Simens PLC Programmable Logic Controller CPU Central Unit 6ES7414-4HM14-0AB0

Siemens 6ES7414-4HM14-0AB0 | SIMATIC S7-400H CPU 414H — Redundantna jednostka centralna, pamięć 2,8 MB, 4 interfejsy (1 MPI/DP + 1 DP + 2 Sync), 21 szafy rozszerzeń, S7-400H / S7-400F/FH

CPU 414H — Pozycja w hierarchii S7-400H

Platforma S7-400H oferuje gamę procesorów H-CPU, z których każdy zwiększa pamięć, liczbę interfejsów i moc obliczeniową, aby sprostać większym i bardziej złożonym instalacjom. CPU 414H zajmuje znaczącą pozycję w środku tej rodziny.

Jego poprzednik w gamie — CPU 412H (6ES7412-3HJ14-0AB0) — zapewnia łącznie 768 KB pamięci.

CPU 414H potraja tę wartość do 2,8 MB, podzieloną równo między dane i program, i dodaje drugi dedykowany interfejs PROFIBUS DP, którego brakuje w 412H. Powyżej 414H znajdują się warianty CPU 417H, które skalują się do 20 MB pamięci całkowitej z dodatkowymi interfejsami dla najbardziej wymagających programów automatyki procesów ciągłych.

Dla zakładów procesowych, w których program automatyki musi obsługiwać setki pętli sterowania PID, rozbudowane sieci I/O PROFIBUS na wielu segmentach oraz duże struktury danych do buforowania historycznych danych procesowych i zarządzania recepturami, 2,8 MB CPU 414H w połączeniu z dwoma niezależnymi interfejsami PROFIBUS DP stanowi znaczący krok naprzód w stosunku do procesorów H-CPU klasy podstawowej.

Drugi dedykowany interfejs DP pozwala sterownikowi na zarządzanie oddzielnymi sieciami PROFIBUS — na przykład jeden segment dla napędów i urządzeń o zmiennej prędkości, inny dla aparatury pomiarowej i nadajników — bez współdzielenia przepustowości magistrali między różnymi typami urządzeń.

Kluczowe specyfikacje

Dwa interfejsy synchronizacji i synchronizacja światłowodowa

Dwa interfejsy modułów synchronizacji w CPU 414H stanowią fizyczną podstawę całego mechanizmu redundancji systemu H.

Każdy interfejs przyjmuje wymienny podmoduł synchronizacji IF 960 — nadajnik-odbiornik światłowodowy, który łączy się z odpowiednim podmodułem w szafie procesora partnerskiego za pomocą kabla światłowodowego. 

Medium światłowodowe jest celowe: zapewnia całkowitą izolację galwaniczną między dwiema szafami procesorów, eliminuje problemy z napięciem współbieżnym, które mogą wpływać na elektryczne kable synchronizacyjne w środowiskach przemysłowych, i działa niezawodnie na odległościach (do około 10 m w standardowych wersjach krótkiego zasięgu), które zazwyczaj oddzielają obie szafy w instalacji systemu H.

Dwa niezależne łącza synchronizacji są obowiązkowe, a nie opcjonalne.

Redundancja S7-400H może być utrzymana tylko wtedy, gdy sam kanał synchronizacji jest redundantny — awaria pojedynczego łącza synchronizacji, która wyłączyłaby mechanizm synchronizacji, zdegradowałaby w pełni redundantny system H do systemu z jednym procesorem bez możliwości przełączania awaryjnego. 

Dzięki dwóm niezależnym ścieżkom synchronizacji przez dwa oddzielne kable światłowodowe, awaria jednej ścieżki synchronizacji generuje alarm konserwacyjny, ale nie wpływa na zdolność pary procesorów do synchronizacji i utrzymania gotowości na gorąco.

Diagnostyka systemu S7-400H wykrywa i zgłasza błędy pojedynczej ścieżki synchronizacji, dając personelowi konserwacyjnemu czas na przywrócenie zdegradowanego łącza przed wystąpieniem jakiegokolwiek zdarzenia wpływającego na proces.

21 szaf rozszerzeń — Argument za dużą pojemnością systemu

CPU 414H obsługuje maksymalnie 21 szaf rozszerzeń oprócz szafy centralnej — łącznie 22 fizyczne szafy w największej możliwej konfiguracji.

Każda szafa mieści moduły sygnałowe, moduły funkcyjne i procesory komunikacyjne, a każda szafa dodaje do stacji do 8 dodatkowych gniazd modułowych. Przy 8 modułach na szafę w 22 szafach, w pełni skonfigurowana stacja CPU 414H może pomieścić ponad 176 pozycji modułowych.

W praktyce automatyka zakładów procesów ciągłych rzadko buduje stacje S7-400H do ich absolutnego maksimum.

Możliwość rozszerzenia o 21 szaf istnieje w celu zaspokojenia potrzeb skalowania dużych zintegrowanych jednostek procesowych — jednostki destylacyjnej rafinerii, kompleksu reaktorów chemicznych, dużej oczyszczalni ścieków — gdzie pojedyncza stacja S7-400H może sterować kilkuset instrumentami polowymi, wieloma napędami i dziesiątkami dyskretnych elementów wyposażenia. 

Pojemność 414H jest skalibrowana do obsługi tych naprawdę dużych programów bez konieczności dzielenia stacji na wiele sterowników komunikujących się ze sobą, co zwiększyłoby złożoność inżynieryjną i potencjalne punkty awarii w architekturze.

S7-400F/FH — Łączenie redundancji z bezpieczeństwem funkcjonalnym

CPU 414H jest certyfikowany do użytku w konfiguracjach S7-400F/FH — systemach łączących redundancję sprzętową systemu H (pary CPU na gorąco) z bezpieczeństwem funkcjonalnym certyfikowanym zgodnie z IEC 61508. W trybie S7-400F/FH procesor wykonuje zarówno standardowy program użytkownika, jak i program bezpieczeństwa.

Program bezpieczeństwa implementuje funkcje bezpieczeństwa instrumentowanego (SIF) zdefiniowane w specyfikacji wymagań bezpieczeństwa zakładu i działa na procesorach F z certyfikatem bezpieczeństwa, z protokołem komunikacyjnym PROFIsafe rozszerzającym certyfikowane bezpieczeństwo na sieć PROFIBUS DP do peryferiów F.

Konfiguracja F/FH jest kompletnym rozwiązaniem bezpieczeństwa i dostępności dla instalacji procesowych w obszarach niebezpiecznych: redundancja H zapobiega nieplanowanym przestojom z powodu awarii sprzętu sterownika, podczas gdy certyfikacja F zapewnia, że funkcje bezpieczeństwa instrumentowanego osiągają wymagany poziom integralności bezpieczeństwa (SIL 1, 2 lub 3 w zależności od zastosowania) zgodnie z analizą zagrożeń procesowych.

W zakładach takich jak platformy wydobywcze ropy i gazu, rafinerie i zakłady chemiczne, połączenie ciągłej dostępności i certyfikowanego bezpieczeństwa w tym samym sterowniku nie jest funkcją luksusową, ale wymogiem regulacyjnym i operacyjnym.

Strategia części zamiennych dla wycofanych z produkcji procesorów H-CPU

CPU 414H został wycofany z produkcji przez firmę Siemens z dniem 01.02.2017, co oznacza, że nie jest już produkowany ani dystrybuowany przez standardowe kanały sprzedaży firmy Siemens. Jednak wycofanie z produkcji nie oznacza niedostępności.

Firma Siemens zazwyczaj zapewnia dostępność części zamiennych przez dziesięć lat po wycofaniu z produkcji krytycznych produktów przemysłowych — polityka ta obejmuje wiele obecnie działających instalacji S7-400H. Poza okresem dostępności części zamiennych firmy Siemens, rynek wtórny i rynek regeneracji przemysłowej posiada znaczące zapasy przetestowanych i gwarantowanych jednostek CPU 414H.

Dla zakładów eksploatujących systemy S7-400H z jednostkami CPU 414H, minimalny zalecany zapas części zamiennych to jeden kompletny zestaw modułów H-CPU — dwie jednostki 6ES7414-4HM14-0AB0, ponieważ obie szafy wymagają identycznych procesorów. Niezgodna para procesorów (różne wersje oprogramowania układowego lub jeden oryginalny i jeden regenerowany z nieco innymi datami produkcji) może nadal działać, ale może wymagać harmonizacji oprogramowania układowego.

Posiadanie dopasowanych par zapasowych ułatwia awaryjną wymianę i eliminuje potrzebę zarządzania zgodnością oprogramowania układowego pod presją czasu podczas nieplanowanego przestoju.

Często zadawane pytania

P1: CPU 414H posiada dwa interfejsy PROFIBUS DP — połączony interfejs MPI/DP i dedykowany interfejs DP. Czy oba są dostępne jednocześnie i czy mogą być podłączone do różnych sieci PROFIBUS DP?

Tak, oba interfejsy PROFIBUS DP mogą działać jednocześnie i mogą być podłączone do oddzielnych, niezależnych sieci PROFIBUS DP. W konfiguracji sprzętowej STEP 7 każdy interfejs jest przypisany do własnej sieci PROFIBUS z własnymi parametrami magistrali (adres magistrali, prędkość transmisji, parametry czasowe).

CPU 414H działa jako master DP w obu sieciach niezależnie — skanując slave w sieci 1 i sieci 2 w sposób przeplatany w każdym cyklu skanowania PLC.

Ta zdolność podwójnego mastera jest szczególnie cenna w dużych zakładach procesowych, gdzie oddzielenie aparatury pomiarowej (nadajniki, analizatory) od urządzeń napędowych (przemienniki częstotliwości, softstarty) na niezależnych segmentach magistrali zmniejsza zakłócenia między sieciami i upraszcza rozwiązywanie problemów poprzez izolowanie domen błędów.

Interfejs MPI/DP może być również skonfigurowany w trybie MPI zamiast trybu DP, gdy funkcja mastera PROFIBUS DP nie jest potrzebna na tym fizycznym interfejsie — na przykład do wykorzystania go wyłącznie do dostępu do terminala programowania i połączeń HMI.

P2: Jaki jest czas przełączania (czas przełączenia awaryjnego), gdy aktywny CPU 414H ulegnie awarii, a procesor zapasowy przejmie kontrolę?

Czas przełączenia awaryjnego w prawidłowo skonfigurowanym systemie S7-400H z CPU 414H mieści się w cyklu skanowania PLC — zazwyczaj w zakresie od kilku milisekund do kilkudziesięciu milisekund, w zależności od konfiguracji systemu, obciążenia komunikacyjnego i liczby slave PROFIBUS DP. Podczas normalnej synchronizacji na gorąco oba procesory wykonują ten sam program z tymi samymi danymi w każdym cyklu skanowania.

Mechanizm synchronizacji zapewnia, że stan pamięci procesora zapasowego — wyjścia, bloki danych, timery, liczniki — odzwierciedla stan procesora głównego na każdym końcu cyklu skanowania.

Gdy procesor główny ulegnie awarii, procesor zapasowy ogłasza się aktywnym i natychmiast zaczyna sterować wyjściami, bez wykonywania sekwencji ponownego uruchomienia ani ponownego odczytu wejść ze stanu zimnego.

 Z perspektywy urządzeń polowych, wyjścia nadal utrzymują swój ostatni prawidłowy stan bez zauważalnej przerwy; z perspektywy slave PROFIBUS DP, master kontynuuje ich skanowanie bez pominięcia cyklu.

P3: Czy CPU 414H może działać w trybie pojedynczego procesora, nie redundantnym, jeśli drugi procesor zostanie usunięty do konserwacji, i jakie są tego konsekwencje?

CPU 414H może działać w trybie pojedynczego procesora — gdy zainstalowana jest tylko jedna jednostka w swojej szafie, lub gdy brakuje łącza synchronizacji między dwoma procesorami, system S7-400H nadal działa na dostępnym procesorze. Tryb ten jest określany jako praca pojedyncza lub tryb zdegradowany.

System generuje alarm diagnostyczny wskazujący, że pełna redundancja nie jest dostępna, a interfejs operatora STEP 7/WinCC wyświetla odpowiedni komunikat statusu.

W tym zdegradowanym stanie działający procesor normalnie kontynuuje wszystkie sterowania procesem, komunikację PROFIBUS DP i dostarczanie danych HMI — ale jakakolwiek awaria sprzętu wpływająca na ten pojedynczy procesor spowodowałaby zatrzymanie procesu, ponieważ nie ma procesora partnerskiego, który mógłby przejąć kontrolę.

W przypadku planowanej konserwacji — wymiany uszkodzonego podmodułu synchronizacji, wykonywania konserwacji zapobiegawczej na szafie procesora — działanie w trybie zdegradowanym przez krótki, zarządzany okres jest dopuszczalne i zaprojektowane. Długotrwałe działanie w trybie zdegradowanym znacznie zwiększa profil ryzyka instalacji.

P4: Jakie jest znaczenie podziału pamięci — 1,4 MB dane i 1,4 MB program — dla rozwoju programu i czy bloki danych użytkownika mogą zajmować pamięć programu lub odwrotnie?

W SIMATIC S7-400H pamięć robocza (RAM, której procesor używa do aktywnego wykonywania programu) jest dzielona podczas produkcji na stałą partycję kodu (programu) i stałą partycję danych, a partycje te nie są wymienne. Kod programu — OB, FC, FB, skompilowane sekwencje instrukcji — zajmuje pamięć kodu; bloki danych (DB), w tym bloki instancji, bloki współdzielone i przechowywanie receptur — zajmują pamięć danych.

Program, który ma wiele złożonych algorytmów sterowania, ale stosunkowo małe zestawy danych, zmieści się komfortowo w limicie 1,4 MB kodu, wykorzystując tylko ułamek alokacji 1,4 MB danych.

Odwrotnie, program ze stosunkowo prostą logiką sterowania, ale dużymi tabelami receptur, buforami historycznymi lub rozbudowanymi strukturami danych alarmowych może wypełnić 1,4 MB pamięci danych, pozostawiając pamięć kodu w dużej mierze pustą. Programiści pracujący z CPU 414H powinni monitorować oba obszary pamięci niezależnie podczas rozwoju.

Pamięć ładowania (Flash/EPROM lub karta pamięci) przechowuje zapisaną kopię programu; pamięć robocza przechowuje aktywnie wykonywaną kopię; tylko partycjonowanie pamięci roboczej ma znaczenie dla określenia czasu wykonania.

P5: Czy STEP 7 V5.x jest jedynym środowiskiem programistycznym dla CPU 414H, czy można używać TIA Portal?

CPU 414H, jako część klasycznej platformy SIMATIC S7-400H, jest programowany przy użyciu STEP 7 Professional V5.x — tradycyjnego środowiska STEP 7 Classic.

TIA Portal nie obsługuje rodziny procesorów S7-400H do programowania; wsparcie TIA Portal dla S7-400 obejmuje standardowe procesory S7-400 (nie-H), a platformą wysokiej dostępności obecnej generacji obsługiwaną w TIA Portal jest S7-1500H. Inżynieria CPU 414H w TIA Portal nie jest możliwa.

 Jeśli zakład znormalizował TIA Portal dla wszystkich innych programów PLC, program S7-400H musi być nadal utrzymywany i rozszerzany przy użyciu STEP 7 V5.5 lub STEP 7 Professional. Firma Siemens zobowiązała się do wspierania STEP 7 V5.x dla istniejącej zainstalowanej bazy systemów S7-300 i S7-400; aktualizacje i poprawki bezpieczeństwa są nadal dostępne, nawet jeśli główny nacisk na rozwój przesunął się na TIA Portal.