CompactPCI для решения ответственных задач автоматизации в атомной энергетике, МКА: мир ВКТ, 2/2009
МКА: мир ВКТ, 2/2009
Александр Тхорик
Разработка автоматизированных систем контроля и управления с повышенными требованиями к надёжности имеет определённые особенности, выделяющие её среди других задач автоматизации. А промышленность, и в особенности энергетика, дополняют эти особенности своей спецификой. И в этом смысле одним из самых показательных вертикальных рынков, с точки зрения повышенных требований к конечным изделиям, является рынок информационных и управляющих систем в атомной энергетике.
В настоящее время на атомных станциях Украины работает 15 энергоблоков общей мощностью 13835 МВт. По официальным данным на эксплуатирующую организацию — ГП НАЭК «Энергоатом», в 2007 году пришлось 47,5% всего объёма выработанной в Украине электроэнергии — это на 2,7% больше, чем в 2006 году. Коэффициент использования установленной мощности увеличился на 2,0%. За «сухими» значениями этих показателей стоит громадный объём выполненных работ и вполне определённое оборудование. Ведь на рост производственных показателей влияет множество факторов, среди которых не последнее место занимает успешная модернизация оборудования, систем и элементов, в частности АСУ ТП.
Постановка задачи
С точки зрения сегментации, рынок АСУ ТП АЭС фактически поделён между небольшим количеством достаточно крупных предприятий, каждое из которых специализируется на разработке и изготовлении тех или иных систем, входящих в состав АСУ ТП, разработке программного обеспечения или выполнении пусконаладочных работ. Изделия (системы), производимые этими предприятиями и предназначенные для АЭС, носят специализированный характер и разрабатываются в соответствии со специфическими требованиями, жёстко регламентированными специальными нормативными документами. Объём и жёсткость требований к архитектуре систем, применяемым компонентам и программному обеспечению зависят от функций систем и их влияния на безопасность АЭС.
В то же время, практически во всех системах необходимо реализовать функции визуализации информации, человеко-машинного взаимодействия, обработки и хранения данных, шлюзовые функции для связи между подсистемами или связи с внешними системами и т.д. Для реализации перечисленных функций обычно используются компьютеры с процессорами общего назначения. Таким образом, все разработчики рано или поздно сталкиваются с проблемой выбора аппаратной платформы для реализации этих функций.
В чем же заключается проблема выбора платформы для создания компьютерной станции общего назначения для ответственной системы АСУ ТП?
Как известно, самыми распространёнными процессорами общего назначения на сегодняшний день являются ЦПУ архитектуры х86 (здесь и далее под х86-процессорами будем понимать процессоры (в том числе и многоядерные), поддерживающие систему команд х86) от Intel. Основные тому причины — широкое распространение самой архитектуры, простота работы с настольными и встраиваемыми системами одной архитектуры, высокая производительность процессоров при доступной стоимости, наличие на рынке встраиваемых процессоров с пониженным уровнем тепловыделения и длительным сроком поддержки и мн. др.
Не секрет, что большинство современной компьютерной техники, включая промышленные компьютеры, выполнено с использованием х86процессоров. А обилие и доступность инструментальных средств разработки программного обеспечения (ПО) для х86-платформ делает их особо привлекательными для разработчиков систем автоматизации. Поэтому выбор аппаратной платформы (здесь и далее под аппаратной платформой подразумеваются базовые комплектующие уровня плата/шасси для создания компьютерных станций верхнего уровня ответственных систем контроля и управления) для большинства разработчиков лежит в плоскости выбора форм-фактора (под формфактором здесь понимается физическое исполнение комплектующих уровня плата/шасси, соответствие тому или иному стандарту механики, устанавливающему, в частности, базовые размеры, питание, устойчивость к воздействию внешних факторов), обеспечивающего соответствие компьютера требованиям к конечному изделию.
Понятно, что другие характеристики определяемой к использованию платформы также не уйдут от требовательного взгляда разработчика.
Однако следует напомнить, что возможность выбора производительности и просто доступность процессора уже определены широчайшей номенклатурой х86-совместимых процессоров, доступных на рынке. А функциональные возможности аналогичных комплектующих в разных форм-факторах являются сходными, и подобрать изделие той или иной функциональности в рамках определённого формата значительно проще, чем не ошибиться в выборе самой платформы для разработки ответственных систем с длительным сроком службы и присутствия на рынке. Кстати, вопрос длительного присутствия на рынке приобретает особое значение в системах повышенной ответственности, где разработчик, да и конечный пользователь, должны иметь 100% гарантию того, что и через 5 лет приобрести используемую плату будет возможно. Но мы ещё вернемся к этому вопросу.
![]() |
Рис. 1. Новейший процессорный модуль Kontron CP6016 устанавливает новый стандарт в категории «производительность на ватт» в классе защищённых модулей 6U |
Требования к ПТК, ИУС и ТС
Описание и анализ действующей нормативной документации, относящейся к программно-техническим комплексам, информационноуправляющим системам, а также непосредственно требований к техническим средствам автоматизации является отдельным вопросом и заслуживает особого внимания. Мы не ставим перед собой целью экскурс в действующую нормативную документацию. Да и провести такой анализ в рамках одной статьи видится затруднительным. Остановимся лишь на некоторых требованиях, предъявляемых к техническим средствам автоматизации на объектах атомной энергетики.
Кроме общих требований действующей в Украине нормативной документации (НД), технические средства (ТС) на объектах атомной энергетики рассматриваются также с точки зрения обеспечения ядерной и радиационной безопасности. НД, в частности, устанавливает такие требования к информационным и управляющим системам (ИУС) и программно-техническим комплексам (ПТК) как:
-
требования к точности;
-
требования к временным характеристикам;
-
требования по надёжности;
-
требования к интерфейсу «человекмашина»;
-
требования по стойкости к воздействию внешних факторов;
-
требования по стойкости к изменению параметров электропитания и др.
Необходимым, согласно НД, также является соблюдение принципов:
-
единичного отказа;
-
резервирования;
-
независимости;
-
разнообразия и др.
Задача приведения в соответствие системы/комплекса может быть решена разработчиком значительно проще и быстрее, если ТС, на основе которых строится система/комплекс, также выбраны с учётом соответствующих требований НД, среди которых:
-
требования по стойкости к воздействию окружающей среды;
-
требования по устойчивости к механическим воздействиям;
-
требования по стойкости к воздействию электрических полей;
-
требования по стойкости к изменению параметров электропитания;
-
требования по электромагнитной совместимости;
-
требования по надёжности и т. д.
![]() |
Рис. 2. Процессорная плата Kontron CP308 формата 3U CompactPCI на базе самого современного 45нм процессора Intel Core2 Duo (1,2/1,8/2,26 ГГц) может нести до 8 ГБ энергоэффективной памяти DDR3-SODIMM (800/1066 Мгц). Плата имеет VGA-порт, до 7 портов USB 2.0, 2 COM-порта, 2 интерфейса Gigabit Ethernet и 4 SATA, которые доступны как через разъёмы на самой плате, так и на лицевой и тыльной панелях. Один из USB-портов зарезервирован для подключения соответстующего модуля флэш-памяти USB NAND. CP308 содержит также интерфейсы PCI 32-bit и 33 МГц |
Компромисс с собой
Конечно, кроме требований НД при выборе всегда присутствует банальный, но далеко не последний фактор – цена. Однако попытка применения в системах АСУ ТП АЭС офисного компьютерного оборудования, как правило, приводит к заранее «провальному» компромиссу между ценой и реализацией функций системы с требуемыми показателями надёжности. В этом случае единственным возможным вариантом выполнения рабочих станций на основе desktopPC становится искусственное «выведение» многих функций станции из перечня «высоконадёжных», выполняемых при любых (определённых жёсткими требованиями) условиях. Ценой такого «компромисса» является неполное соответствие системы требованиям к ней и невозможность системы решать подчас жизненно необходимые задачи в условиях реально критической обстановки. А кому, как не нам с вами — пережившим и переживающим Чернобыльскую трагедию, знать о последствиях такого «компромисса».
Отдельным нерешённым вопросом в случае использования обычных ПК остаётся устойчивость к воздействию окружающей среды, электрических полей и т. д. (см. перечень требований к ТС). Даже такой, казалось бы, малозначительный показатель как рабочий диапазон температур оставляет желать лучшего. Обычная офисная техника, как правило, предназначена для эксплуатации при температурах до +40°С. Но, несмотря на кажущиеся офисные условия, например, на щите управления энергоблоком, где установлена операторская станция, не следует забывать, что температура в относительно закрытой тумбе оператора может достигать и +50°С. А в промышленном шкафу высотой 2м, заполненном оборудованием, воздух в некоторых случаях нагревается и до +60°С.
Другой «миной замедленного действия», заложенной в низкую стоимость офисного оборудования является срок жизни компьютеров и такая положительная, казалось бы, во всех отношениях высокая динамика развития рынка компьютерных компонентов. Дело в том, что, как упоминалось выше, замена оборудования на АЭС производится, как правило, не чаще одного раза в 10 лет. Но ресурс офисной техники значительно ниже. Кроме того, срок службы уменьшают относительно жёсткие условия эксплуатации техники и круглосуточный режим работы. Таким образом, через 2—3 года техника уже требует замены, и вопрос финансирования снова становится актуальным. Кроме того, согласно регламентам, действующим на объектах атомной энергетики, ремонт и замена определённого оборудования невозможны на работающем энергоблоке. А внеплановый останов последнего выливается в миллионные, а то и миллиардные убытки!
Но и это ещё не всё. Часто уже через год—два найти на рынке новую офисную материнскую плату той же модели или хотя бы на основе тех же компонентов, к которым часто привязано ПО, невозможно. А это значит, что вместо замены компьютера необходимо переписывать или модернизировать ПО, переделывать документацию – снова тратить деньги.
Даже без учёта денежных и временных затрат на ремонтный персонал, такие проблемы с содержанием техники могут значительно превысить начальную стоимость самого оборудования. Следовательно, имеем уже как минимум двойную стоимость эксплуатации, и кому-то эти расходы придётся понести.
Таким образом, повышенные требования фактически исключают использование обычной офисной компьютерной техники при реализации множества функций, определённых соответствующей НД.
Половинчатое решение
Конечно, все эти проблемы известны, и уже давно ведутся поиски их решения. Одним из таких частных решений стала спецификация PICMG 1.0 и оборудование, выполненное в соответствии с этим стандартом. Проще говоря, обычные промышленные компьютеры на основе пассивной объединительной панели ISA/PCI (а сегодня уже и PCI Express – спецификация PICMG 1.3).
Спецификация PICMG 1.0 создавалась как расширение офисных компьютерных стандартов для приближения к промышленным условиям использования, и на сегодняшний день является базовым стандартом при создании промышленных рабочих станций общего назначения. Почему же пром-ПК, нашедшие широкое применение при решении общих задач промышленной автоматизации, могут быть лишь частным решением проблем компьютерной автоматизации в атомной энергетике?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, снова обратимся к требованиям к ТС автоматизации для атомных станций. Рабочий температурный диапазон промышленных ПК, как правило, шире офисных, но не превышает +50°С. Обычные пром-ПК не имеют специальной электромагнитной защиты и не способны в полной мере удовлетворить повышенным требованиям по стойкости к воздействию электрических полей и электромагнитной совместимости. Несмотря на применение в корпусе дополнительных элементов жёсткости для укрепления полноразмерных плат большой длины, в PICMG 1.Х используются те же, что и в офисных ПК, ламельные разъёмы. А это отнюдь не добавляет требуемой устойчивости к вибрационным и ударным нагрузкам.
Кроме того, на промышленных платах могут применяться как компоненты для собственно промышленного использования, так и обычные компоненты офисного назначения. Например, на процессорных платах могут использоваться процессоры Intel из продуктовой линии Desktop или Embedded. В случае использования Desktop-процессора плата характеризуется высоким энергопотреблением и, как следствие, значительным тепловыделением, «добавляющим градус» в и без того уже высокую температуру окружающей среды. Встраиваемые (Embedded) процессоры имеют более совершенную, многоступенчатую защиту от перегрева и часто не требуют активного охлаждения на плате. Это ещё одна причина, по которой имеет смысл ориентироваться на производителей—мировых лидеров. Такие компании ответственно подходят к разработке своих изделий и подбору компонентов, разделяя продукцию, например, на базовые и встраиваемые платы, как это делает Kontron.
Кроме этого, срок производства и поддержки компонентов для обычных ПК значительно ниже, чем аналогичных для встраиваемых компьютеров. И, чтобы обезопасить себя и конечного пользователя в этом вопросе, можно предварительно обратить внимание на заявленные производителем компонентов сроки поддержки. Проведение такого анализа может потребовать значительных временных затрат. А чтобы не терять времени на выяснение жизненного цикла каждого чипа на плате, возможен и более простой подход – уточнить у поставщика/производителя жизненный цикл платы/модуля, как конечного изделия. Например, Kontron гарантирует доступность своих изделий в течение минимум 5 лет, а некоторых – в течение 7 и более лет. В этом случае Вы уже не зависите от производителя, собственно компонентов на уровне чипов, а гарантированно сможете получить готовый модуль/плату в течение заявленного периода времени.
Панацея от всех бед
Итак, применение обычных промышленных компьютеров является лишь частичным решением проблем при построении компьютерных станций верхнего уровня систем автоматизации для АЭС. И это было понятно уже при публикации спецификаций PICMG 1.X.
Для полного удовлетворения повышенных требований к компьютерной технике промышленного применения была разработана и опубликована спецификация PICMG 2.0. А стандарт на основе группы спецификаций PICMG 2.Х –
Не приводя сухих цифр спецификаций и протоколов испытаний – их всегда можно посмотреть в соответствующих документах, отметим лишь основные моменты, подтверждающие преимущества
от -40° С до +85°С, например, платы CP6001-R2/R3. Причём такой широкий диапазон температур обеспечивается не отбором готовых изделий тестированием, а подбором элементной базы, предназначенной для работы при таких температурах. Хотя и температурные испытания в этом случае также проводятся для 100% изделий.
![]() |
Рис. 3. ИП от сети постоянного тока CP3-SVEM75DC, поставляемые Kontron вместе с оборудованием |
В случае работы в условиях высокой запыленности оборудование CompactPCI может иметь полностью пассивное охлаждение, как на уровне модулей, так и на уровне всей системы.
Высокие, по сравнению с обычными пром-ПК, показатели устойчивости
-
использование самого популярного в мире стандартного промышленного евроконструктива 3U (100 х 160 мм) и 6U (233 х 160 мм), обладающего достаточным запасом механической прочности;
-
применение высоконадёжных многорядных штырьковых соединителей МЭК 076-4-101, контакты которых дублированы;
-
жёсткая вибростойкая схема четырёхточечного крепления всех без исключения модулей в каркасе, независимо от их назначения и функционального использования.
От некоторых автоматизированных систем для АЭС требуется выполнение критических функций в таких экстренных условиях как землетрясение, падение самолёта, попадание ракеты, взрыв и т. п. В этом случае дисковые накопители, имеющие в своей основе вращающиеся элементы – обычные HDD, CD, DVD, не могут обеспечить выполнение требуемых функций. И на помощь должны приходить диски других типов. В оборудовании
Естественно, что в условиях высоких вибрационных нагрузок не может быть и речи о применении такого стандартного для всех офисных и промышленных ПК элемента, как «планки памяти». В системах
Источники питания (ИП) CompactPCI обеспечивают стабильное и надёжное питание в широком диапазоне входных напряжений сети постоянного или переменного тока. Часто применение таких ИП помогает не только сэкономить средства на закупку дополнительных ТС, таких как вторичные ИП, но и применить системное решение, позволяющее более точно достичь соответствия требованиям к питанию всей системы.
Например, ИП от сети постоянного тока CP3-SVE-M120DC, поставляемые Kontron вместе с оборудованием
Электромагнитную совместимость и защиту от электромагнитных помех элементов и систем
Спецификацией PICMG 2.1 стандарта CompactPCI определена возможность и основные механизмы реализации горячей замены. Оборудование, выполненное согласно PICMG 2.1, поддерживает все сигналы, необходимые для обеспечения замены периферийных модулей «на ходу», без выключения питания, что в принципе невозможно в обычных офисных и промышленных компьютерах. Это относится и к модулям питания CompactPCI. Соответствие оборудования
Оборудование CompactPCI позволяет реализовать ввод/вывод на передней и/или тыльной стороне корпуса системного блока. Такое удобное свойство оборудования кажется незначительным при работе с офисными ПК, обслуживание и модернизация которых может вестись в любое время и в удобном для ремонтного персонала месте. Однако, для систем с повышенными требованиями к надёжности, оборудование которых установлено в труднодоступных местах, а временные требования по восстановлению и готовности которых жёстко определены, такая возможность приобретает особое значение. Ведь от того, как быстро будет заменен тот или иной модуль в системе АЭС, важной для безопасности, может зависеть нечто большее, нежели потери от простоя оборудования. И именно CompactPCI обеспечивает прямой и быстрый доступ к модулям, а в купе с горячей заменой позволяет оперативно заменить модуль прямо с передней панели, не открывая корпус компьютера и не отключая его от сети питания.
Что касается надёжности самого оборудования
Для офисного оборудования MTBF определяют, а тем более заявляют открыто, крайне редко — в этом просто нет необходимости. Для промышленных компьютеров этот показатель, как правило, находится в пределах 30–100 тыс. часов. Что же касается CompactPCI, то это 130—200 и более тысяч часов. Конечно, для различного типа оборудования даже в рамках одного и того же форм-фактора значение показателя MTBF может быть очень разным. Например, MTBF для процессорного модуля CompactPCI СР6001 производства Kontron составляет более 180 тысяч часов, а для модуля питания CompactPCI GK2004-cPCI 24V производства Eplax – более 500 тысяч часов.
Для определения значений показателей надёжности могут быть использованы разные методики. Но на сегодняшний день, имея 13 лет успешного применения CompactPCI, можно смело утверждать, что надёжность оборудования CompactPCI по отношению к обычным пром-ПК выше, если не на порядок, то в разы. И относительные значения MTBF, полученные на основе различных методик расчётов, этот факт подтверждают.
Трудный выбор
Конечно, кроме стандарта Compact-PCI, существует масса других спецификаций, стандартов, разработок и т. п., которые не только не уступают CompactPCI по надёжности, но за счёт применения дополнительных программно-аппаратных средств опережают его. Но однозначно можно говорить о том, что второго стандарта, получившего такое же распространение на рынке, полностью программно совместимого с офисными компьютерами и имеющего столь высокую надёжность, в мире нет. И, наверное, не скоро появится. Поэтому, «прожив» на рынке уже более 10 лет, CompactPCI не собирается «уходить», находя новые применения.
Иногда можно слышать мнение, что компьютеры CompactPCI имеют более высокую стоимость по сравнению с обычными пром-ПК. Это действительно так. Не имеет смысла использовать высоконадёжную, отказоустойчивую, относительно дорогую технику там, где показатели надёжности не имеют большого значения, а выход из строя компьютера не приведёт к значительным убыткам и/или потере здоровья и даже жизни людей. Поэтому часто такие задачи как общая обработка, визуализация, передача, архивирование и хранение данных в системах с повышенными требованиями реализуются на основе так называемых «промышленных компьютеров» — оборудования, соответствующего группе спецификаций PICMG 1.Х.
Но как только речь заходит о действительно критических с точки зрения надёжности производственных процессах, то выбор однозначен – это CompactPCI. Тем более что разница в стоимости не такая значительная, как может показаться: стоимость компьютера CompactPCI в базовой конфигурации может составить 1,5– 2 тыс. Евро. Согласитесь, это вполне сопоставимо со стоимостью обычного пром-ПК. А в качестве центрального функционального узла рабочей станции для информационно-управляющих систем АЭС, стоимостью более 30 тыс. Евро – не предмет экономии.
Что ж, в условиях кризиса мы все учимся считать заново. И афоризм «мы не настолько богаты, чтобы позволить себе покупать дешёвое» снова становится актуальным.
На сегодняшний день количество компьютерных станций CompactPCI, поставленных отечественным разработчикам АСУ ТП для атомной энергетики, перевалило далеко за сотню. Компьютеры CompactPCI успешно эксплуатируются уже в течение нескольких лет на объектах атомной энергетики Укрианы и России. Работая в круглосуточном режиме без сбоев и остановок, оборудование CompactPCI доказало свою высокую надёжность, готовность и отказоустойчивость на практике и продолжает «осваивать» всё новые и новые системы, принимая на себя ответственность разработчиков систем и гарантируя беспрерывность процесса производства и его безопасность.
И как приятно разработчику АСУ ТП услышать от эксплуатационного персонала АЭС комплимент в адрес своей системы вместо привычных претензий по поводу сбоев и отказов. А особенно приятно, если на фоне очень позитивного доклада руководства об общей тенденции снижения числа отказов в системах АСУ ТП АЭС, твою систему называют среди чемпионов по надёжности, поскольку за год эксплуатации не зарегистрировано ни единого отказа, а в кулуарах в неформальной беседе специалисты одной АЭС говорят специалистам другой: «Внедряйте эту систему, не пожалеете!».
| ||
Рис. 4. MTBF для процессорного модуля CompactPCI СР6001 производства Kontron составляет более 180 тысяч часов, а для модуля питания CompactPCI GK200-4-cPCI 24V производства Eplax (справа) – более 500 тысяч часов |
Источник: «Мир автоматизации» (февраль-апрель 2009)