Sistema de control orientado por bloques en Ethernet de alta velocidad.

Aparato interoperable abierto en un sistema de control distribuido,

que comprende:

un reloj de tiempo local (502) para proporcionar un tiempo local para su uso dentro de un aparato en un sistemade control distribuido; y

un reloj de tiempo de sistema (501, 501') para proporcionar un tiempo de sistema a través de dicho sistema decontrol distribuido; y

un kernel de gestión de sistema (220) para sincronizar dicho reloj de tiempo local con dicho reloj de tiempo delsistema,

caracterizado porque el kernel de gestión de sistema (220) está adaptado para retrasar el tiempo de inicio de unmacrociclo de un dispositivo en el sistema de control distribuido mediante un desplazamiento (720) para alinearlocon el tiempo de inicio del macrociclo para otro dispositivo en el sistema de control distribuido.

Sistema de control orientado por bloques en Ethernet de alta velocidad.

Campo técnico

La presente invención se refiere a la arquitectura de un sistema de control. Más particularmente, la presente invención se refiere a un sistema de control distribuido interoperable, abierto, en un entorno de red de alto rendimiento.

Antecedentes de la invención Los sistemas de control automáticos son críticos para todos los sectores de la industria tales como el control de procesos, el control discreto, el control por lotes (de procesos y discreto combinados) , el control de máquinas herramienta, el control de movimientos, y la robótica. Una de las necesidades más importantes en los sistemas de control actuales es el desarrollo y el uso de sistemas “abiertos” e “interoperables”. Los sistemas interoperables, abiertos, permiten que dispositivos de control realizados por diferentes fabricantes se comuniquen entre sí y trabajen juntos en el mismo sistema sin la necesidad de una programación personalizada. “Bus de campo” es la expresión común usada para describir estos tipos de sistemas de control.

El movimiento hacia sistemas de bus de campo interoperables, abiertos, es impulsado por los fabricantes de los dispositivos y los usuarios finales. Los fabricantes desean sistemas interoperables, abiertos, ya que esto les permite vender sus productos a más usuarios finales al mismo tiempo que reduciendo los costes de desarrollo. Los usuarios finales desean sistemas interoperables, abiertos, de manera que puedan seleccionar los mejores dispositivos de control para su sistema con independencia del fabricante del dispositivo.

Se ha producido también una tendencia hacia la distribución de funciones de control en dispositivos inteligentes. En los sistemas de control centralizado, un controlador central realiza todas las funciones de control.

En sistemas de control distribuido, más de un dispositivo de control que funcione en el sistema adopta un rol activo en las funciones de control. Aunque los sistemas tanto centralizados como descentralizados usan una red de comunicaciones, los sistemas descentralizados reducen los costes globales del sistema al reducir o eliminar las funciones del controlador centralizado entre los dispositivos de control y la interfaz humano-máquina.

Para que los sistemas de control distribuido sean verdaderamente abiertos e interoperables, se deben especificar tanto el sistema de comunicaciones como la capa de usuario (por encima de las capas del sistema de comunicaciones) y se debe hacer que los mismos sean abiertos. Uno de los sistemas distribuidos, verdaderamente abiertos e interoperables, es el sistema de bus de campo proporcionado por la Fieldbus Foundation. La capa de usuario de bus de campo FOUNDATION™ se describe, por ejemplo, en la solicitud de patente US 08/916.178 (en lo sucesivo la solicitud “’178”) presentada el 21 de agosto de 1997, titulada “BLOCK-ORIENTED CONTROL SYSTEM”, y cedida al cesionario de la presente solicitud.

El bus de campo de menor velocidad de 31, 25 kilobits por segundo (H1) usado por el bus de campo FOUNDATION™ ha sido descrito en parte por la Norma IEC 61158 de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) .

Aunque el campo de bus FOUNDATION™ proporciona la solución abierta e interoperable para la capacidad de control del H1, existe una gran necesidad de proporcionar una solución abierta e interoperable para el control distribuido en un sistema de comunicaciones de muy alto rendimiento denominado típicamente red “dorsal” de bus de campo. La red dorsal acumula información de los dispositivos de control de menor velocidad, por ejemplo, el H1 y otros dispositivos de control, la cual se usa en aplicaciones de control de supervisión y avanzadas. La red dorsal es necesaria también para la integración de información de control en los Sistemas de Información de Gestión (MIS) de la empresa.

Una de las normas ampliamente aceptadas para la señalización de comunicaciones de alto rendimiento es Ethernet. Inventada por Xerox en la década de los 70, Ethernet ha progresado desde una velocidad inicial de 10 Megabits por segundo, pasando por 100 Megabits por segundo, hasta 1 Gigabit por segundo y más allá. La señalización de Ethernet se especifica en una norma (IEEE 802.3) del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) . La señalización de Ethernet es la tecnología subyacente usada por Internet. Los protocolos de Internet son especificados por el Grupo de Trabajo de Ingeniería de Internet (IETF) y se publican como especificaciones de Petición de Comentarios (RFC) .

Aunque la tecnología de Ethernet/Internet proporciona los servicios básicos para una red dorsal de bus de campo de alto rendimiento, no prevé todas las funciones necesarias para su uso en sistemas de control distribuido. En particular, el IEEE y el IETF no tienen soluciones abiertas e interoperables adecuadas para la integración de sistemas de control distribuido (por ejemplo, el subsistema de H1) , la sincronización de tiempo del sistema, y la tolerancia a fallos.

El método de transferencia de información desde buses de campo de velocidad inferior hacia Ethernet, usado por organizaciones tales como la Open DeviceNet™ Vendor Association, Inc., (“EtherNet/IP”) y PROFIBUS International (“PROFINet”) , no es adecuado para su uso en el entorno de alto rendimiento ya que encapsula los paquetes de protocolo de velocidad inferior en una trama Ethernet. Este método, conocido como “tunelización”, es común en sistemas de control centralizado, pero resulta inadecuado para sistemas de control distribuido de alto rendimiento. Aunque más sencilla de especificar, la tunelización requeriría demasiadas conexiones del Protocolo de Control de Transporte (TCP) con la resultante tara del procesado de interrupciones y de la memoria sobre los dispositivos conectados a la red dorsal del bus de campo. Adicionalmente, la tunelización desperdicia gran parte del ancho de banda de Ethernet ya que los paquetes de protocolo de velocidad inferior (por ejemplo, los paquetes del H1) son pequeños y, en muchos casos, la tara de los paquetes de Ethernet sería mayor que un paquete de protocolo de velocidad inferior.

Los dispositivos conectados a Ethernet deben tener un sentido común del tiempo del sistema con fines relacionados con la planificación (control) de las indicaciones de tiempo y los bloques de función. Para un control distribuido de alto rendimiento, con frecuencia el tiempo del sistema necesita tener una precisión mayor que 1 milisegundo. Hasta el momento, no existe ninguna solución conocida que proporcione esta precisión usando los Equipos de Ethernet Disponibles Comercialmente (COTS) .

Para aplicaciones de control distribuido de alto rendimiento se requiere una tolerancia a los fallos de los medios y dispositivos de comunicación de Ethernet conectados a Ethernet. No existe ninguna solución conocida que proporcione la tolerancia a fallos requerida usando los equipos convencionales de Ethernet COTS. Todos los intentos anteriores por proporcionar la tolerancia a fallos requerida requieren un hardware electrónico y/o software especiales de Ethernet/Internet, y/o un dispositivo “gestor de redundancia” no convencional para añadirlos a Ethernet.

De este modo, se necesita una solución interoperable, abierta, optimizada para la integración de sistemas de control distribuido y otros dispositivos de control en una red dorsal de bus de campo de alto rendimiento.

Se necesita también una solución interoperable, abierta, que proporcione una sincronización de tiempo del sistema adecuada para aplicaciones de control distribuido que se puedan hacer funcionar a través de una red dorsal de bus de campo de alto rendimiento.

Se necesita también una solución interoperable, abierta, que proporcione una red dorsal de bus de campo, de alto rendimiento, tolerante a fallos, así como dispositivos tolerantes de fallos que estén conectados a la red dorsal de bus de campo.

J. He et al.: “Clock Synchronisation in Real-Time Distributed Systems based on FIP Field Bus”, Second IEEE Workshop on Future Trends of Distributed Computing Systems, 1990, páginas 135 a 141, divulgan una técnica para sincronizar relojes físicos en un sistema de bus de campo. La parte precaracterizadora de la reivindicación 1 parte de esta técnica anterior.

H. Lönn et al.: “Synchronisation in Safety-Critical Distributed Control Systems”, IEEE First International Conference on Algorithms and Architectures for Parallel Processing, 1995, páginas 891 a 899, divulgan un método de cadena de margarita (en inglés,... [Seguir leyendo]

1. Aparato interoperable abierto en un sistema de control distribuido, que comprende:

un reloj de tiempo local (502) para proporcionar un tiempo local para su uso dentro de un aparato en un sistema de control distribuido; y

un reloj de tiempo de sistema (501, 501’) para proporcionar un tiempo de sistema a través de dicho sistema de control distribuido; y

un kernel de gestión de sistema (220) para sincronizar dicho reloj de tiempo local con dicho reloj de tiempo del sistema,

caracterizado porque el kernel de gestión de sistema (220) está adaptado para retrasar el tiempo de inicio de un 15 macrociclo de un dispositivo en el sistema de control distribuido mediante un desplazamiento (720) para alinearlo con el tiempo de inicio del macrociclo para otro dispositivo en el sistema de control distribuido.

2. Aparato según la reivindicación 1, que comprende:

una primera interfaz de red para la comunicación con una primera red (240) que presenta una pila de protocolos de comunicaciones (280) ;

un agente de acceso a dispositivos (290) para establecer una correspondencia de por lo menos un mensaje de servicio de formato heredado del sistema de control distribuido con un mensaje de formato de red compatible con la pila de protocolos de comunicaciones; y una interfaz local de kernel de gestión de sistema (295) a través de la cual el agente de acceso a dispositivos se comunica con el kernel de gestión de sistema.

3. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una bandera de sincronización (510) que indica si el reloj de tiempo de sistema (501’) está sincronizado con un tiempo global de un dispositivo de tiempo principal (500) del sistema de control distribuido.

4. Aparato según la reivindicación 3, que además comprende:

una base de información de gestión (271) que comprende el reloj de tiempo de sistema (501’) y la bandera de sincronización (510) ; y

una base de información de gestión de sistema (212) que comprende el reloj de tiempo local (502) .

5. Aparato según la reivindicación 1, que comprende un dispositivo de tiempo principal (500) configurado para generar un tiempo global, siendo el reloj de tiempo de sistema (501’) periódicamente sincronizado con el tiempo global del dispositivo de tiempo principal.

6. Método de sincronización de una pluralidad de tiempos locales específicos de un dispositivo y un tiempo de 45 sistema en un sistema de control distribuido interoperable abierto, estando dicha pluralidad de tiempos locales específicos de un dispositivo asociada con unos respectivos dispositivos de entre una pluralidad de dispositivos (110, 200) en el sistema de control distribuido interoperable abierto, comprendiendo dicho método:

detectar un extremo de un macrociclo (601) de un dispositivo; 50 proporcionar un tiempo de inicio de un macrociclo sucesivo a cada una de dicha pluralidad de dispositivos;

calcular un desplazamiento (720) entre cada una de dicha pluralidad de tiempos locales específicos de un dispositivo y dicho tiempo de sistema;

sincronizar cada uno de dicha pluralidad de tiempos locales específicos de un dispositivo con dicho tiempo de sistema utilizando dicho desplazamiento calculado (720) ; y

alinear dicha pluralidad de tiempos de inicio de macrociclo específicos de un dispositivo uno con respecto a 60 otro, de manera que dichos tiempos de inicio de los macrociclos de cada una de dicha pluralidad de dispositivos coincidan.

7. Método de sincronización de una pluralidad de tiempos locales específicos de un dispositivo y un tiempo de sistema según la reivindicación 6, que comprende: 65 proporcionar un dispositivo de tiempo principal (500) en dicho sistema de control distribuido interoperable abierto, manteniendo dicho dispositivo de tiempo principal un tiempo global;

determinar si dicho tiempo de sistema está sincronizado con dicho tiempo global; y

establecer una bandera sincronizada (510) si se determina que dicho tiempo de sistema está sincronizado con dicho tiempo global.

8. Método de sincronización de una pluralidad de tiempos locales específicos de un dispositivo y un tiempo de sistema según las reivindicaciones 6 o 7, en el que dicha etapa de alineación de dicha pluralidad de tiempos de inicio específicos de un dispositivo comprende:

calcular un desplazamiento entre cada uno de dicha pluralidad de tiempos de inicio específicos de un dispositivo unos con respecto a otros; y

añadir un retraso de tiempo por lo menos a uno de dicha pluralidad de tiempos de inicio específicos de un dispositivo, de manera que dichos tiempos de inicio de cada uno de dicha pluralidad de dispositivos coincidan unos con respecto a otros.