ES2303651T3 - Unidad periferica para un sistema de control redundante. - Google Patents
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Abstract
Unidad periférica para un sistema de control redundante, que presenta un primer y un segundo ordenador de control (1, 2), en donde a la unidad periférica (4, 5) pueden alimentarse datos de control desde uno de los ordenadores de control (1, 2), que representan una corriente de salida nominal (Isoll) para activar una carga inductiva, en donde mediante la unidad periférica (4, 5) puede alimentarse una corriente de salida real (Iist) a la carga inductiva (9), a través de una salida (12, 13) de la unidad periférica (3, 4) y a través de una línea, caarcterizada porque la unidad periférica (4, 5) está dotada de medios que detectan la corriente de salida real (Iist) y comparan la corriente de salida real (Iist) con la corriente de salida nominal (Isoll) y/o detectan la velocidad de variación de la corriente de salida real (Iist) y la comparan con la velocidad de variación de la corriente de salida nominal (Isoll), en donde los medios indican a uno de los ordenadores de control una avería de la salida (12, 13), en el caso de que - durante un intervalo de tiempo prefijable (t) la diferencia entre la corriente de salida real (Iist) y la corriente de salida nominal (Isoll) sea mayor que un valor límite prefijable (Gw1) y/o - la velocidad de variación de la corriente de salida real (Iist) no sea fundamentalmente isocrónica con la velocidad de variación de la corriente de salida nominal (Isoll).
Description
Unidad periférica para un sistema de control
redundante.
La invención se refiere a una unidad periférica
para un sistema de control redundante, que presenta un primer y un
segundo ordenador de control, en donde a la unidad periférica pueden
alimentarse datos de control desde uno de los ordenadores de
control, que representan una corriente de salida nominal para
activar una carga inductiva, en donde mediante la unidad periférica
puede alimentarse una corriente de salida real a la carga
inductiva, a través de una salida de la unidad periférica y a través
de una línea. Aparte de esto la invención se refiere a un sistema
de control redundante.
Del catálogo de Siemens ST 70, capítulos 1 y 5,
edición de 2003, se conoce el sistema de automatización de alta
disponibilidad SIMATIC S7-400H con estructura
diseñada de forma redundante así como el conexionado
IM153-2, que puede usarse para conectar una unidad
periférica ET 200M como esclavo en sistemas
PROFIBUS-DP redundantes con el sistema de
automatización SIMATIC S7-400H.
En muchos campos de la técnica de automatización
se imponen requisitos cada vez más elevados a la disponibilidad y
con ello a la seguridad contra averías de los sistemas de
automatización. Se trata de campos en los que una parada de la
instalación provocaría unos costes muy elevados. Aquí sólo los
sistemas redundantes pueden cumplir los requisitos en cuanto a
disponibilidad. Por ejemplo el SIMATIC S7-400H de
alta disponibilidad sigue trabajando incluso si a causa de uno o
más fallos se han averiado partes del control. Posee funciones
centrales diseñadas de forma redundante y está estructurado con dos
aparatos centrales separados como ordenadores de control. Los dos
ordenadores de control procesan cíclica y sincrónicamente los mismos
programas de tratamiento. Se vigilan mutuamente y establecen
autónomamente qué ordenador de control está activado, es decir,
controla realmente el proceso a través de sus datos de salida. Para
esto se intercambian datos entre los dos ordenadores de control a
través de un acoplamiento redundante. Las unidades periféricas ET
200M configuradas de forma descentralizada, a las que están
enchufados según el caso aplicativo grupos constructivos digitales
de entrada/salida, están conectadas en cada caso con un bus de
campo PROFIBUS-SP a uno de los ordenadores de
control. Con ayuda de transformadores o transmisores de medición se
transmiten las informaciones de entrada de proceso obtenidas,
mediante la unidad periférica, a ambos ordenadores de control.
Durante el llamado funcionamiento "Hot Stand By" los dos
ordenadores de control procesan, en el caso de que no existan
fallos, simultáneamente el mismo programa de control, pero sólo
está activado un ordenador de control, es decir, sólo los datos de
salida de un ordenador de control se tratan ulteriormente para
controlar el proceso. En caso de fallo el aparato intacto asume
sólo el control del proceso. Para esto los aparatos reciben
automáticamente el mismo programa de usuario, los mismos módulos de
datos, los mismos contenidos de reproducción de proceso así como los
mismos datos internos, como por ejemplo periodos de tiempo,
contadores, marcas, etc. Por medio de esto los dos aparatos se
encuentran en el estado actual de la técnica y pueden continuar
solos el control en caso de fallo. Los datos de salida de proceso,
mediante los cuales se prefijan las señales a emitir a los elementos
de ajuste desde la unidad periférica, se ofrecen a la unidad
periférica en un caso sin fallos a través de los dos buses de campo,
aunque ésta sólo valora los datos de control recibidos desde uno de
los buses de campo. El ordenador de control conectado en cada caso
puede designarse de este modo como el ordenador de control activado.
Para garantizar por ejemplo un funcionamiento sin rozamiento de una
turbina conectada a las salidas analógicas de las unidades
periféricas, es necesario detectar e indicar rápidamente un fallo
en estas salidas analógicas, con lo que es posible rápidamente una
conmutación a la unidad periférica no perturbada, que asume la
activación de la turbina.
La invención se ha impuesto la tarea de crear
una unidad periférica para un sistema de control redundante, que
reconozca lo más rápidamente posible fallos en sus salidas. Aparte
de esto debe indicarse un sistema de control redundante, mediante
el cual pueda activarse una carga inductiva fundamentalmente sin
fallos.
Esta tarea es resuelta con relación a la unidad
periférica mediante las medidas indicadas en la parte característica
de la reivindicación 1, con relación al sistema de control
redundante mediante las medidas indicadas en la
reivindica-
ción 3.
ción 3.
Por medio de que la corriente de salida real es
detectada y se compara con la corriente de salida nominal, puede
reconocerse a causa de la valoración del resultado de comparación un
cortocircuito en la salida periférica.
Aparte de esto, por medio de que además se
detecta la velocidad de variación de la corriente de salida real y
se compara con la velocidad de variación de la corriente de salida
nominal, puede reconocerse rápidamente un fallo de la línea entre
la salida periférica y el actuador y, con ello, una avería total del
actuador. La corriente de salida real decae repentinamente en un
caso de este tipo, sin que haya variado el valor nominal. Con ello
se tiene en cuenta que la carga inductiva presenta una inductividad
muy elevada y por medio de esto se hace efectiva una variación de
corriente, en el caso de una inductividad y una tensión de
alimentación prefijadas, solamente con un retardo de algunos
milisegundos.
La disponibilidad del sistema de control
redundante aumenta, ya que un fallo en la salida de la unidad
periférica se reconoce y comunica rápidamente, con lo que puede
realizarse una conmutación rápida a un ramal redundante del sistema
de control, compuesto de ordenador de control y unidad periférica.
El intervalo de tiempo se prefija por ejemplo de tal modo, que se
detecta una caída breve (t < 20 milisegundos) de la corriente de
salida y se produce una conmutación. En especial en el caso de que
se active una turbina se necesita, en el caso de un fallo de una
salida de la unidad periférica, una detección y una conmutación
rápidas; esto se debe a que una caída de la corriente de activación
durante un periodo de unos 20 milisegundos ya produce una caída de
potencia de varios megavatios. El valor límite se prefija por
ejemplo de tal modo que pueden reconocerse incluso pequeñas
desviaciones producidas por fallos de hardware.
En una configuración de la invención está
previsto un circuito especular de corriente, con lo que es posible
una detección sencilla de la corriente de salida real.
Con base en el dibujo, en el que se ilustra un
ejemplo de ejecución de la invención, se explican a continuación
con más detalle la invención, sus configuraciones y ventajas.
Aquí muestran:
la figura 1 una activación redundante de
actuadores,
la figura 2 un esquema lógico de un algoritmo de
valoración y
la figura 3 un sistema de control
redundante.
En primer lugar se hace referencia a la figura
3, en la que se ha representado un sistema de control redundante
conocido por sí mismo. El sistema de control redundante está
estructurado conforme al principio 1 de 2 y comprende una primera
unidad redundante con un primer ordenador de control 1 y una primera
unidad periférica 4, y una segunda unidad redundante con un segundo
ordenador de control 2 así como una unidad periférica 5. Los
sensores 8 detectan señales de proceso de un proceso técnico a
controlar, que son leídas por las unidades periféricas 4, 5 a
través de líneas 10 y se transmiten a los ordenadores de control 1,
2, a través de buses en serie o paralelo 6, 7 apropiados, en forma
de señales digitales. Los ordenadores de control 1, 2 convierten
estas señales en señales de control correspondientes para
actuadores 9, en donde sólo una de las unidades redundantes
transmiten estas señales de control a los actuadores 9 a través de
una línea 11. Las unidades redundantes trabajan según un
funcionamiento maestro-reserva, lo que significa que
sólo está activada una unidad redundante, mientras que la otra está
conectada de forma pasiva. Sólo la unidad redundante activada activa
los actuadores 9 a través de su unidad periférica, y la otra unidad
redundante transmite a su unidad periférica solamente una señal
cero. Para intercambiar informaciones, por ejemplo en forma de
informaciones de estado y ajuste, está previsto un acoplamiento
redundante 3, a través del cual están unidas entre sí las unidades
redundantes. Para el caso en el que la unidad redundante activada
no trabaje sin fallos, la unidad redundante activada indica el
fallo a la unidad redundante pasiva a través del acoplamiento
redundante 3, con lo que la unidad redundante par pasiva cambia al
modo de funcionamiento activo, es decir, esta unidad redundante se
conecta activamente y asume el funcionamiento maestro, mientras que
la unidad redundante par activa se conecta pasivamente y cambia al
funcionamiento de reserva. Un cambio de la maestría debe realizarse
de tal modo y manera, que a los actuadores se transmitan las
señales de control fundamentalmente de forma continua y en lo
posible sin caídas de señal.
Con relación a esto se hace referencia a la
figura 1, en la que se ha representado una activación redundante de
un actuador en forma de una carga inductiva. Las piezas iguales
representadas en las figuras 1 y 2 están dotadas de los mismos
símbolos de referencia. Las unidades periféricas 4, 5 estructuradas
de forma redundante presentan salidas analógicas 12, 13 conectadas
en paralelo, en donde dependiendo de qué unidad redundante trabaja
en funcionamiento maestro, la salida 12 de la unidad periférica 4 o
la salida 13 de la unidad periférica 5 alimenta una corriente I a
un actuador 9'. Para el caso en el que la unidad redundante, a la
que está asociada la unidad periférica 4, esté activada, la unidad
periférica 4 alimenta la corriente I al actuador 9' a través de su
salida 12. La unidad redundante que comprende la unidad periférica 5
es en este caso por el contrario pasiva, con lo que la unidad
periférica 5 no alimenta ninguna corriente al actuador 9'. De forma
correspondiente la unidad periférica 4 está conectada pasivamente,
en el caso de que la unidad periférica 5 transmita la corriente I
al actuador 9'.
Para que las unidades periféricas 4, 5
reconozcan lo más rápidamente posible fallos en sus salidas, las
unidades periféricas 4, 5 están dotadas de medios que vigilan en
cada caso la corriente de salida de sus salidas analógicas 12, 13 e
indican fallos a los ordenadores de control. Para esto cada unidad
periférica 4, 5 presenta un circuito especular de corriente, que
primero detecta su corriente de salida real, después la digitaliza y
por último transmite la corriente de salida real digitalizada a un
algoritmo de valoración. El algoritmo de valoración compara esta
corriente de salida real con una corriente de salida nominal
prefijada a la unidad periférica mediante el ordenador de control,
en donde el algoritmo de valoración indica al ordenador de control
una avería, en el caso de que
- -
- durante un intervalo de tiempo prefijable la diferencia entre la corriente de salida real y la corriente de salida nominal sea mayor que un valor límite prefijable (vigilancia de cortocircuito) y/o
- -
- la velocidad de variación de la corriente de salida real no sea fundamentalmente isocrónica con la velocidad de variación de la corriente de salida nominal (vigilancia de rotura de hilo).
Con relación a esto se hace referencia a la
figura 2, en la que se ha representado un esquema lógico de un
algoritmo de valoración de una unidad periférica. Un sustractor 14
establece la diferencia a partir de una corriente de salida real
I_{ist} y una corriente de salida nominal I_{soll}, en donde el
importe de esta diferencia establecido mediante un formador de
importes 15 se compara con un valor límite prefijable Gw1 de un
ajustador de valores límite 16 a través de un intervalo de tiempo
\tau de un elemento de retardo 17. Para el caso en el que para
este intervalo de tiempo \tau la diferencia sea menor que el
valor límite Gw1 prefijable, se genera una señal de error F a
través de un elemento de enlace y/o 23, que indica a un ordenador de
control un fallo de una salida analógica de una unidad periférica.
Para que puedan reconocerse incluso desviaciones producidas por
fallos de hardware reducidos, se ajusta el valor límite Gw1 muy
pequeño. También para el caso en el que la velocidad de variación
(\DeltaI_{ist}/\Deltat) de la corriente de salida real
I_{ist} fundamentalmente no sea isocrónica con la velocidad de
variación (\DeltaI_{soll}/\Deltat) de la corriente de salida
nominal I_{soll}, se indica un error F al ordenador de control,
en donde esta indicación de error avisa de que existe una avería
total del hardware de la salida analógica de la unidad periférica.
Esta avería puede estar provocada por ejemplo por una rotura de la
línea 11 entre la unidad periférica 4, 5 y el actuador 9' (figura
1). La velocidad de variación de corriente de la corriente de
salida real I_{ist} y de la corriente de salida nominal I_{soll}
son detectadas por los elementos 18, 19, en donde se acciona una
señal de error F a través del elemento de enlace y/o 23, en el caso
de que un elemento y 22 detecte que por un lado la velocidad de
variación de corriente de la corriente de salida real I_{ist} es
negativa, la misma no supera un valor límite Gw2 prefijable de un
ajustador de valores límite 19 y, por otro lado, fundamentalmente no
se ha producido de forma isocrónica con la variación de la
corriente de la corriente de salida real I_{ist} una variación de
la corriente de la corriente de salida nominal I_{soll}. Con ello
se parte del reconocimiento de que el actuador 9' presenta como
sistema electromagnética una inductividad L muy elevada. Por medio
de esto se hace efectiva una variación de corriente \DeltaI, en
el caso de una inductividad y una tensión de alimentación U
prefijadas de la salida analógica, sólo con un retardo de unos
milisegundos, en donde se aplica
\Deltat = L
\text{*}\frac{\Delta
I}{U}.
Para evitar mensajes de error "no
autorizados" no se transmite al ordenador de control una
desviación de la corriente de salida nominal y real sin filtrar,
sino que se filtra primero a través de varias etapas temporales.
Sólo si una desviación se prolonga más allá del tiempo \Deltat, se
acciona un mensaje de error y se produce una conmutación.
Claims (3)
1. Unidad periférica para un sistema de control
redundante, que presenta un primer y un segundo ordenador de
control (1, 2), en donde a la unidad periférica (4, 5) pueden
alimentarse datos de control desde uno de los ordenadores de
control (1, 2), que representan una corriente de salida nominal
(I_{soll}) para activar una carga inductiva, en donde mediante la
unidad periférica (4, 5) puede alimentarse una corriente de salida
real (I_{ist}) a la carga inductiva (9), a través de una salida
(12, 13) de la unidad periférica (3, 4) y a través de una línea,
caracterizada porque la unidad periférica (4, 5) está dotada
de medios que detectan la corriente de salida real (I_{ist}) y
comparan la corriente de salida real (I_{ist}) con la corriente
de salida nominal (I_{soll}) y/o detectan la velocidad de
variación de la corriente de salida real (I_{ist}) y la comparan
con la velocidad de variación de la corriente de salida nominal
(I_{soll}), en donde los medios indican a uno de los ordenadores
de control una avería de la salida (12, 13), en el caso de que
- -
- durante un intervalo de tiempo prefijable (\tau) la diferencia entre la corriente de salida real (I_{ist}) y la corriente de salida nominal (I_{soll}) sea mayor que un valor límite prefijable (Gw1) y/o
- -
- la velocidad de variación de la corriente de salida real (I_{ist}) no sea fundamentalmente isocrónica con la velocidad de variación de la corriente de salida nominal (I_{soll}).
2. Unidad periférica según la reivindicación 1,
caracterizada porque los medios para detectar la corriente de
salida real están dotados de un circuito especular de
corriente.
3. Sistema de control redundante con un primer y
un segundo ordenador de control, en donde cada ordenador de control
(1, 2) está dotado de una unidad periférica (4, 5) según la
reivindicación 1 ó 2, y las unidades periféricas pueden conectarse
a una carga inductiva (9) a través de un punto de unión común.
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