Triconex 3101 módulo de controle de alto desempenho

Triconex 3101 módulo de controle de alto desempenho

I. Arquitetura de hardware e princípios dos componentes principais

O mecanismo central da arquitetura de Redundancia Tripla (TMR)

Projeto de redundancia de hardware

O módulo 3101 adota três canais de processador independentes (A/B/C), e cada canal contém uma CPU independente, memória, interface de E/S e módulo de comunica??o.

Cada canal processa o mesmo sinal de entrada em paralelo e executa logicamente a lógica de controle de forma independente.

O sinal de saída é garantido para ser correto por meio de um mecanismo de vota??o de dois de três (2oo3): apenas quando pelo menos duas saídas dos três canais forem consistentes, será reconhecido como uma saída válida, evitando falhas do sistema causadas por um ponto único de falha.

Detec??o de falhas e tolerancia a falhas

Cada canal realiza verifica??es automáticas em tempo real e monitora uns aos outros. Se um canal detectar uma falha (como erros de hardware ou cálculos anormais), o sistema irá automaticamente isolar o canal com falha, permitindo que os dois canais restantes continuem operando e, simultaneamente, acionar um alarme.

2. Processador e fluxo de processamento de dados

Microprocessador de 16 bits (30MIPS):

Processamento em alta velocidade de dados em tempo real, suportando algoritmos complexos (como controle PID, opera??es lógicas e modelagem matemática), garantindo que o tempo de resposta de controle seja ≤1ms.

Caminho de processamento de dados:

texto simples

Sinal de entrada → Amostragem independente de cada canal → Caching de dados triplos → Opera??o lógica paralela → Vota??o de dois de três → Acionamento de saída

Estrutura de memória

1MB RAM: Armazena dados de opera??o em tempo real, variáveis intermediárias e configura??es temporárias.

2MB Flash ROM: Solidifica o sistema operacional, programas de controle e parametros, e suporta sem perda em caso de falha de energia.

3. Interface de E/S e princípios de comunica??o

Processamento de sinal de múltiplos tipos

Suporta entrada e saída analógica (AI/AO, como 4-20mA, 0-10V) e digital (DI/DO, como contato seco, nível TTL), e previne interferência de sinal por meio de circuitos de isolamento.

Circuitos de condicionamento de sinal integrados (como filtragem, amplifica??o e convers?o analógico-digital) garantem a precis?o do sinal de entrada.

Pilha de protocolo de comunica??o

A interface Ethernet suporta protocolos como Ethernet/IP e Modbus TCP para alcan?ar a intera??o de dados com o computador superior, PLC ou sistema SCADA.

A porta serial (RS-232/485) suporta Modbus RTU e protocolos personalizados, e é usada para conectar instrumentos de campo ou dispositivos de terceiros.

Ii. Opera??o do software e execu??o da lógica de controle

Sistema Operacional em Tempo Real (RTOS) e agendamento de tarefas

Ele adota um RTOS especificamente projetado para controle industrial, suportando agendamento de prioridade de múltiplas tarefas para garantir que tarefas de controle críticas (como interlocks de seguran?a) sejam executadas com prioridade.

O ciclo de tarefa pode ser configurado (como 10ms - 1000ms) para atender aos requisitos de tempo real de diferentes cenários.

2. O processo de execu??o da lógica de controle

Modelo de programa??o

A lógica de controle é escrita usando linguagens de programa??o que atendem ao padr?o IEC 61131-3 (como diagrama em escada LD, diagrama de bloco de fun??o FBD, texto estruturado ST), e é compilada e baixada para o módulo por meio do software TriStation 1131.

Mecanismo de varredura cíclica

texto simples

Amostragem de entrada → Opera??o lógica → Atualiza??o de saída → Auto-diagnóstico → Intera??o de comunica??o

Amostragem de entrada: Lê o sinal de entrada uma vez por ciclo de varredura e o armazena no cache de cada canal.

Opera??o lógica: Cada canal executa independentemente o programa do usuário e calcula o resultado de saída.

Vota??o de dois de três: Vota nos resultados de saída dos três canais para gerar o valor final de saída.

Auto-diagnóstico: Detecta falhas de hardware (como erros de memória, interrup??es de comunica??o) e retorna as informa??es de diagnóstico ao sistema.

3. Mecanismo de seguran?a em caso de falha

Configura??o de saída padr?o:

Quando o módulo detecta uma falha fatal (como falha de dois canais), ele produz na configura??o predefinida de seguran?a em caso de falha (como for?ar o ponto DO para 0V ou 24V) para evitar que o equipamento perca o controle.

Temporizador watchdog

Cada canal opera independentemente com um watchdog. Se o programa parar de funcionar ou o processador apresentar falhas, o watchdog irá acionar um reset do canal ou um alarme de falha.

Iii. Cenários de trabalho típicos e princípios de aplica??o

Aplica??o em sistemas instrumentados de seguran?a (SIS)

No cenário petroquímico, o módulo 3101 coleta sinais como a temperatura e a press?o do vaso de rea??o em tempo real, e realiza cálculos em paralelo por meio de três canais:

Quando a temperatura excede o limite, cada canal aciona independentemente a lógica de interlock. Após uma vota??o de dois de três, um sinal de desligamento é produzido para garantir a confiabilidade da a??o de parada de emergência.

A fun??o de auto-diagnóstico monitora continuamente falhas nas linhas do sensor (como desconex?o e curto-circuito) e as relata ao sistema de monitoramento por meio da interface de comunica??o.

2. Regula??o em loop fechado no controle de processo

No controle da coluna de destila??o, o módulo coleta a temperatura no topo da coluna por meio do canal AI. Após o cálculo pelo algoritmo PID, o grau de abertura da válvula de refluxo é ajustado por meio do canal AO:

Os três canais executam simultaneamente opera??es PID. O sinal de saída após a vota??o aciona a válvula para reduzir o desvio de controle causado pela falha de um único canal.

Suporta ajuste de parametros online (como ganho PID), recebe instru??es do computador superior por meio da interface Ethernet e otimiza dinamicamente a estratégia de controle.

3. Princípios de comunica??o e integra??o de sistema

Como um nó do sistema de controle distribuído (DCS), o módulo 3101 troca dados com outros controladores via protocolo Ethernet/IP:

Envia o status local de E/S para o controlador redundante, recebe instru??es de controle globais e alcan?a o controle colaborativo de vários dispositivos.

Suporta o protocolo OPC UA, fornecendo uma interface de dados padronizada para o sistema SCADA para alcan?ar monitoramento remoto e grava??o de dados.

Iv. Principais vantagens tecnológicas e suporte de princípio

Alta confiabilidade (MTBF > 100.000 horas):

A arquitetura tripla e o mecanismo de vota??o de falhas eliminam pontos únicos de falha no nível de hardware e atendem aos requisitos do nível de integridade de seguran?a SIL3 da IEC 61508.

Tempo real e determinismo

A varredura em ciclo fixo e o agendamento de tarefas de prioridade garantem a pontualidade da execu??o da lógica de controle e s?o adequados para requisitos de resposta no nível de milissegundos (como controle de disjuntor de alta velocidade).

Adaptabilidade ambiental

O projeto de ampla faixa de temperatura de -40°C a + 85°C, características anti-vibra??o (choque de 50G) e compatibilidade eletromagnética (EMC) s?o alcan?ados por meio do isolamento e prote??o dos circuitos de hardware para garantir a opera??o estável em ambientes industriais.

Resumo

O princípio de funcionamento do módulo Triconex 3101 é centrado na arquitetura de redundancia tripla. Através da redundancia de hardware, vota??o de falhas, computa??o em tempo real e integra??o de sistema, ele alcan?a alta confiabilidade, seguran?a e precis?o no controle industrial. Seu design leva em considera??o tanto o processamento de lógica complexa quanto as capacidades de tolerancia a falhas, e é adequado para cenários com requisitos extremamente altos de seguran?a e estabilidade, como petroquímica, energia e metalurgia.