Elektronikk i havbunnsløsninger preges av skreddersøm Ill. Statoil
Eksempel på robust hyllevare med såkalt konduksjonskjøling, her fra Emerson Embedded Computing.
Vibrasjonstest av hyllevare som del av ESS-test (Environmental Stress Screening) hos Data Respons Norge. ⇥Foto: Data Respons
Artikkelforfatter Mikkel Helweg slår et slag for hyllevareløsninger i subsea-industrien.

Hyllevarer til havbunnen?

Subsea-industrien kan ha mye å hente når det kommer til bruk av hyllevare i automatiseringsløsningene.

Først forsvar, så jernbane

Forsvarsindustrien som frem til langt ut på 1990-tallet var kjent for utstrakt bruk av proprietære systemer, omfavner i dag bruk av hyllevare (COTS), maskinvare og programvare (OS). Delvis takket være den forhenværende amerikanske forsvarsministeren William Perry som i 1991 tok til orde for at forsvarsindustrien alltid skulle vurdere hyllevare først i nye prosjekter. Men mest har det vært en naturlig utvikling i denne retning ettersom blant annet pc-industrien dominerte teknologiutviklingen på slutten av 1980-tallet. Og ikke minst etter at hyllevareprodusentene inkorporerte forsvarsindustriens krav til miljøegenskaper og livstidssyklushåndtering i egne produkter og prosesser.

Også jernbaneindustrien har benyttet proprietære systemer frem til nyere tid, men økende konkurranseutsetting har medført krav til kostreduksjon, noe som i dag favoriserer bruk av åpne standarder og hyllevare.

Når disse to industriene øker bruken av hyllevare betyr ikke det at de hiver på båten strenge krav til pålitelighet, sikkerhet, oppetid og produktkonsistens. Tøffe krav til eksempelvis sjokk- og vibrasjon, temperatur, fukt og strømtilførsel opprettholdes fra begge industrier. Det samme gjelder krav til utførelsesstandarder («workmanship»), sporbarhet, analyser (inklusiv «root cause» og «8D») og forbedringer.

Industriene kan med andre ord ikke handle hyllevare fra «(nett)butikken på hjørnet», men fra produsenter av embedded COTS som allerede har tatt hensyn til ovennevnte krav i utviklingen av sine produkter. Disse produsentene baserer sine produkter på åpne industristandarder som for eksempel VME, CPCI, OpenVPX, µTCA og COM Express. Dette er standarder som reguleres av organisasjoner og konsortium som VITA og PICMG. I tillegg benytter aktørene prosessorer og brikkesett med lang tilgjengelighetstid.

Data Respons

Data Respons er leverandør til utstyrsprodusentene innenfor subsea- og forsvarssegmentet. Kjernekompetansen hos det teknologiuavhengige selskapet er utvikling og leveranser av både skreddersydde løsninger og hyllevare. Spesialisttjenestene inkluderer mentoring (som SIL i henhold til IEC 61508 og IEC 61511), miljø- og funksjonstesting og levetidshåndtering (LCM).

Selskapet er notert på Oslo Børs, og har kontorer nær teknologiklynger i Norge, Sverige, Danmark og Tyskland. De har også en egen avdeling i Taiwan for lokal prosjektledelse og kvalitetsledelse mot sine produksjonspartnere i Fjerne Østen.

Ordliste

COTS: Commercial Off The Shelf.

8D: Eight Disciplines of Problem Solving.

HALT: Highly Accelerated Stress Testing.

ESS: Environmental Stress Screening.

RTOS: Real Time Operating System.

PICMG: PCI Industrial Computer Manufacturers Group.

VITA: VMEbus International Trade Association.

SMARC: Smart Mobility ARChitecture.

SGeT: Standardization Group For Embedded Technologies.

B2B: Board To Board.

MTBF: Mean Time Between Failure.

MTTR: Mean Time To Repair.

BSP: Board Support Package.

LCM: Life Cycle Management.

Det kan være smart å se hva forsvars- og jernbaneindustrien (se faktaboks) har gjort. Når det kommer til «topside» på plattformer og flytere (FPSO) er det absolutt hyllevare som gjelder.

Skal kjøre i 30 år

Men undervannselektronikken, de såkalte Subsea Electronic Modules (SEM) består fortsatt av mye proprietær elektronikk. Det er en blanding av proprietær elektronikk og hyllevare med ulike grensesnitt, slik at tilpassing og kabling er nødvendig.

Så hvorfor brukes ikke mer hyllevare subsea?

Industrien oppgir ofte krav til pålitelighet og oppetid, konfigurasjonskontroll og Life Cycle Management som barrierer. Systemene skal være på havbunnen i 30 år, og feil på elektronikken blir svært dyrt dersom brønnene må stenges når man skal kjøre vedlikehold. Kostnadseffekten fra tapt produksjon er mange ganger større enn de faktiske vedlikeholdskostnadene.

Man kan heller ikke tolerere lekkasjer eller lignende som følge av at ventiler blir stående åpne. Sikkerhet er derfor et nøkkelord. Alle kritiske subsea-funksjoner er redundante, det vil si at det er dupliserte elektronikkmoduler og kommunikasjonsmoduler i bunnrammene («templates») på havbunnen.

Les om: Overvåkingstjenesten går offshore

Elektronikkfeil

La oss derfor ta en titt på subsea-bransjens kravsetting til egen elektronikk. For det første refererer bransjen ofte til ISO-standarden 13628 for utvikling og drift av undervanns-produksjonssystem. Herunder ligger kvalifikasjons- og teststandarden Q1 for kretskort og sub-moduler som spesifiserer sjokk- og vibrasjonskrav. Videre spesifiseres krav til blant annet konduksjonskjøling og lakkering («conformal coating»). I senere tid er det også blitt vanlig at subsea-industrien etterspør produksjon og prosesskontroll i henhold til kvalitetsstandardene IPC-A-600 og J-STD-001 klasse 3 («mission critical»). Likevel viser tall fra bransjen at det er for mange feil på undervannselektronikken. De dukker som oftest opp i løpet av det første året etter igangkjøring. Uoffisielle kilder hevder videre at reelle MTBF-tall (Mean Time Between Failure) på undervannssystemer ofte er vesentlig lavere enn kalkulert (typisk 20 år).

Forsvar og jernbane

Det er ikke dermed sagt at kravsettingen over ekskluderer bruk av hyllevare i automatiserte undervannsapplikasjoner innenfor petroleumsindustrien. Bransjen er heller ikke alene om tøffe krav, produsenter som leverer hyllevare til forsvarsindustrien og jernbaneindustrien har også sine utfordringer.

Det finnes i dag et stort utvalg av embedded hyllevareprodukter kvalifisert i henhold til krevende miljøstandarder som MIL-STD 810G for forsvar og EN50155 og IEC61587-1 for jernbane. Dette er standarder som dekker og i flere tilfeller overgår Q1-kravene i ISO 13628. Forsvarsbransjens krav til konduksjonskjøling, «conformal coating» og klasse 3 produksjon og prosesskontroll har eksistert i en årrekke. I tillegg benytter de nevnte hyllevareleverandørene ofte utmattelsestesting (HALT, Highly Accelerated Stress Testing) som en del av sin utviklingsprosess og stresstesting (ESS, Environmental Stress Screening) som en del av sin verifiseringsprosess ved leveranse.

Det finnes i dag et stort utvalg av embedded hyllevareprodukter kvalifisert i henhold til krevende miljøstandarder som MIL-STD 810G for forsvar og EN50155 og IEC61587-1 for jernbane. Dette er standarder som dekker og i flere tilfeller overgår Q1-kravene i ISO 13628. Forsvarsbransjens krav til konduksjonskjøling, «conformal coating» og klasse 3 produksjon og prosesskontroll har eksistert i en årrekke. I tillegg benytter de nevnte hyllevareleverandørene ofte utmattelsestesting (HALT, Highly Accelerated Stress Testing) som en del av sin utviklingsprosess og stresstesting (ESS, Environmental Stress Screening) som en del av sin verifiseringsprosess ved leveranse.Eksempel på robust hyllevare med såkalt konduksjonskjøling, her fra Emerson Embedded Computing.

Sertifiserer operativsystemene

Petroleumsindustriens krav til integrert sikkerhetsnivå eller såkalt «Safety Integrity Level» (SIL) er heller ikke noen barriere. Krav til feiltolerante systemer og integrert sikkerhet kjenner hyllevarebransjen allerede fra telecom-, jernbane- og luftfartsindustrien. Dette gjelder også hyllevare hva operativsystem angår, hvor ledende RTOS-produsenter (Real Time Operating System) som Wind River og GreenHill begge leverer sertifiserbare operativsystemer som VxWorks og Integrity. For integrert sikkerhet finnes også mulighet for ulike designtilnærminger ved at man definerer såkalt kritiske og ikke-kritiske sløyfer.

Les om: Datasikkerhet er toppsak hos Honeywell

 

Revisjonsfrys

En siste mulig utfordring har med konfigurasjonskontroll og Life Cycle Management (LCM) å gjøre. Dette må behandles like seriøst som kravene til hyllevarens funksjon, sikkerhet og miljøegnethet. På samme måte som forsvarsindustrien, tolererer ikke subsea-industrien at hyllevaren de kjøper, forandrer seg over tid. Dette gjelder både maskinvare (HW), mellomvare (FW) og programvare (SW). Med andre ord må hyllevareprodusenten ha implementert robuste prosesser og systemer for revisjonskontroll og levetidshåndtering.

Det er mulig å «fryse» revisjonen på disse nivåene gjennom såkalt «Source Control Document» (SCD) i overenskomst med produsenten. Ved «revisjonsfrys» varsler produsenten kunden om planlagte revisjoner av produktet, mens kunden selv bestemmer om den ønsker endringer på produktet.

Det er mulig å «fryse» revisjonen på disse nivåene gjennom såkalt «Source Control Document» (SCD) i overenskomst med produsenten. Ved «revisjonsfrys» varsler produsenten kunden om planlagte revisjoner av produktet, mens kunden selv bestemmer om den ønsker endringer på produktet.Vibrasjonstest av hyllevare som del av ESS-test (Environmental Stress Screening) hos Data Respons Norge. ⇥Foto: Data Respons

Modulær oppbygging

Så det er ikke noe i veien for at subsea-industrien øker bruken av hyllevare i undervannssystemene. Man kan begynne i det små, altså velge miljøkvalifiserte makrocomputere som COM Express (PICMG) eller SMARC (SGeT) som integreres på egne applikasjonsspesifikke I/O-kort i sine SEM-moduler, eller man kan ta et litt større skritt og utvikle subsea-systemer ved bruk av serielle, høyhastighets punkt-til-punkt bakplans-systemer som OpenVPX (VITA). Sistnevnte gir en modulær systemoppbygging med prosessor- og I/O-kort med robuste kortkontakter (såkalte B2B-kontakter). Det forenkler håndtering av ulike konfigurasjoner. Kabelfri installasjon reduserer både feilrate (MTBF) og reparasjonstid (MTTR, Mean Time To Repair).

Flere fordeler

Det er bare å titte på ledende hyllevareprodusenter som for eksempel Adlink Technology eller Emerson Embedded Computing så finner man mange eksempler på anvendelig hyllevare i ulike formfaktorer. De har ulike prosessorarkitekturer og I/O-funksjoner som er utviklet, produsert og kvalifisert etter strenge miljøkrav. Typisk I/O inkluderer Ethernet-kommunikasjon, seriell kommunikasjon, CAN-buss og analog 4-20mA signalkommunikasjon.

Når bruken av hyllevare er basert på åpne og etablerte industristandarder, tillater det også second source (alternativ leverandør) og konkurranseutsetting. Samtidig vil bruk av hyllevare redusere utviklingstid, -kost og -risiko ved at teknologien er tilgjengelig når nye prosjekter skal igangsettes og ved at programvareutvikling kan starte parallelt siden hyllevaren kommer ferdig med driverstøtte (BSP) for ulike operativsystemer.

Lokal forankring

Det er dog en siste faktor man ikke skal overse, nemlig den lokale. Uten unntak er alle hyllevareprodusenter i ovennevnte kategori utenlandske med produksjon i USA eller i Østen og sjelden med egen representasjon i Norge eller Norden. Man bør forsikre seg om at produsenten er lokalt representert med en solid verdiøkende partner som forstår lokale forhold og som kan tilføre verdi gjennom lagerhold, bufferlager, systemintegrasjon, ESS-testing (Environmental Stress Screening), konfigurasjonskontroll og nødvendig dokumentasjon. Videre bør den lokale partneren håndtere forvaltning av levetidssyklusen til aktuelle produkter og ha vertikal kompetanse for å forstå og etterkomme på subsea-kundens behov og krav. Sist, men ikke minst, partneren bør være finansielt sterk slik at den kan støtte egne og partnerens produkter og løsninger i årene fremover.