów WAGO-I/O-SYSTEM do budowania redundantnych systemów sterowania. W tej części szerzej omówimy proces uruchomienia i podamy przykłady praktycznych zastosowań ACR.