Nota de Aplicação Rede PROFIBUS DP Redundante com Sistema S7-400H e Remota Ponto PO5063V5 Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 1
Sumário 1 Descrição... 3 2 Introdução... 3 3 Definição da Arquitetura de Referência... 4 4 Projeto de Rede PROFIBUS... 5 5 Acesso ao I/O Remoto Redundante PO5063V5... 13 5.1 Funcionamento da Remota PO5063V5...13 5.1.1 Transferência de Entradas e Saídas... 13 5.1.2 Configuração... 14 5.1.3 Parametrização... 14 5.1.4 Diagnósticos... 14 5.2 Redundância de Dados de E/S...15 5.2.1 Estruturas de Dados... 15 5.2.2 Processo de Seleção das Entradas... 16 5.2.3 Processo Cópia das Saídas... 17 5.2.4 Função de Tratamento de E/S... 17 5.2.5 Tempo de Execução da Função de Tratamento de E/S... 17 5.3 Diagnósticos...18 6 Revisões... 18 Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 2
1 Descrição Este documento descreve a utilização da remota PROFIBUS redundante PO5063V5 Altus e sua integração com sistema redundante S7-400H Siemens através da rede PROFIBUS DP. O objetivo principal é orientar a implementação da aplicação. Para o entendimento total do funcionamento dos equipamentos é recomendado que os manuais e os suportes dos fabricantes (Altus e Siemens) sejam consultados. A mesma é recomendação aplica-se caso seja necessário modificar a arquitetura proposta como exemplo. 2 Introdução A Série Ponto é um sistema de controle distribuído com E/S remotas. Possui uma arquitetura flexível que permite o acesso a módulos remotos via diferentes padrões de redes de campo. Os módulos de E/S e cabeças de redes de campo padronizadas podem ser utilizadas tanto com UCPs Altus quanto com UCPs de outros fabricantes. A cabeça de campo redundante PROFIBUS DP PO5063V5 - possui características de redundância, permitindo a conexão simultânea em duas redes PROFIBUS-DP. Portanto, cabeças de rede de campo redundante PROFIBUS DP da Altus - PO5063V5 - podem ser interligadas a um sistema redundante S7-400H da Siemens. As etapas a serem executas para a construção de uma arquitetura redundante utilizando Sistema S7-400H e PO5063V5 são as seguintes: Definição da arquitetura Projeto de Rede PROFIBUS Acesso ao I/O remoto redundante e diagnósticos associados Aplicação (processamento do pontos, intertravamento e/ou controle) Neste documento, adota-se uma arquitetura de referência, descrita na próxima seção, para desenvolver um exemplo de aplicação. Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 3
3 Definição da Arquitetura de Referência Dentre os itens utilizados para a construção de um sistema redundante de referência temos: Cluster redundante com 2 CPUs do sistema S7-400H Rede dupla PROFIBUS DP 2 remotas PO5063V5 Módulos de entrada e saída digital e analógico Série Ponto 1 remota ET200M (IM153-2) com módulo SM322 Programador Step 7 com suporte para o sistema redundante S7-400H CPU 417-H CPU 417-H Sistema S7-400H FIBER-OPTIC PROFIBUS DP Rede A PROFIBUS DP Rede B PO5063V5 Remota 04 PO5063V5 Remota 03 ET200M Remota 02 Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 4
4 Projeto de Rede PROFIBUS Para criar um projeto e configurar um sistema redundante S7-400H, deve-se utilizar o software SIMATIC STEP 7 da Siemens. Não será descrito aqui o processo de instalação e autorização de funcionamento do software SIMATIC STEP 7. Considera-se que o mesmo já esteja instalado, configurado e funcionando perfeitamente em um computador. O Software SIMATIC STEP 7 utilizado no desenvolvimento abaixo é de versão 5.1.6.0. Deve-se seguir os passos descritos para a construção do projeto do sistema: Iniciar o software SIMATIC Manager. Criar um novo projeto: File New Definir um nome para o projeto, ex: S7_Proj01. Selecionar a pasta S7_Pro01 e inserir a primeira rede: Insert Subnet PROFIBUS. Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 5
Repetir o passo anterior para criar a segunda rede PROFIBUS, pois o sistema é redundante. Inserir a estação redundante H: Insert Station SIMATIC H Station Selecionar o Hardware da pasta SIMATIC H Station(1), e editar: Edit Open Object. Neste momento será aberto um outro software de configuração de hardware, HW Config. Se necessário, abrir a catálogo de hardware: View Catalog. Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 6
Todos os componentes necessários para a montagem da estação estão disponíveis no CATALOG. Para a construção da estação H, será utilizado o item SIMATIC 400 no CATALOG. Agora será necessário montar a estação redundante S7-400H, iniciando pelo rack, Inserir o rack na estação: Selecionar o rack UR2, arrastando com o mouse até a tela do projeto. Inserir a fonte PS 407 10A arrastando para o slot 1 do Rack (0) Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 7
Selecionar e inserir a CPU 417-4H V3.0 no slot 3 do rack (0). Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 8
Inserir dois submódulos de sincronismo do sistema H, nos slots IF1 e IF2 Inserir a rede PROFIBUS, anteriormente criada. Selecionar o mestre PROFIBUS DP, slot X2 Inserir a rede: Insert Master System. Será visualizado uma tela para selecionar a rede, clicar na rede PROFIBUS (1). Pressionar OK Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 9
Será visualizado no projeto a rede PROFIBUS (1) conectada ao mestre DP. Com o rack 0 preenchido é necessário duplica-lo para que se tenha um sistema redundante. Selecionar o rack 0 Copia-lo: Edit Copy. E inseri-lo no projeto: Edit Paste. Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 10
Colocar o escravo PO5063V5 na rede PROFIBUS (1) Configurar o escravo com o seus módulos, inclusive o módulo de redundância PO9100. Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 11
Duplicar o escravo da rede PROFIBUS (1) para a rede PROFIBUS (2) Selecionar o escravo Copiar: Edit Copy Selecionar a rede PROFIBUS (2) Inserir escravo: Edit Paste Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 12
5 Acesso ao I/O Remoto Redundante PO5063V5 O acesso ao I/O remoto redundante é a rotina responsável pela unificação dos dados na aplicação. Esta etapa é responsável por unir os dados dos dois módulos da remotas PO5063V5 em uma estrutura única, permitindo uma melhor utilização na aplicação. Para implementar esta tarefa é necessário observar alguns itens: Funcionamento da remota PO5063V5 Redundância de dados de E/S Redundância de diagnósticos 5.1 Funcionamento da Remota PO5063V5 A remota PO5063V5 é composta por dois módulos iguais (cabeças remotas), e cada módulo está conectado a uma rede PROFIBUS. As duas cabeças remotas e os módulos de E/S se conectam a um barramento serial GBL, proprietário da ALTUS, com 12 Mbps. Através deste barramento, estes módulos trocam as informações necessárias (redundância entre as cabeças, entradas, saídas, configuração, parâmetros e diagnósticos). Existe um mecanismo de redundância hot-standby entre as cabeças remotas, de forma que, em condições normais, em determinado momento, uma delas se encontra em estado ativo, e outra se encontra em estado reserva. Em condições anormais, uma das cabeças pode estar em indisponível e acusar diagnósticos. Posição 1 Posição 0 PO5063V5 Remota 04 barramento serial GBL rede A rede B 5.1.1 Transferência de Entradas e Saídas Cada cabeça remota recebe ciclicamente as saídas provenientes de seu mestre, e em resposta devolve as entradas para o mestre, através da respectiva rede PROFIBUS DP (A ou B). A cabeça ativa comunica-se com os módulos de E/S, escrevendo neles as saídas provenientes do mestre PROFIBUS, e lendo delas as entradas que serão transmitidas para o mestre PROFIBUS. Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 13
A cabeça reserva recebe uma cópia válida das saídas vindas do mestre da outra rede, mas nada faz com elas. A cabeça reserva também transmite para o mestre uma cópia não atualizada das entradas, que deve ser ignorada pelo mestre. Junto com entradas, as cabeças ativa e reserva também transmitem para seus respectivos mestres a informação de seu estado (ativo ou reserva). Desta forma, se o mestre receber entradas de uma cabeça ativa, deve considerá-las como válidas. Por outro lado, se o mestre receber entradas de uma cabeça reserva, deve considerá-las como inválidas. Além do ciclo de transferência de entradas e saídas, a comunicação PROFIBUS também prevê algumas comunicações adicionais, como consistência de configuração, parametrização e diagnósticos, que serão descritos a seguir. 5.1.2 Configuração Entende-se por configuração a arquitetura da remota, ou seja, a lista e posição dos módulos de E/S que a compõe. Na energização ou após uma retomada de comunicação, a remota recebe sua configuração do mestre, e consiste contra os módulos de E/S detectados no barramento, para verificar se existe coincidência entre o projeto carregado no mestre e a situação física. A remota não deve partir se forem detectados módulos não existentes no projeto do mestre. Por outro lado, quando módulos existentes no projeto do mestre não são detectados na remota, pode-se optar entre partir ou não a remota. A remota ativa executa uma consistência de configuração de fato. A remota reserva, por outro lado, acusa uma configuração correta sem consistí-la de fato. No entanto, esta consistência será feita mais tarde, caso a remota reserva seja solicitada a assumir como ativa (switchover). 5.1.3 Parametrização Parâmetros são utilizados para configurar comportamentos variáveis da remota e de seus módulos de E/S. Por exemplo, no caso de módulos analógicos, isto pode determinar a escala de um canal (4-20 ma, 0-10V, 0-20 ma, etc), caso este canal tenha capacidade de reconfiguração em diversas escalas. A exemplo da configuração, parametrizações ocorrem na energização ou retomada da comunicação de uma remota. A remota ativa transmite os parâmetros recebidos para os respectivos módulos de E/S. A remota reserva simplesmente guarda-os em sua memória. Caso mais tarde a remota reserva seja solicitada a assumir como ativa (switchover), neste momento ela reparametriza os módulos de E/S. 5.1.4 Diagnósticos Diangósticos tipicamente informam condições anormais (falhas) ou o retorno à condições normais. Do ponto de vista de diagnósticos, ambas as cabeças podem transmiti-los para o respectivo mestre. Neste caso, todos os diagnósticos podem ser considerados pelo mestre, tanto da cabeça ativa como da cabeça reserva. A cabeça ativa pode gerar diagnósticos associados a si mesma ou aos módulos de E/S no barramento GBL. A cabeça reserva pode gerar apenas diagnósticos associados a si mesma. Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 14
5.2 Redundância de Dados de E/S 5.2.1 Estruturas de Dados Na CPU S7-400H definem-se dois blocos de dados principais para a área de E/S vista pela aplicação: bloco DB_I, com os operandos I de entrada bloco DB_Q, com os operandos Q de saída Além disso, no momento da criação do projeto da rede PROFIBUS, cujo processo foi descrito anteriormente, já foram alocados inerentemente outros 4 blocos de dados: bloco DB_I_A, com operandos I de entrada recebidos a partir da rede A, com a mesma estrutura e tamanho do bloco DB_I, mas com a adição dos operandos de estado das remotas (operandos RE). bloco DB_I_B, com operandos I de entrada recebidos a partir da rede B, com a mesma estrutura e tamanho do bloco DB_I, mas com a adição dos operandos de estado das remotas (operandos RE). bloco DB_Q_A, com operandos Q de saída transmitidos para a rede A, com a mesma estrutura e tamanho do bloco DB_Q, mas com a adição de um operando que permite (opcionalmente) o comando de switchover das cabeças (operando RS). bloco DB_Q_B, com operandos Q de saída transmitidos para a rede B, com a mesma estrutura e tamanho do bloco DB_Q, mas com a adição de um operando que permite (opcionalmente) o comando de switchover das cabeças (operando RS). Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 15
5.2.2 Processo de Seleção das Entradas De cada remota PO5063V5, a CPU Siemens recebe as entradas tanto da rede A como da rede B, devendo considerar apenas as entradas recebidas da cabeça remota ativa. A figura seguinte ilustra o que deve ser feita para selecionar as entradas em cada remota PO5063V5. entradas da cabeça A da remota entradas da cabeça B da remota RE_A = 1 RE_A!= 1 outra RE_B!= 1 RE_B = 1 condição RE_A RE_B entradas consideradas pela aplicação do usuário Na figura observa-se que deve-se considerar o operando RE de cada cabeça remota (RE_A para rede A, RE_B para rede B). Quando RE_X vale 1, significa que a remota da rede x está em estado ativo. Outros valores podem indicar estado reserva ou falhas. Desta forma: quando RE_A vale 1 e RE_B não vale 1, deve-se considerar as entradas da remota A quando RE_B vale 1 e RE_A não vale 1, deve-se considerar as entradas da remota B em todos os demais casos, deve-se manter o valor anterior das entradas (valores congelados), e neste caso também haverá diagnósticos apontando para a falha geral na leitura das entradas Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 16
5.2.3 Processo Cópia das Saídas O processo de cópia das saídas é muito simples. As saídas da aplicação do usuário simplesmente devem ser copiadas sobre duas instâncias de saídas das remotas (redes A e B). Os operandos RS podem, se desejado, ser utilizados para comandar um switchover manual das cabeças remotas. 5.2.4 Função de Tratamento de E/S Observa-se que os processos descritos anteriormente exigem algum processamento simples, do tipo seleção e cópia. Este processamento é encapsulado em uma função que deve ser chamada no processo principal (OB1). Esta função é gerada automaticamente por um compilador que recebe como entrada: o arquivo de configuração de hardware gerado pelo STEP endereço do primeiro operando I para o bloco de entradas da aplicação do usuário endereço do primeiro operando Q para o bloco de saídas da aplicação do usuário Embora esta função seja relativamente simples, este compilador elimina esta tarefa bem como a possibilidade de erros na codificação da função. 5.2.5 Tempo de Execução da Função de Tratamento de E/S A função de tratamento de E/S, obviamente, aumenta ligeiramente o tempo de ciclo da CPU S7-400H. Em testes realizados com a CPU 6ES 417-4HL04-0AB0, determinou-se os seguintes parâmetros: TFB: tempo fixo para tratamento para um bloco de transferências = 0.12 ms TB: tempo para transferência de um byte = 0.001 ms Sejam: NBT: número de blocos transferidos NB: número de bytes de dados transferidos O valor NBT corresponde a NR * 3, onde NR é o número de remota PO5063V5. Dos três blocos: um é utilizado para transferir entradas da remota ativa para as entradas da aplicação do usuário dois são utilizados para transferir saídas da aplicação do usuário para as saídas de ambas as remotas Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 17
O valor NB pode ser facilmente determinado somando os bytes de dados de E/S. O tempo de execução da função vale: NBT * TFB + NB * TB Por exemplo, considerando um sistema com 20 remotas iguais, com um total de 320 pontos analógicos (640 bytes) e 1600 pontos digitais (200 bytes), o tempo de execução da função será de aproximadamente: 20 * 3 * 0.12 + (640 + 200) * 0.001 = 8.04 ms 5.3 Diagnósticos A interrupção OB82 é chamado sempre que houver diagnóstico de I/O, e retorna o endereço da cabeça remota que gerou o diagnóstico. A seguir, através da função SFC13 com este endereço como parâmetro, pode-se recuperar a mensagem de diagnósticos vinda desta cabeça remota. 6 Revisões Revisão: A Data: 11/11/2004 Autoria: Gustavo Castro Aprovação: Luiz Francisco Gerbase Natureza das alterações: Primeira emissão do documento. Altus Sistemas de Informática S.A. Página: 18