Transmisión de datos en una red de comunicaciones del tipo anillo.

Un método de transmisión de datos en una red de comunicación del tipo anillo con un nodo maestro (1),

un nodode origen (4) y un nodo de destino (2) conectados a los respectivos primer (2; 5; 3) y segundo (5; 3; 1) nodosvecinos de la red de comunicación, comprendiendo el método

- el envío, por el nodo maestro (1), de una primera y una segunda tramas redundantes (23a, 23b) de un parde tramas redundantes al primer (2) y al segundo (5) nodo vecino del nodo maestro, respectivamente,

caracterizado por que el método comprende

- la inserción, por el nodo de origen (4), de datos de proceso idénticos en un campo predeterminado (107-4)de cada una de las dos tramas redundantes (23a, 23b) del par de tramas redundantes y el envío de lastramas redundantes cargadas (24a, 24b) que incluyen dichos datos de proceso al primer (5) y al segundo (3)nodos vecinos del nodo de origen, respectivamente,

- la extracción, por el nodo de destino (2), de los datos de proceso de una primera trama redundante cargada(24b) recibida por el nodo de destino.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E09166937.

Solicitante: ABB RESEARCH LTD..

Nacionalidad solicitante: Suiza.

Dirección: AFFOLTERNSTRASSE 44 8050 ZURICH SUIZA.

Inventor/es: KIRRMANN,HUBERT, Tournier,Jean-Charles.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H04B10/02
  • H04L12/42 SECCION H — ELECTRICIDAD.H04 TECNICA DE LAS COMUNICACIONES ELECTRICAS.H04L TRANSMISION DE INFORMACION DIGITAL, p. ej. COMUNICACION TELEGRAFICA (disposiciones comunes a las comunicaciones telegráficas y telefónicas H04M; selección H04Q). › H04L 12/00 Redes de datos de conmutación (interconexión o transferencia de información o de otras señales entre memorias, dispositivos de entrada/salida o unidades de tratamiento G06F 13/00). › Redes en bucle.

PDF original: ES-2384600_T3.pdf

 

Transmisión de datos en una red de comunicaciones del tipo anillo.

Fragmento de la descripción:

Transmisión de datos en una red de comunicaciones del tipo anillo

5 Campo de la invención

La invención se refiere al campo de los sistemas deterministas de comunicación industrial que usan redes de comunicación redundantes para el control de procesos de ejecución crítica, en particular para el control de vehículos, control de accionamientos o automatización de subestaciones.

Antecedentes de la invención En los sistemas de comunicación industrial para aplicaciones vitales o de ejecución critica por lo demás, tales como el control de vehículos, control de accionamientos o automatización de subestaciones, la disponibilidad y la fiabilidad son aspectos clave, debido a que un fallo en el sistema de comunicaciones puede conducir a una interrupción de la aplicación y a una parada de un proceso controlado por esta última. Por lo tanto, la redundancia de la red de comunicaciones es una característica importante de los sistemas de comunicación industriales que exigen una elevada disponibilidad, en particular aquellos que usan comunicación basada en Ethernet con conmutadores comerciales.

Un elevado nivel de redundancia con un funcionamiento sin interrupciones en el caso de fallo se puede proporcionar mediante la duplicación de las vías de comunicación, por ejemplo el cable eléctrico u óptico de transmisión, así como al menos la capa física de la pila de protocolos correspondientes de los dispositivos adjuntos a cada una de las dos redes de área local a través de dos transceptores y controladores de bus independientes. Para cada trama a ser transmitida un remitente envía simultáneamente dos tramas, una a través de cada línea, y el receptor acepta cualquiera que sea la trama de dicho par de tramas redundante que llegue primero y descarta la trama posterior. La conmutación es sin interrupciones, dado que no hay necesidad de repetir una trama en caso de interrupción de un recorrido. El marcado de las tramas redundantes ofrece una supervisión completa de ambas líneas redundantes con tráfico normal, asegurando una elevada cobertura. Este método se ha descrito en la solicitud de patente WO 2006/053459 y se ha normalizado como Protocolo de Redundancia Paralelo (PRP, del inglés “Parallel Redundancy Protocol”) en la norma IEC 62439. Sin embargo, el PRP requiere una duplicación completa y por ello bastante antieconómica de la red física.

Una topología en anillo proporciona una solución más eficaz en coste, especialmente cuando el elemento de conmutación está integrado dentro del nodo (formando un nodo conmutado en el extremo) , ofreciendo una disponibilidad similar a la de PRP pero sufriendo frecuentemente de largos retardos de recuperación de hasta unos pocos milisegundos. En una red en anillo, cada nodo tiene dos puertos de comunicación que le conectan a dos nodos vecinos y de ahí que la red en anillo se pueda hacer funcionar en cualquiera o en ambas direcciones y por ello ofrece una flexibilidad contra un fallo en el enlace. Las redes en anillo tales como la FDDI o la Token Ring son comunes en la técnica y pueden ser del tipo Ethernet, en cuyo caso los protocolos tales como el RSTP (IEEE 802.1D) aseguran que no puedan circular indefinidamente las tramas en el anillo.

La solicitud de patente no publicada EP 08160883.8 se refiere a aplicaciones de ejecución crítica o altamente disponibles basadas en una red de comunicaciones del tipo de anillo con una pluralidad de nodos de conmutación y 45 funcionando con enlaces full dúplex. Un nodo remitente que se conecta a través de un primer y un segundo puerto respectivos a la red de comunicaciones transmite pares de tramas redundantes. Para cada trama a ser enviada en la red en anillo, se transmite una trama de origen y un duplicado en direcciones opuestas, siendo retransmitidas ambas tramas por los otros nodos de la red en anillo hasta que eventualmente retornan al nodo remitente de origen. Como consecuencia, la carga de la red se duplicará aproximadamente con respecto a una red en anillo convencional, pero el nodo de destino recibirá los datos después de un retardo de transmisión máximo que es igual al recorrido más largo posible del anillo. En un estado libre de defectos, el nodo de destino recibirá por tanto dos tramas redundantes con el mismo contenido. Las tramas redundantes se pueden identificar de acuerdo con el Protocolo de Redundancia Paralelo PRP anterior, y de ahí que solamente la anterior o primera trama de las dos tramas se envía a los protocolos de la capa superior y la última o segunda trama se descarta. En una variante ventajosa de la invención, 55 para impedir que las tramas circulen indefinidamente en el anillo, el nodo remitente de origen no retransmite una trama que haya enviado previamente él mismo.

La subestaciones en las redes eléctricas de alta y media tensión incluyen dispositivos primarios tales como cables eléctricos, líneas, embarrados, interruptores, transformadores de potencia y transformadores de medida, que se disponen en general en parques de maniobra y/o calles. Estos dispositivos primarios se accionan en una forma automatizada a través de un sistema de Automatización de Subestaciones (SA, del inglés “Substation Automation”) . El sistema de SA comprende dispositivos secundarios programables, basados en microprocesador, denominados Dispositivos Electrónicos Inteligentes (IED, del inglés “Intelligent Electronic Devices”) responsables de la protección, control y supervisión de los dispositivos primarios. Los IED pueden estar asignados en general a uno de tres niveles 65 jerárquicos, es decir al nivel de estación, al nivel de calle o posición, y al nivel de proceso. El nivel de estación del sistema de SA incluye una Estación de Trabajo del Operador (OWS, del inglés “Operator Work Station”) con una Interfaz Hombre Máquina (HMI, del inglés “Human-Machine Interface”) y una pasarela al Centro de Control de la Red (NCC, del inglés “Network Control Centre”) . Los IED en el nivel de calle, también denominados unidades de calle, a su vez se conectan entre sí y a los IED del nivel de estación a través de un bus entre calles. El bus de estación está cubierto por la parte 8-1 de la norma IEC 61520 “redes y sistemas de comunicación en subestaciones” que estipulan protocolos (por ejemplo la Especificación de Mensajes de Fabricación, MMS (del inglés “Manufacturing Message Specification”) , o Eventos de Subestación orientados a Objetos Genéricos, GOOSE (del inglés “Generic Object Oriented Substation Events”) ) que no son exigentes en términos de carga de la red (unos pocos paquetes por segundo) y sincronización (se requiere usualmente 1 ms) , y están dirigidos a la transmisión de órdenes a los controladores de calle, aunque también a notificación de eventos, tales como alarmas o cambios de estado.

Por otro lado, la interfaz de proceso que enlaza el nivel de procesos con el nivel de calle incluye un bus de proceso que está cubierto por la parte IEC61850-9-2 de la norma anterior. La tarea principal del bus de proceso es transmitir valores de medida (valores de muestra, SV (del inglés “Sampled Values”) de los transformadores de medida o unidades de combinación a los dispositivos de protección y órdenes de disparo (GOOSE) desde los dispositivos de protección al interruptor. A diferencia del bus de estación, el bus de proceso requiere una elevada disponibilidad (es decir la velocidad de envío de los valores muestreados está entre 4 kHz y 12 kHz) y estrictas limitaciones de tiempo real (es decir los valores muestreados tienen que ser proporcionados a la aplicación de protección menos de 3 ms después de que se hayan producido) para realizar correctamente las funciones de protección.

En tanto que los requisitos de disponibilidad de los datos de valores muestreados está claramente acometida por el protocolo redundante anterior, el requisito en tiempo real permanece un problema abierto. El protocolo IEC 61850-92 para Valores Muestreados se basa en Ethernet y por lo tanto sólo pueden proporcionar una garantía del mejor esfuerzo en relación a los retardos en la entrega de datos. Más aún, el protocolo prioriza los paquetes que ya están circulando en el anillo sobre aquellos que necesitan ser enviados por un nodo. Esta propiedad puede conducir a un silenciamiento del nodo, es decir a que un nodo esté constantemente enviando paquetes desde un puerto al otro sin que sea capaz de enviar sus propios paquetes.

Los protocolos en tiempo real se han estudiado extensivamente en los últimos 30 años y se han encontrado dos enfoques principales para garantizar la propiedad... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un método de transmisión de datos en una red de comunicación del tipo anillo con un nodo maestro (1) , un nodo de origen (4) y un nodo de destino (2) conectados a los respectivos primer (2; 5; 3) y segundo (5; 3; 1) nodos 5 vecinos de la red de comunicación, comprendiendo el método -el envío, por el nodo maestro (1) , de una primera y una segunda tramas redundantes (23a, 23b) de un par de tramas redundantes al primer (2) y al segundo (5) nodo vecino del nodo maestro, respectivamente, caracterizado por que el método comprende -la inserción, por el nodo de origen (4) , de datos de proceso idénticos en un campo predeterminado (107-4) de cada una de las dos tramas redundantes (23a, 23b) del par de tramas redundantes y el envío de las tramas redundantes cargadas (24a, 24b) que incluyen dichos datos de proceso al primer (5) y al segundo (3) nodos vecinos del nodo de origen, respectivamente, -la extracción, por el nodo de destino (2) , de los datos de proceso de una primera trama redundante cargada (24b) recibida por el nodo de destino.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende

- el envío, por el nodo de destino (2) , de las dos tramas redundantes (24a, 24b) del par y -la eliminación, por el nodo maestro (1) , de las dos tramas redundantes (23a, 23b) y/o las dos tramas redundantes cargadas (24a, 24b) del par.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende

-el envío, por el nodo maestro (1) , de la primera y segunda tramas redundantes de una pluralidad de pares de tramas redundantes al primer (2) y al segundo (5) nodo vecino del nodo maestro, respectivamente, en el que dos pares redundantes distintos incluyen campos de contenido útil (107) para nodos de origen distintos.

4. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el que la red de comunicación del tipo anillo es parte de un sistema de Automatización de Subestaciones SA para una subestación de alta o media tensión de un sistema eléctrico, comprendiendo el método

- la inserción, por el nodo de origen, de datos de proceso que incluyen los datos de Valores Medidos Muestreados SMV proporcionados al nodo de origen por un sensor de intensidad o tensión conectado a la 35 subestación.

5. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el que un nodo (2-5) en el anillo se sincroniza con el nodo maestro (1) en base a la recepción sucesiva de una trama redundante (23a, 23b) del par de tramas redundantes.

6. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el que el nodo maestro (1) es un nodo maestro primario y en el que se conecta un nodo maestro de reserva al anillo de comunicación, comprendiendo el método

45 -la detección, por el nodo maestro de reserva, de un fallo del nodo maestro primario y el envío, por el nodo maestro de reserva, de una primera y una segunda tramas redundantes a los nodos vecinos del nodo maestro de reserva.

7. Una red de comunicación del tipo anillo con un nodo maestro (1) , un nodo de origen (4) y un nodo de destino (2) conectados a los respectivos primer (2; 5; 3) y segundo (5; 3; 1) nodos vecinos de la red de comunicación, respectivamente, en la que

- el nodo maestro (1) está adaptado para generar y enviar una primera y una segunda tramas redundantes (23a, 23b) de un par de tramas redundantes al primer (2) y al segundo (5) nodo vecino del nodo maestro, 55 respectivamente,

caracterizada por que

- el nodo de origen (4) está adaptado para insertar datos de proceso idénticos en un campo predeterminado (107-4) de cada una de las dos tramas redundantes (23a, 23b) del par de tramas redundantes y para enviar las tramas redundantes cargadas (24a, 24b) que incluyen dichos datos de proceso al primer (5) y al segundo

(3) nodos vecinos del nodo de origen, respectivamente, -el nodo de destino (2) está adaptado para extraer los datos de proceso de una primera trama redundante cargada (24b) recibida por el nodo de destino.

8. La red de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizada por que el nodo maestro (1) es un nodo maestro 65 primario y por que se conecta un nodo maestro de reserva a la red de comunicación y se adapta para detectar activamente un fallo del nodo maestro primario.


 

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