Могат ли пултовете за управление да се самовъзстановяват? Проектиране на по-интелигентни отказоустойчиви системи

Какво се случва, когато промишлен панел за управление открие развиваща се неизправност, преди операторът да разпознае видим проблем?

Задвижването на двигател може да започне да консумира неравномерен ток. Захранващ модул може да започне да работи при по-висока от нормалната температура. Между управляващите устройства може периодично да се появяват комуникационни грешки.

В конвенционална система тези състояния често се превръщат в проблеми за поддръжката едва след възникване на аларма, изключване или спиране.

По-интелигентните архитектури за управление могат да реагират по-рано.

Те могат да откриват необичайни състояния, да изолират избрани неизправности, да прехвърлят функциите към резервно оборудване и да предоставят на техническия персонал подробна диагностична информация.

Тази концепция понякога се описва като самовъзстановяващ се панел за управление.

Терминът не трябва да се тълкува буквално. Панелът за управление не може сам да ремонтира повреден контактор, изгоряла клема или повредено задвижване.

Това, което може да прави, е да разпознава определени неизправности и да използва предварително зададени стратегии за възстановяване, за да ограничи влиянието им върху производството.

Фигура 1. Модулните промишлени панели за управление осигуряват основата за диагностика, изолиране и структурирана подмяна на компоненти.

Слабото място често не е самата машина

Панелите за управление координират голяма част от съвременното промишлено оборудване.

PLC контролери, захранвания, релета, задвижвания, комуникационни модули и I/O устройства работят заедно, за да поддържат предвидима последователност на работа.

Следователно повреда в един малък компонент може да засегне много по-голям процес.

Повредено реле може да попречи на стартирането на двигател. Повредено захранване може едновременно да прекъсне работата на няколко управляващи вериги. Проблем с комуникацията може да направи иначе изправното оборудване недостъпно за контролера.

Традиционните стратегии за поддръжка се справят с тези рискове чрез инспекции, резервни части, превантивна подмяна и намеса на оператора.

Тези практики остават необходими.

Ограничението е времето за реакция.

Когато откриването на неизправност зависи предимно от спиране на машина или от забелязване на аларма от оператор, процесът вече е навлязъл в ненормално работно състояние.

Съвременният дизайн на системите за управление все по-често се стреми да открива влошаването преди достигането на този етап.

Какво всъщност означава самовъзстановяване

От инженерна гледна точка самовъзстановяването се разбира по-добре като комбинация от откриване на неизправности, изолиране на неизправности и автоматизирано възстановяване.

Една практична архитектура може да изпълнява няколко функции.

Първо, системата открива необичаен сигнал или работно състояние.

Второ, диагностичната логика определя кое устройство, верига или технологична зона е засегнато.

Трето, системата за управление изолира засегнатата функция, когато архитектурата позволява това.

Накрая резервният хардуер или алтернативен път за управление може да поддържа част от процеса, докато техническата поддръжка се намеси.

Операторът продължава да получава аларми, регистрационни файлове и диагностична информация.

Целта не е да се елиминират повредите. Целта е да се предотврати автоматичното превръщане на всяка отделна повреда в прекъсване на работата на целия завод.

Модулната архитектура прави изолирането на повредите практично

Устойчивото на повреди поведение започва с физическия дизайн.

Табло, изградено като едно тясно взаимосвързано електрическо оборудване, е трудно за изолиране, когато даден компонент се повреди.

Модулната архитектура създава по-ясни функционални граници.

Електрозахранването, управлението, комуникациите, задвижванията и I/O могат да бъдат разделени на идентифицируеми секции с подходяща защита и достъп до диагностика.

Това предлага няколко оперативни предимства.

Повредата често може да бъде свързана с по-малка функционална област. Персоналът по поддръжката може по-бързо да идентифицира засегнатия хардуер, а подмяната става по-структурирана.

Модулността също така подкрепя стандартизирани стратегии за резервни части.

Вместо да отстраняват неизправности във всеки компонент до ниво платка, техниците могат да заменят определени модули и да възстановят работата съгласно установена процедура за поддръжка.

Хардуерът с възможност за гореща смяна може да подобри този подход, когато конкретната платформа за управление и приложението поддържат подмяна под напрежение.

Въпреки това никога не трябва да се приема, че горещата смяна е възможна само защото системата е модулна.

Контролерът, I/O платформата, електрическият проект и процедурата за безопасност трябва изрично да го поддържат.

За системи, изградени около сменяем хардуер за управление, ясно категоризираните I/O модули също могат да опростят поддръжката през жизнения цикъл и планирането на резервни части.

Предиктивният мониторинг търси промени преди повредата

Самоуправляващата се стратегия за управление се нуждае от информация за състоянието на оборудването.

Тук сензорите за IIoT и предиктивната поддръжка стават важни.

Съвременните системи за мониторинг могат да наблюдават електрическия товар, температурата, вибрациите, качеството на комуникацията и други работни параметри.

Едно измерване може да не показва наличие на проблем.

Тенденцията често е по-полезна.

Клемна връзка, чиято температура постепенно се повишава, може да показва електрически проблем, изискващ проверка.

Двигател, при който се наблюдава нарастваща тенденция на вибрациите, може да се нуждае от механична проверка, преди състоянието да доведе до непланирано спиране.

Повтарящият се дисбаланс на тока също може да предостави полезни диагностични данни, когато се оценява в правилния електрически и механичен контекст.

Периферните изчисления позволяват част от този анализ да се извършва в близост до машината.

Вместо да предава всяко необработено измерване към отдалечен сървър, периферно устройство може да оценява избрани сигнали локално и да генерира събития при установяване на предварително зададени условия.

Това може да намали забавянето при реакция и да ограничи ненужния пренос на данни.

Диагностиката трябва да обяснява повече от „Повреда“

Общият индикатор за повреда има ограничена стойност, когато производството вече е спряло.

Ефективната диагностика трябва да установява къде е възникнал проблемът и да предоставя достатъчно контекст, за да може персоналът по поддръжката да го проучи.

Съвременните контролери и интелигентни устройства могат да предоставят диагностична информация на ниво компонент чрез мрежата за управление.

След това слоят HMI или SCADA може да представи по-конкретна информация за алармата.

Вместо да съобщава само обща повреда на задвижването, системата може да идентифицира кое задвижване е генерирало алармата и да запише свързаните работни стойности.

Историческите събития също помагат на инженерите да определят какво се е случило непосредствено преди аварийното изключване.

Това става особено важно, когато една първоначална повреда предизвика няколко вторични аларми.

Първата аларма, видима на екрана, може да не е първопричината.

Правилно обозначените с времеви отпечатък последователности от събития помагат на инженерите да възстановят случилото се.

Изолирането на повреда предотвратява разпространяването на един проблем

Самото откриване не създава отказоустойчивост.

Архитектурата трябва също да определи какво се случва след разпознаване на повреда.

При някои приложения засегнатият модул може логически да бъде изключен от работната последователност.

В други случаи процесът може да се прехвърли към резервно оборудване.

Захранванията, мрежовите пътища, контролерите, комуникационните интерфейси и технологичното оборудване могат да използват резервираност, когато приложението оправдава допълнителната сложност.

Резервираността не е автоматично полезна.

Лошо проектирана резервирана система може да въведе допълнителни режими на отказ и да затрудни отстраняването на неизправности.

Затова стратегията за възстановяване трябва да бъде проектирана едновременно със стратегията за откриване на повреди.

Фигура 2. Отказоустойчива последователност открива необичайното състояние, изолира засегнатата функция и прехвърля работата, когато има резервираност.

Повреда на задвижване показва как работи концепцията

Нека разгледаме бутилираща линия, която използва честотни регулатори за управление на скоростта на конвейера.

Едно от задвижванията започва да показва нестабилно поведение на тока и повишаване на температурата.

В конвенционална архитектура задвижването може да продължи да работи, докато защитните му функции не задействат аварийно изключване.

Конвейерът спира.

След това техническата поддръжка започва отстраняване на неизправността в повредения участък, докато производството остава прекъснато.

Архитектура с по-висока отказоустойчивост би могла да реагира по различен начин.

Системата за мониторинг на състоянието първа открива необичайния електрически и термичен профил.

Системата за управление генерира предупреждение за техническата поддръжка, преди процесът да достигне условието за аварийно изключване.

Ако приложението включва проектирано резервно задвижване или резервен механичен път, засегнатата функция може да бъде прехвърлена съгласно предварително зададена логика.

Оригиналното задвижване се изолира, а техническата поддръжка получава подробна информация за повредата.

Производството може да продължи с пълен или намален капацитет в зависимост от конструкцията на процеса.

Този пример илюстрира важно ограничение.

Системата за управление не може да създаде резервираност, която никога не е била заложена при проектирането на машината.

Автоматизираното възстановяване е възможно само когато електрическата, механичната и софтуерната архитектура осигуряват алтернативен път.

Когато е налице управление на променлива скорост, подходящите архитектури с VFD и AC задвижвания могат да бъдат част от по-широка стратегия за поддръжка и резервиране.

Комуникацията е част от архитектурата за възстановяване

Съвременната диагностика зависи до голяма степен от промишлените комуникационни мрежи.

Контролерите се нуждаят от информация за състоянието от задвижвания, отдалечени модули за входове/изходи, защитни устройства и други интелигентни компоненти.

EtherNet/IP, PROFINET и други промишлени протоколи могат да предоставят тази диагностична видимост, когато оборудването я поддържа.

Използването на промишлен Ethernet протокол обаче не прави автоматично мрежата отказоустойчива.

Устойчивостта зависи от архитектурата на мрежата.

Управляемите комутатори, резервираните пътища, възможностите на контролерите, топологията и механизмите за възстановяване влияят върху случващото се след комуникационна повреда.

Затова инженерите трябва да разделят два въпроса.

Може ли устройството да съобщи за повредата?

Може ли мрежата да продължи да работи след повредата?

Това са свързани, но технически различни възможности.

Безопасността и автоматичното възстановяване се нуждаят от ясни граници

Автоматичното възстановяване никога не трябва да отменя функцията за безопасност на машина или процес.

Някои повреди трябва да водят до контролирано изключване, а не до автоматично продължаване.

Аварийният стоп, блокировката за безопасност или опасното електрическо състояние не могат просто да бъдат заобиколени, защото поддържането на производството е желателно.

Логиката за възстановяване трябва да различава повредите, при които работата може да продължи, от повредите, които изискват оборудването да премине в безопасно състояние.

Това е особено важно, когато са включени резервирани пътища за управление.

Инженерите трябва да знаят кои сигнали принадлежат към стандартната автоматизация и кои към архитектурата, свързана с безопасността.

Следователно концепцията за самовъзстановяване работи най-добре, когато ограничаването на повредите е проектирано около ясно определени функционални и безопасни зони.

Цифровите близнаци добавят слой за тестване

Цифровите близнаци могат да разширят отказоустойчивия дизайн отвъд физическото табло.

Виртуалното представяне на системата за управление позволява на инженерите да проучат работните последователности, преди да внедрят промени в оборудването в експлоатация.

В модела могат да се въвеждат условия на повреда, за да се изследва как реагира логиката за управление.

Инженерите могат да оценят дали се появяват правилните аларми, дали резервирането се превключва правилно и дали възникват непредвидени взаимодействия в процеса.

Това е особено полезно, когато логиката за възстановяване стане сложна.

Тестването на всяка възможна повреда върху работещо производствено оборудване може да е непрактично или опасно.

Средата за симулация предоставя още един начин за валидиране на поведението преди внедряване.

Фигура 3. Цифровата симулация може да помогне на инженерите да оценят последователностите при повреди и логиката за възстановяване, преди промените да достигнат до оборудването в експлоатация.

Edge интелигентността разширява вземането на решения на местно ниво

Друго развитие е нарастващият обем изчислителна обработка, наличен директно в машината.

Традиционните архитектури за управление често изпращат аналитични задачи от по-високо ниво към централизирани сървъри.

Edge платформите позволяват избрани диагностични функции да останат локални.

Това може да бъде полезно за приложения, при които решенията за отказ трябва да се вземат бързо или при които не може да се разчита на непрекъсната облачна свързаност.

Локалните аналитични функции могат да идентифицират необичайни модели и да изпращат само релевантни събития към системи за надзор или корпоративни системи.

PLC продължава да изпълнява детерминирано управление.

Аналитичният слой предоставя допълнителна информация, която може да повлияе на решенията за поддръжка или на предварително зададената логика за възстановяване.

Важно е тези функции да останат ясно разделени.

Управлението на машината не трябва да става зависимо от непрозрачен аналитичен модел, чието поведение не може да бъде валидирано.

Въпроси, които инженерите трябва да зададат при проектирането на панела

Устойчивият на откази панел започва с проектантски въпроси, а не със софтуерна функция.

Инженерите трябва да установят дали отделните зони на отказ са ясно определени в електрическата архитектура.

Те трябва да определят кои откази могат да бъдат изолирани, без да се спира цялата машина.

Устройствата трябва да предоставят достатъчно диагностична обратна връзка за стратегията по поддръжка.

Критичните функции трябва да бъдат прегледани, за да се определи дали резервирането е технически и икономически обосновано.

Проектантският екип трябва също да реши кои променливи на състоянието се нуждаят от непрекъснат мониторинг извън обикновеното отчитане на отработените часове.

Дистанционната диагностика може да бъде полезна, но мрежовата сигурност и правомощията за експлоатация трябва да се вземат предвид от самото начало.

Логиката за възстановяване също трябва да се тества спрямо реалистични сценарии на отказ, а не само спрямо нормални работни последователности.

Целта е контролирано влошаване на работата, а не неразрушим панел

Промишленото оборудване ще продължи да отказва.

Компонентите остаряват. Връзките се влошават. Мрежите губят комуникация. Задвижванията изключват. Захранващите блокове достигат края на експлоатационния си живот.

Следователно инженерната цел не е невъзможен контролен панел, който никога не отказва.

По-добрата цел е плавно влошаване на работата.

Системата трябва да открива влошаването на състоянието възможно най-рано.

Когато възникне отказ, въздействието му трябва да остане ограничено, когато архитектурата го позволява.

Операторите трябва да получават полезна диагностична информация, а не общи аларми.

Критичните процеси трябва при необходимост да преминават към проектирани резервни функции.

Тогава персоналът по поддръжката трябва да разполага с достатъчно информация, за да ремонтира засегнатото оборудване без ненужно разследване.

Това е практическото значение на самовъзстановяващ се контролен панел.

Той не се ремонтира сам.

Проектиран е да разбира по-добре собственото си състояние, да реагира интелигентно на предвидими откази и да запазва възможно най-голяма безопасна работоспособност, докато хората извършат физическия ремонт.