سیمنس جدید S7 300 6ES7312-1AE14-0AB0 6ES73121AE140AB0 6ES7312-1AE14-OABO

زیمنس 6ES7312-1AE14-0AB0 | SIMATIC S7-300 CPU 312 — واحد پردازش مرکزی، رابط MPI، حافظه کاری 32 کیلوبایت، منبع تغذیه داخلی 24 ولت DC، پردازش بیت 0.1 میکروثانیه، 40×125×130 میلی‌متر

مرور کلی

زیمنس 6ES7312-1AE14-0AB0 ، CPU 312 است — واحد پردازش مرکزی استاندارد سطح ورودی (غیر فشرده) از خانواده SIMATIC S7-300.

با حداقل عرض 40 میلی‌متر و وزن 270 گرم، در میان فشرده‌ترین واحدهای پردازش مرکزی S7-300 قرار دارد، در حالی که مجموعه دستورالعمل کامل S7-300، رابط ارتباطی استاندارد MPI و عملکرد پردازشی کافی را برای اکثریت قریب به اتفاق وظایف کنترل ماشین و اتوماسیون فرآیند در مقیاس کوچک تا متوسط ارائه می‌دهد.

برای درک جایگاه CPU 312، لازم است ساختار محدوده واحدهای پردازش مرکزی S7-300 را درک کنید.

این خانواده از واحدهای پردازش مرکزی فشرده (مانند CPU 312C که دارای ورودی/خروجی دیجیتال داخلی است) تا واحدهای پردازش مرکزی استاندارد (مانند این CPU 312 که فاقد ورودی/خروجی داخلی است اما انعطاف‌پذیری ماژولار کامل را دارد) و واحدهای پردازش مرکزی قدرتمندتر (CPU 314، 315، 317) با حافظه‌های بزرگتر و رابط‌های PROFIBUS DP داخلی را شامل می‌شود. 

CPU 312 نقطه شروع محدوده واحدهای پردازش مرکزی استاندارد است — انتخابی که وظیفه نیازمند ماژولار بودن و انعطاف‌پذیری مهندسی معماری واحد پردازش مرکزی استاندارد است اما به حافظه بزرگتر، قابلیت قفسه چندگانه یا رابط‌های اضافی واحدهای پردازش مرکزی مدل بالاتر نیاز ندارد.

حافظه کاری 32 کیلوبایتی محدودیت اصلی CPU 312 است و برنامه‌هایی را که برای آن مناسب است، تعریف می‌کند.

با 32 کیلوبایت، CPU 312 برنامه‌های STEP 7 در مقیاس کوچک تا متوسط را در خود جای می‌دهد — آن‌هایی که تا چند صد بلوک برنامه، منطق کنترل PLC استاندارد، مدیریت داده‌های اساسی و الزامات ارتباطی متوسط دارند.

این واحد برای برنامه‌هایی که جداول دستورالعمل بزرگ، بافرهای تاریخچه گسترده یا الگوریتم‌های ریاضی پیچیده که کد شیء بزرگی تولید می‌کنند را مدیریت می‌کنند، مناسب نیست. برای آن برنامه‌ها، CPU 314 (64 کیلوبایت)، CPU 315-2 DP (256 کیلوبایت) یا CPU 317-2 DP (1 مگابایت) گزینه‌های مناسبی هستند.

مشخصات کلیدی

پردازش دودویی 0.1 میکروثانیه — معنی آن برای زمان‌های چرخه

0.1 میکروثانیه برای هر دستورالعمل دودویی در CPU 312، معیار سرعت اجرای اساسی پردازنده است. در عمل، یک برنامه معمولی S7-300 دستورالعمل‌های دودویی (کنتاکت/کویل)، عملیات کلمه، محاسبات و سربار ارتباطات را ترکیب می‌کند.

یک برنامه با 1000 دستورالعمل دودویی دارای زمان اجرای دستورالعمل خام 0.1 میلی‌ثانیه است — اما زمان چرخه کل طولانی‌تر است زیرا سیستم عامل S7-300 یک به‌روزرسانی تصویر فرآیند (خواندن تمام ورودی‌ها، نوشتن تمام خروجی‌ها)، پردازش ارتباطات و سربار خودآزمایی را به هر چرخه اضافه می‌کند.

برای یک CPU 312 که یک برنامه با اندازه متوسط را در یک ایستگاه تک قفسه با ماژول‌های دیجیتال و آنالوگ استاندارد S7-300 اجرا می‌کند، زمان‌های چرخه معمول در محدوده 5-15 میلی‌ثانیه قرار می‌گیرند که بسته به اندازه برنامه، تعداد ماژول‌های فعال و ترافیک ارتباطی در رابط MPI متفاوت است. برای برنامه‌های کنترل ماشین که CPU 312 هدف قرار می‌دهد — توالی نوار نقاله، قفل ماشین، فرآیندهای دسته‌ای ساده — زمان چرخه 5-15 میلی‌ثانیه کاملاً کافی است.

حلقه‌های دمای فرآیند، تنظیم فشار و سایر متغیرهای فرآیند با دینامیک کند در مقیاس زمانی ثانیه تا دقیقه تغییر می‌کنند و زمان چرخه اسکن PLC را برای عملکرد حلقه بی‌ربط می‌کنند (که تحت سلطه زمان پاسخ فرستنده و دینامیک شیر است).

فقط فرآیندهای مکانیکی سریع (مرتب‌سازی با سرعت بالا، کنترل پرس، عملیات برداشت و قرار دادن سریع) به زمان‌های چرخه PLC کمتر از 5 میلی‌ثانیه نیاز دارند و آن برنامه‌ها توسط واحدهای پردازش مرکزی با کارایی بالا با حافظه‌های بسیار بزرگتر و قابلیت‌های پردازش وقفه اختصاصی سرویس‌دهی می‌شوند، نه CPU 312.

کارت حافظه میکرو — ذخیره‌سازی برنامه بدون باتری

CPU 312 برای ذخیره‌سازی برنامه به کارت حافظه میکرو (MMC) نیاز دارد — کارتی مبتنی بر فلش که همزمان به عنوان حافظه بارگیری (ذخیره برنامه کامل که از STEP 7 دانلود شده است) و به عنوان مکانیزم ذخیره‌سازی پایدار عمل می‌کند که نیاز به باتری پشتیبان را از بین می‌برد. هر بار که CPU 312 روشن می‌شود، برنامه را از MMC به RAM کاری می‌خواند و شروع به اجرا می‌کند. برنامه روی MMC غیر فرار است — از طریق چرخه‌های برق به طور نامحدود باقی می‌ماند، با زیمنس که حداقل 10 سال نگهداری داده را روی MMC مشخص می‌کند.

این عملکرد بدون باتری یک مزیت نگهداری واقعی نسبت به نسل‌های قدیمی‌تر CPU است که برای حفظ برنامه در طول قطع برق به تعویض منظم باتری نیاز داشتند. یک باتری پشتیبان تخلیه شده یا خراب در یک CPU S7-300 یا S5 قدیمی‌تر منجر به از دست رفتن کامل برنامه در وقفه برق بعدی می‌شد — یک رویداد خدماتی که می‌توانست ساعت‌ها بارگذاری مجدد برنامه و راه‌اندازی مجدد سیستم را در محیط تولید نیاز داشته باشد.

معماری MMC این حالت خرابی را به طور کامل از بین می‌برد. MMC پشتیبان است — خارج کردن MMC از یک CPU در حال اجرا برنامه را به طور کامل روی کارت حفظ می‌کند، که می‌تواند برای پشتیبان‌گیری به یک ترمینال برنامه‌نویسی یا برای بارگذاری اولیه به یک CPU جایگزین منتقل شود.

سوکت سرویس 6 کاراکتری در جلوی CPU 312، MMCs استاندارد S7-300 (SIMATIC Micro Memory Cards، خانواده 6ES7953-8LXXX-0AA0) را در ظرفیت‌های 64 کیلوبایت تا 8 مگابایت می‌پذیرد.

رابط MPI — قابلیت‌ها و محدودیت‌ها

CPU 312 یک رابط MPI واحد را ارائه می‌دهد — بدون PROFIBUS DP، بدون PROFINET، بدون اترنت داخلی.

این محدودیت رابط مهمترین معیار انتخاب است: اگر برنامه نیازمند این است که CPU به عنوان یک استاد PROFIBUS DP عمل کند (کنترل ایستگاه‌های ورودی/خروجی از راه دور، درایوها یا ابزارها در شبکه PROFIBUS)، CPU 312 انتخاب درستی نیست. یک CPU با رابط PROFIBUS DP داخلی (CPU 315-2 DP، CPU 317-2 DP) یا افزودن یک پردازنده ارتباطی CP 342-5 مورد نیاز خواهد بود.

آنچه رابط MPI ارائه می‌دهد:

دسترسی به ترمینال برنامه‌نویسی: یک ایستگاه کاری STEP 7 از طریق یک آداپتور PC (6ES7972-0CB20-0XA0 یا معادل USB) از طریق پورت MPI برای دانلود برنامه، نظارت آنلاین و تشخیص به CPU متصل می‌شود.

اتصال HMI: پنل‌های اپراتور زیمنس OP و TP از طریق MPI برای نمایش داده‌های فرآیند و پذیرش ورودی‌های اپراتور متصل می‌شوند. برای MES تک پنلی، اتصال MPI مقرون به صرفه و ساده است.

ارتباط PLC به PLC: چندین CPU S7-300 می‌توانند یک شبکه MPI را به اشتراک بگذارند و داده‌ها را از طریق ارتباطات پایه S7 (SFC 65/66 برای داده‌های جهانی) یا ارتباطات S7 (SFB 8/9 BSEND/BRCV یا SFB 12/13 BSEND/BRCV) مبادله کنند، که هماهنگی ساده چند کنترلر را بدون PROFIBUS امکان‌پذیر می‌سازد.

داده‌های جهانی: تا 4 حلقه داده جهانی را می‌توان برای تبادل داده چرخه‌ای بین کنترلرهای S7 در همان شبکه MPI تعریف کرد — یک مکانیزم ساده برای اشتراک‌گذاری متغیرهای وضعیت بین PLCها بدون برنامه‌نویسی ارتباطی صریح.

محدودیت 6 اتصالی CPU 312 (مجموع اتصالات PG، OP و S7) تعداد شرکت‌کنندگان فعال همزمان در شبکه MPI را محدود می‌کند.

در یک ایستگاه با یک ترمینال برنامه‌نویسی، یک پنل HMI و یک پیوند ارتباطی S7، محدودیت اتصال تقریباً پر شده است.

ساختار برنامه و انواع بلوک

CPU 312 از ساختار برنامه مبتنی بر بلوک کامل STEP 7 در محدوده کل 1,024 بلوک پشتیبانی می‌کند.

انواع بلوک عبارتند از:

OBها (بلوک‌های سازماندهی): رابط بین سیستم عامل و برنامه کاربر. OB1 برنامه چرخه‌ای اصلی است. OB35 یک وقفه چرخه‌ای است (پیش‌فرض 100 میلی‌ثانیه). OB40 یک وقفه سخت‌افزاری از ماژول‌ها است. OB82 یک وقفه تشخیصی است.

OB100 بلوک راه‌اندازی است. OBها نقاط ورود تعریف شده‌ای هستند که از طریق آن‌ها سیستم عامل S7-300 کد کاربر را در پاسخ به رویدادها فراخوانی می‌کند.

FBها (بلوک‌های تابع) و FCها (توابع): ماژول‌های برنامه قابل استفاده مجدد که توسط کاربر ایجاد شده‌اند. FBها دارای بلوک‌های داده نمونه مرتبط هستند که متغیرهای ثابت FB را ذخیره می‌کنند؛ FCها توابع بدون حالت هستند.

هر دو را می‌توان از OBها یا از FB/FCهای دیگر فراخوانی کرد تا یک سلسله مراتب برنامه ساختاریافته ایجاد شود.

DBها (بلوک‌های داده): مناطق ذخیره‌سازی داده — بلوک‌های داده مشترک برای متغیرهای کل کارخانه، بلوک‌های داده نمونه برای FBها و ذخیره‌سازی داده‌های ماندگار.

در حافظه کاری 32 کیلوبایتی، تمام OBها + FBها + FCها + DBها باید در مجموع در 32 کیلوبایت جا شوند.

مهندسان باتجربه S7-300 با مدیریت بودجه حافظه آشنا هستند — منوی آنلاین STEP 7 استفاده واقعی از حافظه کاری را ارائه می‌دهد و اهداف اندازه برنامه باید در اوایل پروژه تعیین شوند تا از کشف محدودیت 32 کیلوبایتی در اواخر توسعه جلوگیری شود.

سوالات متداول

س1: CPU 312 رابط PROFIBUS DP ندارد. چگونه می‌تواند با دستگاه‌های میدانی PROFIBUS ارتباط برقرار کند اگر برنامه آن را نیاز داشته باشد؟

رویکرد استاندارد برای افزودن قابلیت استاد PROFIBUS DP به یک سیستم CPU 312، نصب یک ماژول پردازنده ارتباطی CP 342-5 (6GK7342-5DA02-0XE0) در قفسه S7-300 است.

CP 342-5 یک رابط کامل استاد PROFIBUS DP را ارائه می‌دهد و مستقل از پورت MPI CPU 312 عمل می‌کند. از دیدگاه برنامه CPU 312، CP 342-5 از طریق بک‌پلین S7-300 با CPU داده مبادله می‌کند و برنامه‌نویس از فراخوانی توابع (FC1 DP_SEND و FC2 DP_RECV از کتابخانه توابع CP 342-5) برای انتقال داده بین بلوک‌های داده CPU 312 و تصویر ورودی/خروجی PROFIBUS CP 342-5 استفاده می‌کند.

این رویکرد یکی از 8 اسلات ماژول ارزشمند CPU 312 را اشغال می‌کند و هزینه اضافی CP 342-5 (که از نظر قیمت لیست از خود CPU 312 بیشتر است) اغلب باعث می‌شود که ارتقاء به CPU 315-2 DP (که PROFIBUS DP داخلی دارد) مقرون به صرفه‌تر از افزودن CP به سیستم CPU 312 باشد. رویکرد CP 342-5 برای نصب‌های موجود CPU 312 که نیاز به افزودن قابلیت PROFIBUS دارند اما جایگزینی کامل CPU توجیه نمی‌شود، مناسب است.

س2: حداکثر تعداد نقاط ورودی/خروجی آنالوگ و دیجیتال که CPU 312 می‌تواند در یک ایستگاه واحد پردازش کند چقدر است و آیا این توسط حافظه کاری یا سخت‌افزار محدود می‌شود؟

محدودیت سخت‌افزاری محدودکننده‌تر از محدودیت حافظه برای CPU 312 است.

اندازه تصویر فرآیند — 128 بایت برای ورودی‌ها و 128 بایت برای خروجی‌ها — حداکثر ورودی/خروجی قابل آدرس‌دهی را تعیین می‌کند: 1024 ورودی دیجیتال (I 0.0 تا I 127.7) و 1024 خروجی دیجیتال (Q 0.0 تا Q 127.7)، یا ترکیبی معادل از آدرس‌دهی آنالوگ و دیجیتال در همان محدوده بایت.

محدودیت سخت‌افزاری تعداد اسلات ماژول است: 8 اسلات در قفسه مرکزی + 8 اسلات در تنها قفسه توسعه مجاز = 16 موقعیت ماژول در مجموع. با ماژول‌های دیجیتال 16 کاناله در 2 بایت هر کدام، 16 ماژول 32 بایت ورودی/خروجی دیجیتال را فراهم می‌کنند — که به خوبی در محدوده تصویر فرآیند قرار می‌گیرد.

با ماژول‌های آنالوگ 8 کاناله در 16 بایت هر کدام (8 کانال × 2 بایت برای هر کلمه آنالوگ)، 16 ماژول آنالوگ 256 بایت مصرف می‌کنند — که از محدوده تصویر فرآیند فراتر می‌رود. در عمل، یک نصب ترکیبی از ماژول‌های دیجیتال و آنالوگ در یک ایستگاه 16 اسلات بدون مشکل در محدوده تصویر فرآیند 128 بایتی قرار می‌گیرد.

حافظه کاری 32 کیلوبایتی پیچیدگی برنامه را محدود می‌کند اما به ندرت آدرس‌دهی ورودی/خروجی را برای مقیاس نصب‌هایی که CPU 312 هدف قرار می‌دهد، محدود می‌کند.

س3: چه اتفاقی برای داده‌های ماندگار بلوک داده هنگام قطع برق CPU 312 می‌افتد و نقش کارت حافظه میکرو در حفظ داده چیست؟

در معماری حافظه CPU 312، RAM کاری (32 کیلوبایت) حافظه اجرای فعال است — برنامه در حال اجرا و تمام مقادیر متغیر فعلی را نگه می‌دارد. RAM کاری فرار است: محتویات آن هنگام قطع برق از بین می‌رود.

کارت حافظه میکرو حافظه فلش غیر فرار است و فقط کپی حافظه بارگیری برنامه را نگه می‌دارد. به طور حیاتی، محتویات بلوک داده — حتی اگر در ویژگی‌های بلوک داده STEP 7 به عنوان ماندگار علامت‌گذاری شده باشند — در حین عملیات به طور خودکار در MMC ذخیره نمی‌شوند.

داده‌های ماندگار در CPU 312 از طریق وقفه‌های برق کوتاه توسط یک مدار با پشتیبانی خازنی در CPU (همان خازن داخلی که ساعت CPU را در طول قطع برق حفظ می‌کند) حفظ می‌شوند، اما این خازن فقط برای مدت زمان محدودی داده را نگه می‌دارد (معمولاً ساعت‌ها در دمای اتاق).

اگر CPU به اندازه‌ای طولانی خاموش شود که خازن تخلیه شود، داده‌های ماندگار از بین می‌روند. برای برنامه‌هایی که داده‌ها باید از قطعی برق طولانی مدت جان سالم به در ببرند — شمارنده‌های تولید، شماره‌های شناسه دسته‌ای، مجموع‌های انباشته — برنامه باید به طور دوره‌ای این مقادیر را در یک بلوک داده غیر ماندگار بنویسد و کل بلوک داده را با استفاده از SFC 84 (WRIT_DBL، نوشتن بلوک داده به حافظه بارگیری) در MMC کپی کند.

در هنگام راه‌اندازی، OB100 بلوک داده را از MMC با استفاده از SFC 82 (CREA_DBL یا مشابه) می‌خواند. این رویه صریح نوشتن/خواندن MMC ذخیره‌سازی واقعاً غیر فرار را با هزینه روتین‌های راه‌اندازی/خاموش شدن کمی طولانی‌تر فراهم می‌کند.

س4: آیا CPU 312 را می‌توان با TIA Portal برنامه‌ریزی کرد یا به STEP 7 V5.x نیاز است؟

عمدتاً STEP 7 V5.5 SP1 یا جدیدتر (STEP 7 کلاسیک، نه TIA Portal) محیط برنامه‌نویسی بومی برای CPU 312 است.

TIA Portal پشتیبانی بومی برای CPU S7-300 را در پیکربندی استاندارد محصول خود ندارد — پشتیبانی S7-300 TIA Portal شامل مدل‌های CPU خاصی است که زیمنس به صراحت در کتابخانه S7-300 TIA Portal گنجانده است، و CPU 312 قدیمی‌تر (به خصوص نسخه سخت‌افزاری 1AE14) ممکن است به طور کامل پشتیبانی نشود. 

برخی از مهندسان از TIA Portal با پشتیبانی دستگاه‌های قدیمی S7-300 از طریق فایل‌های HSP (بسته پشتیبانی سخت‌افزار) موجود در پشتیبانی آنلاین صنعتی زیمنس استفاده کرده‌اند، اما این رویکرد باید قبل از تعهد به آن برای یک پروژه تولیدی، با نسخه TIA Portal و نسخه سفت‌افزار CPU 312 تأیید شود.

برای پروژه‌های جدید که TIA Portal محیط مهندسی مورد نیاز است، زیمنس توصیه می‌کند یک CPU S7-300 از محدوده پشتیبانی شده صریح در TIA Portal (مانند CPU 315-2 PN/DP یا CPU 317-2 DP در نسخه‌های سفت‌افزار جدیدتر) انتخاب کنید یا به پلتفرم S7-1500 مهاجرت کنید که هدف اصلی TIA Portal است.

س5: مسیر مهاجرت توصیه شده از CPU 312 به یک پلتفرم فعلی زیمنس چیست و پیچیدگی مهاجرت چقدر است؟

توصیه رسمی زیمنس برای مهاجرت از S7-300 به پلتفرم SIMATIC S7-1500 است. برای پروفایل برنامه کاربردی معمول CPU 312 — ماشین‌های مستقل کوچک، کنترل فرآیند ساده، نصب‌های تک قفسه — CPU 1511-1 PN S7-1500 جایگزین عملکردی تقریبی است: حافظه کاری بسیار بیشتری (150 کیلوبایت)، PROFINET IO داخلی، پردازش سریع‌تر (48 نانوثانیه دودویی) و مهندسی TIA Portal را ارائه می‌دهد.

تلاش مهاجرت غیر ناچیز است: برنامه STEP 7 باید برای TIA Portal بازسازی و بازنویسی شود (هیچ تبدیل کد خودکار وجود ندارد — STEP 7 Classic و TIA Portal از پارادایم‌های برنامه‌نویسی و ساختارهای بلوک متفاوتی استفاده می‌کنند، اگرچه مجموعه دستورالعمل در سطح زبان عمدتاً سازگار است).

ورودی/خروجی سخت‌افزار باید دوباره طراحی شود (ماژول‌های S7-300 با S7-1500 سازگار نیستند) و هر HMI متصل به MPI باید جایگزین یا به‌روزرسانی شود تا اتصال PROFINET یا اترنت داشته باشد. 

برای سایت‌هایی که نمی‌توانند سرمایه‌گذاری مهندسی مهاجرت کامل را تحمل کنند، حفظ CPU 312 موجود در STEP 7 V5.x با قطعات یدکی یک استراتژی بلندمدت قابل دوام است — زیمنس به مدت 10 سال در دسترس بودن قطعات یدکی پس از توقف تولید (تقریباً تا سال 2033) متعهد است و پایگاه نصب شده سیستم‌های S7-300 به اندازه کافی بزرگ است تا بازار ثانویه سخت‌افزار و تخصص پشتیبانی را فراتر از آن زمان حفظ کند.