ES2310806T3 - Control de una red de comunicacion industrial. - Google Patents

Abstract

Un método para controlar una red de comunicación industrial que comprende dispositivos finales interconectados (D1-D5) y componentes de red de interconexión (N1-N3, L1, L3), en el que entre los dos dispositivos finales de cada par de dispositivos finales (D1, D4; D2, D5) se define exactamente una trayectoria de comunicación (D1, D4; D2-D5) incluyendo al menos un componente de red (N1; N2, L3, N3), caracterizado porque el método comprende a) determinar para cada trayectoria de comunicación de un conjunto que comprende un número limitado de trayectorias de comunicación distinguibles trayectorias que interconectan dos dispositivos finales, si está operativo o no operativo, b) considerar cada componente de la red que no se incluye en al menos una trayectoria de comunicación operativa del conjunto de trayectoria de comunicación como un componente de red no operativa, c) ampliar el conjunto de trayectorias de comunicación distinguibles añadiendo trayectorias de comunicación adicionales y repetición de las etapas a), b) y c) si hay más de un componente de red considerado no operativo identificando una red de componentes considerada no operativa como un componente de red que ha fallado si hay solo una red de componentes considerada no operativa.

Description

Control de una red de comunicación industrial.

Campo de la invención

La invención se refiere al campo de sistemas de control distribuido para controlar procesos industriales y en particular a una subestación de automatización para subestaciones eléctricas de alta o media tensión. Se refiere específicamente a un método para controlar una red de comunicación industrial que comprende una unión de comunicación de extremo a extremo sencilla no ambigua para cada par de dispositivos finales conectados a la red de comunicación.

Antecedentes de la invención

En las redes de comunicación industrial de sistemas de control distribuido, la fiabilidad o disponibilidad es un asunto clave porque un fallo en la red de comunicación generalmente supone una interrupción del proceso de control que puede conducir a una parada del proceso industrial controlado. La identificación rápida de un componente que ha fallado u otro componente inoperable de la red de comunicación industrial es por lo tanto importante. Esto es particularmente válido para el campo de una Subestación de Automatización (SA) puesto que la fiabilidad del sistema SA tiene un impacto inmediato sobre la fiabilidad de toda la red energética.

Las subestaciones para distribución de energía en redes de energía de alta y media tensión incluyen dispositivos primarios o de campo tales como cables eléctricos, líneas, barras colectoras, enchufes, interruptores, transformadores de potencia y transformadores de instrumentos. Estos dispositivos primarios funcionan de una manera automática mediante un sistema de Subestación de Automatización (SA) responsable de controlar, proteger y hacer el seguimiento de la subestaciones. El sistema SA comprende dispositivos secundarios programables denominados Dispositivos Electrónicos Inteligentes (IED), interconectados en una red de comunicación SA y que interaccionan con los dispositivos primarios mediante una interfaz de proceso. Los IED generalmente se asignan a uno de tres niveles jerárquicos, en concreto el nivel de estación con el lugar para operarios que incluyen una Interfaz Humano-Máquina (HMI) así como una puerta al Centro de Control de Red (NCC), en nivel de área con sus Unidades de Área (BU) para protección y control y el nivel de proceso. Las unidades de nivel de proceso comprenden, por ejemplo, detectores electrónicos para tensión, corriente y medidas de densidad de gas así como para posiciones del cambiador de tapa del interruptor y transformador o interruptor-IED que controla un accionador o conductor de un interruptor de circuito o desconector. Los accionadores inteligentes o interruptores IED pueden integrarse en el equipo primario inteligente respectivo y conectarse a una Unidad de Área mediante una unión en serie o una barra de proceso óptico. Las BU se conectan entre sí y a los IED en el nivel de estación mediante una inter-área o barra de estación.

Se requiere un sistema SA fiable que típicamente continúe siendo operativo incluso si falla un componente, es decir, un solo punto de fallo que provoca que la subestación quede inoperativa es inaceptable. Un fallo de un componente de la red de comunicación SA, debido por ejemplo a pérdida de un puerto de comunicación provocado por el fallo de un diodo para una unión de fibra óptica puede resultar en la pérdida de acceso a toda la subestación, una sola área o un solo IED. Aunque la tasa de fallo de los ingredientes electrónicos de un IED individual ya es muy baja, la redundancia es una manera de aumentar la fiabilidad del sistema SA. La redundancia puede conseguirse doblando los componentes o beneficiándose de una redundancia inherente de una comunicación de unión de tipo anillo. Incluso en dichas redes de comunicación SA redundantes es importante detectar errores o componentes que han fallado para reparar o sustituir el componente y reestablecer la redundancia vital. Por lo tanto, de todos los componentes de la red de comunicación SA, incluyendo IED, interruptores de Ethernet, líneas de Ethernet, líneas de fibra óptica, acopladores de cubo y estrella octoeléctricos es importante conocer la disponibilidad, en otras palabras, un fallo de un componente tiene que estar localizado y diagnosticado tan pronto como sea posible para poder reparar o sustituir el mismo.

En las redes de comunicación SA basadas en la nueva norma IEC 61850, el uso de fibras ópticas e interruptores supera algunas limitaciones de Ethernet tales como colisiones y permite extensiones de longitud. Sin embargo, los acopladores de tipo estrella octoeléctricos que trabajan exclusivamente con conversión electro-óptica a un nivel físico, cubos de Ethernet que trabajan exclusivamente con conexiones eléctricas así como líneas físicas de interconexión, son componentes pasivos privados de inteligencia o programabilidad.

En las redes de comunicación industrial con dispositivos inteligentes o activos tales como enrutadores o interruptores de Ethernet, estos dispositivos pueden identificar ellos mismos como que está estropeado o en necesidad de mantenimiento por otra causa. El resultado de dicho auto-diagnóstico se transmite después mediante protocolos específicos tales como el Protocolo de Gestión de Red Simple (SNMP) a un dispositivo de control para evaluación. SNMP es el protocolo convencional de Internet desarrollado para gestionar nodos (servidores, estaciones de trabajo, enrutadores e interruptores, etc.) en una red IP. El protocolo puede soportar el control de dispositivos unidos a red inteligente para cualquier condición que garantice la atención administrativa. Sin embargo, los datos particulares transmitidos a menudo son específicos del dispositivo y sólo pueden interpretarlos correctamente los expertos en comunicación. Además, y a menos que se proporcione inteligencia complementaria para controlar los componentes pasivos o no inteligentes, un fallo de estos últimos no puede identificarse de esta manera.

A modo de ejemplo, la solicitud de patente US 2003/0016629 describe un esquema de explotación de red para identificar de forma precisa y determinística un componente de red que ha fallado. Un nodo explorador envía un mensaje de inicialización a un elemento de red seleccionado de "búsqueda de primer ancho", como un elemento derivado o diana "más allá" de un elemento de red precursor inicializado satisfactoriamente en una trayectoria conocida para el nodo explorador. De esta manera el procedimiento progresa desde los elementos derivados a los precursores a lo largo de componentes inteligentes de una trayectoria.

La patente US 6804712 identifica fallos de uniones en una red definiendo un conjunto de dispositivos de "unión más allá" que sólo puede comunicar con una estación de gestión a través de un dispositivo de red particular, interruptor o enrutador. El conjunto de dispositivos de unión más allá se compara después con un conjunto de dispositivos que no responden a mensajes enviados para activar dispositivos en la red.

La patente US 6625745 describe un proceso para identificar una pluralidad de componentes que fallan en una red usando una información de trayectoria de fallo. El proceso, del cual su eficacia aumenta al aumentar el tamaño del sistema, incluye reducción inteligente del número de ensayos de trayectoria de extremo a extremo. Siguiendo esto, el análisis de trayectoria a trayectoria en cada trayectoria de fallo se descarta y se sustituye por una evaluación estadística, contando los números de ensayos de trayectoria que usa cada componente y el número de ensayos que han fallado.

Descripción de la invención

Por lo tanto, un objetivo de la invención es identificar componentes que han fallado de una red de comunicación industrial sin volver a un protocolo de comunicación específico. Otro objetivo de la invención es identificar componentes pasivos que han fallado sin necesidad de dispositivos adicionales que supervisen a este último. Estos objetivos se consiguen mediante un método así como un programa de ordenador y sistema para controlar una red de comunicación industrial de acuerdo con las reivindicaciones 1, 7 y 8, respectivamente. Las realizaciones preferidas adicionales son evidentes a partir de las reivindicaciones de patente dependientes.

De acuerdo con la invención, se supervisa un número limitado de todas las trayectorias de comunicación que constituyen la red de comunicación, con lo que cada una de las trayectorias supervisadas incluye un conjunto distintivo de componentes de red y esta delimitada por dos dispositivos finales. Un estado de fallo o estado operativo de cada trayectoria de comunicación se determina y se informa. Cada componente de red que es parte de una trayectoria operativa se considera así mismo operativa, es decir, sin fallos mientras que todos las demás componentes de la red se consideran como no operativos o potencialmente con fallo. Si además de un componente no operativo, las trayectorias de comunicación adecuadas adicionales se evalúan hasta que un solo componente de red con fallo se identifica y posteriormente se informa como que requiere reparación o sustitución. La invención es particularmente aplicable en casos donde algunas de los componentes de la red, es decir, las líneas o algunos nodos de las trayectorias de comunicación son componentes pasivos o dispositivos no inteligentes que no pueden informar de un estado operativo ellos mismos.

En una primera realización de la invención, uno de los dispositivos finales de cada trayectoria es un dispositivo electrónico inteligente (IED) que está encargado de determinar el estado operativo de la trayectoria. Para evitar la contaminación de la red o la implementación de un protocolo específico, el tráfico de datos de red regular se evalúa para este fin, por ejemplo considerando la trayectoria en funcionamiento así como los mensajes desde el extremo supervisado de la trayectoria y se reciben por el IED supervisor.

Los IED supervisores informan del estado operativo de la trayectoria supervisada a un IED de control que el mismo puede ser un IED de supervisión. Ventajosamente, el IED de supervisión comunica con el IED de control mediante un canal de comunicación de seguridad o circunvalación excluyendo cualquiera de los componentes de la red de interconexión mencionados anteriormente. El canal de comunicación diferente se necesita sólo entre los IED de supervisión y control y puede ser una conexión en serie directa, una red barata que funciona a una velocidad de bit mucho menor que por ejemplo las trayectorias de comunicación de Ethernet seleccionadas anteriormente entre todos los IED u otra red de nivel de estación ya existente.

En otra realización, se proporciona redundancia en la red de comunicación, es decir, algunos de esos componentes, incluso toda la red, se duplican. Un estado no operativo de una trayectoria de comunicación se informa entonces mediante los componentes redundantes. Esto evita que un dispositivo final que se localiza en un extremo remoto de una trayectoria quede aislado y no pueda comunicar sus observaciones, es decir, la información sobre el estado de las trayectorias de comunicación que terminan allí. Es exactamente este tipo de información la que un IED de control requeriría para completar su visión de la red e identificar el componente estropeado.

La invención se aplica más beneficiosamente a redes de comunicación de sistemas de subestación de automatización, puesto que estas últimas dependen de una alta disponibilidad y de esta manera se minimiza el tiempo sin redundancia operativa. Además, las redes de comunicación nuevas para sistemas SA pueden comprender un acoplador óptico de tipo estrella que trabaja exclusivamente a un nivel físico con conversión electro-óptica así como cubos que son componentes pasivos privados de cualquier inteligencia o programabilidad. Los EED de supervisión en este caso se asignan generalmente al nivel de estación, mientras que los dispositivos finales supervisados en el otro extremo de las trayectorias de comunicación se asignan a un nivel inferior jerárquicamente. Sin embargo, si existe una segunda red de comunicación redundante, los IED supervisores se asignan preferiblemente al nivel de proceso, mientras que un IED del nivel de estación toma el papel de IED de control.

La invención es aplicable a cualquier red de comunicación o parte de la misma que pueda representarse de forma no ambigua como una superposición de o descomponerse en una pluralidad de trayectorias de comunicación de extremo a extremo entre dispositivos finales o a nivel de aplicación IED. En otras palabras, sólo debe existir una trayectoria entre dos dispositivos finales cualesquiera, como es el caso por ejemplo de redes de tipo estrella o de tipo árbol y contrario, por ejemplo, a la topología de tipo anillo. Aunque el nivel de aplicación BED puede conectarse mediante segundos puertos físicos a una segunda red de comunicación, las consideraciones anteriores se aplican exclusivamente a una red y una segunda red de comunicación está incluida como máximo para la redundancia o propósitos de seguridad mencionados. Otra limitación se refiere al hecho de que un fallo de un nodo de comunicación con sólo dos líneas obviamente no puede distinguirse de un fallo de una de las dos líneas. Igualmente, si un nodo de comunicación está estropeado, un fallo de cualquier nodo que termina en este nodo no puede distinguirse de un fallo del nodo. En este caso, como según la experiencia el nodo es la fuente más probable de errores, el fallo se atribuye al nodo en lugar de a la línea.

Breve descripción de los dibujos

El asunto de la invención se explicará con más detalle en el siguiente texto con referencia a realizaciones ejemplares preferidas que se ilustran en los dibujos adjuntos en los que:

La Figura 1 muestra una red de comunicación, y

La Figura 2 representa una tabla de comunicación para la red de la Figura 1.

Los símbolos de referencia usados en los dibujos y sus significados se muestran en forma de sumario en la lista de símbolos de referencia. En principio, a las partes idénticas se les proporcionan los mismos símbolos de referencia en las figuras.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

La Figura 1 muestra una red de comunicación con cinco Dispositivos Electrónicos Inteligentes (EID) D1-D5, tres nodos, N1-N3 y dos líneas L1, L3 como componentes constituyentes. La red representada puede hacerse al menos parcialmente redundante doblando algunos o todos sus componentes. Una pluralidad de trayectorias de comunicación se define entre dos IED respectivos D1-D5 que actúan como dispositivos finales. Para cada trayectoria de comunicación definida, uno de los dispositivos finales se asigna al papel de IED supervisor para controlar el estado de la trayectoria mientras que el otro dispositivo final es un IED supervisado. Un dispositivo final en la red representada puede ser un nodo de una red más compleja que a su vez puede considerarse como superposición del número de redes más pequeñas de la topología del cual puede ser por sí mismo no susceptible de control de extremo a extremo de las trayectorias de comunicación de acuerdo con la invención.

En el caso ejemplar de un Sistema de Subestación de Automatización (SA), los IED D1-D3 son Unidades de Área (BU) para protección y control a nivel de área mientras que los IED D4, D5 son IED a nivel de estación tales como Interfaz Humano-Máquina (HMI) o Puerta (GW) para un Centro de Control de Red. Los nodos N1-N3 en este caso son interruptores de Ethernet o cubos. Igualmente, los IED D4, D5 pueden ser una unidad de Protección de Área y una Unidad de Control de Área con los IED D1-D3 siendo de una Unidad de Condensación (MU) como fuente de corriente y/o tensión de acuerdo con IEC 61850, un interruptor IED que representa un interruptor como dispositivo primario o cualquier otro nivel de proceso IED.

Como se ha indicado anteriormente, la invención es aplicable a cualquier red de comunicación o parte de la misma que pueda representarse de forma no ambigua como una superposición de o descomposición en una pluralidad de trayectorias de comunicación de extremo a extremo entre los IED. En otras palabras, sólo debe existir una trayectoria entre dos dispositivos finales cualesquiera, como es el caso por ejemplo de redes de tipo estrella o de tipo árbol. Generalmente, sin embargo, no se hace distinción entre un dispositivo final y la línea o sección de la red que conecta dicho dispositivo final al nodo más cercano puede hacerse, es decir, el fallo solo puede diagnosticarse para el par compuesto por el dispositivo final y la línea final correspondiente.

La información sobre un estado de una trayectoria se informa a un centro de control que conoce la estructura de la red de comunicación y puede evaluar la totalidad de estados operativos/no operativos. A continuación se detallan dos formas posibles de evaluación.

En una primera realización, la topología de la red de comunicación de acuerdo con la Figura 1 se almacena en forma de tabla como se representa en la Figura 2. Cada trayectoria de extremo a extremo entre dos dispositivos finales se asigna a una fila de la tabla mientras que cada uno de los componentes se asigna a una columna. Cada componente que es parte de una trayectoria particular se marca en consecuencia en el campo en la intersección entre su columna y la fila de la trayectoria, como se indica con el color de fondo gris en la Figura 2. En el ejemplo mostrado sólo los nodos N1-N3 y las líneas L1, L3 se incluyen, es decir los pares mencionados anteriormente compuestos por un dispositivo final y la línea final correspondiente se omiten. Por ejemplo, la trayectoria D1-D4 y la trayectoria D2-D5 cubren todos los nodos y ambas líneas.

Para cada trayectoria que se está controlando, el IED supervisor informa de un estado de salud a un control o IED de evaluación, es decir, si la trayectoria está OK o no. Todos los campos marcados de la fila correspondiente en la tabla se marcan con "+" para una trayectoria sana y con "-" para trayectorias con fallo. El estado sano de los componentes individuales se calcula como una función "O" a través de las columnas, es decir cualquier componente con al menos una marca "+" se considera por sí mismo sano. En el ejemplo de la Figura 2, la línea L1 se identifica actualmente como el componente que ha fallado. Debido a la simetría de la topología de la red en la Figura 1, algunas consideraciones lógicas adicionales, así como la suposición de que sólo un componente ha fallado para identificar el N2 en caso de fallo. El número de trayectorias a controlar e informar en la tabla tiene que elegirse dependiendo de la topología particular, por ejemplo en la tabla de la Figura 2, las trayectorias de D1-D5 y D2-D4 realmente no proporciona ninguna información adicional y podrían omitirse.

La información resultante con la indicación del componente que ha fallado identificado se envía finalmente a un centro de mantenimiento y/o se representa a un operario en una representación esquemática de la red de comunicación. Igualmente, en formaciones de IED de supervisores puede trazarse directamente sobre dicha representación o en una pantalla marcando todos los componentes a lo largo de una trayectoria sana por sí mismos de forma saludable sin implicar una tabla.

Lista de designaciones

D1-D5

Dispositivos Electrónicos Inteligentes

N-N3

Nodos

L1-L3

Líneas

Claims (10)

1. Un método para controlar una red de comunicación industrial que comprende dispositivos finales interconectados (D1-D5) y componentes de red de interconexión (N1-N3, L1, L3), en el que entre los dos dispositivos finales de cada par de dispositivos finales (D1, D4; D2, D5) se define exactamente una trayectoria de comunicación (D1, D4; D2-D5) incluyendo al menos un componente de red (N1; N2, L3, N3),

caracterizado porque el método comprende

a) determinar para cada trayectoria de comunicación de un conjunto que comprende un número limitado de trayectorias de comunicación distinguibles trayectorias que interconectan dos dispositivos finales, si está operativo o no operativo,

b) considerar cada componente de la red que no se incluye en al menos una trayectoria de comunicación operativa del conjunto de trayectoria de comunicación como un componente de red no operativa,

c) ampliar el conjunto de trayectorias de comunicación distinguibles añadiendo trayectorias de comunicación adicionales y repetición de las etapas a), b) y c) si hay más de un componente de red considerado no operativo identificando una red de componentes considerada no operativa como un componente de red que ha fallado si hay solo una red de componentes considerada no operativa.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa a) comprende adicionalmente

-

definir uno de los dos dispositivos finales de cada par de dispositivos finales para que sea el dispositivo final de supervisión de la trayectoria de comunicación respectiva y determinar, mediante el dispositivo final de supervisión, un estado operativo de la trayectoria de comunicación respectiva evaluando el tráfico de datos regular.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la red de comunicación comprende un canal de comunicación de seguridad que conecta los dispositivos finales de supervisión a un dispositivo final de control,

caracterizado porque la etapa a) comprende adicionalmente

-

informar mediante el dispositivo final de supervisión del estado operativo al dispositivo final de control para ejecución de la etapa b) y para identificación de un solo componente de red no operativo.

4. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la red de comunicación comprende componentes redundantes caracterizado porque la etapa a) comprende adicionalmente

-

informar de un estado operativo de una trayectoria de comunicación mediante uno de sus dispositivos finales mediante los componentes de red redundante.

5. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la red de comunicación es parte de un sistema de automatización de subestación.

6. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los componentes de la red (N1-N3, L1, L3) comprenden dispositivos pasivos.

7. Un programa de ordenador para controlar una red de comunicación industrial que puede cargarse y ejecutarse en una unidad de procesamiento de datos y dicho programa de ordenador realiza, cuando se ejecuta mediante una o varias unidades de procesado de datos de comunicación, el método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores.

8. Un sistema para controlar una red de comunicación industrial que comprende dispositivos finales interconectados (D1-D5) y componentes de red de interconexión (N1-N3, L1, L3), en el que entre los dos dispositivos finales de cada par de dispositivos finales (D1, D4; D2, D5) se define exactamente una trayectoria de comunicación (D1-D4, D2-D5) incluyendo al menos un componente de red (N1; N2, L3, N3), caracterizado porque el sistema comprende:

a) supervisar los dispositivos finales para determinar para cada trayectoria de comunicación de un conjunto que comprende un número limitado de trayectorias de comunicación distinguibles trayectorias que interconectan los dispositivos finales de supervisión para supervisar dispositivos finales, si está operativo o no operativo, y

b) controlar un dispositivo final para considerar cada componente de red que no esté incluido en al menos una trayectoria de comunicación operativa del conjunto de trayectorias de comunicación como un componente de red no operativa y para ampliar repetidamente el conjunto de trayectorias de comunicación distinguibles añadiendo trayectorias de comunicación adicionales hasta que un solo componente de red se considera no operativo.

\newpage

9. El sistema de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque los dispositivos finales de supervisión se han adaptado para determinar un estado operativo de una trayectoria de comunicación respectiva basada en un tráfico de datos regular.

10. El sistema de acuerdo con la reivindicación 8 caracterizado porque la red de comunicación industrial es parte de un sistema de subestación de automatización.