Σιμένς PLC Προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής CPU Κεντρική μονάδα 6ES7414-4HM14-0AB0

Siemens 6ES7414-4HM14-0AB0 | SIMATIC S7-400H CPU 414H — Εφεδρική Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας, Μνήμη 2.8MB, 4 Διεπαφές (1 MPI/DP + 1 DP + 2 Sync), 21 Επεκτάσιμα Ράφια, S7-400H / S7-400F/FH

CPU 414H — Η Θέση της στην Ιεραρχία του S7-400H

Η πλατφόρμα S7-400H προσφέρει μια εξέλιξη των H-CPU, καθεμία με αυξημένη μνήμη, αριθμό διεπαφών και επεξεργαστική ικανότητα για να ταιριάζει σε μεγαλύτερες και πιο σύνθετες εγκαταστάσεις. Η CPU 414H κατέχει μια σημαντική μεσαία θέση σε αυτήν την οικογένεια.

Ο προκάτοχός της στην γκάμα — η CPU 412H (6ES7412-3HJ14-0AB0) — παρέχει συνολική μνήμη 768KB.

Η CPU 414H τριπλασιάζει αυτήν την τιμή σε 2.8MB, μοιρασμένη εξίσου μεταξύ δεδομένων και προγράμματος, και προσθέτει μια δεύτερη αποκλειστική διεπαφή PROFIBUS DP που λείπει από την 412H. Πάνω από την 414H βρίσκονται οι παραλλαγές της CPU 417H, οι οποίες κλιμακώνονται έως τα 20MB συνολικής μνήμης με επιπλέον διεπαφές για τα πιο απαιτητικά προγράμματα αυτοματισμού συνεχών διεργασιών.

Για εργοστάσια διεργασιών όπου το πρόγραμμα αυτοματισμού πρέπει να διαχειρίζεται εκατοντάδες βρόχους ελέγχου PID, εκτεταμένα δίκτυα PROFIBUS I/O σε πολλαπλά τμήματα και μεγάλες δομές δεδομένων για προσωρινή αποθήκευση ιστορικού διεργασιών και διαχείριση συνταγών, τα 2.8MB της 414H σε συνδυασμό με δύο ανεξάρτητες διεπαφές PROFIBUS DP αποτελούν ένα ουσιαστικό βήμα προόδου από την H-CPU εισαγωγικού επιπέδου.

Η δεύτερη αποκλειστική διεπαφή DP επιτρέπει στον ελεγκτή να διαχειρίζεται ξεχωριστά δίκτυα PROFIBUS — για παράδειγμα, ένα τμήμα για κινήσεις και εξοπλισμό μεταβλητής ταχύτητας, ένα άλλο για όργανα και πομπούς — χωρίς να μοιράζεται το εύρος ζώνης του διαύλου μεταξύ διαφορετικών τύπων συσκευών.

Βασικές Προδιαγραφές

Οι Δύο Διεπαφές Sync και ο Συγχρονισμός Οπτικών Ινών

Οι δύο διεπαφές μονάδας συγχρονισμού στην CPU 414H αποτελούν τη φυσική βάση ολόκληρου του μηχανισμού εφεδρείας του συστήματος H.

Κάθε διεπαφή δέχεται μια συνδεόμενη υπομονάδα συγχρονισμού IF 960 — έναν πομποδέκτη οπτικών ινών που συνδέεται με την αντίστοιχη υπομονάδα στο ράφι της εφεδρικής CPU μέσω καλωδίου οπτικών ινών. 

Το μέσο οπτικών ινών είναι σκόπιμο: παρέχει πλήρη γαλβανική απομόνωση μεταξύ των δύο ραφιών CPU, εξαλείφει τα προβλήματα τάσης κοινού τρόπου που μπορούν να επηρεάσουν τα ηλεκτρικά καλώδια συγχρονισμού σε βιομηχανικά περιβάλλοντα και λειτουργεί αξιόπιστα σε αποστάσεις (έως περίπου 10μ στις τυπικές εκδόσεις μικρής εμβέλειας) που συνήθως χωρίζουν τα δύο ράφια σε μια εγκατάσταση συστήματος H.

Δύο ανεξάρτητες συνδέσεις συγχρονισμού είναι υποχρεωτικές και όχι προαιρετικές.

Η εφεδρεία του S7-400H μπορεί να διατηρηθεί μόνο εάν το κανάλι συγχρονισμού είναι αυτό καθ' αυτό εφεδρικό — μια μεμονωμένη αστοχία σύνδεσης συγχρονισμού που απενεργοποιεί τον μηχανισμό συγχρονισμού θα υποβάθμιζε ένα πλήρως εφεδρικό σύστημα H σε σύστημα μονής CPU χωρίς δυνατότητα εναλλαγής.

Με δύο ανεξάρτητες διαδρομές συγχρονισμού μέσω δύο ξεχωριστών καλωδίων οπτικών ινών, μια αστοχία σε μια διαδρομή συγχρονισμού δημιουργεί συναγερμό συντήρησης, αλλά δεν επηρεάζει την ικανότητα του ζεύγους CPU να συγχρονίζεται και να διατηρεί την ετοιμότητα hot-standby.

Η διάγνωση συστήματος του S7-400H ανιχνεύει και αναφέρει σφάλματα μεμονωμένης διαδρομής συγχρονισμού, δίνοντας στο προσωπικό συντήρησης χρόνο να αποκαταστήσει την υποβαθμισμένη σύνδεση πριν συμβεί οποιοδήποτε συμβάν που επηρεάζει τη διεργασία.

21 Επεκτάσιμα Ράφια — Η Περίπτωση Μεγάλης Χωρητικότητας Συστήματος

Η CPU 414H υποστηρίζει μέγιστο 21 επεκτάσιμα ράφια εκτός από το κεντρικό ράφι — συνολικά 22 φυσικά ράφια στη μεγαλύτερη δυνατή διαμόρφωση.

Κάθε ράφι φιλοξενεί μονάδες σήματος, μονάδες λειτουργίας και επικοινωνιακούς επεξεργαστές, με κάθε ράφι να συμβάλλει έως και 8 επιπλέον θέσεις μονάδων στον σταθμό. Με 8 μονάδες ανά ράφι σε 22 ράφια, ένας πλήρως διαμορφωμένος σταθμός CPU 414H μπορεί να φιλοξενήσει πάνω από 176 θέσεις μονάδων.

Στην πράξη, ο αυτοματισμός εργοστασίων συνεχών διεργασιών σπάνια διαμορφώνει σταθμούς S7-400H στο απόλυτο μέγιστο.

Η δυνατότητα επέκτασης 21 ραφιών υπάρχει για να καλύψει τις ανάγκες κλιμάκωσης μεγάλων ολοκληρωμένων μονάδων διεργασιών — μια μονάδα απόσταξης διυλιστηρίου, ένα σύμπλεγμα χημικών αντιδραστήρων, ένα μεγάλο εργοστάσιο επεξεργασίας νερού — όπου ένας μόνο σταθμός S7-400H μπορεί να ελέγχει αρκετές εκατοντάδες όργανα πεδίου, πολλαπλές κινήσεις και δεκάδες διακριτές μονάδες εξοπλισμού. 

Η χωρητικότητα της 414H είναι βαθμονομημένη για να διαχειρίζεται αυτά τα πραγματικά μεγάλα προγράμματα χωρίς να απαιτείται ο σταθμός να χωριστεί σε πολλαπλούς επικοινωνούντες ελεγκτές, κάτι που θα προσέθετε πολυπλοκότητα μηχανικής και πιθανά σημεία αστοχίας στην αρχιτεκτονική.

S7-400F/FH — Συνδυασμός Εφεδρείας με Λειτουργική Ασφάλεια

Η CPU 414H είναι πιστοποιημένη για χρήση σε διαμορφώσεις S7-400F/FH — συστήματα που συνδυάζουν την εφεδρεία υλικού του συστήματος H (ζεύγη CPU hot-standby) με λειτουργική ασφάλεια πιστοποιημένη κατά IEC 61508. Σε λειτουργία S7-400F/FH, η CPU εκτελεί τόσο ένα τυπικό πρόγραμμα χρήστη όσο και ένα πρόγραμμα ασφαλείας.

Το πρόγραμμα ασφαλείας υλοποιεί τις Λειτουργίες Ασφαλούς Οργάνωσης (SIFs) που ορίζονται στην προδιαγραφή απαιτήσεων ασφαλείας της εγκατάστασης και εκτελείται σε F-CPU με πιστοποίηση ασφαλείας, με το πρωτόκολλο επικοινωνίας PROFIsafe να επεκτείνει την πιστοποιημένη ασφάλεια σε όλο το δίκτυο PROFIBUS DP προς F-περιφερειακά.

Η διαμόρφωση F/FH είναι η πλήρης λύση ασφάλειας και διαθεσιμότητας για εγκαταστάσεις διεργασιών σε επικίνδυνες περιοχές: η εφεδρεία H αποτρέπει απρογραμμάτιστες διακοπές λόγω αστοχιών υλικού του ελεγκτή, ενώ η πιστοποίηση F διασφαλίζει ότι οι λειτουργίες ασφαλούς οργάνωσης επιτυγχάνουν το απαιτούμενο Επίπεδο Ακεραιότητας Ασφαλείας (SIL 1, 2 ή 3 ανάλογα με την εφαρμογή) όπως ορίζεται από την ανάλυση κινδύνου διεργασίας.

Σε εγκαταστάσεις όπως πλατφόρμες παραγωγής πετρελαίου και φυσικού αερίου, διυλιστήρια και χημικά εργοστάσια, ο συνδυασμός συνεχούς διαθεσιμότητας και πιστοποιημένης ασφάλειας στον ίδιο ελεγκτή δεν είναι χαρακτηριστικό πολυτελείας, αλλά ρυθμιστική και λειτουργική απαίτηση.

Στρατηγική Εφεδρικών Ανταλλακτικών για Διακοπείσες H-CPU

Η CPU 414H διακόπηκε από τη Siemens με ισχύ 01.02.2017, πράγμα που σημαίνει ότι δεν κατασκευάζεται πλέον ούτε διανέμεται μέσω των τυπικών καναλιών πωλήσεων της Siemens. Ωστόσο, διακοπείσα δεν σημαίνει μη διαθέσιμη.

Η Siemens συνήθως δεσμεύεται για διαθεσιμότητα ανταλλακτικών για δέκα χρόνια μετά τη διακοπή για κρίσιμα βιομηχανικά προϊόντα — μια πολιτική που καλύπτει πολλές εν λειτουργία εγκαταστάσεις S7-400H. Πέρα από το παράθυρο ανταλλακτικών της Siemens, η αγορά βιομηχανικού πλεονάσματος και ανακατασκευής διαθέτει σημαντικά αποθέματα δοκιμασμένων και εγγυημένων μονάδων CPU 414H.

Για εγκαταστάσεις που λειτουργούν συστήματα S7-400H με μονάδες CPU 414H, το ελάχιστο συνιστώμενο απόθεμα εφεδρικών είναι ένα πλήρες σετ μονάδων H-CPU — δύο μονάδες της 6ES7414-4HM14-0AB0, καθώς και τα δύο ράφια απαιτούν πανομοιότυπες CPU. Ένα μη ταιριαστό ζεύγος CPU (διαφορετικές εκδόσεις firmware, ή μία πρωτότυπη και μία ανακατασκευασμένη με ελαφρώς διαφορετικές ημερομηνίες παραγωγής) μπορεί ακόμα να λειτουργήσει, αλλά μπορεί να απαιτεί εναρμόνιση firmware.

Η διατήρηση ταιριαστών εφεδρικών ζευγών απλοποιεί την έκτακτη αντικατάσταση και εξαλείφει την ανάγκη διαχείρισης συμβατότητας firmware υπό πίεση χρόνου κατά τη διάρκεια μιας απρογραμμάτιστης διακοπής.

Συχνές Ερωτήσεις

Ε1: Η CPU 414H έχει δύο διεπαφές PROFIBUS DP — τη συνδυασμένη διεπαφή MPI/DP και την αποκλειστική διεπαφή DP. Είναι και οι δύο διαθέσιμες ταυτόχρονα και μπορούν να συνδεθούν σε διαφορετικά δίκτυα PROFIBUS DP;

Ναι, και οι δύο διεπαφές PROFIBUS DP μπορούν να λειτουργούν ταυτόχρονα και μπορούν να συνδεθούν σε ξεχωριστά, ανεξάρτητα δίκτυα PROFIBUS DP. Στη διαμόρφωση υλικού STEP 7, κάθε διεπαφή έχει εκχωρηθεί στο δικό της δίκτυο PROFIBUS με τις δικές της παραμέτρους διαύλου (διεύθυνση διαύλου, ταχύτητα μετάδοσης, παράμετροι χρονισμού).

Η CPU 414H λειτουργεί ως κύριος DP και στα δύο δίκτυα ανεξάρτητα — σαρώνει δούλους στο δίκτυο 1 και στο δίκτυο 2 εναλλάξ εντός κάθε κύκλου σάρωσης PLC.

Αυτή η δυνατότητα διπλού κύριου είναι ιδιαίτερα πολύτιμη σε μεγάλα εργοστάσια διεργασιών όπου ο διαχωρισμός των οργάνων (πομπούς, αναλυτές) από τον εξοπλισμό κίνησης (μετατροπείς συχνότητας, εκκινητές ομαλής εκκίνησης) σε ανεξάρτητα τμήματα διαύλου μειώνει τις παρεμβολές μεταξύ δικτύων και απλοποιεί την αντιμετώπιση προβλημάτων απομονώνοντας τους τομείς σφαλμάτων.

Η διεπαφή MPI/DP μπορεί επίσης να διαμορφωθεί σε λειτουργία MPI αντί για λειτουργία DP όταν δεν απαιτείται λειτουργία κύριου PROFIBUS DP σε αυτήν τη φυσική διεπαφή — για παράδειγμα, για να χρησιμοποιηθεί αποκλειστικά για πρόσβαση σε τερματικό προγραμματισμού και συνδέσεις HMI.

Ε2: Ποιος είναι ο χρόνος εναλλαγής (χρόνος αποτυχίας) όταν η ενεργή CPU 414H αποτυγχάνει και η εφεδρική CPU αναλαμβάνει;

Ο χρόνος εναλλαγής σε ένα σωστά διαμορφωμένο σύστημα S7-400H με CPU 414H είναι εντός του κύκλου σάρωσης PLC — συνήθως στην περιοχή από μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου έως μερικές δεκάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου, ανάλογα με τη διαμόρφωση του συστήματος, το φορτίο επικοινωνίας και τον αριθμό των δούλων PROFIBUS DP. Κατά τη διάρκεια του κανονικού συγχρονισμού hot-standby, και οι δύο CPU εκτελούν το ίδιο πρόγραμμα με τα ίδια δεδομένα σε κάθε κύκλο σάρωσης.

Ο μηχανισμός συγχρονισμού διασφαλίζει ότι η κατάσταση μνήμης της εφεδρικής CPU — έξοδοι, μπλοκ δεδομένων, χρονοδιακόπτες, μετρητές — αντικατοπτρίζει την κύρια CPU σε κάθε όριο σάρωσης.

Όταν η κύρια αποτυγχάνει, η εφεδρική CPU δηλώνει τον εαυτό της ως ενεργή και αρχίζει να ελέγχει τις εξόδους αμέσως, χωρίς να εκτελεί ακολουθία επανεκκίνησης ή να ξαναδιαβάζει εισόδους από κατάσταση ψυχρής εκκίνησης.

 Από την οπτική γωνία των συσκευών πεδίου, οι έξοδοι συνεχίζουν να διατηρούν την τελευταία έγκυρη κατάστασή τους χωρίς αντιληπτή διακοπή· από την οπτική γωνία των δούλων PROFIBUS DP, ο κύριος συνεχίζει να τους ελέγχει χωρίς να χάνει κύκλο.

Ε3: Μπορεί η CPU 414H να λειτουργήσει σε μη εφεδρική λειτουργία μονής CPU εάν η δεύτερη CPU αφαιρεθεί για συντήρηση, και ποιες είναι οι επιπτώσεις;

Η CPU 414H μπορεί να λειτουργήσει σε λειτουργία μονής CPU — όταν μόνο μία μονάδα είναι εγκατεστημένη στο ράφι της, ή όταν λείπει η σύνδεση συγχρονισμού μεταξύ των δύο CPU, το σύστημα S7-400H συνεχίζει να λειτουργεί στην διαθέσιμη CPU. Αυτή η λειτουργία αναφέρεται ως μοναδική λειτουργία ή υποβαθμισμένη λειτουργία.

Το σύστημα δημιουργεί έναν συναγερμό διάγνωσης που υποδεικνύει ότι η πλήρης εφεδρεία δεν είναι διαθέσιμη, και η διεπαφή χειριστή STEP 7/WinCC εμφανίζει ένα αντίστοιχο μήνυμα κατάστασης.

Σε αυτήν την υποβαθμισμένη κατάσταση, η λειτουργούσα CPU συνεχίζει κανονικά όλο τον έλεγχο διεργασιών, την επικοινωνία PROFIBUS DP και την παροχή δεδομένων HMI — αλλά οποιαδήποτε αστοχία υλικού που επηρεάζει αυτήν τη μοναδική CPU θα είχε ως αποτέλεσμα διακοπή της διεργασίας, καθώς δεν υπάρχει εφεδρική CPU για να αναλάβει.

Για προγραμματισμένη συντήρηση — αντικατάσταση μιας αποτυχημένης υπομονάδας συγχρονισμού, εκτέλεση προληπτικής συντήρησης σε ένα ράφι CPU — η λειτουργία σε υποβαθμισμένη λειτουργία για ένα σύντομο, διαχειριζόμενο χρονικό διάστημα είναι αποδεκτή και σχεδιασμένη. Η παρατεταμένη λειτουργία σε υποβαθμισμένη λειτουργία αυξάνει σημαντικά το προφίλ κινδύνου της εγκατάστασης.

Ε4: Ποια είναι η σημασία του διαχωρισμού της μνήμης — 1.4MB δεδομένα και 1.4MB πρόγραμμα — για την ανάπτυξη προγραμμάτων, και μπορούν τα μπλοκ δεδομένων χρήστη να καταναλώσουν μνήμη προγράμματος ή αντίστροφα;

Στο SIMATIC S7-400H, η μνήμη εργασίας (RAM που χρησιμοποιεί η CPU για ενεργή εκτέλεση προγράμματος) χωρίζεται κατά την κατασκευή σε μια σταθερή διαμέριμη κώδικα (προγράμματος) και μια σταθερή διαμέριμη δεδομένων, και αυτές οι διαμερίσματα δεν είναι εναλλάξιμες. Ο κώδικας προγράμματος — OBs, FCs, FBs, οι μεταγλωττισμένες ακολουθίες εντολών — καταναλώνει μνήμη κώδικα· τα μπλοκ δεδομένων (DBs), συμπεριλαμβανομένων των μπλοκ στιγμιότυπων, των κοινόχρηστων μπλοκ και της αποθήκευσης συνταγών — καταναλώνει μνήμη δεδομένων.

Ένα πρόγραμμα που έχει πολλούς σύνθετους αλγορίθμους ελέγχου αλλά σχετικά μικρά σύνολα δεδομένων θα χωρέσει άνετα εντός του ορίου κώδικα 1.4MB, χρησιμοποιώντας μόνο ένα κλάσμα της κατανομής δεδομένων 1.4MB.

Αντίστροφα, ένα πρόγραμμα με σχετικά απλή λογική ελέγχου αλλά μεγάλους πίνακες συνταγών, buffers ιστορικού ή εκτεταμένες δομές δεδομένων συναγερμών μπορεί να γεμίσει τη μνήμη δεδομένων 1.4MB, αφήνοντας τη μνήμη κώδικα σε μεγάλο βαθμό κενή. Οι προγραμματιστές που εργάζονται με την CPU 414H θα πρέπει να παρακολουθούν και τις δύο περιοχές μνήμης ανεξάρτητα κατά την ανάπτυξη.

Η μνήμη φόρτωσης (Flash/EPROM ή κάρτα μνήμης) περιέχει το αποθηκευμένο αντίγραφο του προγράμματος· η μνήμη εργασίας περιέχει το ενεργά εκτελούμενο αντίγραφο· μόνο ο διαχωρισμός της μνήμης εργασίας έχει σημασία για τον υπολογισμό του χρόνου εκτέλεσης.

Ε5: Είναι το STEP 7 V5.x το μοναδικό περιβάλλον προγραμματισμού για την CPU 414H, ή μπορεί να χρησιμοποιηθεί το TIA Portal;

Η CPU 414H, ως μέρος της κλασικής πλατφόρμας SIMATIC S7-400H, προγραμματίζεται χρησιμοποιώντας το STEP 7 Professional V5.x — το παραδοσιακό περιβάλλον STEP 7 Classic.

Το TIA Portal δεν υποστηρίζει την οικογένεια CPU S7-400H για προγραμματισμό· η υποστήριξη S7-400 του TIA Portal καλύπτει τυπικές CPU S7-400 (μη-H), και η πλατφόρμα υψηλής διαθεσιμότητας τρέχουσας γενιάς που υποστηρίζεται στο TIA Portal είναι η S7-1500H. Η μηχανική μιας CPU 414H στο TIA Portal δεν είναι δυνατή.

 Εάν μια εγκατάσταση έχει τυποποιηθεί στο TIA Portal για όλο τον υπόλοιπο προγραμματισμό PLC, το πρόγραμμα S7-400H πρέπει ακόμα να συντηρείται και να επεκτείνεται χρησιμοποιώντας το STEP 7 V5.5 ή το STEP 7 Professional. Η Siemens έχει δεσμευτεί να υποστηρίζει το STEP 7 V5.x για την υπάρχουσα εγκατεστημένη βάση συστημάτων S7-300 και S7-400· οι ενημερώσεις και οι ενημερώσεις ασφαλείας συνεχίζουν να είναι διαθέσιμες, ακόμη και καθώς η κύρια εστίαση ανάπτυξης έχει μετατοπιστεί στο TIA Portal.