Siemens S7 300 mới 6ES7312-1AE14-0AB0 6ES73121AE140AB0 6ES7312-1AE14-OABO

Siemens 6ES7312-1AE14-0AB0 | SIMATIC S7-300 CPU 312 — Bộ xử lý trung tâm, Giao diện MPI, Bộ nhớ làm việc 32KB, Nguồn tích hợp 24VDC, Xử lý bit 0.1µs, 40×125×130mm

Tổng quan

Siemens 6ES7312-1AE14-0AB0 là CPU 312 — CPU tiêu chuẩn (không tích hợp) cấp nhập của dòng SIMATIC S7-300.

Với chiều rộng tối thiểu 40mm và trọng lượng 270g, đây là một trong những CPU S7-300 nhỏ gọn nhất về mặt vật lý, đồng thời cung cấp bộ lệnh S7-300 đầy đủ, giao diện truyền thông MPI tiêu chuẩn và hiệu suất xử lý đủ cho phần lớn các tác vụ điều khiển máy và tự động hóa quy trình từ nhỏ đến trung bình.

Để hiểu rõ vị trí của CPU 312, cần hiểu cấu trúc của dòng CPU S7-300.

Dòng sản phẩm này bao gồm các CPU tích hợp (như CPU 312C, có I/O kỹ thuật số tích hợp) đến các CPU tiêu chuẩn (như CPU 312 này, không có I/O tích hợp nhưng có tính linh hoạt mô-đun đầy đủ), đến các CPU mạnh mẽ hơn (CPU 314, 315, 317) với bộ nhớ lớn hơn và giao diện PROFIBUS DP tích hợp. 

CPU 312 là điểm khởi đầu của dòng CPU tiêu chuẩn — lựa chọn khi nhiệm vụ yêu cầu tính mô-đun và tính linh hoạt kỹ thuật của kiến trúc CPU tiêu chuẩn nhưng không yêu cầu bộ nhớ lớn hơn, khả năng nhiều rack hoặc giao diện bổ sung của các CPU mẫu cao hơn.

Bộ nhớ làm việc 32KB là hạn chế chính của CPU 312 và nó xác định các ứng dụng phù hợp.

Với 32KB, CPU 312 có thể chứa các chương trình STEP 7 từ nhỏ đến trung bình — những chương trình có tới vài trăm khối chương trình, logic điều khiển PLC tiêu chuẩn, xử lý dữ liệu cơ bản và yêu cầu giao tiếp vừa phải.

Nó không phù hợp với các chương trình quản lý bảng công thức lớn, bộ đệm lịch sử phong phú hoặc các thuật toán toán học phức tạp tạo ra mã đối tượng lớn. Đối với các ứng dụng đó, CPU 314 (64KB), CPU 315-2 DP (256KB) hoặc CPU 317-2 DP (1MB) là những lựa chọn phù hợp.

Thông số kỹ thuật chính

Xử lý nhị phân 0.1 µs — Ý nghĩa đối với thời gian chu kỳ

Tốc độ 0.1 µs trên mỗi lệnh nhị phân của CPU 312 là thước đo tốc độ thực thi cơ bản của bộ xử lý. Trên thực tế, một chương trình S7-300 điển hình kết hợp các lệnh nhị phân (tiếp điểm/cuộn dây), thao tác từ, số học và chi phí giao tiếp.

Một chương trình có 1.000 lệnh nhị phân có thời gian thực thi lệnh thô là 0.1ms — nhưng tổng thời gian chu kỳ sẽ dài hơn vì hệ điều hành S7-300 bổ sung việc cập nhật vùng ảnh xử lý (đọc tất cả đầu vào, ghi tất cả đầu ra), xử lý giao tiếp và chi phí tự kiểm tra cho mỗi chu kỳ.

Đối với CPU 312 chạy chương trình có kích thước vừa phải trong một trạm một rack với các mô-đun kỹ thuật số và tương tự S7-300 tiêu chuẩn, thời gian chu kỳ điển hình nằm trong khoảng 5–15ms tùy thuộc vào kích thước chương trình, số lượng mô-đun hoạt động và lưu lượng giao tiếp trên giao diện MPI. Đối với các ứng dụng điều khiển máy mà CPU 312 nhắm đến — tuần tự băng tải, khóa liên động máy, quy trình sản xuất đơn giản — thời gian chu kỳ 5–15ms là hoàn toàn đủ.

Các vòng lặp nhiệt độ quy trình, điều chỉnh áp suất và các biến quy trình động chậm khác thay đổi theo thang thời gian từ giây đến phút, khiến thời gian quét chu kỳ PLC không liên quan đến hiệu suất vòng lặp (được chi phối bởi thời gian phản hồi của bộ truyền động và động lực học của van).

Chỉ các quy trình cơ khí nhanh (sắp xếp tốc độ cao, điều khiển máy ép, thao tác nhặt và đặt nhanh) mới yêu cầu thời gian chu kỳ PLC dưới 5ms, và các ứng dụng đó được phục vụ bởi các CPU hiệu suất cao với bộ nhớ lớn hơn đáng kể và khả năng xử lý ngắt chuyên dụng, chứ không phải CPU 312.

Thẻ nhớ Micro — Lưu trữ chương trình không cần pin

CPU 312 yêu cầu Thẻ nhớ Micro (MMC) để lưu trữ chương trình — thẻ dựa trên flash hoạt động đồng thời như bộ nhớ tải (lưu trữ toàn bộ chương trình được tải xuống từ STEP 7) và như cơ chế lưu trữ bền vững loại bỏ nhu cầu về pin dự phòng. Mỗi khi CPU 312 bật nguồn, nó sẽ đọc chương trình từ MMC vào RAM làm việc và bắt đầu thực thi. Chương trình trên MMC là bộ nhớ không bay hơi — nó tồn tại qua các chu kỳ nguồn vô thời hạn, với Siemens quy định thời gian lưu giữ dữ liệu tối thiểu 10 năm trên MMC.

Hoạt động không cần pin này là một lợi thế bảo trì thực sự so với các thế hệ CPU cũ hơn yêu cầu thay pin định kỳ để bảo quản chương trình qua các lần mất điện. Pin dự phòng bị hết hoặc hỏng trong CPU S7-300 hoặc S5 cũ hơn sẽ dẫn đến mất toàn bộ chương trình khi bị gián đoạn nguồn tiếp theo — một sự kiện dịch vụ có thể yêu cầu nhiều giờ nạp lại chương trình và khởi động lại hệ thống trong môi trường sản xuất.

Kiến trúc MMC loại bỏ hoàn toàn chế độ lỗi này. MMC là bản sao lưu — tháo MMC khỏi CPU đang chạy sẽ bảo toàn chương trình còn nguyên vẹn trên thẻ, có thể mang đến thiết bị lập trình để sao lưu hoặc đến CPU thay thế để tải trước.

Ổ cắm dịch vụ 6 ký tự ở mặt trước của CPU 312 chấp nhận các MMC S7-300 tiêu chuẩn (SIMATIC Micro Memory Cards, dòng 6ES7953-8LXXX-0AA0) với dung lượng từ 64KB đến 8MB.

Giao diện MPI — Khả năng và hạn chế

CPU 312 cung cấp một giao diện MPI duy nhất — không có PROFIBUS DP, không có PROFINET, không có Ethernet tích hợp.

Hạn chế giao diện này là tiêu chí lựa chọn quan trọng nhất: nếu ứng dụng yêu cầu CPU hoạt động như một master PROFIBUS DP (điều khiển các trạm I/O từ xa, ổ đĩa hoặc thiết bị đo trên mạng PROFIBUS), thì CPU 312 không phải là lựa chọn phù hợp. Cần có CPU có giao diện PROFIBUS DP tích hợp (CPU 315-2 DP, CPU 317-2 DP) hoặc bổ sung bộ xử lý truyền thông CP 342-5.

Giao diện MPI cung cấp:

Truy cập thiết bị lập trình: Một máy trạm STEP 7 kết nối với CPU thông qua bộ chuyển đổi PC (6ES7972-0CB20-0XA0 hoặc tương đương USB) qua cổng MPI để tải xuống chương trình, giám sát trực tuyến và chẩn đoán.

Kết nối HMI: Các bảng điều khiển OP và TP của Siemens kết nối qua MPI để hiển thị dữ liệu quy trình và nhận đầu vào của người vận hành. Đối với MES bảng điều khiển đơn, kết nối MPI có chi phí hợp lý và đơn giản.

Truyền thông PLC-PLC: Nhiều CPU S7-300 có thể chia sẻ mạng MPI và trao đổi dữ liệu thông qua truyền thông cơ bản S7 (SFC 65/66 cho dữ liệu toàn cục) hoặc truyền thông S7 (SFB 8/9 BSEND/BRCV hoặc SFB 12/13 BSEND/BRCV), cho phép phối hợp nhiều bộ điều khiển đơn giản mà không cần PROFIBUS.

Dữ liệu toàn cục: Có thể định nghĩa tối đa 4 vòng dữ liệu toàn cục để trao đổi dữ liệu theo chu kỳ giữa các bộ điều khiển S7 trên cùng một mạng MPI — một cơ chế đơn giản để chia sẻ biến trạng thái giữa các PLC mà không cần lập trình giao tiếp rõ ràng.

Giới hạn 6 kết nối của CPU 312 (tổng số kết nối PG, OP và S7) hạn chế số lượng người tham gia mạng MPI hoạt động đồng thời.

Trong một trạm có một thiết bị lập trình, một bảng điều khiển HMI và một liên kết truyền thông S7, giới hạn kết nối đã gần đạt.

Cấu trúc chương trình và các loại khối

CPU 312 hỗ trợ cấu trúc chương trình dựa trên khối đầy đủ của STEP 7 trong giới hạn tổng cộng 1.024 khối.

Các loại khối là:

OB (Khối tổ chức): Giao diện giữa hệ điều hành và chương trình người dùng. OB1 là chương trình chu kỳ chính. OB35 là ngắt chu kỳ (mặc định 100ms). OB40 là ngắt phần cứng từ các mô-đun. OB82 là ngắt chẩn đoán.

OB100 là OB khởi động. OB là các điểm vào được xác định mà qua đó hệ điều hành S7-300 gọi mã người dùng để phản hồi các sự kiện.

FB (Khối chức năng) và FC (Chức năng): Các mô-đun chương trình có thể tái sử dụng do người dùng tạo. FB có các khối dữ liệu phiên bản liên quan lưu trữ các biến tĩnh của FB; FC là các chức năng không trạng thái.

Cả hai đều có thể được gọi từ OB hoặc từ FB/FC khác để tạo ra hệ thống phân cấp chương trình có cấu trúc.

DB (Khối dữ liệu): Vùng lưu trữ dữ liệu — khối dữ liệu chia sẻ cho các biến toàn nhà máy, khối dữ liệu phiên bản cho FB và lưu trữ dữ liệu giữ lại.

Trong bộ nhớ làm việc 32KB, tất cả OB + FB + FC + DB kết hợp phải nằm trong 32KB.

Các kỹ sư S7-300 có kinh nghiệm quen thuộc với việc quản lý ngân sách bộ nhớ — menu Trực tuyến STEP 7 cung cấp mức sử dụng bộ nhớ làm việc theo thời gian thực và nên đặt mục tiêu kích thước chương trình sớm trong dự án để tránh phát hiện giới hạn 32KB muộn trong quá trình phát triển.

Câu hỏi thường gặp

Q1: CPU 312 không có giao diện PROFIBUS DP. Làm thế nào nó có thể giao tiếp với các thiết bị trường PROFIBUS nếu ứng dụng yêu cầu?

Cách tiếp cận tiêu chuẩn để thêm khả năng master PROFIBUS DP vào hệ thống CPU 312 là cài đặt mô-đun bộ xử lý truyền thông CP 342-5 (6GK7342-5DA02-0XE0) vào rack S7-300.

CP 342-5 cung cấp giao diện master PROFIBUS DP đầy đủ và hoạt động độc lập với cổng MPI của CPU 312. Từ góc độ chương trình của CPU 312, CP 342-5 trao đổi dữ liệu với CPU thông qua bus nền S7-300, và lập trình viên sử dụng các lệnh gọi hàm (FC1 DP_SEND và FC2 DP_RECV từ thư viện hàm CP 342-5) để truyền dữ liệu giữa các khối dữ liệu của CPU 312 và vùng ảnh I/O PROFIBUS của CP 342-5.

Cách tiếp cận này tiêu tốn một trong 8 khe cắm mô-đun quý giá của CPU 312, và chi phí bổ sung của CP 342-5 (có giá niêm yết cao hơn cả CPU 312) thường làm cho việc nâng cấp lên CPU 315-2 DP (có PROFIBUS DP tích hợp) kinh tế hơn là thêm CP vào hệ thống CPU 312. Cách tiếp cận CP 342-5 phù hợp cho các cài đặt CPU 312 hiện có cần thêm khả năng PROFIBUS nhưng không cần thay thế CPU hoàn toàn.

Q2: Số lượng điểm I/O tương tự và kỹ thuật số tối đa mà CPU 312 có thể xử lý trong một trạm duy nhất là bao nhiêu, và điều này bị giới hạn bởi bộ nhớ làm việc hay phần cứng?

Giới hạn phần cứng chặt chẽ hơn giới hạn bộ nhớ đối với CPU 312.

Kích thước vùng ảnh xử lý — 128 byte cho đầu vào và 128 byte cho đầu ra — xác định I/O địa chỉ hóa tối đa: 1.024 đầu vào kỹ thuật số (I 0.0 đến I 127.7) và 1.024 đầu ra kỹ thuật số (Q 0.0 đến Q 127.7), hoặc sự kết hợp tương đương của địa chỉ hóa tương tự và kỹ thuật số trong cùng một phạm vi byte.

Giới hạn phần cứng là số lượng khe cắm mô-đun: 8 khe trong rack trung tâm + 8 khe trong rack mở rộng được phép duy nhất = 16 vị trí mô-đun tổng cộng. Với các mô-đun kỹ thuật số 16 kênh, mỗi mô-đun 2 byte, 16 mô-đun cung cấp 32 byte I/O kỹ thuật số — nằm trong giới hạn vùng ảnh xử lý.

Với các mô-đun tương tự 8 kênh, mỗi mô-đun 16 byte (8 kênh × 2 byte mỗi từ tương tự), 16 mô-đun tương tự sẽ tiêu tốn 256 byte — vượt quá giới hạn vùng ảnh xử lý. Trên thực tế, một cài đặt hỗn hợp các mô-đun kỹ thuật số và tương tự trong một trạm 16 khe cắm không gặp khó khăn gì khi nằm trong giới hạn vùng ảnh xử lý 128 byte.

Bộ nhớ làm việc 32KB hạn chế độ phức tạp của chương trình nhưng hiếm khi hạn chế địa chỉ hóa I/O cho quy mô cài đặt mà CPU 312 nhắm đến.

Q3: Điều gì xảy ra với dữ liệu giữ lại của khối dữ liệu khi CPU 312 mất điện, và vai trò của Thẻ nhớ Micro trong việc giữ lại dữ liệu là gì?

Trong kiến trúc bộ nhớ của CPU 312, RAM làm việc (32KB) là bộ nhớ thực thi hoạt động — nó chứa chương trình đang chạy và tất cả các giá trị biến hiện tại. RAM làm việc là bộ nhớ bay hơi: nó mất nội dung khi ngắt nguồn.

Thẻ nhớ Micro là bộ nhớ Flash không bay hơi và chỉ chứa bản sao bộ nhớ tải của chương trình. Quan trọng là, nội dung khối dữ liệu — ngay cả khi được đánh dấu là giữ lại trong thuộc tính khối dữ liệu của STEP 7 — không được tự động lưu vào MMC trong quá trình hoạt động.

Dữ liệu giữ lại trong CPU 312 được bảo toàn qua các lần mất điện ngắn bằng mạch hỗ trợ tụ điện trong CPU (tụ điện bên trong giống như tụ điện duy trì đồng hồ CPU khi mất điện), nhưng tụ điện này chỉ giữ dữ liệu trong một thời gian giới hạn (thường là vài giờ ở nhiệt độ phòng).

Nếu CPU bị ngắt điện đủ lâu để tụ điện phóng hết, dữ liệu giữ lại sẽ bị mất. Đối với các ứng dụng mà dữ liệu phải tồn tại qua các lần mất điện kéo dài — bộ đếm sản xuất, số ID lô, tổng tích lũy — chương trình nên định kỳ ghi các giá trị này vào một khối dữ liệu không giữ lại và sao chép toàn bộ khối dữ liệu vào MMC bằng SFC 84 (WRIT_DBL, Ghi Khối Dữ liệu vào Bộ nhớ Tải).

Khi khởi động, OB100 đọc khối dữ liệu từ MMC bằng SFC 82 (CREA_DBL hoặc tương tự). Quy trình ghi/đọc MMC rõ ràng này cung cấp bộ nhớ không bay hơi thực sự với chi phí là các quy trình khởi động/tắt máy hơi lâu hơn.

Q4: CPU 312 có thể được lập trình bằng TIA Portal không, hay cần STEP 7 V5.x?

Chủ yếu là STEP 7 V5.5 SP1 trở lên (STEP 7 cổ điển, không phải TIA Portal) là môi trường lập trình gốc cho CPU 312.

TIA Portal không bao gồm hỗ trợ gốc cho CPU S7-300 312 trong cấu hình sản phẩm tiêu chuẩn của nó — hỗ trợ S7-300 của TIA Portal bao gồm các mẫu CPU cụ thể mà Siemens đã đưa vào thư viện S7-300 của TIA Portal, và CPU 312 cũ hơn (đặc biệt là phiên bản phần cứng 1AE14) có thể không được hỗ trợ đầy đủ. 

Một số kỹ sư đã sử dụng TIA Portal với hỗ trợ thiết bị cũ S7-300 thông qua các tệp HSP (Gói hỗ trợ phần cứng) có sẵn từ Siemens Industry Online Support, nhưng cách tiếp cận này nên được xác minh với phiên bản TIA Portal cụ thể và phiên bản firmware CPU 312 trước khi cam kết sử dụng cho dự án sản xuất.

Đối với các dự án mới mà TIA Portal là môi trường kỹ thuật yêu cầu, Siemens khuyến nghị chọn CPU S7-300 từ dòng được hỗ trợ rõ ràng trong TIA Portal (như CPU 315-2 PN/DP hoặc CPU 317-2 DP trong các phiên bản firmware mới hơn) hoặc di chuyển sang nền tảng S7-1500, là mục tiêu chính của TIA Portal.

Q5: Lộ trình di chuyển được khuyến nghị từ CPU 312 sang nền tảng Siemens hiện tại là gì, và độ phức tạp của việc di chuyển?

Khuyến nghị chính thức của Siemens để di chuyển từ S7-300 là sang nền tảng SIMATIC S7-1500. Đối với hồ sơ ứng dụng điển hình của CPU 312 — máy độc lập nhỏ, điều khiển quy trình đơn giản, cài đặt một rack — CPU 1511-1 PN của S7-1500 là sự thay thế chức năng tương đương: nó cung cấp bộ nhớ làm việc lớn hơn đáng kể (150KB), PROFINET IO tích hợp, xử lý nhanh hơn (48ns nhị phân) và kỹ thuật TIA Portal.

Nỗ lực di chuyển không hề nhỏ: chương trình STEP 7 phải được cấu trúc lại và viết lại cho TIA Portal (không có chuyển đổi mã tự động — STEP 7 Classic và TIA Portal sử dụng các mô hình lập trình và cấu trúc khối khác nhau, mặc dù bộ lệnh phần lớn tương thích ở cấp độ ngôn ngữ).

Phần cứng I/O phải được thiết kế lại (mô-đun S7-300 không tương thích với S7-1500), và bất kỳ HMI nào được kết nối qua MPI phải được thay thế hoặc cập nhật lên kết nối PROFINET hoặc Ethernet. 

Đối với các địa điểm không đủ khả năng đầu tư kỹ thuật cho việc di chuyển hoàn toàn, việc duy trì CPU 312 hiện có trên STEP 7 V5.x với phụ tùng thay thế là một chiến lược khả thi lâu dài — Siemens cam kết cung cấp phụ tùng thay thế trong 10 năm sau khi ngừng sản xuất (khoảng đến năm 2033), và cơ sở cài đặt của các hệ thống S7-300 đủ lớn để duy trì thị trường thứ cấp cho phần cứng và chuyên môn hỗ trợ vượt xa khung thời gian đó.