Análise do Período de Aquisição de uma Variável de processo através de uma rede PROFIBUS DP: Comparação entre caso real e simulado RENATO V. TORRES, FABIO L. NARDUCI, EDUARDO A. MOSSIN, DENNIS BRANDÃO Laboratório de Automação Industrial, Departamento de Engenharia Elétrica, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo Av. Trabalhador Sãocarlense, 400. São Carlos – SP. CEP 13560-970 E-mails:
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[email protected] Abstract-The PROFIBUS (Process Field Bus) DP is the most popular field bus communication used in the worldwide industry. Many factors contribute for its popularity: protocol simplicity and flexibility in baud rate, cable length and number of equipments by network. This flexibility causes huge acquisition time and reaction time variations for different network setups. This work shows an analog process variable acquisition time measurement in a real network and
presents simulation network software that may used to plan different network configurations verifying acquisition time variations.
A rede Profibus DP é do tipo mestre-escravo, portanto, apenas estações do tipo mestre podem iniciar a comunicação. A temporização de uma rede Profibus DP é configurável e esta também depende das restrições dos escravos, definidas nos arquivos de descrição dos mesmos (GSD). O período de aquisição de uma determinada variável em uma rede Profibus DP depende da freqüência da comunicação do mestre com aquela estação passiva (escravo). Este período de aquisição pode ser determinado por 2 fatores: • •
I. INTRODUÇÃO Na aplicação do controle digital, o tempo de aquisição de uma determinada variável tem grande importância para o sistema de controle. Quando o sistema usado é o CLP (Controlador Lógico-Programável) tradicional, este tempo é representado pelo próprio ciclo de scan do CLP, pois o momento da aquisição é realizado logo antes da execução do programa e os instrumentos analógicos fornecem entradas com atraso considerado desprezível em relação ao ciclo de scan. Quando os instrumentos são instalados através do uso de redes, as variáveis podem apresentar um tempo de aquisição significativo em relação ao ciclo de scan do CLP. Nestes casos, para usufruir dos benefícios propiciados pelo uso de redes muitas vezes é necessário fazer um estudo da topologia e da velocidade usadas a fim de que o tempo de aquisição não seja tão grande que inviabilize requisitos de tempo de reação.
Taxa de comunicação da rede; Numero de estações passivas presentes na rede;
(escravos)
A taxa de comunicação determina o tempo do bit time que será o menor intervalo de variação entre 1 e 0 (baud rate). A taxa de comunicação de uma rede Profibus DP pode ser configurada entre 9,6Kbps a 12.000Kbps, embora esta taxa seja limitada por : • •
Tamanho (extensão de cabo) da rede Profibus DP; Taxa máxima de comunicação suportada pelo escravo mais lento;
Fig. 2. Diagrama de dependência do período de aquisição em relação a outras variáveis referentes à configuração da rede. Fig. 1. Ilustração que mostra o momento da aquisição de cada escravo – representada por T1 a T4.
O período de aquisição de uma determinada variável pode ser medido na prática, em uma rede já instalada, através
de uma captura com uma ferramenta sniffer de rede Profibus DP. A proposta deste trabalho é primeiramente avaliar o ciclo de aquisição de uma variável através de uma captura das mensagens em uma rede real de uma planta. A seguir será feita a simulação da mesma rede usando a ferramenta ProfiDoctor e o valor do período de aquisição simulado. Ambos períodos de aquisição serão comparados (real e simulado) para permitir uma validação do simulador.
II. DESCRIÇÃO DO SISTEMA REAL O sistema é composto por uma rede com estações remotas. Esta rede pertence ao Sistema de Tratamento de Caldo de uma planta de açúcar e álcool. A rede possui a seguinte configuração: As estações passivas são estações remotas que concentram entradas e saídas, tanto analógicas como digitais. São compostas por 12 bytes de entrada e 12 bytes de saída. Para efetuar nossa medição, tomaremos uma das estações remotas e observaremos os dados de entrada. Uma das entradas analógicas é representada por um WORD de 16 bits (2 bytes). Esta medição será realizada através das mensagens da rede. TABELA 1 Dimensões, taxa de comunicação e quantidade de escravos da rede Profibus DP de Tratamento de Caldo.
Taxa de Comunicação Número de Mestres Número de Escravos Configurados Número de Escravos em troca de dados Tamanho do cabo
Fig. 4. Fotografia da instalação física da rede Profibus DP do Sistema de Tratamento de Caldo – Nota-se que esta fora conduzida através de eletrodutos - usados com o objetivo de fornecer proteção mecânica ao cabo e reduzir interferências eletromagnéticas .
187.5 kbps 1 36 17 aprox. 450m
Fig. 3. Fotografia de um dos painéis que contém estações passivas remotas Profibus DP responsáveis pela aquisição de dados. Neste painel a remota encontra-se a direita (superior). Fig. 5. Tela do configurador com a configuração da rede real.
III. PERÍODO DE AQUISIÇÃO O tempo de aquisição de uma variável é definido pelo intervalo entre 2 ciclos de comunicação, isto é, 2 ciclos de trocas de dados com um mesmo.
comunicação acíclica e manutenção de rede ocorrendo somente em intervalos bem grandes. TP é dado pela somatória dos tempos necessários para realização das trocas de dados com todos os escravos: N
TC ≅ TP = ∑ Tqi
(2)
i =1
Onde Tqi, que é o tempo gasto por cada escravo é dado por:
Tqi = TFIX + Bi × TBY
(3)
Sendo que TFIX é o tempo ocupado pela transmissão do cabeçalho das mensagens. Bi é a quantidade de bytes de leitura e escrita e TBy é o tempo de transmissão de um byte. Seja tqi(N) o instante de tempo em que o equipamento de endereço i equipamento é lido/escrito pelo mestre no ciclo atual (N). O intervalo entre 2 leituras de um mesmo equipamento pode ser interpretado como: TS = tqi (N) – tqi (N-1)
(4)
Este intervalo equivale ao período de aquisição de uma variável, desprezando outros atrasos de hardware e software do mestre: TiAQUISICAO = tqi (N) – tqi (N-1)
(5)
IV. MEDIÇÃO DO PERÍODO DE AQUISIÇÃO
Fig. 6. Diagrama Temporal do ciclo de comunicação com os escravos. Neste diagrama, foram desprezadas as mensagens de manutenção de rede por simplicidade.
Para possibilitar a medição dos tempos de comunicação com um determinado escravo em cada ciclo, foi introduzida na rede uma ferramenta de captura – PROFITRACE [2]. Esta foi conectada a rede e funciona de modo passivo, isto é, não tem endereço e não se comporta como um escravo. Apenas recebe e armazena as mensagens da rede Profibus DP e não interfere em quaisquer características da rede. Através da tela de filtro da ferramenta, foi selecionado o endereço 70 como endereço amostrado para medir o período de aquisição.
Conforme apresentado em [1], o tempo de ciclo, definido como TC é dado por: TC = TP + TM + TK + TA
(1)
Onde TP é o tempo alocado para troca de bytes entre o mestre e os escravos. Os demais termos da expressão levam em conta respectivamente o tempo para manutenção da rede (TM), o tempo para transferir o token entre estações mestre (TK) e o tempo usado em comunicação acíclica (TA). Para o nosso estudo, consideraremos somente o termo TP, desprezando os demais termos, segundo as condições consideradas: um único mestre, sem ocorrência de
Fig. 7. Uso da Ferramenta de captura na rede.
Porém ambas exigiam hardware externo e também dependem da ferramenta de captura (sniffer). Uma outra abordagem como a encontrada em [6] foi estudada, porém tem foco no sistema de controle e resposta do sistema controlado através da rede. VI. FERRAMENTA DE SIMULAÇÃO DE REDE E RESULTADOS Fig. 8. Trecho das mensagens filtradas do endereço 70.
Este conteúdo foi exportado para uma planilha com o objetivo de calcular a média e o desvio padrão entre as mensagens de resposta do escravo. Como é realizada apenas uma comunicação por ciclo para cada escravo, obtendo o tempo entre duas respostas temos o tempo de aquisição. Usando a mesma expressão anterior (5), temos: T70AQUISICAO = t70RES(N) – t70RES(N-1)
Uma ferramenta em desenvolvimento, parte de um trabalho de doutorado em curso da USP/São Carlos, chamada ProfiDoctor permite, em um de seus módulos, executar um simulador de rede Profibus DP e obter a captura resultante do simulador.
(6)
Aplicando esta fórmula obtiveram-se as seguintes medições: TABELA 2 Período de aquisição medido (Tempo médio entre respostas)
Endereço 70 Taxa de Comunicação 187.5 kbps Número de Estações 36 Configuradas Número de Estações em 17 Troca de Dados Número de Bytes (Entrada) 12 Número de Bytes (Saída) 12 Tempo médio entre respostas (Período médio de 102,16 ms aquisição) Desvio Padrão 1,63 Número de amostras 5358 mensagens de resposta
A variação existente no período de aquisição é creditada a possíveis oscilações de comunicação em outras estações (retries) e mensagens de diagnóstico. Estas podem ser realizadas pelo mestre sob uma intervenção do usuário ou requisitadas pelos escravos através de bits de sinalização em mensagens de resposta. Caso estas fossem freqüentes ou um segundo mestre fosse inserido na rede, haveria uma maior variação, conforme [3].
Fig. 9. Tela de captura da ferramenta ProfiDoctor.
A ferramenta é um módulo integrado, e está sendo desenvolvida em JAVA junto a ferramenta PROFIDOCTOR. Esta última tem funções que vão além de simular rede, como avaliação de sinal e de comunicação de uma rede Profibus DP real. O simulador permite ativar/desativar instrumentos em tempo real e simular condições nos instrumentos como: requisição de diagnostico, falha de comunicação e variação de suas entradas e saídas.
V. SIMULADORES DE MESTRES, ESCRAVOS E REDE DISPONÍVEIS. Buscando uma maneira de simular diferentes configurações de redes com o objetivo de obter de maneira prévia uma estimativa do período de aquisição, procurou-se um simulador de redes que pudesse receber uma configuração e estimar o período de aquisição. Foram encontrados simuladores de mestre Profibus DP[4] e simuladores de escravos Profibus DP[5].
Fig. 10. Tela de alteração do estado dos escravos da ferramenta ProfiDoctor.
VI. RESULTADOS Com o objetivo de validar o sistema de simulação, a mesma configuração de rede foi inserida no simulador. A configuração da rede no simulador é introduzida através de um arquivo de propriedades que descreve os parâmetros do mestre como taxa de comunicação e endereço. Também leva a configuração dos escravos como Ident Number, endereço, número de bytes de leitura e número de bytes de escrita. A simulação da rede, inicialmente com apenas 17 equipamentos configurados que foram introduzidos na simulação, retornou um período de aquisição de 62,64 ms. Quase 40% (38,7%) de diferença em relação ao obtido na planta real. Ao observar que na planta real foram configurados 36 equipamentos no total, e que apenas 17 estão na rede, observou-se na captura que o mestre realiza pedidos de diagnostico mesmo para as estações que não estão presentes (porém configuradas). Para esta requisição de diagnostico, o mestre aguarda por um timeout (slot time) de 1,72ms antes de prosseguir para o próximo escravo. Este protocolo adotado pelo mestre consome tempo de comunicação da rede, aumentando o tempo de aquisição. Porém, pode trazer benefícios em situações onde oscilações são muito freqüentes. Este comportamento diferenciado do mestre foi introduzido no comportamento do simulador e obteve-se os resultados presentes na tabela 3. A diferença encontrada pode ser creditada a algumas mensagens de diagnostico e mensagens de manutenção de rede que não foram consideradas nesta simulação por questões de simplificação. Podemos considerar aceitável para este caso, uma vez que estimaria de maneira aproximada, em tempo de projeto da rede, o período de aquisição. TABELA 3 Resultado da simulação do tempo de aquisição para o escravo de endereço 70
Endereço 70 Taxa de Comunicação Número de Estações Configuradas Número de Estações em Troca de Dados Número de Bytes (Entrada) Número de Bytes (Saída) Período simulado de aquisição Erro relativo em relação ao real
187.5 kbps 36 17 12 12 95,32 ms 6,69%
VIII. CONCLUSÃO O período de aquisição é um parâmetro importante para o sistema de controle e sua variação sempre deve ser observada no planejamento de um aumento na quantidade de equipamentos ou aumento do comprimento da rede. Muitas vezes, um planejamento que não leva em conta este aspecto
pode inviabilizar o sistema de controle devido o período de aquisição e tempo de reação exceder os limites máximos exigidos para controle adequado do sistema. Uma estimativa de tempo de ciclo pode ser utilizada de maneira grosseira através de fórmulas apresentadas na especificação do protocolo [7]. Porém, o cálculo não prevê oscilações e nem um diferente comportamento do mestre, como foi apresentado. Este trabalho apresenta um exemplo de medição de período de aquisição de uma variável em uma rede real e uma ferramenta de simulação que permite prever o comportamento da rede frente a oscilações. Seus resultados foram validados através da comparação com a rede real apresentada. A ferramenta pode ser utilizada para tomada de decisão e verificação de viabilidade de projetos que envolvam redes Profibus DP.
REFERÊNCIAS [1] S.Vitturi, “Stochastic model of the Profibus DP cycle time,” Science, Measurement and Technology, IEE Proceedings, Vol. 151, No. 5, 2004. [2] ProfiTrace User Manual, [Online]. Available: www.procentec2.com/profitrace/downloads/ProfiTrace2Manual-CZ.pdf. [3] V. P. Venturini, “Desenvolvimento de um Mestre Profibus com a Finalidade de Análise de Desempenho,” Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007. [4] HMS - Master Simulator Profibus DP/DPV1, [Online]. Available: www.hms.se/upload/Master%20Simulator8550-MasterSimulators_Aug09.pdf. [5] Profibus DP Multi-Slave Interface, [Online]. Available: http://material.sa.online.pt/downloads/Molex/Brochuras/ Profibus/SST-PBMS-PCI.PDF. [6] F. He, K. Guo, “Modeling and Simulation of PROFIBUSDP Network Control System,” Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics, Qingdao, September, 2008. [7] PROFIBUS Specification - Normative Parts of PROFIBUS FMS, -DP, -PA according to the European Standard, EN 50 170 Vol. 2, March, 1998.
