سیستم پردازشی قابل اعتماد TMR: ساخت کنترل ایمنی قابل اعتماد با فناوری ICS Triplex

چیست سیستم پردازشگر قابل اعتماد TMR ?

سیستم پردازشگر قابل اعتماد TMR، پلتفرم پردازشی اصلی درون سیستم ایمنی قابل اعتماد است که برای ارائه کنترل، نظارت و مدیریت خطاهای قابل اطمینان در کاربردهای صنعتی حیاتی طراحی شده است. ICS TRIPLEX این سیستم به‌عنوان کنترل‌کننده مرکزی سیستم عمل می‌کند و داده‌های ورودی و خروجی را که از طریق اتصالات با ماژول‌های ورودی/خروجی آنالوگ و دیجیتال از طریق باس ارتباطات بین ماژولی قابل اعتماد TMR (سه‌گانه ماژولار انحصاری) تبادل می‌شوند، پردازش می‌کند.

برخلاف پردازشگرهای PLC معمولی، سیستم پردازشگر قابل اعتماد TMR به‌طور خاص برای محیط‌های حیاتی از نظر ایمنی طراحی شده است که در آن‌ها عملکرد مداوم و قابلیت دسترسی بالا ضروری است. صنایعی مانند نفت و گاز، تولید انرژی، تولید پتروشیمی و تولید صنعتی از این پلتفرم برای حفظ عملیات ایمن حتی در صورت وقوع خطاهای سخت‌افزاری استفاده می‌کنند.

با ترکیب سخت‌افزار اضافی، تشخیص هوشمند خطاها و پشتیبانی از برنامه‌نویسی مطابق استاندارد IEC 61131-3، این سیستم زمان ایست‌وقت را به حداقل می‌رساند و در عین حال، صحت فرآیند را در محیط‌های صنعتی پرتلاش تضمین می‌کند.

معماری سیستم پردازشگر قابل اعتماد TMR

یکی از ویژگی‌های مشخص‌کنندهٔ سیستم پردازشگر قابل اعتماد TMR معماری سه‌گانهٔ ماژولار با قابلیت افزونگی آن است. در این معماری، ماژول پردازنده شامل سه بخش پردازندهٔ مستقل است که به‌صورت هم‌زمان و با همگام‌سازی دقیق (lock-step) عمل می‌کنند.

هر ناحیهٔ پردازنده شامل موارد زیر است:

پردازندهٔ Motorola PowerPC

EPROM

DRAM

حافظه Flash ROM

NVRAM

ورودی/خروجی نگاشت‌شده در حافظه (Memory-mapped I/O)

مدارهای رأی‌دهندهٔ اختصاصی

منطق تشخیص خطای

به‌جای اتکا به یک CPU همه‌ی سه پردازنده به‌طور همزمان برنامه‌های کاربردی یکسانی را اجرا می‌کنند. خروجی‌های آن‌ها به‌صورت مداوم با استفاده از مکانیزم رأی‌گیری «دو از سه» (۲ از ۳) مقایسه می‌شوند. اگر یکی از پردازنده‌ها به دلیل خطای سخت‌افزاری یا اختلال موقت، نتایج ناسازگان با بقیه تولید کند، دو پردازنده‌ی باقی‌مانده عملکرد صحیح سیستم را حفظ کرده و بخش معیوب را به‌صورت خودکار از سیستم جدا می‌سازند.

این طراحی قابلیت اطمینان سیستم را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد، زیرا خطاهای موقت، متغیر و دائمی را می‌توان بدون وقفه‌دار کردن عملیات نیروگاه شناسایی کرد.

ارتباط بین ماژول‌های پردازنده و شاسی‌های دوردست از طریق ماژول‌های رابط مورد اعتماد یا ماژول‌های رابط گسترش‌دهنده برقرار می‌شود که امکان ایجاد معماری‌های امنیتی توزیع‌شده و مقیاس‌پذیر را برای تأسیسات صنعتی بزرگ فراهم می‌کند.

ویژگی‌های کلیدی سیستم پردازشگر قابل اعتماد TMR

سیستم پردازنده‌ی TMR مورد اعتماد شامل فناوری‌های متعددی است که قابلیت در دسترس‌بودن، تشخیص‌پذیری و ایمنی عملیاتی را بهبود می‌بخشد.

پشتیبان‌سازی سه‌گانه ماژولار

سه پردازنده‌ی همگام‌شده پردازنده‌ها به‌طور مداوم منطق یکسانی را اجرا می‌کنند که امکان پنهان‌سازی خودکار خطاهای ناشی از آن را از طریق رأی‌گیری «دو از سه» فراهم می‌سازد.

تحمل خطای سخت‌افزاری

معماری تحمل خطای پیاده‌سازی‌شده در سخت‌افزار (HIFT) امکان واکنش بسیار سریع را فراهم می‌کند تشخیص خطا بدون اتکا صرف به تشخیص‌های نرم‌افزاری.

مدیریت خودکار خطاهای سیستم

The پردازنده به‌صورت خودکار خطاهای سخت‌افزاری را شناسایی، جدا و مدیریت می‌کند و هشدارهای غیرضروری را که ممکن است عملیات را مختل کنند، کاهش می‌دهد.

تعویض ماژول‌های داغ

ماژول‌های پردازنده معیوب را می‌توان بدون بازبارگذاری برنامه‌های کاربردی جایگزین کرد تا از قطع تولید توسط پرسنل نگهداری جلوگیری شود.

پشتیبانی از زبان برنامه‌نویسی IEC 61131-3

مهندسان می‌توانند استراتژی‌های کنترلی را با استفاده از زبان‌های استاندارد برنامه‌نویسی صنعتی توسعه دهند که باعث ساده‌سازی توسعه کاربرد و نگهداری بلندمدت می‌شود.

-SAzig تشخیص عیوب

نمایشگرهای LED روی پنل جلو، سوابق رویدادها و رابط تشخیصی RS232 اطلاعات دقیقی برای عیب‌یابی و نظارت بر سیستم فراهم می‌کنند.

کاربردهای صنعتی

The ICS TRIPLEX پلتفرم مورد اعتماد در صنایعی که ایمنی فرآیند نباید تحت تأثیر قرار گیرد، به‌طور گسترده‌ای پذیرفته شده است.

کاربردهای معمول عبارتند از:

سیستم‌های خاموش‌کردن اضطراری (ESD)

سیستم‌های تشخیص آتش و گاز

سیستم‌های حفاظت توربین

سیستم‌های مدیریت مشعل

سیستم‌های ابزاری ایمنی فرآیند (SIS)

نظارت حیاتی بر فرآیندها

کنترل ایمنی در سطح کارخانه

پایه‌های فراساحلی نفت و گاز

پالایشگاه‌ها

ساختمان‌های پردازش شیمیایی

تسهیلات تولید برق

در این کاربردها، حتی خرابی موقت کنترل‌کننده نیز ممکن است منجر به آسیب به تجهیزات، افت تولید یا خطرات ایمنی شود. سیستم سیستم پردازشگر قابل اعتماد TMR امکان دسترسی بالا را فراهم می‌کند تا حفاظت مداوم تضمین شود.

روش عملکرد سیستم پردازنده TMR مورد اعتماد

هنگام اعمال برق، پردازنده دنباله‌ای جامع از مراحل راه‌اندازی را انجام می‌دهد تا وضعیت منابع داخلی خود را بررسی کند. وسایل ذخیره‌سازی حافظه، واحد‌های محاسباتی، زمان‌سنج‌ها، اتوبوس‌های ارتباطی و مدارهای تشخیص خطای همه پیش از ورود سیستم به حالت عادی عملیاتی، مورد آزمون قرار می‌گیرند.

در حین اجرای سیستم، داده‌های دریافتی از اتوبوس بین ماژولی مورد اعتماد توسط مدارهای رأی‌گیری اختصاصی به‌طور مداوم بررسی می‌شوند. هر تراکنش داده‌ای با مقایسه دو از سه مورد ارزیابی می‌شود تا از صحت آن پیش از ورود به حافظه پردازنده اطمینان حاصل شود.

هر سه پردازنده‌ها اجراي برنامه کاربردي به‌صورت همگام‌سازي کامل. متغيرهاي فرآيند، محاسبات داخلي و دستورالعمل‌هاي برنامه به‌طور مداوم در سطح کانال‌هاي پردازنده مقايسه مي‌شوند تا هرگونه انحراف بلافاصله شناسايي گردد.

سپس داده‌هاي خروجي به ماژول‌هاي خروجي ارسال مي‌شوند که در آنجا مدارهاي رأي‌گيري اضافي، سازگاري را پيش از ارسال سيگنال‌ها به دستگاه‌هاي فيلدي بررسي مي‌کنند.

اگر يکي از پردازنده‌ها شروع به توليد داده‌هاي ناسازگان کند، پردازنده‌هاي باقي‌مانده به‌صورت حالت ۲ از ۳ (۲oo۳) ادامه مي‌دهند، در حالي که پردازنده معيب جدا شده و در صورت امکان به‌صورت خودکار دوباره همگام‌سازي مي‌شود. اين روشيک اجازه مي‌دهد تا سيستم عليرغم خرابي‌هاي سخت‌افزاري منفرد، به‌صورت بي‌وقفه عمل کند.

تشخيص خطاي، تشخيص و نگهداري

یکی از بزرگترین مزایای سیستم پردازشگر قابل اعتماد TMR توانايي جامع تشخيص آن است.

تست خودکار مداوم

پردازنده به‌طور دوره‌اي آزمون‌هاي سخت‌افزاري خودکار را بر روي موارد زير انجام مي‌دهد:

ریزپردازنده‌ها

واحدهاي مديريت حافظه

مدارهاي ساعت

اتوبوس‌های ارتباطی

منطق تشخيص خطا

این آزمون‌ها توسط سیستم عامل بلادرنگ بر اساس زمان‌بندی انجام می‌شوند و عملکرد عادی توابع کنترلی را مختل نمی‌کنند.

حالت نگهداری

حالت نگهداری به مهندسان اجازه می‌دهد نرم‌افزارهای کاربردی را به‌روزرسانی کنند، در حالی که بیشتر قابلیت‌های عملیاتی حفظ می‌شوند. ایستگاه‌های کاری مهندسی می‌توانند برنامه‌های جدید را دانلود کرده، منطق کنترلی را اصلاح کرده و تغییرات پیکربندی را به‌صورت کارآمد انجام دهند.

رابط تشخیص

پورت تشخیصی یکپارچه RS232 که با نرخ ۱۹٫۲ کیلوبیت در ثانیه کار می‌کند، ارتباط مستقیم با نرم‌افزارهای مهندسی را برای پیکربندی سیستم، تحلیل خطاها و فعالیت‌های نگهداری فراهم می‌سازد. همچنین، دیودهای نوری (LED) روی پنل جلویی عیب‌یابی محلی را با نمایش سلامت پردازنده و وضعیت عملیاتی سیستم ساده‌تر می‌کنند.

ثبت خطا

هر خطای شناسایی‌شده با ذکر زمان در تاریخچه خطاهای پردازنده ثبت می‌شود. این اطلاعات به تیم‌های نگهداری کمک می‌کند تا مشکلات تکراری را شناسایی کرده و قابلیت اطمینان بلندمدت سیستم را بهبود بخشند.

مدیریت خطاهای سیستم و بازیابی آن

The سیستم پردازشگر قابل اعتماد TMR به‌گونه‌ای طراحی شده است که به خطاهای سخت‌افزاری جزئی و اساسی به‌صورت هوشمندانه واکنش نشان دهد.

اگر خرابی دومی در پردازنده در همان ماژول رخ دهد، پردازنده به‌صورت خودکار از بقیه سیستم جدا می‌شود تا از انجام اقدامات کنترلی نادرست جلوگیری شود. رابط‌های خارجی به حالت‌های ایمن پیش‌تعریف‌شده بازمی‌گردند، در حالی که اطلاعات تشخیصی در حافظه غیرفرار (non-volatile) تا حد امکان حفظ می‌شوند.

در پیکربندی‌های فعال/پشتیبان، خرابی یکی از برش‌های پردازنده به‌طور خودکار فرآیند تغییر به پردازنده پشتیبان را آغاز می‌کند و در صورت امکان‌پذیر بودن شرایط سیستم، عملکرد بدون وقفه ادامه می‌یابد.

در طول قطعی‌های منبع تغذیه، سیگنال‌های هشدار اولیه حالت «خاموش‌شدن توان» (Power Off) را در پردازنده فعال می‌کنند. داده‌های حیاتی عملیاتی، تاریخچه خطاهای رخ‌داده، برنامه‌های کاربردی کاربر و اطلاعات وضعیت نیروگاه به‌صورت امن در حافظه غیرفرار ذخیره می‌مانند تا بازیابی سریع پس از بازگشت توان امکان‌پذیر شود.

نتیجه‌گیری

The سیستم پردازشگر قابل اعتماد TMR یکی از قابل‌اطمینان‌ترین پلتفرم‌های پردازش ایمنی موجود برای اتوماسیون صنعتی مدرن را نشان می‌دهد. برای سازمان‌هایی که سیستم‌های ایمنی ICS Triplex را پیاده‌سازی می‌کنند، سیستم پردازنده مطمئن TMR پایه‌ای آزموده‌شده برای خاموش‌کردن اضطراری، حفاظت در برابر آتش و گاز، کنترل توربین و سایر کاربردهای با صحت بالا فراهم می‌کند. ترکیب پردازش پشتیبان، برنامه‌نویسی استاندارد و ویژگی‌های پیشرفته نگهداری در این سیستم، امکان به‌حداکثر رساندن ایمنی عملیاتی را در تسهیلات صنعتی فراهم می‌کند، در عین حال زمان ایست‌کاری و هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد.

سوال ۱: سیستم پردازنده مطمئن TMR چیست؟

A: سیستم پردازنده مطمئن TMR واحد پردازش مرکزی سیستم ایمنی مطمئن است و کنترل، نظارت و ارتباط قابل‌اطمینانی را برای کاربردهای صنعتی حیاتی از نظر ایمنی فراهم می‌کند. ICS TRIPLEX سیستم ایمنی مطمئن

سوال ۲: سیستم پردازنده مطمئن TMR چگونه تحمل خطای سیستم را تضمین می‌کند؟

الف: از روند سه‌گانهٔ پایدار (TMR) با سه پردازندهٔ همگام‌سازی‌شده و مکانیزم رأی‌گیری «دو از سه» (2oo3) برای تشخیص و جداسازی خطاهای احتمالی در حالی که عملکرد پیوسته حفظ می‌شود، استفاده می‌کند.

سوال ۳: صنایع رایجی که معمولاً از این سیستم استفاده می‌کنند کدام‌اند؟ سیستم پردازشگر قابل اعتماد TMR ?

پاسخ: این سیستم به‌طور گسترده در صنایع نفت و گاز، تولید انرژی، فرآورش شیمیایی، واحدهای پتروشیمی و سایر صنایعی که نیازمند سیستم‌های کنترل ایمنی با قابلیت اطمینان بالا هستند، به‌کار می‌رود.

سوال ۴: ویژگی‌های اصلی سیستم پردازندهٔ پایدار TMR چیست؟

پاسخ: ویژگی‌های کلیدی شامل تحمل خطا در روند سه‌گانهٔ پایدار (TMR)، معماری HIFT، تعویض ماژول در حین کار (Hot Module Replacement)، پشتیبانی از برنامه‌نویسی طبق استاندارد IEC 61131-3، عیب‌یابی داخلی و مدیریت خودکار خطاهای سیستم است.

سوال ۵: سیستم پردازندهٔ پایدار TMR چگونه از فرآیندهای نگهداری و عیب‌یابی پشتیبانی می‌کند؟

پاسخ: این سیستم تست خودکار پیوسته، ثبت لاگ خطاهای زمان‌دار، نشانگرهای وضعیت روی پنل جلو و پورت عیب‌یابی RS232 را فراهم می‌کند تا نظارت، نگهداری و تشخیص دقیق خطاها را به‌صورت کارآمد تسهیل نماید.

منابع

https://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/rm/icstt-rm251_-en-p.pdf

(در صورت وجود هرگونه تخلف از حقوق مالکیت معنوی، لطفاً با من تماس بگیرید تا این مقاله حذف شود.)