Đang tải... (xem toàn văn)
Độ tin cậy và tính sẵn sàng trong các hệ thống điều khiển và giám sát.
Độ tin cậy tính sẵn sàng hệ thống điều khiển giám sát © HMS - BM ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG, ĐHBK HÀ NỘI 02/11/2006 Các chủ đề z z z z z z z z Khái niệm độ tin cậy tính sẵn sàng Các sách lược dự phịng Các biện pháp dự phịng nóng Cơ chế an toàn Cơ chế khởi động lại Cơ chế an tồn Cơ chế bảo mật Cơ chế bảo trì Độ tin cậy z Khả làm việc không gây lỗi hệ thống, đánh giá qua: – Thời gian trung bình tới gặp lỗi (Mean Time To Failure, MTTF) – Thời gian trung bình hai lần lỗi (Mean Time Between Failures, MTBF) số lỗi trung bình đơn vị thời gian z Tính sẵn sàng phụ thuộc vào: – – – – Độ tin cậy thiết bị Cấu trúc hệ thống Đặc điểm hệ thống truyền thông Biện pháp dự phịng nóng Tính sẵn sàng z Khả hoạt động liên tục bình thường – Đánh giá qua tỉ lệ tổng thời gian trì vận hành/ tổng thời gian dừng – Độ tin cậy định tới tính sẵn sàng, khơng đồng nghĩa z Tính sẵn sàng phụ thuộc vào: – – – – – – Cơ chế dự phịng Cơ chế an tồn Cơ chế khởi động lại sau cố nguồn Cơ chế bảo mật Sách lược bảo trì, khả bảo trì Độ tin cậy tính sẵn sàng LỖI LỖI LỖI LỖI LỖI T T0 T1 T2 T3 T4 T∑ Độ tin cậy ⇔ MTBF ≈ (T0 + T1 + T2 + T3 + T4)/5 Tính sẵn sàng ≈ (T0 + T1 + T2 + T3 + T4)/T∑ Cơ chế dự phòng z Yêu cầu dự phòng: – Các thành phần quan trọng cần dự phịng hồn tồn để trường hợp lỗi thành phần đơn (phần cứng & phần mềm) khơng làm tính cung cấp – Lỗi module card phép không gây tê liệt trạm vận hành vòng điều khiển z Sách lược dự phòng – Dự phòng lạnh z z Thay thiết bị offline Thay thiết bị online – Dự phòng nóng z z Dự phịng cạnh tranh Dự phịng dự trữ Các biện pháp dự phịng nóng z Dự phòng CPU+nguồn: – Dự phòng cạnh tranh – Dự phòng dự trữ 1:1 z Dự phòng trạm điều khiển: – Dự phòng dự trữ 1:1, chuyển mạch kịp thời, trơn tru z Dự phòng dự trữ hệ thống mạng: – Dự phịng cáp truyền – Dự phịng module truyền thơng thiết bị mạng khác, chuyển mạch kịp thời, trơn tru z z z Dự phòng vào/ra Dự phòng trạm vận hành 1:n Dự phòng trạm server 1:1 Các cấu trúc dự phòng cấp điều khiển Control bus PS CPU PS CPU PS CPU PS CPU Fieldbus Fieldbus Distributed I/O Distributed I/O PS IM PS IM PS IM PS IM Control bus PS CPU PS CPU PS CPU PS CPU Fieldbus (dual) Distributed I/O PS IM PS IM Fieldbus (dual) Distributed I/O PS IM PS IM Các tình "chuyển mạch" z z z z z z z z Lỗi phần cứng điều khiển tích cực Lỗi truyền thơng điều khiển tích cực I/O Lỗi liên kết truyền thông điều khiển tích cực với mạng điều khiển Tách điều khiển tích cực khỏi giá đỡ Yêu cầu chuyển mạch Lỗi nguồn cho điều khiển tích cực Lỗi nhớ điều khiển Lỗi phần mềm "treo" (phát thông qua chế watchdog ngắt ngoại lệ) Các cấu trúc dự phòng cấp ĐKGS 1:N 1:N FACTORY BUS FACTORY BUS OS OS OS OS OS OS OS SYSTEM BUS OS SERVER (REDUNDANT) SERVER SYSTEM BUS 1:1 10 Cơ chế an toàn hệ thống z Tầm quan trọng: – Bảo vệ người thiết bị tình nguy hiểm – Chi phí thực phần an toàn nhiều vượt xa phần điều khiển túy z Hai biện pháp chính: – Dừng khẩn cấp (Emergency Shutdown) :Thông qua bấm nút dừng khẩn cấp tự động nhờ cảm biến chuyển mạch – Tín hiệu tương tự hỗ trợ chế độ an toàn liên lạc với trạm điều khiển phát trạm điều khiển có lỗi (giữ giá trị cuối đưa giá trị mặc định z Các chuẩn thông dụng: – EN 60204–1: Safety of machinery – Electrical equipment of machines – EN 954–1: Safety of machinery – Safety related parts of control systems – EN 418: Safety of machinery – Emergency stop – IEC 61508: Standard for Programmable Safety Systems 11 Các biện pháp dừng khẩn cấp z Thiết bị dừng khẩn cấp (Emergency Shutdown Device, ESD): – Các nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop Button) – Các cảm biến chuyển mạch an toàn (Safety Switch) – Các cấu tự động phanh hãm z Nguyên tắc: – Cắt nguồn khỏi hệ truyền động – Có khả phanh hãm tự động nguồn – Các thiết bị dừng khẩn cấp phải hoạt động tình (kể tiếp điểm bị dính) 12 Giải pháp mạch cứng an toàn z Phương pháp thực – Sử dụng chế dự phòng tự giám sát – Sử dụng tiếp điểm liên động (positive-guided contacts Mạch khơng an tồn z Nhược điểm: – Cấu trúc phức tạp, khơng linh hoạt -> khó khăn việc thiết kế bảo trì – Số lượng lớn rơ-le, tiếp điểm – Tốn dây dẫn – Chiếm nhiều chỗ hộp điều khiển -> Giá thành tổng thể cao Mạch có dự phịng tự giám sát 13 Cơ chế khởi động lại sau cố z Yêu cầu: – Các trạm điều khiển cần có khả tự phát lỗi nguồn, thực xử lý đặt tín hiệu trạng thái an tồn, sau có nguồn trở lại phải có khả hồi phục trạng thái cũ – Các trạm vận hành phải có khả tự hồi phục trạng thái làm việc trước xảy cố – Tất nút mạng phải có khả tự khởi động cách độc lập với nút khác z Các biện pháp thực hiện: – Hệ điều hành tự động lưu giữ liên tục liệu trạng thái vào vùng nhớ bền – Các trạm có chế bắt tay để đồng hóa liệu tiếp tục làm việc sau khởi động lại 14 Giải pháp "Bus an toàn" z Một hệ thống bus an toàn – Cho phép thiết bị ESD (emergency shutdown devices) sử dụng chung mạng với thiết bị vào/ra thông thường – Hỗ trợ mức SIL (Safety Integrity Level) phù hợp với yêu cầu chức an toàn (theo chuẩn IEC 61508: Standard for Programmable Safety Systems) z IEC 61508 yêu cầu hệ bus an toàn – Truyền dẫn tin cậy tín hiệu từ cảm biến an toàn để thực ngắt mạch cần thiết – Tự động ngắt mạch trường hợp lỗi thiết bị vào/ra lỗi bus ỴThêm khả phát lỗi bus lỗi thiết bị so với bus thông thường z Lợi giải pháp bus an toàn – Độ linh hoạt cao, tiết kiệm dây dẫn, cơng nối dây, tích hợp khả chẩn đốn 15 ASI – Safety at Work® Cảm biến vị trí PLC thông thường AS-i Master Module thông thường Bộ quan sát an toàn Nút dừng khẩn cấp Module an toàn Nguồn AS-i Cảm biến vị trí Cảm biến vị trí Nút dừng khẩn cấp Module an tồn Module thơng thường 16 Cơ chế bảo mật z Mục đích: Hạn chế kiểm soát quyền – – – – – z Đặt chế độ bảo mật – – – – – z Sửa đổi chương trình, chẩn đốn hệ thống Truy nhập hình Truy nhập liệu Điều khiển (đặt giá trị) Xác nhận xóa cảnh báo/báo động Theo Theo Theo Theo Theo trạm vận hành / trạm kỹ thuật người sử dụng theo nhóm người sử dụng phân đoạn cửa sổ, trang hình tag riêng rẽ Biện pháp: – Phần cứng: khóa an tồn (ví dụ trạm kỹ thuật) – Phần mềm: Đăng nhập tên sử dụng + mật 17 Sách lược bảo trì z Phát lỗi (Fault Detection): – Tình trạng lỗi, vị trí lỗi – Càng gần trường tốt z Chỉ thị lỗi (Fault Indication): – Chỉ thị lỗi chỗ: Mỗi thiết bị thành phần thiết bị cần trang bị đèn thị trạng thái vận hành – Gửi thông báo lỗi thông qua hệ thống cảnh báo/báo động z Chẩn đoán lỗi (Fault Diagnosis): – Chẩn đoán trực tuyến / chẩn đoán ngoại tuyến – Chẩn đoán chỗ / chẩn đoán từ xa z Khắc phục lỗi (Fault Recovery): – Chế độ bảo trì: Cho phép người vận hành đưa trực tiếp giá trị biến trình, giá trị điều khiển – System back-up: Lưu trữ phần mềm công cụ phần mềm ứng dụng, tài liệu kỹ thuật 18 Bảo trì phịng ngừa z Bảo trì phịng ngừa (preventive maintenance): – Phát tình trạng nguy lỗi, trước lỗi xảy – Thực biện pháp cần thiết (thay thiết bị, bảo dưỡng thiết bị, chỉnh, ) z Các biện pháp chủ yếu: – Sử dụng hệ thống phần mềm quản lý thiết bị, hỗ trợ lập lịch bảo dưỡng định kỳ – Sử dụng thiết bị đo (nhiệt độ, dòng, áp, tốc độ, độ rung, tiếng ồn, ) – Sử dụng hệ thống phần mềm phân tích chẩn đốn lỗi (các hệ chuyên gia, tác tử di động) 19 ... đơn vị thời gian z Tính sẵn sàng phụ thuộc vào: – – – – Độ tin cậy thiết bị Cấu trúc hệ thống Đặc điểm hệ thống truyền thông Biện pháp dự phịng nóng Tính sẵn sàng z Khả hoạt động liên tục bình... mật Sách lược bảo trì, khả bảo trì Độ tin cậy tính sẵn sàng LỖI LỖI LỖI LỖI LỖI T T0 T1 T2 T3 T4 T∑ Độ tin cậy ⇔ MTBF ≈ (T0 + T1 + T2 + T3 + T4)/5 Tính sẵn sàng ≈ (T0 + T1 + T2 + T3 + T4)/T∑... hành/ tổng thời gian dừng – Độ tin cậy định tới tính sẵn sàng, khơng đồng nghĩa z Tính sẵn sàng phụ thuộc vào: – – – – – – Cơ chế dự phịng Cơ chế an tồn Cơ chế khởi động lại sau cố nguồn Cơ chế