ES2955230T3 - Simulador de sistema de control mejorado y sistema de control de interconexión simplificado - Google Patents

Abstract

Un simulador basado en computadora, separado de un sistema de control de procesos por computadora, que simplifica la interconexión eléctrica del simulador basado en computadora al sistema de control por computadora y reduce la cantidad de componentes de hardware necesarios para realizar un simulador basado en computadora. La invención también facilita la configuración y operación remota de los sistemas de control y simulador. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Simulador de sistema de control mejorado y sistema de control de interconexión simplificado

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a simuladores informáticos para procesos físicos ("simuladores de procesos" o "simuladores"), y más concretamente a mejoras que dan lugar a la simplificación del cableado de los simuladores, la reducción del número de componentes necesarios para implementar un simulador y la reducción del tiempo de implementación. Los tipos de procesos a los que es aplicable varían ampliamente, incluyendo, entre otros, los procesos químicos, térmicos y mecánicos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las simulaciones por ordenador de procesos físicos se utilizan ampliamente en los sistemas de ingeniería para desarrollar un nuevo proceso o prueba y perfeccionar el funcionamiento de un sistema de control basado en ordenador. Así, un fabricante de una herramienta para procesar obleas de silicio puede emplear un simulador para ejercitar el sistema de control de la herramienta con el fin de evitar la necesidad de hacer funcionar la herramienta con producto real, lo que puede ahorrar tiempo y dinero en el desarrollo y las pruebas de la herramienta.

Por ejemplo, si se diseña una herramienta compleja de procesamiento de obleas de semiconductores para calentar una oblea de silicio al vacío y luego exponerla a varios gases con el fin de producir un recubrimiento de película, el sistema de control debe emplear numerosos sensores y actuadores para lograr el objetivo del proceso. Así, el sistema de control puede accionar válvulas para aislar la cámara de proceso, accionar una bomba para evacuar la cámara y, a continuación, detectar el nivel de vacío antes de accionar el sistema de calentamiento para que la oblea se caliente cuidadosamente a una temperatura precisa. Una vez que la oblea está a la temperatura inicial del proceso, el sistema de control de la herramienta puede accionar uno o más controladores de flujo másico, introduciendo así una mezcla precisa de gases reactivos. A continuación, el sistema de control puede accionar una fuente de alimentación para producir un plasma que potenciará la reacción de los gases y, en última instancia, producirá una película sobre la oblea. Al final del proceso, el sistema de control de la herramienta puede apagar el plasma, desconectar los controladores de flujo másico, cerrar las válvulas, apagar los calentadores y dejar que la oblea se enfríe y alcance de nuevo la presión atmosférica para transferirla al siguiente paso del complejo proceso de semiconductores.

Para perfeccionar el complejo proceso descrito anteriormente, el diseñador de herramientas para semiconductores debe ensamblar hardware y escribir software para secuenciar la herramienta a través de los pasos del proceso. Para reducir el desperdicio de valiosas obleas y evitar consecuencias imprevistas al utilizar gases tóxicos y energía eléctrica potencialmente peligrosa, el constructor de la herramienta intentará simular el proceso físico utilizando una serie de estrategias.

Una estrategia sencilla empleada para simular el proceso físico consiste en incrustar en el programa de software del sistema de control subrutinas que imiten o simulen la acción o el resultado que se produciría si se emplearan sensores y actuadores reales. Por ejemplo, una instrucción del sistema de control para encender un calefactor podría activar una subrutina de software que comenzaría a integrar la energía del calefactor y estimaría la temperatura actual. Esta estimación de la temperatura sería entonces sustituida por la temperatura medida cuando el sistema de control desee leer el valor de la temperatura del proceso desde un sensor de temperatura. El software del sistema de control emplearía por tanto la temperatura simulada para tomar decisiones sobre si el proceso de la oblea está bajo control. Este tipo de simulación sencilla se utiliza habitualmente, pero adolece de varias limitaciones. En primer lugar, el software del sistema de control debe modificarse para evitar los sensores y actuadores reales. Por tanto, no se prueba el software real, sino una versión modificada del mismo. En segundo lugar, el valor simulado puede no ser una buena representación del valor físico. Los sensores reales convierten las propiedades físicas -como la temperatura o la presión- en señales eléctricas. A continuación, el sistema de control convierte estas señales eléctricas en representaciones digitales imitadas por el simulador. Si el valor simulado producido por la sencilla estrategia de software integrado descrita anteriormente no es representativo de la señal eléctrica generada por el sensor, la acción del sistema de control podría no ser representativa de su acción en funcionamiento no simulado. Por ejemplo, las representaciones digitales simuladas podrían tener mayor o menor precisión numérica, o la dinámica o temporización de los volúmenes podría diferir. Así pues, esta sencilla estrategia de simulación de software modificada, consistente en incrustar software en el sistema de control, adolece de importantes limitaciones.

Una estrategia más compleja pero efectiva empleada para simular un proceso físico es emplear un segundo ordenador que sea capaz de detectar señales de actuación producidas por el sistema de control de la herramienta y entonces producir señales de actuación que puedan ser detectadas por el sistema de control de la herramienta.

En funcionamiento, si el sistema de control de la herramienta acciona el calentador, se envía una señal eléctrica al ordenador simulador en lugar de al calentador. El ordenador simulador detecta la señal de accionamiento del calentador y responde integrando la cantidad de calor en el sistema y, a continuación, tal vez aumentando o disminuyendo gradualmente su señal eléctrica de salida que imita la señal eléctrica producida por el sensor de temperatura. El sistema de control de la herramienta percibe esta señal eléctrica que no puede distinguir de la señal eléctrica producida por el sensor de temperatura. Si el sistema simulador está correctamente diseñado, el sistema de control de la herramienta funcionará exactamente como lo haría si no se hubiera empleado el ordenador simulador para puentear el actuador del calentador y el sensor de temperatura. Un simulador informático de este tipo, independiente del sistema de control de la herramienta, puede permitir desarrollar, probar y perfeccionar el sistema de control de la herramienta sin necesidad de emplear el proceso físico. Dado que no es necesario modificar el software de control de la herramienta para ejecutar el proceso real, cabe esperar que el paso del proceso simulado al proceso real sea más fluido.

La estrategia del estado de la técnica de emplear un segundo ordenador para simular el proceso, aunque eficaz, es en sí misma compleja y costosa porque la complejidad del simulador es aproximadamente igual a la complejidad del sistema de control de la herramienta. Además, el segundo ordenador simulador debe estar conectado eléctricamente al sistema de control de la herramienta, y las conexiones son complejas, propensas a errores y requieren mucho tiempo. El documento US2009/240477 describe un aparato, un sistema y un método de simulación.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención proporciona un simulador basado en ordenador que está separado del sistema de control por ordenador y con las características de la reivindicación 1.

La invención simplifica la interconexión eléctrica del simulador basado en ordenador al sistema de control del ordenador y reduce el número de componentes de hardware necesarios para efectuar un simulador basado en ordenador. La invención también facilita la configuración y el funcionamiento remotos de los sistemas de control y simulador.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Fig.1 ilustra un sistema de agua caliente solar que demuestra las ventajas de la presente invención.

La Fig.2 ilustra un sistema de control del estado de la técnica para controlar un sistema de agua caliente solar.

La Fig. 3 ilustra un ordenador de simulación del estado de la técnica con un sistema de entrada/salida capaz de simular el funcionamiento de un sistema de agua caliente solar.

La Fig.4 ilustra un sistema simulado de agua caliente solar del estado de la técnica que incluye un sistema de control del estado de la técnica y un sistema de simulación del estado de la técnica.

La Fig. 5 ilustra un módulo de entrada/salida configurable y conectorizado de la presente invención configurado como un ordenador de simulación con sistema de entrada/salida conectado a un sistema de control, donde la combinación simula el funcionamiento de un sistema de agua caliente solar.

La Fig. 6 ilustra un módulo de entrada/salida configurable y conectorizado de la presente invención configurado como un ordenador de simulación con sistema de entrada/salida conectado a un segundo módulo de entrada/salida configurable y conectorizado configurado como un sistema de control, donde la combinación simula el funcionamiento de un sistema de agua caliente solar.

La Fig.7 ilustra el sistema de la Fig.6 conectado mediante un cable estándar.

La Fig.8 es un esquema de un sistema configurable de entrada/salida conectado a un sensor de sumidero, un sensor de sumidero, un actuador destinado a ser conectado a un circuito de salida de sumidero y un actuador destinado a ser conectado a un circuito de salida de sumidero, según la invención.

La Fig.9 muestra el cableado de interconexión del sistema de la Fig.8.

La Fig.10 es un esquema del aparato de interfaz configurable, según la invención.

La Fig. 11 es un esquema de un circuito integrado que realiza la función del aparato de interfaz configurable de la invención.

La Fig.12 es un esquema de un sistema configurable de entrada/salida como el de la Fig.8 con la adición de un termopar conectado de tal manera que se mide la tensión diferencial a través del termopar, según la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

En las patentes de EE. UU. Nos. 6,892,265, 7,216,191 y 7,822,896, se describe un método y un aparato que proporciona un módulo configurable y conectorizado que se emplea para efectuar una entrada/salida y un sistema de control capaz de interconectarse con sensores y actuadores. Un módulo de este tipo puede realizar las funciones de un sistema de entrada/salida o de un sistema de control, utilizando información de sensores para calcular señales de actuación que luego se conectan a los actuadores. Los módulos construidos utilizando la enseñanza de estas invenciones se han empleado como sistemas de entrada/salida para sistemas de control o como un sistema de control para una variedad de procesos. Así, los sensores de temperatura pueden conectarse eléctricamente al módulo y las señales de actuación del calentador pueden conectarse eléctricamente a un sistema de calentamiento. Dichos módulos han demostrado la capacidad de reducir el número de componentes necesarios para construir un sistema de control al tiempo que reducen significativamente la complejidad del cableado de interconexión.

Aunque un ordenador simulador funciona de forma muy diferente a un ordenador de control, ambos ordenadores deben conectarse eléctricamente para detectar y actuar. Sin embargo, mientras que el ordenador de control se conecta eléctricamente a los sensores y actuadores, el ordenador simulador se conecta eléctricamente al ordenador de control durante la fase de simulación del desarrollo del sistema de control. La presente invención utiliza un módulo configurable y conectorizado empleado para desempeñar un papel en la realización de un sistema de simulación, beneficiándose así de las ventajas de las patentes citadas anteriormente.

Con el fin de describir cómo un módulo conectorizable configurable puede funcionar en el papel de un simulador, describiremos un sistema de calentamiento solar de agua relativamente simple. El sistema solar de agua caliente consistirá en un controlador interconectado a varios sensores y actuadores. A continuación, describiremos cómo puede realizarse un simulador que practique la enseñanza de la presente invención, reduciendo así el tiempo de desarrollo y simplificando el cableado. No es objeto de este documento describir cómo funciona un simulador, sino más bien cómo un simulador que emplea la enseñanza de la presente invención puede simplificar la interconexión a un sistema de control. Los expertos en la materia comprenderán la función de un simulador.

1. Ejemplo de sistema solar de agua caliente

A continuación, se describe un sistema solar de agua caliente que podría encontrarse en un entorno industrial o doméstico, haciendo referencia a la Fig.1. Un colector solar 10 está situado de tal manera que recibe exposición solar durante una parte de las horas de luz diurna. Una bomba de velocidad variable 12 hace circular un fluido caloportador, como por ejemplo propilenglicol, a través del panel y, de ahí, a través de un intercambiador de calor 14 en un primer depósito 16, de forma que el fluido que retorna del panel esté suficientemente más caliente que la temperatura del fondo del primer depósito, de forma que la cantidad de calor transferida al primer depósito sea (como mínimo) superior a la energía necesaria para hacer funcionar la bomba para efectuar la transferencia de calor. Un caudalímetro 18 mide el caudal másico de propilenglicol para calcular y mostrar el flujo de calor, como se explicará más adelante. A medida que se extrae agua caliente de la parte superior del primer depósito, el agua fría entra en la parte inferior del primer depósito y es calentada posteriormente por el intercambiador de calor, con lo que se produce el calentamiento solar del agua.

Para hacer más evidente la necesidad de un simulador, aumentamos ligeramente la complejidad del sistema añadiendo un segundo depósito 20 y una bomba de velocidad fija 22, que puede transferir agua del primer depósito 16 al segundo depósito 20.

Los sensores de temperatura conectados al sistema solar de agua caliente pueden medir la temperatura de la parte superior del panel 24, la temperatura de la parte inferior del primer depósito 26, la temperatura de la parte superior del primer depósito 28 y la temperatura de la parte inferior del segundo depósito 30.

Nuestro sistema de agua caliente solar de ejemplo también incluye un transductor de presión 32 para controlar la presión del propilenglicol de circuito cerrado. Una presión demasiado alta puede indicar que el glicol corre el riesgo de hervir, por lo que la bomba de velocidad variable debe encenderse para enfriar los paneles. Por otro lado, una presión demasiado baja durante el funcionamiento normal podría indicar una fuga en el sistema, requiriendo una condición de alarma.

Refiriéndose ahora a la Fig.2, en funcionamiento, un controlador 40 mide constantemente las cuatro temperaturas y evalúa constantemente las siguientes declaraciones lógicas:

- SI ((temperatura de la parte superior del panel) MENOS (temperatura de la parte inferior del primer tanque) es MAYOR QUE 10ºC) Y (temperatura de la parte superior del primer tanque) es MENOR QUE 70C ENTONCES (ENCIENDA la bomba de velocidad variable).

- SI (temperatura del fondo del primer tanque) es MAYOR QUE 50C) Y ((temperatura del panel superior) MENOS (temperatura del fondo del primer tanque) es MAYOR QUE 10ºC) Y (temperatura del fondo del segundo tanque) es MENOR QUE 45C ENTONCES (ENCIENDA la bomba de velocidad fija durante 8 minutos).

La primera declaración lógica anterior hará que la bomba de velocidad variable se ponga en marcha si el panel calentado por el sol está 10ºC más caliente que el fondo del primer tanque y el primer tanque no está demasiado caliente (ya que podría hervir).

El segundo enunciado lógico anterior hará que el agua caliente del primer depósito se bombee al segundo depósito si el primer depósito está más caliente que el segundo y el segundo depósito no está ya demasiado caliente. La bomba de velocidad fija funciona durante un período de 8 minutos porque poco después de que la bomba de velocidad fija arranque, el agua fría del segundo tanque enfriará el fondo del primer tanque, violando así la segunda declaración lógica. En otras palabras, el segundo enunciado lógico hará que se intercambie un volumen fijo de agua entre el primer depósito y el segundo, transfiriendo así agua calentada por el sol al segundo depósito.

Por último, el controlador medirá constantemente el caudal másico de propilenglicol bombeado y, a continuación, multiplicará el caudal másico por la diferencia de temperatura entre la temperatura de la parte superior del panel y la temperatura de la parte inferior del primer depósito. La multiplicación da como resultado una medida del calor bombeado por unidad de tiempo. A continuación, el controlador ejecuta un algoritmo común de búsqueda de colinas en el que la bomba de velocidad variable aumenta o disminuye ligeramente su velocidad para maximizar el calor total bombeado durante el tiempo de funcionamiento de la bomba de velocidad variable.

Una vez descrito el sistema de control básico, puede describirse ahora la necesidad de un simulador.

2. Necesidad de un simulador

Los simuladores resultan inestimables para perfeccionar los sistemas antes de su despliegue. La simulación se utiliza mucho en los nuevos aviones y vehículos espaciales, ya que las pruebas in situ suelen ser imposibles y el coste de un fallo es elevado. Hemos querido que el ejemplo del sistema solar de agua caliente sea lo suficientemente complejo como para que, sin una fase de simulación, sea necesario realizar pruebas y modificaciones sobre el terreno, lo que llevaría mucho tiempo. Para probar un sistema solar de este tipo durante muchos ciclos solares, se necesitan muchos días sobre el terreno. Hemos introducido el algoritmo de búsqueda de colinas para maximizar la transferencia de calor. Estos algoritmos son especialmente valiosos cuando el problema se compone de múltiples variables y es difícil especificar una solución explícita. En el caso del sistema de agua caliente solar, la solución al problema de la velocidad a la que debe funcionar la bomba no es fácil de calcular utilizando la fuerza bruta. Por ejemplo, si se aumenta la velocidad de la bomba de velocidad variable, aumentará el caudal másico y, brevemente, la tasa de transferencia de calor. Sin embargo, el aumento del caudal másico suele reducir la temperatura del glicol que sale del panel solar, por lo que el producto matemático de caudal másico por diferencia de temperatura puede aumentar o disminuir. Específicamente, la disminución de la diferencia de temperatura en el panel solar puede dar lugar a una transferencia de calor más eficiente, por lo que la reducción de la temperatura con el aumento de la velocidad de la bomba de velocidad variable puede dar lugar a una mayor tasa de flujo de calor. Al mismo tiempo, esta relación es a su vez función de la radiación solar (es decir, la hora del día y la época del año), así como de la temperatura del primer depósito. El algoritmo de búsqueda de colinas puede encontrar el mejor caudal de bomba de velocidad variable dadas las circunstancias si se diseña correctamente. El diseño puede incluir cambios en el algoritmo o en sus parámetros. Este diseño puede llevar mucho tiempo cuando se realiza sobre el terreno con un sistema solar real. El uso de un simulador puede reducir significativamente el tiempo de diseño.

Algunos modos de funcionamiento de un sistema son difíciles de probar sin un simulador. Por ejemplo, nuestro sistema de agua caliente solar utiliza un transductor de presión para controlar la presión del glicol. Una presión demasiado alta o baja puede indicar condiciones anormales, como se ha descrito anteriormente. Un simulador puede provocar fácilmente que se produzca una condición de este tipo durante el funcionamiento normal, mientras que forzar una condición de este tipo durante el funcionamiento real podría ser difícil o incluso peligroso.

Por lo tanto, una simulación del sistema solar puede reducir significativamente el tiempo y el esfuerzo necesarios para perfeccionar el funcionamiento del sistema de control del agua caliente solar. Señalamos que esta necesidad dista mucho de ser exclusiva de este problema: es una necesidad omnipresente en muchos tipos de procesos y, sin embargo, como se ha descrito anteriormente, los simuladores tienden a ser complejos, caros y difíciles de cablear en el sistema de control. A continuación, describiremos cómo la presente invención reduce el coste, la dificultad de cableado y la complejidad de los enfoques anteriores. En primer lugar, describiremos la complejidad del arte previo y, a continuación, contrastaremos dicha complejidad con la simplicidad de la presente invención.

Finalmente, describiremos un beneficio secundario de la nueva arquitectura del simulador que elimina la necesidad de que el desarrollador del sistema de control esté en posesión física del hardware del controlador o simulador: Describiremos la base de un modelo que permite utilizar hardware localizado remotamente, reduciendo así las compras de hardware, el tiempo de configuración y, en consecuencia, la planificación de la fabricación del sistema de control completado.

3. Descripción del simulador de agua caliente solar

Aunque esta descripción es de un simulador para nuestro ejemplo de sistema de agua caliente solar, esta descripción pretende ser aplicable a la necesidad general de simuladores de sistemas de control. En referencia a la Fig.3, se muestra esquemáticamente un simulador 60.

Aunque la descripción de la presente invención se refiere a un ordenador simulador de sistema de control que está preferentemente contenido dentro de un módulo configurable y conectorizado, no hay nada en esta descripción que impida que el ordenador simulador de sistema de control esté conectado al módulo configurable y conectorizado, donde el módulo sólo proporciona las conexiones eléctricas representativas de un simulador de sistema de control. Alternativamente, una parte del simulador del sistema puede colocarse en el módulo conectorizado configurable, mientras que el resto del simulador se coloca en un ordenador separado del módulo conectorizado configurable, aunque, sin embargo, conectado. Por ejemplo, puede emplearse un lenguaje de simulación fácilmente disponible que se ejecute en una estación de trabajo informática. La estación de trabajo se conecta entonces al módulo configurable y conectorizado. La combinación del ordenador de la estación de trabajo y el módulo configurable y conectorizado constituye el simulador del sistema de control.

Para simular el sistema solar, el sistema de control 40 de la Fig. 2 se desconecta eléctricamente de todos los sensores y actuadores. El simulador del sistema de control 60 de la Fig.3 se conecta entonces eléctricamente al sistema de control 40. En la Fig. 4 se muestra el sistema de control de agua caliente solar interconectado y el sistema simulador 80, que no es más que la interconexión del sistema de control 40 y el simulador 60. El simulador del sistema de control 60 debe conectarse eléctricamente a todos los sensores y actuadores. El simulador del sistema de control 60 debe percibir eléctricamente las salidas del sistema de control 40 y el simulador del sistema de control 60 debe producir señales eléctricas de actuación que son percibidas por el sistema de control 40. Así, para cada entrada de sensor de medición de temperatura al sistema de control, 24, 26, 28 y 30 de la Fig. 1, el simulador del sistema de control produce una señal eléctrica simulada correspondiente del sensor de temperatura, y dicha señal eléctrica se conecta eléctricamente al ordenador de control. Por lo tanto, el simulador del sistema de control puede hacer que el ordenador del sistema de control procese una señal eléctrica tal que el sistema de control mida la temperatura simulada deseada.

De manera análoga, el sistema de control 40 está conectado eléctricamente al simulador del sistema de control 60, de tal manera que las salidas de actuación una simulación del sistema de control es detectada por el simulador del sistema de control. Así, refiriéndose a una simulación de la configuración de la Fig.1, cuando el sistema de control enciende la bomba de velocidad fija 22, la salida eléctrica del ordenador del sistema de control es detectada eléctricamente por el simulador del sistema de control, y el simulador del sistema de control puede entonces tomar la acción apropiada. En el caso de la bomba de velocidad variable 12, la salida del ordenador del sistema de control es una señal que varía continuamente, como una señal común de 4 a 20 mA. Esta señal de actuación del sistema de control es detectada por el simulador del sistema de control y el simulador responde entonces apropiadamente a esta señal del ordenador del sistema de control. La respuesta adecuada incluye hacer que el simulador produzca una señal eléctrica representativa del sensor de caudal másico 18. A veces, el sensor de caudal puede producir una serie de impulsos eléctricos, siendo la frecuencia de los impulsos proporcional al caudal. En este ejemplo, como es habitual en los caudalímetros sencillos que generan una tensión proporcional al caudal, el simulador del sistema de control es capaz de generar una tensión que representa con precisión el caudal de propilenglicol. En el sistema descrito, el caudal de propilenglicol es proporcional a la velocidad de la bomba de velocidad variable.

La respuesta adecuada por parte del simulador del sistema de control también incluiría hacer que la temperatura medida en la parte superior del panel solar 10 registrara un valor más bajo y que la temperatura medida en la parte inferior del primer depósito 16 registrara un valor más alto representativo del glicol caliente que se bombea fuera del panel solar 10 y dentro del intercambiador de calor 14 dentro del primer depósito 16.

4. Funcionamiento del simulador de agua caliente solar

En funcionamiento, el simulador del sistema de control 60 está conectado eléctricamente al ordenador 40 del sistema de control. El simulador del sistema de control 60 ajusta sus salidas a las condiciones iniciales apropiadas definidas por el usuario del simulador. En este caso, por ejemplo, la temperatura de la parte superior del panel 24 puede ajustarse a una temperatura de 20C antes del amanecer, con la temperatura de la parte inferior del primer tanque 26 ajustada a una temperatura representativa de 30C antes del amanecer. La temperatura de la parte superior del primer tanque 28 puede ser de 40C, indicativa de la temperatura del primer tanque antes del amanecer. La temperatura del fondo del segundo tanque 30 puede ser de 30C, también representativa de la temperatura antes del amanecer.

Dado que el ordenador del sistema de control 40 está conectado eléctricamente al simulador del sistema de control 60, el ordenador del sistema de control detectará eléctricamente estas temperaturas simuladas. Basándose en estas condiciones iniciales, el ordenador del sistema de control evalúa las sentencias lógicas descritas anteriormente y ajusta sus señales de actuación de salida para apagar tanto la bomba de velocidad variable 12 como la bomba de velocidad fija 22. De este modo, el sistema de control 40 se encuentra en estado de reposo a la espera de energía solar. De este modo, el sistema de control 40 se encuentra en un estado de reposo a la espera de que llegue la energía solar cuando salga el sol.

Para este tipo de simulación del sistema de control, una estrategia común sería simular la salida del sol. El ordenador simulador del sistema de control 60, tal como se muestra en la Fig. 4, aumentaría gradualmente su señal de actuación 83 de la temperatura de la parte superior del panel, representativa de un calentamiento gradual del panel solar 10. La velocidad de calentamiento se especifica en el programa simulador del sistema de control, como es habitual en cualquier simulador. La velocidad de calentamiento se especifica en el programa del simulador del sistema de control, como es habitual en cualquier simulador.

El ordenador del sistema de control 40 detectará el aumento de la señal de actuación 83 de la temperatura de la parte superior del panel. En algún momento, la primera declaración lógica será verdadera ya que la diferencia entre la temperatura del fondo del primer tanque 26 y la temperatura de la parte superior del panel 24 excede los 10ºC. En este punto, la computadora del sistema de control 40 encenderá la salida de la bomba de velocidad variable 42 a través de la señal 81 y la ajustará a una velocidad inicial.

El simulador del sistema de control 60 está conectado eléctricamente a la señal de accionamiento de la bomba de velocidad variable 81 producida por el ordenador del sistema de control. En respuesta a la señal del sistema de control para encender la bomba de velocidad variable, el simulador del sistema de control hará dos cosas según lo especificado por su programa interno. En primer lugar, comenzará a producir una tensión en la señal de salida 89 de su caudalímetro simulado que es proporcional a la velocidad ajustada de la bomba de velocidad variable, simulando así la salida del caudalímetro másico de glicol. En segundo lugar, el simulador del sistema de control comenzará a calcular los cambios en las demás temperaturas que se producirían dada la velocidad de la bomba de velocidad variable establecida por el sistema de control 40. Por ejemplo, la temperatura de la parte inferior del primer depósito 26 y la temperatura de la parte superior del primer depósito 28 comenzarán a aumentar dado el flujo de propilenglicol caliente en el intercambiador de calor 14 del primer depósito 16. La cantidad de cambio en la temperatura se calcula mediante el simulador del sistema de control. La cantidad de cambio en la temperatura es función tanto del caudal variable de la bomba fijado por el ordenador del sistema de control como de la radiación solar simulada y creciente que incide sobre el panel solar. Además, la cantidad de cambio de la temperatura del primer depósito es función del agua caliente extraída del primer depósito, lo que representa el uso de agua caliente. El agua caliente extraída se sustituye por agua fría, reduciendo así la temperatura del primer depósito 16.

El sistema de control 40 responde a las acciones del simulador del sistema de control 60, anotando en primer lugar el caudal másico medido a partir de la señal 89 del caudalímetro de glicol simulado. El ordenador del sistema de control comienza calculando el calor transferido por unidad de tiempo. El cálculo se realiza multiplicando el caudal másico de glicol por la diferencia de temperatura entre la parte superior del panel y la parte inferior del primer depósito. Las unidades de este cálculo pueden ser especificadas por el usuario del sistema solar, siendo en kW o BTU/hora, por ejemplo.

A continuación, el ordenador 40 del sistema de control integra el calor transferido por unidad de tiempo, obteniendo así una medida de la energía térmica transferida. Las unidades de este cálculo también pueden ser especificadas por el usuario del sistema solar, siendo kW-hora o BTU, por ejemplo.

El ordenador del sistema de control 40 procede entonces a ejecutar su algoritmo de búsqueda de colinas para maximizar el caudal de energía aumentando o disminuyendo la velocidad de la bomba de velocidad variable 12 mediante el uso de la señal 81.

El proceso continúa durante todo el día simulado. En algún momento, dada una radiación solar suficiente, el ordenador 40 del sistema de control puede determinar que debe encender la bomba 22 de velocidad fija para transferir agua caliente al segundo depósito 20.

En respuesta al accionamiento por el ordenador del sistema de control 40 de la bomba de velocidad fija 22, el simulador del sistema de control 60 hará que la temperatura del segundo tanque 20 aumente mientras que simultáneamente hará que la temperatura del fondo del primer tanque disminuya como se explicó anteriormente.

En el caso más sencillo, este proceso continúa durante todo el día simulado. Se puede aumentar la complejidad del simulador del sistema de control, por ejemplo, simulando un día nublado o lluvioso o simulando que se extrae agua del primer depósito o del segundo. Sin embargo, esta complejidad es sólo indicativa de una mayor complejidad potencial y no es material en esta discusión, salvo para volver a enfatizar el valor que aporta un simulador de este tipo. Una de las principales ventajas de emplear un simulador de este tipo es que las soluciones explícitas no pueden preprogramarse en el ordenador del sistema de control. Más bien, el programa del sistema de control sólo puede diseñarse para responder a los cambios en sus entradas realizando los cambios correspondientes en sus salidas. Rara vez hay un resultado uno a uno de un cambio. Por ejemplo, un día, el aumento de la velocidad de la bomba de velocidad fija en respuesta a un aumento de la temperatura en la parte superior del panel puede dar lugar a un aumento de la tasa de transferencia de calor. Otro día, con condiciones iniciales diferentes, podría ocurrir lo contrario. Así, el simulador permite ejercitar el sistema de control a través de su espacio de estados o rango de condiciones de funcionamiento. El objetivo general de este ejercicio de simulación es diseñar un programa informático para el sistema de control que pueda maximizar la cantidad de energía solar transferida al sistema de agua caliente de la empresa o el hogar en distintas condiciones meteorológicas y de funcionamiento.

a. Descripción de la interconexión del ordenador del simulador de agua caliente solar del estado de la técnica con el ordenador del sistema de control de agua caliente solar del estado de la técnica

Refiriéndonos a la Fig. 4, describiremos ahora la conexión eléctrica 80 entre el ordenador simulador de agua caliente de la técnica anterior 60 y el ordenador 40 del sistema de control de agua caliente solar de la técnica anterior. Ocho dispositivos-seis sensores y dos actuadores-están normalmente conectados al ordenador 40 del sistema de control de agua caliente solar. Para simular la función de estos ocho dispositivos, el ordenador simulador del sistema de control 60 debe conectarse eléctricamente en el lugar de estos ocho dispositivos.

Dispositivo #1, Señal 81 de la bomba de glicol de velocidad variable: Una señal común de 4-20mA es utilizada por el ordenador 40 de control de agua caliente solar para ajustar la velocidad de la bomba de glicol 12. Así, una señal de 4mA solicita la velocidad mínima, mientras que 12mA solicita la velocidad media y 20mA solicita la velocidad máxima. Los valores entre 4mA y 20mA representan peticiones de velocidad proporcionales. Como es habitual en el estado de la técnica, el módulo de salida de corriente 41 del ordenador de control del agua caliente solar debe recibir alimentación eléctrica. Dos cables adicionales conectan las señales de salida de corriente 81 al módulo de entrada de corriente 61 en el ordenador de simulación de agua caliente solar 60. Como también es habitual en la técnica anterior, debe suministrarse corriente al módulo de entrada de corriente 61 en el ordenador simulador de agua caliente solar. Entre el ordenador 40 de control de agua caliente solar y el ordenador 60 de simulación de agua caliente solar se tienden dos hilos 81. Además, se deben conectar dos hilos entre sí. Además, dos hilos deben conectar cada uno de dichos módulos a su propia fuente de alimentación de dispositivos 42 y 66.

Dispositivo #2, Señal 82 del transductor de presión de glicol: Una señal común de 4-20mA es utilizada por el transductor de presión de glicol 32 para producir una señal de presión de glicol 82. La señal y el cableado son diferentes que en el caso del dispositivo n.º 1 en el sentido de que hay un cable entre el ordenador 40 de control de agua caliente solar y el ordenador 60 de simulador de agua caliente solar. Esta diferencia se debe al hecho de que la mayoría de los transductores de presión, como el transductor de presión de glicol 32, están alimentados por lazo, por lo que esperan una señal de alimentación generada internamente por el ordenador simulador 60. Además, cada uno de los transductores de presión de glicol 32 está alimentado por lazo. Además, dos cables deben conectar cada uno de los dos módulos a su propia fuente de alimentación 42 y 66.

Dispositivo #3, señal del caudalímetro másico de glicol 89: El caudalímetro másico de glicol 18 utiliza una señal de tensión para transmitir la información de caudal al ordenador 40 de control del agua caliente solar. El caudalímetro másico 18 produce una tensión proporcional al caudal, como es habitual en la técnica. Se requiere un cableado cuidadoso para evitar conectar la fuente de alimentación 42 del dispositivo informático de control de agua caliente solar a la fuente de alimentación 66 del dispositivo informático simulador de agua caliente solar. La razón de este cuidado necesario es que el ordenador de control de agua caliente solar debe suministrar energía cuando está conectado al caudalímetro másico de glicol. Sin embargo, cuando se conecta el ordenador simulador de agua caliente solar, es necesario eliminar esta señal de alimentación, ya que la alimentación para generar la señal de caudal simulado emanará de la fuente de alimentación 66 del dispositivo informático simulador de agua caliente solar. Es necesario conectar cinco cables para conectar los dos ordenadores.

Dispositivo #4, Señal 83 del sensor de temperatura de la parte superior del panel: Se utiliza una señal común de 4-20 mA para conectar cuatro sensores de temperatura al ordenador de control de agua caliente solar. Cuando se conecta el ordenador simulador de agua caliente solar 60 en lugar de los sensores de temperatura, debe tenerse muy en cuenta la alimentación, ya que tanto el circuito del módulo de salida de corriente 63 del ordenador simulador de agua caliente solar 60 como el circuito del módulo de entrada de corriente 43 del ordenador de control de agua caliente solar 40 necesitan alimentación. Sin embargo, si las dos fuentes de alimentación de dispositivos 42 y 66 están conectadas, las dos fuentes de alimentación pueden entrar en inestabilidad provocando un fallo del sistema. Por lo tanto, las dos fuentes de alimentación del dispositivo deben referenciarse cuidadosamente a través de su conexión de referencia de tierra común 84. El cable 84 transporta la señal de 4-20 mA desde el ordenador de control de agua caliente solar 40 hasta el ordenador simulador de agua caliente solar 60 Se emplean dos cables adicionales 45 y 65 para conectar dichas fuentes de alimentación de dispositivos a sus respectivos circuitos de módulos de corriente. Nuestra descripción aquí es realmente más simple que la mayoría de los sistemas del arte previo en que es común aislar cada canal de entrada de corriente cada uno del otro. Por lo tanto, las fuentes de alimentación individuales y el cableado podrían ser necesarios. Mostramos menos cables de los que cabría esperar.

Dispositivo #5, Señal 85 del Sensor de Temperatura de la Parte Superior del Primer Tanque: Idéntica a la del Dispositivo #4.

Dispositivo #6, Sensor de Temperatura de Fondo del Primer Tanque Señal 86: Idéntico al Dispositivo #4.

Dispositivo #7, Señal 87 del Sensor de Temperatura del Fondo del Segundo Tanque: Idéntico al Dispositivo #4.

Dispositivo #8, Señal de Actuación de la Bomba de Velocidad Fija 88: Una señal digital o de encendido/apagado utilizando una lógica común de 24VDC es producida por el ordenador 40 de control de agua caliente solar.

b. Descripción de la interconexión del ordenador simulador de agua caliente solar de la presente invención con el ordenador del sistema de control de agua caliente solar

Ahora contrastaremos la presente invención con el estado de la técnica con el beneficio del ejemplo descrito anteriormente del sistema de control de agua caliente solar y el simulador del estado de la técnica. Refiriéndose a la Fig.5, representamos la interconexión del sistema de control de agua caliente solar al simulador de la presente invención.

En la realización preferida, el módulo de entrada/salida 90 configurable y conectorizado contiene un conector de entrada/salida 91 de 25 patillas. Se puede utilizar cualquier número de pines, dependiendo de las necesidades comerciales y técnicas. El módulo configurable y conectorizado también contiene un conector de alimentación 92 que se conecta a una fuente de alimentación 93 del módulo. La alimentación eléctrica procedente de la fuente de alimentación del módulo a través del conector de alimentación tiene dos finalidades. En primer lugar, la energía de la fuente de alimentación del módulo 93 se utiliza para energizar el ordenador de simulación del sistema de control. En segundo lugar, la energía también se encamina selectivamente a través del método y aparato configurable a ciertos pines del mencionado conector de entrada/salida 91. We note the distinction from the prior art, which cannot selectively route power via a configurable apparatus, thus requiring cabling or wiring to achieve the same result. También observamos que cualquier pin del módulo conector configurable puede establecerse como una entrada o una salida o alimentación o tierra, siendo las señales de entrada y salida de varias formas, incluyendo varios voltajes, corrientes o frecuencia, por nombrar algunos. Además, la alimentación puede ser de varios voltajes, como 5 voltios, 24 voltios u otros voltajes según requiera la aplicación de la invención.

Un tercer conector 94 proporciona conectividad de red, como Ethernet. La conectividad de red se utiliza para cargar software, ajustar parámetros, visualizar el proceso de simulación y registrar los resultados de la simulación. Como se ha indicado anteriormente, nada en esta descripción impide lógicamente separar parte o toda la función del ordenador de simulación del módulo conector configurable. Especialmente en simulaciones grandes o complejas, el empleo de un ordenador de simulación más grande o de varios ordenadores puede producir mejores resultados. En tal caso, sin embargo, el módulo sigue proporcionando el método de conexión eléctrica y el aparato representativo de un simulador de sistema de control, proporcionando así la ventaja inventiva al simplificar el cableado y reducir el tiempo de configuración y la cantidad de hardware de simulador necesario para realizar la funcionalidad del simulador.

La interconexión del módulo conectorizado configurable de entrada/salida 90 con el ordenador de control de agua caliente solar 40 representado en la Fig.5 es mucho más sencilla que en la técnica anterior representada en la Fig. 4. Mientras que el mismo número de señales 81 a 89 interconectan el ordenador de agua caliente solar 40 y el ordenador simulador 60 en cada figura, en el sistema de la técnica anterior de la Fig.4 deben conectarse a mano diez cables adicionales y debe conectarse una segunda fuente de alimentación en comparación con la presente invención representada en la Fig.5. La presente invención de la Fig.5 emplea un método y aparato conectorizado configurable en el que un cable estándar puede conectarse al módulo conectorizado configurable de entrada/salida 90 y los extremos de dicho cable pueden conectarse al ordenador 40 de control de agua caliente solar. No se requiere una segunda fuente de alimentación del dispositivo 42 como se ha descrito anteriormente. Así, el sistema de la presente invención es más sencillo, requiere menos interconexiones y elimina muchos componentes de hardware.

Otra ventaja del módulo de entrada/salida configurable y conectorizado de la presente invención queda demostrada por la reducción de los módulos de entrada y salida de la técnica anterior. Haciendo referencia a la Fig. 4, observamos que el ordenador simulador 60 emplea cuatro módulos de entrada/salida diferentes, tales como 61 y 63. Tales módulos son grandes, caros y se utilizan mal cuando el ordenador simulador 60 está conectado a un ordenador simulador. Tales módulos son grandes, caros y están mal utilizados cuando se considera el número de señales de entrada y salida disponibles en los respectivos módulos. Por el contrario, el sistema de la presente invención en la Fig.5 emplea un único módulo de entrada/salida 90 configurable y conectorizado, siendo el módulo capaz en virtud de los pasos inventivos de suministrar cualquiera de las señales requeridas y energía en cualquiera de sus pines conectores, ofreciendo así una reducción dramática en componentes de hardware y por lo tanto espacio y coste.

En su implementación más genérica, la presente invención está conectada eléctricamente a un sistema de control típicamente en uso durante los últimos cincuenta años, y en amplio uso hoy en día. Sin embargo, con la invención del sistema de entrada/salida configurable y conectorizado, se han aplicado nuevas arquitecturas de sistemas de control a una serie de aplicaciones de sistemas de control. Si el simulador de la presente invención se combina con el sistema de control realizado con un sistema de entrada/salida conectorizado configurable, se obtienen ventajas significativas. A continuación, describiremos el sistema en el que la presente invención se combina con un sistema de control realizado con un sistema de entrada/salida conectorizado configurable.

c. Descripción de la interconexión del ordenador simulador de agua caliente solar de la presente invención con el ordenador del sistema de control de agua caliente solar que emplea un sistema configurable de entrada/salida conectada

La superioridad de la presente invención, tal como se ha explicado con el ejemplo ilustrativo de un simulador de agua caliente solar, ha quedado demostrada en su drástica reducción de componentes de hardware, complejidad de cableado y, como resultado, mano de obra. Si ahora se hace una comparación similar entre este sistema y un sistema que emplea tanto un simulador de agua caliente solar de la presente invención como un sistema de control de agua caliente solar realizado con un sistema de entrada/salida configurable y conectorizado, entonces se puede demostrar un grado similar de mejora. A continuación, se presenta dicha comparación.

Haciendo referencia a la Fig.6, vemos que el ordenador simulador de agua caliente solar 60 no ha cambiado con respecto a la Fig.5. Sin embargo, la gran colección de hardware necesaria para realizar el ordenador de control de agua caliente solar 40 de la Fig.5 se ha reducido drásticamente en la Fig.6. La reducción de la complejidad es un resultado directo del empleo de un módulo 90 de entrada/salida configurable y conectorizado para efectuar la funcionalidad del ordenador 40 de control de agua caliente solar. Mientras que el sistema de control de la técnica anterior 40 de la Fig.5 requería dos fuentes de alimentación, bloques de terminales y veinte cables, el sistema de control de agua caliente solar 40 de la Fig. 6 sólo requiere diez cables y ningún bloque de terminales, cableado personalizado o mazos de cables. Además, la fuente de alimentación del módulo 93 puede ahora compartirse entre el sistema de control de agua caliente solar 40 y el simulador de agua caliente solar 60, lo que supone una mayor simplificación.

Un beneficio adicional del empleo de dos módulos configurables de entrada/salida conectorizados 90 para efectuar el sistema de control/simulador es demostrado en la Fig. 7 donde un cable estándar 95 es utilizado para interconectar los dos módulos configurables de entrada/salida conectorizados 90. Un cable estándar es simplemente un cable en el cual cada pin es conectado a través de un cable a un pin en el otro extremo del cable. Un cable estándar es simplemente un cable en el que cada pin está conectado a través de un alambre a un pin en el otro extremo del cable. Dichos cables pueden adquirirse en numerosas tiendas y sitios web off-the-shelf. Aunque los cables estándar son dispositivos sencillos, nada en esta descripción limita el uso de otros tipos de cables de interconexión en los que el cable emplea uno, dos o más de dos conectores o en los que varios hilos se combinan o conectan de formas que mejoran la utilización de los hilos de señal o alimentación. No obstante, el uso de un cable estándar 95 simplifica y reduce drásticamente el coste del sistema de control de agua caliente solar y del simulador de agua caliente solar.

Por lo tanto, el módulo conectorizado configurable de entrada/salida, en virtud de su capacidad para encaminar señales y alimentación en cualquier patilla del conector, permite una reducción significativa de la complejidad del cableado, el número de piezas necesarias y la cantidad de mano de obra necesaria para montar el sistema para un ordenador de simulación o una combinación de ordenador de simulación y control. A continuación, se describe el módulo conectorizado configurable de entrada/salida.

En la Fig. 8, un diagrama de bloques muestra un sistema conectorizado configurable que incluye un sistema de entrada/salida 65 que conecta sensores y actuadores 80-84 a un controlador de sistema 72. El sistema configurable de entrada/salida 65 incluye un módulo de entrada/salida 66, siendo el módulo una o más placas de circuito montadas opcionalmente en un recinto o conectadas a una placa posterior. El módulo 66 incluye uno o más conectores 69 de comunicación de dispositivos. Los conectores de comunicación de dispositivos 69 pueden ser un simple conector de bloque de terminales al que se puede conectar un solo conductor o un conector tipo clavija. El enchufe puede contener uno o múltiples conductores. Para mayor claridad, la Fig.8 muestra el caso más general en el que todos los conectores de comunicación de dispositivos 69 contienen un único conductor. Los conductores 68 interconectan los dispositivos 80-84 al módulo configurable de entrada/salida 66. Los dispositivos pueden contener conectores de extremo de dispositivo. Los dispositivos pueden contener conectores de extremo de dispositivo 71 que pueden o no ser similares a los conectores de comunicación de dispositivo 69. Opcionalmente, los conductores 68 pueden tener fijados conectores 69B y 71B que se acoplan con los respectivos conectores de comunicación de dispositivo 69 y conectores de extremo de dispositivo 71 del módulo de entrada/salida, respectivamente. Alternativamente, los conductores 68 no tienen conectores 69B y/o 71B y se conectan directamente a los conectores de comunicación de dispositivo 69 y/o a los conectores de extremo de dispositivo 71. Dicha conexión directa podría emplear conectores de bloque de terminales. Dicha conexión directa podría emplear conectores de bloque de terminales, por ejemplo, como se ha descrito anteriormente. Los conductores 68 pueden agruparse en cables. Todos los cables 68B son preferiblemente idénticos, pero la presente invención también permite cables 68B con diferente número y configuración de conductores. Los conectores de comunicación de dispositivo 69 y los conectores de extremo de dispositivo 71 pueden agruparse de forma similar para que coincidan con el número de conductores de los cables. De este modo, un cable completo puede conectarse/desconectarse de un dispositivo o del módulo de entrada/salida, o de ambos.

En otra alternativa, no se emplea ningún conector de extremo de dispositivo 71, lo que resulta si, por ejemplo, cualquier dispositivo 80-84 se fabrica con una disposición de cola de cerdo en la que los conductores 68 ya están unidos al dispositivo. En tal caso, el pigtail puede conectarse directamente a los conectores de comunicación 69 del dispositivo, que pueden ser un bloque de terminales. Alternativamente, el pigtail puede tener conectores 69B unidos a los extremos de los conductores, y los conectores pueden conectarse directamente a los conectores 69 de comunicación del dispositivo.

Los conectores 69B y 71B pueden fijarse a los conductores 68 mediante engarce, soldadura, soldadura fuerte o fijación similar. Alternativamente, los conductores pueden sujetarse directamente, por ejemplo, utilizando bloques de terminales de tornillo o de resorte, obviando así la necesidad de uno o ambos conectores de acoplamiento 69B y 71B.

El módulo de entrada/salida configurable 66 incluye un microprocesador 82, una fuente de alimentación interna 91 y un aparato de interfaz 97. La fuente de alimentación interna 91 suministra energía al aparato de interfaz 97, permitiendo así suministrar energía desde el módulo de entrada/salida 66 a los dispositivos 80-84. La fuente de alimentación interna 91 suministra energía al aparato de interfaz 97, permitiendo así que se suministre energía desde el módulo de entrada/salida 66 a los dispositivos 80-84. La fuente de alimentación interna 97 también suministra energía para el funcionamiento de todos los componentes del módulo de entrada/salida. La fuente de alimentación interna 97 también proporciona energía para el funcionamiento de todos los componentes del módulo 66. La fuente de alimentación interna 91 está conectada a una fuente de alimentación externa 79. El aparato de interfaz 97 se describe en detalle a continuación, con referencia a la Fig.10. El microprocesador 82 es programable para efectuar un direccionamiento particular de una señal entre el módulo configurable de entrada/salida 66 y los dispositivos 80-84, y entre el módulo 66 y un controlador de sistema 72. El microprocesador contiene una memoria intermedia 92. Los conectores de comunicación del controlador 76 proporcionan conexión a una conexión de red 78 (preferiblemente Ethernet) para la comunicación entre el módulo 66 y el controlador del sistema 72. La conexión de red 78 puede ser un cable con conectores estándar 76B que permiten que el cable se conecte y desconecte fácilmente del módulo de entrada/salida 66. La conexión de red 78 puede ser en cambio un cable con conectores estándar 76B. La conexión de red 78 puede ser en cambio un conector de placa posterior, por ejemplo, el módulo 66 puede conectarse a una placa posterior de un PLC o un controlador integrado, o el módulo puede funcionar como un controlador integrado. La conexión de red 78 también puede utilizar tecnología inalámbrica sin apartarse de la esencia de la invención. El controlador de sistema 72 se utiliza a menudo para coordinar múltiples módulos de entrada/salida configurables 66. Sin embargo, el módulo de E/S configurable 66 puede funcionar sin conexión al controlador de sistema 72. Sin apartarse de la enseñanza de la presente invención, un módulo configurable de entrada/salida 66 puede: actuar como un denominado controlador integrado; ser una placa de circuito que forma parte de un sistema mayor; o funcionar como el controlador del sistema por sí mismo.

En referencia a la Fig. 8, se muestran cuatro sensores y actuadores diferentes conectados a un único módulo de entrada/salida configurable de la presente invención. Específicamente, se conectan al módulo configurable de entrada/salida 66 un sensor de origen 80, un sensor de origen 81, y dos tipos de actuadores, uno diseñado para ser accionado por un circuito de salida de origen (ver 83 y 84) y otro diseñado para ser accionado por un circuito de salida de origen (ver 82). En contraste, un sistema equivalente del arte previo requerirá cuatro diversos módulos de la entrada-salida. La presente invención cumple este requisito con un único módulo configurable de entrada/salida 66. Además, los sistemas de la técnica anterior no suministran alimentación desde los módulos de entrada/salida, mientras que la presente invención emplea una conexión de E/S configurable que suministra alimentación y un retorno a tierra. Por último, los sistemas de la técnica anterior utilizan pobremente los circuitos de los cuatro módulos de entrada y salida diferentes, mientras que la presente invención utiliza todas las conexiones necesarias del módulo de entrada/salida configurable. Cabe señalar que en el sistema mostrado en la Fig.8 no se necesitan tres canales de entrada/salida configurables para este conjunto de sensores y actuadores. Por lo tanto, estos tres canales están disponibles para sensores y actuadores adicionales, en caso de que se necesiten en el futuro.

La Fig.8 demuestra la superioridad de la presente invención sobre la técnica anterior. Con la presente invención, se requieren muchas menos conexiones para lograr la misma utilidad que en la técnica anterior. Además, se consigue una utilización eficiente del módulo de entrada/salida de la presente invención, haciendo más atractivas las arquitecturas de control distribuido.

La Fig.9 muestra la disposición del cableado para el sistema de la Fig.8. Los conductores se muestran en cuatro grupos correspondientes a los cuatro dispositivos. Los conductores de cada grupo pueden combinarse convenientemente en un cable, por lo que pueden utilizarse cuatro cables idénticos. La Fig.9 muestra otra ventaja del módulo de entrada/salida configurable de la invención. Mientras que el cableado de la técnica anterior era necesariamente un complejo mazo de cables que desafiaba los intentos de simplificación, el cableado de la presente invención es eficiente y simple, por ejemplo, consiste en cables separados y simples para cada uno de los sensores y actuadores. La naturaleza del módulo de entrada/salida configurable y conectorizado permite, por lo general, utilizar juegos de cables estándar e idénticos, ya que las señales deseadas pueden dirigirse a los contactos deseados. Esta simplificación del cableado inclina la balanza entre los conectores de bloque de terminales cableados a mano y los cables decididamente a favor de los cables estándar. Por lo tanto, la presente invención reduce el coste y la complejidad del cableado de un sistema de control. La comparación de la técnica anterior con la presente invención muestra claramente cómo el patrón de cableado simplificado de la presente invención fomenta los sistemas de cableado cableados y conectorizados. La posibilidad de utilizar cuatro cables idénticos simplifica enormemente la conexión de sensores y actuadores al módulo de entrada/salida configurable.

Además, está claro que la presente invención mejora significativamente la utilización de los canales de entrada/salida, así como la reducción del espacio necesario para el cableado. Ambas ventajas reducen la necesidad de emplear sistemas de control centralizados, haciendo prácticas las arquitecturas de sistemas de control distribuido que tanto se han buscado.

La presente invención facilita el uso de cables estándar para la conexión a sensores y actuadores. Sin embargo, no se excluye el uso de conectores de bloque de terminales de un solo conductor cableados a mano, ya que esta configuración es la más sencilla de las conexiones de cable estándar. Algunos usuarios de sistemas de entrada/salida prefieren los sistemas manuales de un solo conductor. La presente invención simplifica significativamente dichos sistemas y da lugar a una utilización mucho mejor de los módulos de entrada/salida.

La Fig. 10 muestra el módulo de entrada/salida 66 con más detalle del aparato de interfaz 97. El módulo de entrada/salida configurable 66 puede contener cualquier número de aparatos de interfaz 97A, 97B, 97C..... Cada aparato de interfaz está conectado a un conector de dispositivo 69 y, opcionalmente, a través de un conmutador de punto de cruce interno a otro aparato de interfaz. (Cada aparato de interfaz contiene cualquier número de aparatos de interconexión, cada uno con un relé. En la realización particular mostrada, hay 12 aparatos de interconexión y sus correspondientes relés R1-R12. El aparato de interconexión 97A es capaz de encaminar cualquiera de una pluralidad de señales y conectarlas al conector 69 del dispositivo. La Fig.10 está muy estilizada y pretende transmitir la esencia de la invención. The interface apparatus, shown in Fig. 10 to comprise interconnection apparatus and relays R1 to R12, are realized with transistors in preferred embodiments.

El aparato de interfaz, incluidos los aparatos de interconexión como los ilustrados en la Fig.11, puede configurarse como un circuito integrado (IC). El IC se repite dentro del módulo de E/S 66 para cada conector de dispositivo 69. Por lo tanto, si hay 25 conectores de dispositivo 69, entonces se emplearían 25 CI. El módulo 66 puede contener cualquier número de circuitos integrados, al igual que cualquier módulo puede contener cualquier número de conectores de dispositivo 69. Otra realización puede emplear una arquitectura de CI diferente en la que múltiples conectores de dispositivo 69 se manejan en cada CI o múltiples CI se utilizan para manejar uno o más conectores de dispositivo. El resultado de utilizar un CI es una reducción drástica del tamaño y el coste de construcción de un módulo 66 en virtud de la miniaturización que ofrecen los modernos procesos de semiconductores.

La Fig.11 es un diagrama de bloques de un circuito integrado capaz de realizar el aparato de interconexión, 97A. El circuito integrado 198 ha sido específicamente diseñado para servir al papel del aparato de interconexión, por lo que puede ser referido como un Circuito Integrado de Aplicación Específica (ASIC). Este ASIC está diseñado específicamente para proporcionar la funcionalidad del aparato de interconexión. En el futuro, un ASIC de este tipo podría convertirse en un producto estándar de un proveedor de circuitos integrados. Por lo tanto, el término ASIC, tal como se utiliza en el presente documento, incluye un circuito integrado estándar diseñado para funcionar como el aparato de interconexión. Además, el término circuito integrado (CI), tal y como se utiliza aquí, pretende abarcar la siguiente gama de dispositivos: ASIC, CI híbridos, CI híbridos de cerámica cocida a baja temperatura (LTCC), módulos multichip (MCM) y dispositivos de sistema en un paquete (SiP). Los CI híbridos son circuitos electrónicos miniaturizados que ofrecen la misma funcionalidad que un CI (monolítico). Los MCM comprenden al menos dos CI; el aparato de interfaz de la presente invención puede realizarse mediante un MCM en el que las funcionalidades requeridas se dividen entre varios CI. Un SiP, también conocido como MCM de pila de chips, es un número de CI encerrados en un único paquete o módulo. Un SiP puede utilizarse en la presente invención de forma similar a un MCM. En teoría, podrían utilizarse dispositivos lógicos programables para realizar el aparato de interfaz de la presente invención. Sin embargo, los dispositivos lógicos programables disponibles en la actualidad, como las matrices de puertas programables en campo (FPGA), tienen una serie de limitaciones funcionales que hacen que su uso no sea deseable; por ejemplo, una FPGA no puede dirigir la alimentación o la masa a una patilla determinada.

La Fig. 11 representa un diagrama de bloques de un ASIC 198 controlador de patillas. Cuando se conecta al microprocesador 82 mediante un bus de comunicación serie 206 tal como una interfaz SPI, el microprocesador 82 de la Fig.10 puede ordenar al ASIC 198 que realice las funciones de los circuitos del aparato de interconexión 97A. Aunque los circuitos de la Fig.11 parecen diferentes de los del aparato de interconexión 97A, el ASIC 198 es capaz de realizar las mismas o similares funciones requeridas. Mientras que la Fig.10 es un diagrama algo idealizado que pretende transmitir la esencia de la invención, la Fig. 11 contiene más elementos de circuito que se colocarían dentro de un ASIC. No obstante, la Fig.11 implementa todos los elementos de circuito de la Fig.10. Por ejemplo, la Fig. 10 muestra un convertidor digital-analógico (D/A o DAC) conectable al conector 69 de comunicación del dispositivo. En la Fig. 11, el convertidor digital-analógico 226 está conectado al pin de salida 208 a través del conmutador 220. La presente invención también incluye otras disposiciones de circuito para un ASIC 198 para el mismo o similar propósito. Los expertos en la materia sabrán cómo diseñar diversos circuitos de este tipo, que se incluirán en la presente invención.

A continuación, se describirán brevemente características ejemplares del ASIC de la Fig.11. La alimentación puede aplicarse a la patilla 208 cerrando el interruptor de alta corriente 222b y ajustando el selector de alimentación 227 a cualquiera de las tensiones de alimentación disponibles, tales como 24 voltios, 12 voltios, 5 voltios, tierra o 12 voltios negativos.

El ASIC puede medir el voltaje en el pin 208 cerrando el interruptor de baja corriente 222 y leyendo el voltaje convertido por el convertidor analógico-digital 216.

Un sensor de temperatura termopar puede conectarse directamente al ASIC 198 en el punto/pin 208, en el que el sensor produce una señal de muy bajo voltaje. Un conmutador de punto de cruce 210 permite que un amplificador diferencial de precisión 212 se conecte a ambos conductores del termopar, estando un conductor del termopar conectado al nodo/pin 208 conectado a un pin de un conector 69 (Fig. 10), y el segundo conductor del termopar conectado a otro pin del conector 69, que está conectado a un conector de E/S 214 de punto de cruce de 4 vías. Por lo tanto, el conmutador de punto cruzado 210 permite conectar dos patillas adyacentes de un conector 69 al mismo convertidor analógico-digital 216 a través de un amplificador diferencial 212.

El ASIC 198 tiene la capacidad de medir la cantidad de corriente que fluye dentro o fuera del nodo 208 etiquetado "Pin" en la Fig. 11. El circuito controlador de pin 198 en este caso utiliza su convertidor A/D 216 para medir la corriente que fluye dentro o fuera del nodo pin 208, permitiendo así la detección de corriente excesiva, o detectar si un dispositivo conectado al nodo pin 208 está funcionando o cableado correctamente.

El ASIC 198 también tiene la capacidad de monitorizar el flujo de corriente dentro y fuera del nodo pin 208 para desconectar unilateralmente el circuito 198, protegiendo así el ASIC 198 de daños por cortocircuitos u otras condiciones potencialmente dañinas. El ASIC 198 emplea un denominado "circuito de detección de abuso" 218 para monitorizar los cambios rápidos de corriente que podrían dañar potencialmente el ASIC 198. Los interruptores de baja corriente 220, 221 y 222 y el interruptor de alta corriente 222b responden al circuito de detección de abuso 218 para desconectar el pin 208.

El circuito de detección de abuso ASIC 198218 tiene la capacidad de establecer un límite de corriente para el pin 208, siendo el límite de corriente establecido programáticamente por el microprocesador 82. Esto se indica mediante selecciones 224.

El ASIC 198 puede medir el voltaje en el nodo de patilla 208 para permitir que el microprocesador 82 determine el estado de una entrada digital conectada al nodo de patilla. De este modo, el umbral de una entrada digital puede programarse en lugar de fijarse en hardware. El microprocesador 82 establece el umbral de la entrada digital mediante el convertidor digital-analógico 226. La salida del convertidor digital-analógico 226 es un convertidor digital-analógico. La salida del convertidor digital-analógico 226 se aplica a un lado de un comparador de enclavamiento 225. La otra entrada al comparador de enclavamiento 225 se aplica a un lado del comparador de enclavamiento 225. La otra entrada al comparador de enganche 225 se encamina desde el pin 208 y representa la entrada digital. Por lo tanto, cuando el voltaje de la entrada digital en el pin 208 cruza el umbral fijado por el convertidor digital-analógico, el microprocesador 82 es capaz de determinar el cambio en la entrada y así deducir que la entrada digital ha cambiado de estado.

El ASIC 198 puede recibir o producir señales de frecuencia. Si un dispositivo de comunicación en serie, por ejemplo, una impresora, está conectado al pin 208, entonces las señales de frecuencia pueden ser enrutadas a través del interruptor de baja corriente 221 y de ahí a un transmisor receptor asíncrono universal (UART) o elemento de circuito similar (no mostrado) que puede interpretar la información de frecuencia. Todos los ASIC 198 de un módulo 66 (véase la Fig. 10) pueden encaminar la información de frecuencia a uno de los cuatro cables que componen el bus de frecuencia 230. Mediante el empleo del bus de frecuencia 230, es posible que el módulo 66 reciba y transmita señales de frecuencia configuradas como de terminación única o diferencial. Tales estándares eléctricos seriales como RS-422 proporcionan información serial diferencial.

El ASIC 198 puede producir una fuente de corriente en el nodo pin, siendo la fuente de corriente un método estándar para conectar varios dispositivos de control industrial. El ASIC 198 puede producir señales que varían en el rango estándar de 4-20mA y 0-20mA. Esta fuente de corriente es realizada por el microprocesador 82, que hace que el convertidor digital-analógico 226 produzca un voltaje que se encamina a un búfer de voltaje de ganancia seleccionable o conductor de corriente 231 y luego a través de una resistencia de fuente seleccionable 227, siendo la resistencia de fuente seleccionable 227 ajustada a la resistencia apropiada, por el microprocesador 82, para lograr la corriente de salida deseada. La corriente es regulada por el tampón de tensión de ganancia seleccionable o el excitador de corriente 231 mediante realimentación a través del conmutador analógico 229 utilizando la ruta A.

El ASIC 198 puede medir una señal de corriente presentada en el nodo pin, siendo la señal de corriente producida por varios dispositivos de control industrial. El ASIC 198 puede medir señales que varían en los rangos estándar de 4-20mA y 0-20mA. Este medio de medición de corriente es realizado por el microprocesador 82 ya que causa que el buffer de voltaje de ganancia seleccionable 231 produzca un voltaje conveniente tal como cero voltios en su terminal de salida. Al mismo tiempo, el microprocesador 82 hace que la resistencia de fuente seleccionable 228 presente una resistencia al camino de la corriente desde el dispositivo de control industrial y su salida de corriente. Esta corriente entra en el ASIC 198 a través del pin 208. El voltaje impuesto en un lado de una resistencia conocida causará que la corriente desconocida del dispositivo externo produzca un voltaje en el pin 208 que luego se mide a través del convertidor analógico a digital 216 a través del interruptor de baja corriente 222. El microprocesador 82 utiliza la Ley de Ohm para resolver la corriente desconocida generada por el dispositivo de control industrial.

Otras mejoras de la presente invención incluyen la capacidad del módulo 66 para realizar un control independiente de los dispositivos conectados al módulo 66. Por ejemplo, un termopar u otro sensor de temperatura está conectado al módulo 66 junto con un calentador. Si, por ejemplo, un termopar u otro sensor de temperatura está conectado al módulo 66 junto con un calentador, entonces el microprocesador 82 puede leer el sensor de temperatura, y activar el calentador de tal manera que se alcance una temperatura deseada. El calentador suele emplear un amplificador (por ejemplo, un relé) que convierte la salida de bajo nivel del módulo 66 en una salida de alta potencia capaz de accionar un calentador. De este modo, el módulo 66 puede realizar un control de bucle cerrado. En tal caso, el termopar se conectaría a dos patillas adyacentes 208 configuradas como entradas, mientras que el calentador se conectaría a dos patillas 208, estando las patillas del calentador configuradas como salidas. En funcionamiento, el microprocesador 82 mediría la tensión del sensor de temperatura como se ha descrito anteriormente. El microprocesador 82 aplicaría la temperatura deseada utilizando algoritmos de control conocidos a la temperatura medida y desarrollaría una señal de actuación también utilizando los métodos aceptados. A continuación, el microprocesador accionaría el calentador mediante una señal analógica de variación continua o mediante una señal de encendido/apagado modulada por anchura de impulsos (PWM). De este modo se consigue un control independiente de los dispositivos conectados al módulo 66.

El ASIC 198 incluye funciones como las descritas anteriormente en referencia al aparato de interfaz 97. Por ejemplo, el ASIC 198 puede incluir un aparato de interconexión que incluye un convertidor digital-analógico 226, en el que el microprocesador 82 es programable para dirigir la recepción de una señal digital desde el microprocesador 82 y hacer que la señal sea convertida por el convertidor digital-analógico 226 en una señal analógica, y para colocar una copia de la señal analógica en la patilla 208. Véanse las FIGS.10 y 11.

El ASIC 198 también puede incluir un aparato de interconexión que incluye un convertidor analógico-digital 216, y en el que el microprocesador 82 es programable para detectar una señal analógica en cualquier contacto seleccionado 69 y hacer que el convertidor analógico-digital 216 convierta la señal en una señal digital y emita una copia de la señal digital al microprocesador 82.

El ASIC 198 también puede incluir un selector de suministro 227, y un interruptor de alta corriente 222b posicionado entre el selector 227 y el pin 208. El microprocesador 82 es programable para operar un selector de suministro 227 para hacer que un voltaje de suministro de energía se conecte a un primer contacto 69, y para hacer que un retorno de suministro de energía se conecte a un segundo contacto 69.

Refiriéndose a la FIG.11, hay un conmutador de punto cruzado 2x8210, que sirve para conectar un sensor a dos clavijas adyacentes 208 que a su vez están conectadas a dos conectores de comunicación de dispositivo adyacentes 69. El conmutador de punto de cruce 210 permite conectar un sensor, tal como un termopar, a un amplificador diferencial de precisión 212. El amplificador diferencial de precisión 212 puede conectarse a un amplificador diferencial de precisión. El amplificador diferencial de precisión 212 puede conectarse a través del interruptor de baja corriente 222 y el interruptor de punto de cruce 2x8210 a la E/S de punto de cruce de 4 vías 214 y luego a otra E/S de punto de cruce de 4 vías 214 en un circuito integrado adyacente 19 (el circuito integrado para un contacto adyacente 69).

Refiriéndose a las Figs. 8 y 10, el microprocesador 82 está generalmente configurado/programado por un controlador 72 para recibir instrucciones del controlador según sea necesario para detectar uno particular seleccionado de los dispositivos 80-81 o accionar uno de los dispositivos 82-84 y proporcionar los datos correspondientes al controlador del sistema. El microprocesador 82 también está programado/dirigido por el controlador 72 para hacer que se aplique una señal particular a uno o más contactos 69 seleccionados y, por lo tanto, a los conductores 68 correspondientes. Además, el microprocesador 82 está programado para responder a la instrucción de enviar un tipo de señal seleccionado desde uno o más de los dispositivos 80-84 al controlador 72 del sistema. En otras palabras, el microprocesador controla la configuración del aparato de interfaz 97 y generalmente el microprocesador es controlado por el controlador del sistema. Alternativamente, el aparato de interfaz puede configurarse en respuesta a un mensaje almacenado en la memoria del microprocesador 82 del módulo 66. En otro método alternativo, el aparato de interfaz puede configurarse en respuesta a un conjunto de bloques de puentes instalados en la placa de circuitos del módulo, en el que la inserción o extracción de los bloques de puentes determina la configuración.

En realizaciones preferidas, el microprocesador 82 tiene un servidor web integrado. Un ordenador personal puede conectarse al sistema 65 mediante un cable Ethernet o un dispositivo de comunicación inalámbrico y luego a Internet. En este caso, el ordenador personal también puede ser un controlador del sistema. El servidor web integrado proporciona páginas de configuración para cada dispositivo conectado al módulo 66. El usuario utiliza entonces el ratón o el teclado para acceder a las páginas de configuración. El usuario utiliza entonces un ratón, u otras entradas de teclado, para configurar la función del dispositivo y asignar pines de entrada/salida. El usuario puede simplemente arrastrar y soltar iconos en la página de configuración para determinar un aparato de interconexión específico para cada uno de los contactos.

Como ejemplo del funcionamiento del sistema 65, el microprocesador 82 puede programarse para reconocer datos de entrada particulares, incluidos por ejemplo en un paquete Ethernet en el cable de red 78 que contiene instrucciones para transmitir los datos como una señal analógica en una línea particular 94 a uno particular de los dispositivos 80-84. La programación en este caso instruiría al microprocesador para dirigir/convertir los datos a través de un aparato que tiene un convertidor digital a analógico en el aparato de interfaz 97. La programación en este caso instruiría al microprocesador para dirigir/convertir los datos a través de aparatos que tienen un convertidor digital a analógico en el aparato de interfaz 97. La facilidad para realizar esta conexión está simbolizada por el relé "R1" que se activaría para realizar la conexión requerida. Como otro ejemplo, si la línea 94 llevara 5 voltios a uno de los dispositivos 80-84, el microprocesador 82 estaría programado para responder a una señal del controlador 72 para activar el relé R6. De esta manera, el sistema 65 permite la comunicación de una variedad seleccionada a través de cualquier línea tal como 94, y la aplicación de cualquiera de una variedad de señales para ser enviadas a cualquier línea seleccionada tal como 94 y de ahí a un dispositivo correspondiente.

Los aparatos de conmutación del circuito (R1-R12) se muestran diagramáticamente como relés electromecánicos. En una realización, este aparato de conmutación se realiza en un circuito semiconductor. (Véase la Fig. 11 y la descripción relacionada.) Un circuito semiconductor puede realizarse de forma mucho menos costosa y puede actuar más rápidamente que un circuito de relé electromecánico. Se utiliza un relé electromecánico para mostrar la esencia de la invención.

La Fig. 12 demuestra además las ventajas de las conexiones adyacentes configurables de la presente invención. La Fig.12 muestra un termopar 101 añadido al sistema de la Fig.8. Como se discutió anteriormente, la realización mostrada en la Fig.8 es más eficiente que el arte previo en términos de canales utilizados. Tres canales permanecen sin usar en el sistema mostrado en la Fig. 8, específicamente los conectores de comunicación de dispositivos números 13, 14 y 15. En la Fig.12, el termopar, un tipo de sensor de temperatura, está conectado a los conectores de comunicación 14 y 15. Con el fin de medir con precisión el pequeño voltaje del termopar, se conecta un amplificador diferencial de precisión 212 al termopar utilizando el conmutador de punto de cruce 210. Véase la Fig. 11.

La Fig. 12 ilustra la capacidad de un único módulo de entrada/salida configurable 66 para realizar conexiones a sensores y actuadores de origen, destino, digitales y analógicos simultáneamente. De este modo se hace un uso eficiente de los canales disponibles en el módulo de E/S. En contraste, un módulo de entrada/salida de configuración fija de la técnica anterior no puede acomodar más de uno de estos dispositivos dispares.

Claims (5)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de simulación de procesos para un sistema de control de un proceso físico que comprende:

(a) un módulo conector configurable (90) que incluye:

(i) un microprocesador;

(ii) una fuente de alimentación;

(iii) un aparato conector de comunicación de dispositivos (69) para conectar al menos un conductor entre dicho módulo y al menos una señal de entrada o salida del sistema de control, y

(iv) un aparato de interfaz (97) que comprende una pluralidad de clavijas de conector configurables por el usuario, cada clavija de conector configurable controlada por un circuito integrado específico de aplicación, ASIC, separado para implementar una pluralidad de funciones diferentes definidas por el usuario y para conectar selectivamente cualquiera de una pluralidad de señales generadas en respuesta a las funciones definidas por el usuario a cualquiera de la pluralidad de clavijas de conector configurables de dicho aparato de conector de comunicación de dispositivo, en el que el aparato de interfaz está adaptado para encaminar señales de control y señales de alimentación a través de una o más de las clavijas de conector configurables en respuesta a la ejecución de una o más de la pluralidad de funciones diferentes definidas por el usuario;

(b) un simulador (60) para gestionar una pluralidad de señales correspondientes a un proceso físico simulado; y

(c) una fuente de alimentación de módulo (93) para energizar el módulo conector configurable y el simulador, en la que la alimentación se encamina selectivamente por el módulo conector configurable para suministrar alimentación a pines de conector configurable seleccionados del módulo conector configurable y para suministrar alimentación al simulador, en el que el módulo conector configurable simula uno o más dispositivos bajo control del sistema de control,

en el que el procesador es programable para efectuar un direccionamiento particular de señales entre el módulo conector configurable y el uno o más dispositivos que están bajo control del sistema de control, y mediante el cual se simulan las operaciones del sistema de control durante el proceso físico.

2. El sistema de simulación de procesos de la reivindicación 1, en el que el simulador (60) es externo al módulo.

3. El sistema de simulación de procesos de la reivindicación 2, en el que el simulador (60) está conectado al módulo a través de una conexión de red.

4. El sistema de simulación de procesos de la reivindicación 1, en el que el simulador (60) es interno al módulo.

5. El sistema de simulación de procesos de la reivindicación 1, que comprende además un segundo módulo conector configurable (90), en el que el segundo módulo está configurado para simular el sistema de control.