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Cómo integrar un codificador de seguridad PROFIsafe en un sistema Siemens S7-400FH

Para integrar un codificador de seguridad (Safety Encoder) basado en PROFIsafe en un sistema Siemens S7-400FH, se debe importar el archivo GSD/GSDML del fabricante en STEP 7 HW Config y verificar que el parámetro de estructura de datos F_IO_StructureDescCRC (CRC7) esté definido en la configuración. Posteriormente, en el programa F-Systems con lenguaje CFC, se procesan los valores enteros (INT) recibidos utilizando los bloques controladores de seguridad (Driver Blocks) compatibles para convertir la lectura de posición o velocidad a tipos de datos manejables como F_REAL o F_DINT.

Tabla de contenido

Causa técnica: compatibilidad entre PROFIsafe, F-Systems y S7-400FH

A diferencia de los sistemas S7-300F gestionados mediante Distributed Safety, la plataforma de alta disponibilidad y seguridad S7-400FH utilizada con SIMATIC S7 F-Systems impone reglas estrictas de consistencia y checksums en la periferia de seguridad:

  1. Soporte de CRC7 (F_IO_StructureDescCRC): La norma IEC 61784-3-3 define la comprobación por redundancia cíclica de 7 bits para asegurar los datos de E/S del protocolo de seguridad. S7 F-Systems exige que el archivo GSD/GSDML del esclavo contenga explícitamente la definición de este CRC7 para aceptar el módulo en la red PROFIBUS DP o PROFINET.
  2. Modo PROFIsafe (V1 vs. V2): Los sistemas S7-400FH más antiguos o basados en arquitecturas PROFIBUS DP puras operan nativamente bajo el modo PROFIsafe V1. Si la red incluye PROFINET o pasarelas tipo IWLAN/PB Link, se requiere el modo PROFIsafe V2. La configuración del hardware debe coincidir exactamente con la versión de telegrama soportada por el archivo GSD.
  3. Manejo de tipos de datos en la lógica F: Los controladores S7-400FH operan internamente con estructuras de palabras de 16 bits en la tabla de imagen de proceso de seguridad. Dado que el recuento de un codificador absoluto suele superar la capacidad de un entero de 16 bits, el valor debe reconstruirse uniendo las palabras alta (High INT) y baja (Low INT) para transformarlas en datos F_DINT o F_REAL mediante bloques de biblioteca homologados.

Requisitos previos

  • Software de ingeniería: SIMATIC STEP 7 (v5.5 o posterior) junto con el paquete opcional S7 F-Systems instalado en la estación de ingeniería (ES).
  • Controlador y hardware: CPU S7-400FH (p. ej., CPU 412-5H / 414-5H / 417-5H) con licencia de seguridad activa.
  • Archivos del dispositivo: Archivo GSD (para PROFIBUS DP) o GSDML (para PROFINET) proporcionado por el fabricante del codificador (p. ej., TWK, TR Electronic).
  • Cálculo de tiempos: Hoja de cálculo S7Ftimeb.xls de Siemens para calcular y validar los tiempos de monitoreo F (F_WD_Time).

Procedimiento de configuración e integración en STEP 7

Se utiliza mejor cuando: Se necesita dar de alta un codificador de seguridad PROFIsafe de un fabricante tercero e integrarlo en el catálogo de HW Config para un proyecto S7-400FH.

Procedimiento

  1. Cierre la herramienta HW Config en STEP 7.
  2. Copie el archivo GSD/GSDML del codificador dentro de la ruta de instalación de STEP 7 o impórtelo desde el menú Options > Install GSD File... en HW Config.
  3. Abra el catálogo de hardware, actualice la lista de dispositivos (Options > Update Catalog) y busque el codificador en la sección PROFIBUS DP / Additional Field Devices / Failsafe o PROFINET IO.
  4. Arrastre el módulo del codificador hasta la red de comunicación correspondiente conectada a la CPU S7-400FH o al módulo CP.
  5. Abra las propiedades del esclavo F e ingrese a la pestaña Profisafe.
  6. Verifique que la dirección F de destino (F_DEST_ADD) y el tiempo de vigilancia (F_WD_Time) estén asignados conforme a los requisitos de seguridad de la planta.
  7. Compruebe en la lista de parámetros F o directamente en el archivo GSD mediante un editor de texto la existencia del parámetro F_IO_StructureDescCRC.
  8. Guarde y compile la configuración de hardware (Station > Save and Compile).

Resultado esperado: HW Config valida el archivo GSD sin generar errores de consistencia en el checksum F del esclavo y asigna el área de direcciones de entrada y salida F.

Verificación: La compilación del hardware finaliza con cero errores de telegrama F y permite compilar el programa de seguridad F-Systems sin inconsistencias de driver.

Limitación: Si el archivo GSD no contiene la propiedad F_IO_StructureDescCRC, el compilador F rechazará la estación y el dispositivo no podrá comunicarse con el S7-400FH.

Precaución: Asignar un parámetro F_WD_Time excesivamente corto provocará disparos en falso del canal de seguridad por variaciones del tiempo de ciclo en la red. Calcule siempre el valor mínimo recomendado usando S7Ftimeb.xls.

Procesamiento del valor del codificador en F-Systems (CFC)

Se utiliza mejor cuando: El codificador ya está configurado en HW Config y se requiere leer su posición o velocidad en la carta de seguridad CFC utilizando bloques de biblioteca F.

Procedimiento

  1. Abra el editor CFC de SIMATIC Manager dentro del contenedor del programa de seguridad S7-400FH.
  2. Inserte los bloques de canal de seguridad (Driver Blocks) de entrada F desde la biblioteca F-Systems (p. ej., F_CH_IN o bloques específicos para datos enteros/doble entero).
  3. Conecte la dirección física de entrada del codificador (definida en HW Config) a las entradas del bloque de canal.

  4. Si el valor de posición del codificador se transmite dividido en dos palabras de 16 bits (Word Alta y Word Baja):

    • Conecte la palabra alta a la entrada INT correspondiente.
    • Conecte la palabra baja a la segunda entrada INT.
      5. Utilice los bloques de conversión F disponibles en la biblioteca S7 F-Systems para combinar los dos valores de 16 bits en una variable tipo F_DINT o conviértalos a coma flotante F_REAL.
      6. Enlace la salida del bloque convertido con la lógica de control, monitoreo de límites de posición o cálculo de velocidad en el diagrama CFC.
      7. Compile el diagrama CFC como programa F (Compile > Compile F-Program).

Plaintext

Entrada Física (HW Config)         Bloque de Canal F              Conversión / Lógica F
+-------------------------+      +-------------------+          +----------------------+
| Palabra Alta (16-bit)   | ---> | F_CH_IN (High)    | -------> |                      |
+-------------------------+      +-------------------+          | Combinación a        | ---> Variable F_REAL
| Palabra Baja (16-bit)   | ---> | F_CH_IN (Low)     | -------> | F_DINT / F_REAL      |      o F_DINT
+-------------------------+      +-------------------+          +----------------------+

Resultado esperado: La lógica F-Systems compila correctamente, generando automáticamente los bloques de interconexión y monitoreo de comunicación F (F_GLOBDB, F_DC...).

Verificación

El procedimiento se realizó correctamente cuando:

  • HW Config permite guardar y compilar la estación S7-400FH sin advertencias de inconsistencia en el telegrama PROFIsafe.
  • La CPU S7-400FH pasa a modo RUN tras la descarga del hardware y del programa F sin encender los LED de falla de red (SF / BF).
  • La variable F_REAL / F_DINT en la carta CFC muestra el valor actual de posición o velocidad del codificador en línea durante el monitoreo del diagrama.
  • Los bits de estado de la comunicación F (QUALITY o PASS_OUT) indican una transferencia de datos válida sin requerir un acuse de recibo de reinserción (ACK_REI).

Limitaciones y precauciones operativas

  • Compatibilidad de protocolo: Las CPU S7-400H/FH de generaciones anteriores no soportan la comunicación PROFINET directa en modo de alta disponibilidad; en esos casos, el codificador debe ser PROFIBUS DP o integrarse mediante pasarelas compatibles que mantengan el determinismo F.
  • Consistencia de datos: No utilice bloques de conversión estándar no F (no prueba de fallas) para manipular las variables del codificador si la señal se utiliza en funciones de parada de emergencia o límites de seguridad.
  • Modificaciones en caliente (CiR): Reconfigurar los parámetros PROFIsafe de un esclavo F exige detener la ejecución del programa de seguridad o requiere un procedimiento de compilación F completo antes de transferir los cambios a la CPU redundante.

Preguntas frecuentes

¿Qué ocurre si el archivo GSD del fabricante no incluye la entrada CRC7?

Si el archivo GSD carece de la definición F_IO_StructureDescCRC, la herramienta HW Config de STEP 7 no podrá validar la estructura de datos para S7 F-Systems, lo que impedirá la compilación del programa F en la CPU S7-400FH. En ese caso, se debe solicitar un archivo GSD actualizado al fabricante del codificador.

¿Se puede usar un ejemplo de programa de S7-300F en una CPU S7-400FH?

No directamente. S7-300F utiliza Distributed Safety con lenguajes KOP/FBD y bloques de canal F específicos, mientras que S7-400FH utiliza S7 F-Systems sobre gráficos de función continua (CFC). Aunque la lógica de conversión matemática entre palabras de 16 bits sea similar, los bloques de programa y las llamadas a los controladores de canal deben rehacerse en CFC.

¿Cuál es la diferencia entre el modo PROFIsafe V1 y V2 en S7-400FH?

PROFIsafe V1 es el estándar original utilizado en redes PROFIBUS DP. PROFIsafe V2 se introdujo para dar soporte a redes PROFINET y topologías mixtas (IWLAN, acopladores DP/PN). Las CPU S7-400FH soportan V1 nativamente en PROFIBUS, pero deben configurarse en V2 si el codificador se conecta a través de PROFINET o interfaces de red modernas.

¿Por qué no se puede leer directamente un número de 32 bits desde el codificador en S7-400FH?

La tabla de imagen de proceso de seguridad en S7 F-Systems gestiona la comunicación mediante datos de tipo entero (INT, 16 bits). Para procesar lecturas de codificadores absolutos multivuelta que requieren 32 bits, se deben direccionar dos palabras de 16 bits independientes y reconstruir la palabra doble (DINT o REAL) dentro del entorno de seguridad CFC.

Referencias técnicas

  • Siemens AG: S7 F/FH Systems - Configuring and Programming Manual.
  • IEC 61784-3-3:2007: Industrial communication networks - Profiles - Part 3-3: Functional safety fieldbuses - Additional specifications for CPF 3.
  • Siemens AG: S7Ftimeb.xls - Execution and Monitoring Times of F-Programs.

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