ES2288745T3 - Red de automatizacion con componentes de red que generan mensajes de estado. - Google Patents

Abstract

Red de automatización con al menos un aparato (2) de automatización, que está enlazado con al menos un aparato (5... 10) de campo a través de al menos un componente (11, 12, 13) de red, que sirve para la conexión de diferentes segmentos de una red de transmisión de datos, caracterizada porque los componentes (11, 12, 13) de red están configurados para enviar mensajes sobre su estado con un mecanismo de comunicación de la comunicación de campo según la técnica de automatización según la norma PROFINET, Ethernet IP, o Modbus TCP, al aparato (2) de automatización, y porque el aparato (2) de automatización está configurado para recibir los mensajes de estado, evaluarlos y, con ayuda de los mensajes de estado, monitorizar el funcionamiento de la red de automatización.

Description

Red de automatización con componentes de red que generan mensajes de estado.

La invención se refiere a una red de automatización con al menos un aparato de automatización que está enlazada con al menos un aparato de campo a través de al menos un componente de red.

Por el concepto aparato de automatización se entiende un aparato que ejecuta un programa de control para influir en un proceso que debe controlarse. Este tipo de aparatos se denominan a menudo como SPS ("speicherprogrammierbare Steuerung", controlador lógico programable), PLC ("Programmable Logic Controller", o de manera abreviada sencillamente controlador), Soft SPS o Soft PLC. Un aparato de automatización puede estar construido de manera modular y contener una unidad central programable así como módulos inteligentes, que adoptan funciones de automatización individuales, por ejemplo de pesaje, control de ejes, regulación, etc. Para conectarse a una red, que sirve para el intercambio de datos con otros componentes de una red de automatización, por ejemplo componentes de red o aparatos de campo, puede preverse un módulo adicional, que se denomina procesador de comunicación.

Con el concepto aparato de campo se denomina a un aparato que puede disponerse descentralizado en el campo, es decir, en una red de automatización próxima al proceso que debe controlarse, y ejerce las funciones de detección de magnitudes de proceso y/o para influir en el proceso. Este tipo de aparatos se denominan a menudo también como transductor, detector, elemento de mando o actuador. Habitualmente presentan dispositivos para la conexión a una red y utilizan para la comunicación mecanismos de comunicación del ámbito de la automatización. Ejemplos de tales mecanismos de comunicación basados en Ethernet son PROFINET, Ethernet IP o Modbus TCP. Un mecanismo de comunicación se define por el protocolo correspondiente, que generalmente está normalizado, y la relación de comunicación en la que se basa. Las relaciones de comunicación organizan la comunicación entre los aparatos participantes en la transmisión de datos en la red, que también se denominan como participantes. Ejemplos de relaciones de comunicación son cliente/servidor, maestro/esclavo, maestro/maestro, productor/consumidor o editor/abonado. Como protocolo de comunicación en redes basadas en Ethernet se emplea a menudo TCP/IP.

Los denominados componentes de red sirven para la construcción de la estructura de red. Son transparentes para los demás componentes de la red de automatización, por ejemplo para aparatos de automatización y aparatos de campo, es decir, los mensajes de estos aparatos atraviesan los componentes de red, sin que se efectúen en los mismos, variaciones relevantes para el proceso. Los componentes de red no ejercen en sí mismos ninguna influencia en el desarrollo del proceso. Puesto que los componentes de red para redes basadas en Ethernet se introdujeron en primer lugar en el ámbito de la oficina, desde entonces se han aplicado mecanismos de comunicación del ámbito de la oficina para la monitorización y el control de la red. En el ámbito de la oficina se monitorizan normalmente redes con un sistema de gestión de red. La comunicación entre los componentes de red y un sistema de gestión de red se realiza a menudo con SNMP ("Simple Network Management Protocol", protocolo simple de administración de red), un protocolo que no tiene relevancia alguna para el control de procesos y que normalmente no conocen los aparatos de automatización. Una monitorización y un control de este tipo de la red se desarrollan por tanto independientemente de la conducción del proceso de los aparatos de automatización. Por lo tanto no es posible una reacción rápida y directa de un aparato de automatización ante problemas de la red.

Por el documento US 2002/0116486 A1 se conoce un procedimiento para monitorizar y controlar una red, en el que se utiliza un aparato de monitorización, cuyos mecanismos de comunicación se basan en la norma OPC ("Object linking and embedding Process Control", enlace e incrustación de objetos para control de procesos). Esta norma se aplica a menudo para la comunicación en el ámbito de la automatización. En una relación cliente/servidor, el aparato de monitorización accede a datos de otros aparatos que se encuentran en la red, que utilizan el protocolo SNMP habitual en el ámbito de la oficina. El aparato de monitorización como cliente se conecta a una pasarela, que convierte los objetos SNMP en objetos OPC. El procedimiento tiene la desventaja de que la comunicación entre el servidor SNMP y el cliente OPC debe ejecutarse a través de un dispositivo adicional.

La invención se basa en el objetivo de crear una red de automatización del tipo mencionado al inicio así como un aparato de automatización, un componente de red y un aparato de campo para una red de automatización de este tipo, que permitan una reacción rápida ante variaciones de estado de la red.

Para resolver este objetivo, la nueva red de automatización presenta las características de la reivindicación 1, el nuevo aparato de automatización, las características de la reivindicación 5, el nuevo componente de red, las características de la reivindicación 6 y el nuevo aparato de campo, la característica de la reivindicación 7.

La invención tiene la ventaja de que los eventos y estados en la red de automatización, que se diferencian del estado teórico, pueden reconocerse enseguida por un aparato de automatización. Los componentes de red contienen un mecanismo de comunicación habitual ya en los aparatos de campo, a través del cual que llegan los mensajes sobre su estado en la red de los componentes de red directamente al aparato de automatización asociado respectivamente. Una pasarela adicional o un ordenador para la instalación de un servidor SNMP/OPC ya no son necesarios. Puesto que la función de monitorización y control de la red puede integrarse ahora en el aparato de automatización, se elimina también una estación de gestión de red separada. La red de automatización según la invención representa por tanto una solución integrada en los componentes de automatización, presentes en cualquier caso, y extremadamente económica de monitorización y control de red. Además, es fácil de utilizar ya que se utilizan mecanismos de comunicación que son conocidos por los expertos en la automatización en el ámbito de la automatización. No es necesario por tanto conocimientos especiales.

Puede verse una ventaja adicional en que, en el aparato de automatización está presente la representación completa del proceso que van a controlarse y de la red. Esto tiene la consecuencia de que pueden interconectase entre sí eventos del proceso y de la red. Por ejemplo, si en un armario de distribución se comunica a través de un aparato de campo un aumento de la temperatura y, prácticamente al mismo tiempo, a través de un componente de red, un fallo de suministro de tensión redundante, en el aparato de automatización puede deducirse de manera sencilla la causa del fallo de suministro de tensión, concretamente, el aumento de temperatura en el armario de distribución en el que se encuentran los componentes de red. Si falla otro suministro de tensión adicional de la componente de red y, por tanto, ya no puede alcanzarse una línea de red situada tras los componentes de red, el aparato de automatización puede entonces, dado el caso, cambiar el control de proceso a un procedimiento que no necesite los componentes que han fallado. Se consigue por tanto un aumento de la disponibilidad de la red de automatización.

De manera ventajosa, para una indicación del estado de red y eventualmente errores de red, pueden utilizarse normalmente en medios presentes en cualquier caso en redes de automatización, por ejemplo una estación de funcionamiento o de vigilancia, un aparato de servicio, un aparato de programación o similar. No son necesarios aparatos adicionales ni software adicional, ya que entre el aparato de automatización y el aparato de indicación así como entre los componentes de red y el aparato de indicación se utilizan mecanismos de comunicación del ámbito de la automatización.

De manera ventajosa, el mecanismo de automatización entre componente de red y el aparato de automatización puede construirse de manera correspondiente a un mecanismo de comunicación de la comunicación de campo según la técnica de automatización entre un aparato de campo y el aparato de automatización.

La integración de componentes de red puede considerarse en este caso como una nueva categoría de aparatos de campo con propiedades definidas uniformes en el ámbito de la automatización con las convenciones predominantes en el mismo.

Los aparatos de campo se dan a conocer normalmente a través de un denominado GSD ("Geräte Stamm Datei", archivo maestro del aparato) a un sistema de ingeniería. El GSD se carga en el sistema de ingeniería y está disponible entonces en el catálogo de hardware para diseños adicionales. El GSD contiene además de mensajes normalizados, dado el caso, también entradas específicas/propietarias. A través del diseño de mensajes de sistema se asigna a los eventos respectivos un número de mensaje de sistema unívoco. Todo el diseño se carga en el controlador; el texto del mensaje con los mensajes de sistema asociados se transmiten a un sistema B&B. Según el evento, el aparato de campo envía un mensaje de diagnóstico correspondiente al aparato de automatización. En la parte de programa cíclica, el aparato de automatización comprueba de manera permanente si hay presentes mensajes de sistema. Según la aplicación, el número de mensaje asociado se envía al sistema B&B y, dado el caso, se enlaza con otros eventos. El sistema B&B indica el mensaje en texto claro asociado, ya que el sistema B&B conoce ya el significado de este número de mensaje.

Los componentes de red se dan a conocer para la ingeniería ahora igualmente a través de un GSD correspondiente como una nueva clase de aparatos de campo sin señales I/O (y por tanto no influyen en el proceso). Los mecanismos conocidos para aparatos de campo en los aparatos de automatización se utilizan entonces también para componentes de red.

En una segunda etapa se aspira a una normalización del GSD para los componentes de red.

Se facilita de manera ventajosa una sencilla capacidad de diferenciación de los mensajes de estado de red de los componentes de red con respecto a los mensajes de los aparatos de campo si, en el mecanismo de comunicación, a los componentes de red se asocia, de manera correspondiente a la asociación conocida de clases en los aparatos de campo, una clase de aparato diferente de las clases de los aparatos de campo. Con ello es posible de manera sencilla la selección y evaluación de los mensajes de la clase de los componentes de red a partir de la cantidad de mensajes de sistema en el aparato de automatización.

Si un componente de red está integrado en un aparato de campo, éste tiene la ventaja de que se reduce el esfuerzo de realización de una red de automatización.

De manera ventajosa, el mecanismo de comunicación puede realizarse de tal manera que corresponde a la norma PROFINET I/O y los mensajes de estado de los componentes de red se transmiten de manera acíclica. Esto tiene la ventaja de que no aparece ninguna carga de red adicional en la zona de la transferencia de datos cíclica y la transmisión cíclica de datos de proceso no se ve influenciada por la transmisión acíclica de los mensajes de estado.

Con ayuda de los dibujos, en los que está representado un ejemplo de realización de la invención, se explica más detalladamente la invención así como las configuraciones y ventajas. Muestran:

la figura 1, una red de automatización,

la figura 2, una imagen estructural de un componente de red, y

la figura 3, una imagen estructural de un aparato de automatización.

Una red 1 de automatización comprende, según la figura 1, un aparato 2 de automatización, un aparato 3 de programación para el diseño de la red 1 de automatización, una estación 4 de funcionamiento y vigilancia, que forma la interfaz para un usuario, aparatos 5, 6, 7, 8, 9 y 10 de campo, con los que puede influirse en un proceso de control, que no está representado en la figura por motivos de claridad, así como componentes 11, 12 y 13 de red que sirven para conectar diferentes segmentos de una red de transmisión de datos. El componente 11 de red está integrado en el aparato 6 de campo. En un puerto del componente 11 de red está conectado el aparato 2 de automatización, mientras que los otros dos puertos están conectados a un segmento 14 de red o segmento 15 de red. En un puerto del componente 12 de red se encuentra el aparato 8 de campo. Otros dos puertos del componente 12 de red están conectados con el segmento 15 de red o un segmento 16 de red. Un cuarto puerto 17 del componente 12 de red no está ocupado. El componente 13 de red está conectado con el segmento 16 de red y sirve como "Access Point", es decir, como punto de acceso para aparatos de campo móviles con transmisión de datos por radio. Con este componente 13 de red existe para el aparato 10 de campo móvil una conexión 18 de radio. La red de transmisión de datos se realiza basándose en Ethernet y utiliza mecanismos de comunicación según PROFINET I/O. Los datos de proceso se transmiten entre el aparato 2 de automatización y los aparatos 5... 10 de campo cíclicamente para garantizar una comunicación de proceso de alto rendimiento. Para mensajes de los componentes 11, 12 y 13 de red que se refieren a estados de error o de aviso, se utiliza por el contrario la zona acíclica. Para estos mensajes se utiliza también un mecanismo de comunicación según PROFINET I/O, es decir, el mismo mecanismo de comunicación que sirve también para la comunicación de campo según técnicas de automatización. Estos mensajes de estado se reciben y evalúan por el aparato 2 de automatización. Un ejemplo de este tipo de mensajes de estado es un enlace descendente, es decir, un puerto de un componente de red deja de emitir, por ejemplo porque el cable de conexión del segmento respectivo se ha salido del puerto. Un ejemplo adicional es el mensaje de un componente de red, de que no hay un suministro de tensión redundante y por tanto ya sólo está disponible un suministro de tensión para el hacer que sigan funcionando los componentes de red. Puesto que en el aparato 2 de automatización está presente siempre la representación completa (valores de proceso y estado de diagnóstico) del proceso que debe controlarse y de la red de transmisión de datos, el programa de control del aparato de automatización puede enlazar entre sí los eventos del proceso y la red y reaccionar de manera adecuada ante estados de error comunicados por los componentes de red. Los componentes 11, 12 y 13 de red se modelan como una clase especial de aparatos de campo según la norma PROFINET I/O. De esta manera pueden diferenciarse los mensajes de proceso fácilmente de mensajes de estado de la red de transmisión de datos. Las modificaciones del proceso así como de estado de red se indican a un usuario en la estación 4 de funcionamiento y vigilancia. En la estación 4 de funcionamiento y vigilancia, a través de la red de transmisión de datos, pueden indicarse informaciones detalladas obtenidas directamente de los componentes 11, 12 y/o 13 de red. Con ayuda de estas informaciones detalladas el usuario puede decidir cómo puede solucionarse un estado de error eventual en uno de los componentes 11, 12 y 13.

El diseño de la red 1 de automatización puede desarrollase por ejemplo como sigue:

El aparato 2 de automatización se diseña mediante el aparato 3 de programación como estación de ingeniería, por ejemplo con software STEP-7 y obtiene entre otras cosas su dirección de red para la red de transmisión de datos. El aparato 2 de automatización suministra entonces datos adicionales a todos los aparatos, es decir, a los aparatos 5... 10 de campo así como a los componentes 11, 12 y 13 de red, que están asociados al aparato 2 de automatización para el proceso que debe controlarse, que puede ser un proceso secundario de uno superior. Por tanto, los componentes 11, 12 y 13 de red obtienen de la misma manera que los aparatos 5... 10 de campo su dirección de red respectiva desde el aparato 2 de automatización. Además, a través de la ingeniería puede establecerse qué datos de los componentes 11, 12 y 13 de red se incluyen en el diagnóstico de sistema.

En la figura 2 está representada a modo de ejemplo una construcción dividida en bloques funcionales de un componente 20 de red, que es adecuada para usarse en la red de automatización explicada con ayuda de la figura 1. El componente 20 de red tiene n puertos P1, P2... Pn. Estos puertos están conectados con un módulo 21 de capa física, que se controlan mediante un interruptor ASIC 22. Para la realización de los mecanismos de comunicación sirve adicionalmente una CPU 23 con un programa 24 operativo. El programa 24 operativo realiza, entre otras cosas, un denominado agente 25 SNMP, un servidor 26 web y una modelación 27 de dispositivo de campo.

Un agente SNMP es un acceso típico a componentes de red para administradores de red. El componente 20 de red se presenta al administrador a través del agente 25 SNMP, que permite un diagnóstico de red de orden superior. Sin embargo está aislado del diagnóstico y control del proceso que debe controlarse. Los servidores web ofrecen acceso al diagnóstico de aparatos individuales. En el ejemplo de realización mostrado, el servidor 26 web sirve para el diagnóstico del componente 20 de red, que se presenta a un usuario con su interfaz web a través de un navegador. Este tipo de diagnóstico también está aislado del diagnóstico y control del proceso.

Mediante la modelación 27 de dispositivo de campo, el componente 20 de red se presenta al usuario como representante de una clase especial de aparatos de campo. Los mecanismos de comunicación en los que se basa permiten una integración total del diagnóstico y el control del componente 20 de red en el control y diagnóstico del proceso, que se realiza en la red 1 de automatización anteriormente descrita según la figura 1 mediante el aparato 2 de automatización.

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Un aparato 30 de automatización contiene según la figura 3, para la comunicación, un módulo 31 de capa física que forma parte integrante de un procesador 32 de comunicación. El procesador 32 de comunicación intercambia los datos transmitidos o que van a transmitirse con una CPU. Una interfaz 34 sirve para conectar un aparato de programación con el aparato 30 de automatización. De manera alternativa, también es posible la conexión directa de un aparato de programación con la red con total acceso al aparato de automatización. Para el funcionamiento de la CPU 33 sirve un sistema 35 operativo. Un control 36 de desarrollo controla el desarrollo de un programa 37 de usuario, que consiste en una parte 38 cíclica, en la que el programa 37 de usuario reacciona de manera específica al proceso, y en una parte 39 acíclica con reacción controlada por eventos. Mediante el control 36 de desarrolla se actualiza de manera continua una lista 40 de estados de diagnóstico y los mensajes se registran en una memoria 41 intermedia de mensajes. La parte 39 acíclica del programa de usuario entrega datos de los componentes de red a la parte 38 cíclica, para permitir una reacción específica del proceso ante modificaciones. Los datos de los aparatos de campo y de los componentes de red se depositan por la parte 38 cíclica en una memoria 42 o en una memoria 43. Las dos memorias 42 ó 43 pueden entenderse como secciones lógicas en un área de memoria mayor. Por tanto, en el aparato 30 de automatización está presente una representación total del proceso y de la red. Tanto la parte 38 cíclica como la parte 39 acíclica del programa 37 de usuario pueden generar mensajes que se transmiten a una estación de funcionamiento y vigilancia. Además, la memoria 41 intermedia de mensajes así como las memorias 42 y 43 pueden leerse por una estación de funcionamiento y vigilancia. Un sistema de ingeniería, por ejemplo un aparato de programación, puede acceder mediante lectura, para la evaluación, a la lista 40 de estados de diagnóstico y a la memoria 41 intermedia de mensajes. En la estructura mostrada del aparato 30 de automatización queda especialmente claro que, debido al reconocimiento inmediato de eventos en la red, que tiene lugar en el ejemplo de realización mostrado en la parte 39 acíclica del programa 37 de usuario, es posible una reacción directa y rápida del aparato 30 de automatización de manera similar a una reacción ante modificaciones del estado de proceso.

Claims (7)

1. Red de automatización con al menos un aparato (2) de automatización, que está enlazado con al menos un aparato (5... 10) de campo a través de al menos un componente (11, 12, 13) de red, que sirve para la conexión de diferentes segmentos de una red de transmisión de datos, caracterizada porque los componentes (11, 12, 13) de red están configurados para enviar mensajes sobre su estado con un mecanismo de comunicación de la comunicación de campo según la técnica de automatización según la norma PROFINET, Ethernet IP, o Modbus TCP, al aparato (2) de automatización, y porque el aparato (2) de automatización está configurado para recibir los mensajes de estado, evaluarlos y, con ayuda de los mensajes de estado, monitorizar el funcionamiento de la red de automatización.

2. Red de automatización según la reivindicación 1, caracterizada porque el mecanismo de comunicación está construido entre un aparato (5... 10) de campo y el aparato (2) de automatización de manera correspondiente a un mecanismo de comunicación de la comunicación de campo según la técnica de automatización.

3. Red de automatización según la reivindicación 2, caracterizada porque, en el mecanismo de comunicación, a un componente (11, 12, 13) de red se asocia, de manera correspondiente a la asociación conocida de clases en los aparatos de campo, una clase de aparato diferente de las clases de aparatos de campo.

4. Red de automatización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el mecanismo de comunicación corresponde a la norma PROFINET I/O y porque los componentes (11, 12, 13) de red están configurados para transmitir de manera acíclica los mensajes de estado.

5. Aparato de automatización para una red de automatización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el aparato (2) de automatización está configurado para recibir mensajes sobre el estado de los componentes (11, 12, 13) de red, que éstos envían con un mecanismo de comunicación de la comunicación de campo según la técnica de automatización según la norma PROFINET, Ethernet IP, o Modbus TCP al aparato (2) de automatización, evaluarlos y, con ayuda de los mensajes de estado, monitorizar el funcionamiento de la red de transmisión de datos.

6. Componente de red para una red de automatización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los componentes (11, 12, 13) de red están configurados para enviar mensajes sobre su estado con un mecanismo de comunicación de la comunicación de campo según la técnica de automatización según la norma PROFINET, Ethernet IP, o Modbus TCP a un aparato (2) de automatización en la red (1) de automatización.

7. Aparato de campo en el que está integrado un componente (11) de red según la reivindicación 6.