UNIDAD DE INTERFAZ Y SISTEMA DE COMUNICACIONES CON UNA ESTRUCTURA MAESTRO-ESCLAVO.

Unidad de interfaz (4) para un sistema de comunicaciones con una estructura maestro-esclavo para unir una unidad maestra (1) de modo serial con una pluralidad de unidades esclavas (3) a través de una estructura en doble anillo (2) compuesta por una primera vía de comunicación (21) y una segunda vía de comunicación (22) que trabajan en sentidos opuestos,

con una primera unidad de conmutación (41) cuya entrada (411) está unida a una unidad de transmisión (11) de la unidad maestra (1), cuya primera salida (412) está unida a la primera vía de comunicación (21) y cuya segunda salida (423) está unida a la segunda vía de comunicación (22), y que está configurada de tal modo para emitir una señal de información recibida por la unidad de transmisión (11) de la unidad maestra (1) para la transmisión independiente en sentidos opuestos por la primera vía de comunicación (21) y por la segunda vía de comunicación (22), y con una segunda unidad de conmutación (42) cuya primera entrada (421) está unida con la primera vía de comunicación (21), cuya segunda entrada (422) está unida con la segunda vía de comunicación (22) y cuya salida (423) está unida con una unidad de recepción (12) de la unidad maestra (1), y que está configurada para retransmitir a la unidad de recepción (12) de la unidad maestra (1) las dos señales de información que circulan en sentidos opuestos por la primera vía de comunicación (21) y por la segunda vía de comunicación (22)

La invención se refiere a una unidad de interfaz para un sistema de comunicaciones con una estructura maestro-esclavo, en la que la unidad de interfaz comunica entre sí una pluralidad de unidades esclavas a través de una estructura de doble anillo que trabaja en sentidos opuestos, así como un sistema de comunicaciones de este tipo con una estructura maestro-esclavo.

En la técnica de fabricación y automatización se emplean cada vez más los sistemas de bus seriales en los que los equipos de una periferia de máquina dispuestos de forma descentralizada, tales como módulos E/S, transformadores de medida, accionamientos, válvulas y terminales de usuario se comunican a través de un potente sistema de comunicaciones en tiempo real con sistemas de automatización, ingeniería o visualización. Para ello todos los usuarios están unidos entre sí en red a través de un bus serial, preferentemente un bus de campo, efectuándose el intercambio de datos a través del bus basándose por lo general en el principio de maestro-esclavo.

Los usuarios activos del sistema de bus, por lo general los equipos de control, están en posesión de una autorización de acceso al bus y son los que determinan la transferencia de datos en el bus. Los usuarios activos del bus se designan como las unidades maestras en el sistema de bus serial. En cambio los usuarios pasivos del busson por lo general equipos periféricos de máquina. Éstos no tienen ninguna autorización de acceso, es decir que solamente pueden acusar recibo a las señales de información recibidas, o transmitir señales de información a una unidad maestra a demanda de ésta. Los usuarios pasivos del bus se designan como unidades esclavas en el sistema de bus serial.

Los sistemas de bus de campo con una estructura maestro-esclavo se realizan por lo general con una topología en anillo, con el fin de evitar un cableado complejo, estando conectados todos los usuarios del bus a una vía de transmisión en forma de anillo. Una señal de información generada por la unidad maestra es inyectada por la unidad maestra en la vía de transmisión en forma de anillo y atraviesa sucesivamente las unidades esclavas conectadas en serie a la vía de transmisión en forma de anillo, para volver a ser recibidas por la unidad maestra para su evaluación. Los sistemas maestro-esclavo también pueden estar diseñados como sistema multi-maestro.

Las señales de información son organizadas por lo general por la unidad maestra como paquetes de datos que se componen de datos de control y datos útiles, empleándose preferentemente el estándar Ethernet, que permite paquetes de datos con una longitud de hasta 1500 bytes con una velocidad de transmisión elevada de 100 Mbit/s. Durante el paso del telegrama Ethernet inyectado por la unidad maestra por la vía de transmisión de forma anular, cada una de las unidades esclavas conectadas a la vía de transmisión de forma anular separa del telegrama Ethernet los datos útiles destinados a ella.

Los sistemas de comunicaciones maestro-esclavo con estructura anular están dispuestos por lo general de tal modo que la unidad maestra comprende una unidad de transmisión como punto de acoplamiento de datos así como una unidad de recepción como punto de desacoplamiento de datos. Las distintas unidades esclavas están entonces conectadas a la vía de transmisión formando una cadena, estando cada usuario conectado a dos vecinos, y el primero y el último usuario de la cadena, con la unidad maestra. La transmisión de los paquetes de datos tiene lugar partiendo de la unidad maestra a través de su unidad de transmisión en un sentido hacia la primera unidad esclava que está conectada, y desde allí a la siguiente hasta alcanzar la última unidad esclava de la cadena, volviendo entonces a la unidad de recepción de la unidad maestra. Para la recepción de los paquetes de datos que circulan, cada unidad esclava presenta un interfaz desde el usuario anterior con una unidad de recepción y una interfaz con una unidad de transmisión para la red de transmisión al usuario siguiente, estando dispuesta entre la unidad de recepción y la unidad de transmisión una unidad de tratamiento para tratar los paquetes de datos que pasan a través de la unidad esclava, es decir para intercambiar con los paquetes de datos los datos útiles asignados a la unidad esclava.

Los sistemas de comunicaciones en forma de anillo con estructura maestro-esclavo suelen estar diseñados a menudo de modo que la unidad maestra forma con las unidades esclavas dispuestas en ella una línea física presentando el medio de transmisión una estructura de doble línea, y cada unidad esclava dos puertos con una unidad de transmisión-recepción combinada, estando cortocircuitadas la unidad de transmisión y recepción en el puerto de salida de la última unidad esclava de la cadena de transmisión. Los paquetes de datos inyectados en la primera línea por la unidad maestra a través de su unidad de recepción son tratadas por la unidad esclava en el camino de ida. Y luego en el camino de retorno simplemente se retransmiten únicamente a la unidad de recepción de la unidad maestra a través de la segunda línea.

Un requisito principal que han de cumplir los sistemas de comunicaciones maestro-esclavo, especialmente cuando se emplean para la automatización de procesos y de la fabricación, es un alto grado de tolerancia a los fallos, es decir la facultad del sistema de comunicación de mantener la función requerida, por ejemplo la fabricación de una pieza, a pesar de que aparezcan fallos. Los fallos del sistema de comunicaciones que se han de superar sin detrimento del proceso son además de los fallos en los paquetes de datos, especialmente también la falta de tramos de transmisión completos, por ejemplo debido a un corte físico del medio de transmisión.

Para conseguir un sistema de comunicaciones maestro-esclavo tolerante a los fallos, en particular a los fallos de trayecto, es decir en caso de falta de tramos completos de transmisión, se emplean a menudo estructuras en doble anillo que trabajen en doble sentido. Así, en el documento US 4.663.748 se describe un sistema de comunicaciones con una estructura maestro-esclavo en el que la unidad maestra está unida con una pluralidad de unidades esclavas de modo serial a través de dos vías de comunicación que trabajan en sentidos opuestos, emitiendo la unidad maestra los paquetes de datos simultáneamente a través de ambas vías de comunicación. La unidad esclava presenta entonces dos unidades de tratamiento que están conectadas cada una entre las dos vías de comunicación, para tratar los telegramas de datos que los atraviesan. Por otra parte en los usuarios están situadas unas unidades de acoplamiento activables para reconfigurar el sistema de comunicaciones, por ejemplo en el caso de rotura de una línea de comunicación, mediante la supervisión de las señales en ambos anillos de transmisión y la correspondiente conmutación, de tal modo que se evite un fallo de un tramo importante del sistema de comunicaciones o incluso un fallo total debido a una avería en el trayecto.

En el documento DE 103 12 907 A1 se propone además realizar la unidad esclava de tal modo que en ambas vías de comunicación le corresponda en el sentido de transmisión de datos primero una unidad de tratamiento y a continuación un multiplexador con dos entradas y una salida. El multiplexador está unido para ello por cada una de sus entradas con las dos unidades de tratamiento de la unidad esclava, y por su salida con la vía de comunicación correspondiente. Durante el régimen de funcionamiento normal sin averías, cada uno de los dos multiplexadores da continuidad a la unidad de tratamiento situada en la correspondiente vía de comunicación. Durante un régimen de avería, cuando aparezca un fallo en el trayecto de la vía de comunicación correspondiente, se da entonces continuidad a la unidad de tratamiento de la otra vía de comunicación. Este diseño de la unidad esclava permite reconfigurar el sistema de comunicaciones en un caso de avería, esencialmente en tiempo real.

Los sistemas de comunicaciones maestro-esclavo tolerantes a los fallos, con una estructura de doble anillo en los que la unidad maestra presenta en cada caso dos instalaciones de transmisión y de recepción con sus correspondientes transmisores o receptores y los correspondientes sistemas de control para emitir paquetes de datos por ambas vías de comunicación, requiere un gran volumen de hardware y de circuitos de la unidad maestra y por lo tanto incrementa considerablemente los costes. Esto mismo es también aplicable a las unidades esclavas, que contienen cada una dos unidades... [Seguir leyendo]

1. Unidad de interfaz (4) para un sistema de comunicaciones con una estructura maestro-esclavo para unir una unidad maestra (1) de modo serial con una pluralidad de unidades esclavas (3) a través de una estructura en doble anillo (2) compuesta por una primera vía de comunicación (21) y una segunda vía de comunicación (22) que trabajan en sentidos opuestos, con una primera unidad de conmutación (41) cuya entrada (411) está unida a una unidad de transmisión (11) de la unidad maestra (1), cuya primera salida (412) está unida a la primera vía de comunicación

(21) y cuya segunda salida (423) está unida a la segunda vía de comunicación (22), y que está configurada de tal modo para emitir una señal de información recibida por la unidad de transmisión (11) de la unidad maestra (1) para la transmisión independiente en sentidos opuestos por la primera vía de comunicación (21) y por la segunda vía de comunicación (22), y con una segunda unidad de conmutación (42) cuya primera entrada (421) está unida con la primera vía de comunicación (21), cuya segunda entrada (422) está unida con la segunda vía de comunicación (22) y cuya salida (423) está unida con una unidad de recepción (12) de la unidad maestra (1), y que está configurada para retransmitir a la unidad de recepción (12) de la unidad maestra (1) las dos señales de información que circulan en sentidos opuestos por la primera vía de comunicación (21) y por la segunda vía de comunicación (22).

2. Unidad de interfaz según la reivindicación 1, en la que la primera unidad de conmutación (41) está configurada para duplicar una señal de información recibida por la unidad de transmisión (11) de la unidad maestra (1) para su transmisión independiente en sentidos opuestos por la primera vía de comunicación (21) y por la segunda vía de comunicación (22).

3. Unidad de interfaz según la reivindicación 1, estando configurada la primera unidad de conmutación (41) para evaluar una información de dirección contenida en la señal de información recibida por la unidad de transmisión (11) de la unidad maestra (1) para transmitir la señal de información por la primera vía de comunicación (21) o por la segunda vía de comunicación (22).

4. Unidad de interfaz según una de las reivindicaciones 1 a 3, estando configurada la segunda unidad de conmutación (42) para evaluar las dos señales de información que circulan en sentidos opuestos por la primera vía de comunicación (21) y por la segunda vía de comunicación (22).

5. Unidad de interfaz según una de las reivindicaciones 1 a 3, estando configurada la segunda unidad de conmutación (42) para retransmitir las dos señales de información que circulan en sentidos opuestos por la primera vía de comunicación (21) y por la segunda vía de comunicación (22), sucesivamente a la unidad de recepción (12) de la unidad maestra (1).

6. Unidad de interfaz según la reivindicación 5, presentando la segunda unidad de conmutación (42) un mecanismo FI-FO.

7. Sistema de comunicaciones con una estructura maestro-esclavo, que presenta una unidad maestra (1), una pluralidad de unidades esclavas (3), una estructura en doble anillo (2) formada por una primera vía de comunicación

(21) y una segunda vía de comunicación (22) que trabajan en sentidos opuestos, y una unidad de interfaz (4) conforme a una de las reivindicaciones 1 a 6 para unir de modo serial la unidad maestra con la pluralidad de unidades esclavas (3) a través de la estructura en doble anillo (2),

presentando la unidad maestra (1) una unidad de transmisión (11) para transmitir señales de información, una unidad de recepción (12) para recibir señales de información, una unidad de control de transmisión (16) unida a la unidad de transmisión y una unidad de control de recepción (18) unida a la unidad de recepción,

estando unida la unidad de interfaz (4), en la primera unidad de conmutación (41), su entrada (411) con la unidad de transmisión (11) de la unidad maestra (1), su primera salida (421) con la primera vía de comunicación (21) y su segunda salida (412) con la segunda vía de comunicación (22), y estando unida en la segunda unidad de conmutación (42), su primera entrada (421) con la primera vía de comunicación (21), su segunda entrada (422) con la segunda vía de comunicación (22) y su salida (423) con la unidad de recepción (12) de la unidad maestra (1),

presentando cada unidad esclava (3) una primera unidad de recepción (31) unida a la primera vía de comunicación para la recepción de señales de información por la primera vía de comunicación (21), una primera unidad de transmisión (32) unida con la primera vía de comunicación (21) para transmitir señales de información por la primera vía de comunicación, una segunda unidad de recepción (33) unida con la segunda vía de comunicación (22) para la recepción de señales de información por la segunda vía de comunicación (22), y una segunda unidad de transmisión

(34) unida con la segunda vía de comunicación para transmitir señales de información por la segunda vía de comunicación (22), una unidad de tratamiento (35) que presenta una entrada y una salida para el tratamiento de señales de información y un dispositivo de acoplamiento activable (37),

estando configurada la unidad de control de transmisión (16) de la unidad maestra (1) para transmitir dos señales de información a través de la unidad de transmisión (11) con un campo de datos idéntico, que para cada una de las unidades esclavas que están conectadas puede presentar un sector de datos correspondientemente asignado y con un campo de dirección diferente, a la primera unidad de conmutación (41) de la unidad de interfaz (4),

estando configurada la primera unidad de conmutación (41) de la unidad de interfaz (4) para emitir, basándose en el contenido del campo de dirección, una de las señales de información por la primera vía de comunicación (21) y la otra señal de información por la segunda vía de comunicación (22),

estando configurado el dispositivo de acoplamiento activable (32) de cada una de las unidades esclavas para unir en régimen de funcionamiento normal la entrada de la unidad de tratamiento (35) con la primera unidad de recepción (31), la salida de la unidad de tratamiento (35) con la primera unidad de transmisión (32) y la segunda unidad de recepción (33) con la segunda unidad de transmisión (34), para unir durante el régimen de avería de la primera unidad de transmisión (32) y/o de la segunda unidad de recepción (33), la entrada de la unidad de tratamiento (35) con la primera unidad de recepción (31), y la salida de la unidad de tratamiento con la segunda unidad de transmisión (34), y para unir durante el régimen de funcionamiento con avería de la primera unidad de recepción (31) y/o de la segunda unidad de transmisión (34), la entrada de la unidad de tratamiento (35) con la segunda unidad de recepción (33) y la salida de la unidad de tratamiento (35) con la primera unidad de transmisión (32), estando configurada la unidad de tratamiento (35) de cada una de las unidades esclavas (3) para tratar el correspondiente sector de datos asignado al tratar la señal de información que pasa,

estando configurada la primera unidad de conmutación (42) de la unidad de interfaz (4) para retransmitir las dos señales de información que circulan en sentidos opuestos por la primera vía de comunicación (21) y la otra señal de información por la segunda vía de comunicación (22), sucesivamente a la unidad de recepción (12) de la unidad maestra (1), y

estando configurada la unidad de control de recepción (18) de la unidad maestra (1) para superponer los campos de datos de las dos señales de información recibidas de la unidad de recepción.

8. Sistema de comunicaciones según la reivindicación 7, en el que la unidad de control de transmisión (16) de la unidad maestra (1) está configurada para dotar las dos señales de información adicionalmente con un campo contador puesto en un valor predeterminado,

estando configurada la unidad de tratamiento (35) de la unidad esclava (3) para modificar el valor del campo del contador en un valor predeterminado cuando pasa la señal de información, y

estando configurada la unidad de control de recepción (18) de la unidad maestra (1) para evaluar cada vez el valor de los campos de contadores de las dos señales de información recibidas de la primera unidad de recepción.

9. Sistema de comunicaciones según la reivindicación 8, en el que la unidad de control de recepción (18) de la unidad maestra está configurada para incrementar el valor de los campos contadores sumando las señales de información recibidas.

10. Sistema de comunicaciones con una estructura maestro-esclavo que presenta una unidad maestra (1), una pluralidad de unidades esclavas (3), una estructura en doble anillo (2) formada por una primera vía de comunicación

(21) y una segunda vía de comunicación (22) que trabajan en sentidos opuestos, y una unidad de interfaz (4) según una de las reivindicaciones 1 a 6 para unir de modo serial la unidad maestra (1) con la pluralidad de unidades esclavas (3) a través de la estructura de doble anillo (2),

presentando la unidad maestra (1) una unidad de transmisión (11) para transmitir señales de información, una unidad de recepción (12) para recibir señales de información, una unidad de control de transmisión (16) unida a la unidad de transmisión y una unidad de control de recepción (18) unida a la unidad de recepción,

presentando la unidad de interfaz (4) la primera unidad de conmutación (41), cuya entrada (411) está unida con la unidad de transmisión (11) de la unidad maestra (1), cuya primera salida (412) está unida a la primera vía de comunicación (21) y cuya segunda salida (422) está unida con la segunda vía de comunicación (22) y la segunda unidad de conmutación (42), cuya primera entrada (421) está unida con la primera vía de comunicación (21), cuya segunda entrada (422) está unida con la segunda vía de comunicación (22) y cuya salida (423) está unida con la unidad de recepción (12) de la unidad maestra (1),

presentando cada unidad esclava (3) una primera unidad de recepción (31) unida con la primera vía de comunicación para la recepción de señales de información por la primera vía de comunicación (21), una primera unidad de transmisión (32) unida con la primera vía de comunicación (21) para transmitir señales de información por la primera vía de comunicación, una segunda unidad de recepción (33) unida con la segunda vía de comunicación

(22) para la recepción de señales de información por la segunda vía de comunicación y una segunda unidad de transmisión (34) unida con la segunda vía de comunicación, para transmitir señales de información por la segunda vía de comunicación, una unidad de tratamiento (35) que presenta una entrada y una salida para tratar las señales de información, y un dispositivo de acoplamiento activable (37),

estando configurada la unidad de control de transmisión (16) de la unidad maestra (1) para transmitir a través de la unidad de transmisión (11) a la primera unidad de conmutación (41) de la unidad de interfaz (4) una señal de información con un campo de datos que para cada una de las unidades esclavas que están conectadas presenta el correspondiente sector de datos,

estando configurada la primera unidad de conmutación (41) de la unidad de interfaz (4) para duplicar la señal de información recibida de la unidad de transmisión (11) de la unidad maestra (1) y para emitir una de las señales de información por la primera vía de comunicación (21) y la otra señal de información por la segunda vía de comunicación (22),

estando configurado el dispositivo de acoplamiento activable (37) de cada una de las unidades esclavas (3) para unir durante el régimen de funcionamiento normal la entrada de la unidad de tratamiento (35) con la primera unidad de recepción (31), la salida de la unidad de tratamiento (35) con la primera unidad de transmisión (32) y la segunda unidad de recepción (33) con la segunda unidad de transmisión (34), para unir durante el régimen de funcionamiento con avería de la primera unidad de transmisión (32) y/o de la segunda unidad de recepción (33), la entrada de la unidad de tratamiento (35) con la primera unidad de recepción (31) y la salida de la unidad de tratamiento con la segunda unidad de transmisión (34), y para unir durante el régimen de funcionamiento con avería de la primera unidad de recepción (31) y/o de la segunda unidad de transmisión (34), la entrada de la unidad de tratamiento (35) con la segunda unidad de recepción (33) y la salida de la unidad de tratamiento (35) con la primera unidad de transmisión (32), estando configurada la unidad de tratamiento (35) de cada una de las unidades esclavas (3) para tratar el sector de datos asignado durante el tratamiento de la señal de información que pasa,

estando configurada la segunda unidad de conmutación (42) de la unidad de interfaz (4) para superponer los campos de datos de las dos señales de información que circulan en sentidos opuestos por la primera vía de comunicación (21) y por la segunda vía de comunicación (22) y retransmitirlas a la unidad de recepción (12) de la unidad maestra (1), estando configurada la unidad de control de recepción (18) de la unidad maestra (1) para evaluar la señal de información recibida de la unidad de recepción.

11. Sistema de comunicaciones según la reivindicación 9,

en el que la unidad de control de transmisión (16) de la unidad maestra (1) está configurada para dotar la señal de información adicionalmente de un campo de contador puesto en un valor predeterminado,

estando configurada la unidad de tratamiento (35) de la unidad esclava (3) para modificar el valor del campo del contador en un valor predeterminado al pasar la señal de información,

estando configurada la segunda unidad de conmutación (42) de la unidad de interfaz (4) para incrementar el valor de los campos de contadores de las señales de información recibidas al superponer las señales de información, y

estando configurada la unidad de control de recepción (18) de la unidad maestra (1) para evaluar el valor del campo de contador de la señal de información recibida por la unidad de recepción.

12. Sistema de comunicaciones según una de las reivindicaciones 7 a 11, presentando la segunda unidad de conmutación (42) un mecanismo FI-FO.

13. Sistema de comunicaciones según una de las reivindicaciones 7 a 12, en el que el dispositivo de acoplamiento activable (37) de la unidad esclava (3) presenta un primer multiplexador (38), cuya primera entrada está unida con la primera unidad de recepción (31), cuya segunda entrada está unida con la segunda unidad de recepción (33) y cuya salida está unida con la entrada de la unidad de tratamiento (35), así como un segundo multiplexador (39) cuya primera entrada está unida con la segunda unidad de recepción (33), cuya segunda entrada está unida con la salida de la unidad de tratamiento (35) y cuya salida está unida con la segunda unidad de transmisión (34), estando configurado el primer multiplexador (38) para conectar durante el régimen de funcionamiento normal su primera entrada con su salida, y en régimen de funcionamiento en caso de avería de la primera unidad de recepción (31) y/o de la segunda unidad de transmisión (34), su segunda entrada con su salida, estando configurado el segundo multiplexador (39) para conectar durante el régimen de funcionamiento normal su primera entrada con su salida, y durante el régimen de funcionamiento caso de avería de la primera unidad de transmisión (32) y/o de la segunda unidad de recepción (33), su segunda entrada con su salida.

14. Sistema de comunicaciones según una de las reivindicaciones 7 a 13, estando configuradas la primera unidad de transmisión (32) y la segunda unidad de transmisión (34) y/o la primera unidad de recepción (31) y la segunda unidad de recepción (33) de la unidad esclava (3) para determinar una avería de trayecto en la vía de comunicación que está conectada, y provocar el correspondiente régimen de funcionamiento en caso de avería.