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PLC Controllore Logico Programmabile
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| Luogo di origine | Germania |
| Marca | SIMENS |
| Certificazione | CE RoHS |
| Numero di modello | 6ES7312-1AE14-0AB0 |
La Siemens 6ES7312-1AE14-0AB0 è la CPU 312 — la CPU standard entry-level (non compatta) della famiglia SIMATIC S7-300.
Nella sua larghezza minima di 40 mm e 270 g, è tra le CPU S7-300 fisicamente più compatte, pur offrendo l'intero set di istruzioni S7-300, l'interfaccia di comunicazione MPI standard e prestazioni di elaborazione sufficienti per la stragrande maggioranza delle attività di controllo di macchine e automazione di processi di piccole e medie dimensioni.
Per comprendere dove si colloca la CPU 312, è necessario comprendere la struttura della gamma di CPU S7-300.
La famiglia spazia da CPU compatte (come la CPU 312C, che dispone di I/O digitali integrati) a CPU standard (come questa CPU 312, senza I/O integrati ma con piena flessibilità modulare), a CPU più potenti (CPU 314, 315, 317) con memorie più grandi e interfacce PROFIBUS DP integrate.
La CPU 312 è il punto di partenza della gamma di CPU standard — la scelta quando l'attività richiede la modularità e la flessibilità ingegneristica dell'architettura CPU standard, ma non richiede la memoria più grande, la capacità multi-rack o le interfacce aggiuntive delle CPU di modelli superiori.
La memoria di lavoro da 32 KB è il principale vincolo della CPU 312 e definisce le applicazioni per cui è adatta.
Con 32 KB, la CPU 312 supporta programmi STEP 7 di piccole e medie dimensioni — quelli con fino a diverse centinaia di blocchi di programma, logica di controllo PLC standard, gestione dati di base e requisiti di comunicazione moderati.
Non è adatta per programmi che gestiscono grandi tabelle di ricette, ampi buffer di storico o complessi algoritmi matematici che generano un ampio codice oggetto. Per tali applicazioni, le CPU 314 (64 KB), CPU 315-2 DP (256 KB) o CPU 317-2 DP (1 MB) sono le scelte appropriate.
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Memoria di Lavoro | 32 KB |
| Interfaccia | 1 × MPI |
| Alimentazione Integrata | 24VDC |
| Elaborazione Bit | 0.1 µs |
| Numero Blocchi | 1.024 max |
| Contatori | 256 |
| Immagine di Processo | 128 byte I/O |
| Rack di Espansione | 1 max |
| Connessioni | 6 totali |
| Dimensioni (L×A×P) | 40×125×130mm |
| Peso | 270g |
| Stato | Ricambio dismesso |
La velocità di 0.1 µs per istruzione binaria della CPU 312 è la metrica fondamentale della velocità di esecuzione del processore. In pratica, un tipico programma S7-300 mescola istruzioni binarie (contatto/bobina), operazioni su word, aritmetica e overhead di comunicazione.
Un programma con 1.000 istruzioni binarie ha un tempo di esecuzione grezzo delle istruzioni di 0.1 ms — ma il tempo di ciclo totale è più lungo perché il sistema operativo S7-300 aggiunge un aggiornamento dell'immagine di processo (lettura di tutti gli ingressi, scrittura di tutte le uscite), elaborazione della comunicazione e overhead di autotest a ogni ciclo.
Per una CPU 312 che esegue un programma di dimensioni moderate in una stazione a rack singolo con moduli digitali e analogici S7-300 standard, i tempi di ciclo tipici rientrano nell'intervallo 5–15 ms a seconda delle dimensioni del programma, del numero di moduli attivi e del traffico di comunicazione sull'interfaccia MPI. Per le applicazioni di controllo macchine a cui si rivolge la CPU 312 — sequenziamento nastri trasportatori, interblocchi macchina, processi batch semplici — un tempo di ciclo di 5–15 ms è del tutto adeguato.
I loop di temperatura di processo, la regolazione della pressione e altre variabili di processo a dinamica lenta cambiano su una scala temporale da secondi a minuti, rendendo il tempo di scansione del PLC irrilevante per le prestazioni del loop (che sono dominate dal tempo di risposta del trasmettitore e dalla dinamica della valvola).
Solo i processi meccanici veloci (smistamento ad alta velocità, controllo presse, operazioni di pick-and-place rapide) richiedono tempi di ciclo PLC inferiori a 5 ms, e tali applicazioni sono servite da CPU ad alte prestazioni con memorie significativamente più grandi e capacità di elaborazione degli interrupt dedicate, non dalla CPU 312.
La CPU 312 richiede una Micro Memory Card (MMC) per l'archiviazione del programma — la scheda basata su flash che funge contemporaneamente da memoria di caricamento (archiviando il programma completo scaricato da STEP 7) e da meccanismo di archiviazione persistente che elimina la necessità di una batteria di backup. Ogni volta che la CPU 312 viene accesa, legge il programma dalla MMC nella RAM di lavoro e inizia l'esecuzione. Il programma sulla MMC è non volatile — persiste attraverso i cicli di alimentazione indefinitamente, con Siemens che specifica una ritenzione dei dati minima di 10 anni sulla MMC.
Questo funzionamento senza batteria è un vero vantaggio di manutenzione rispetto alle generazioni di CPU precedenti che richiedevano la sostituzione regolare della batteria per preservare il programma durante le interruzioni di corrente. Una batteria di backup scarica o guasta in una CPU S7-300 o S5 precedente comportava la perdita completa del programma alla successiva interruzione di corrente — un evento di servizio che poteva richiedere ore di ricaricamento del programma e riavvio del sistema in un ambiente di produzione.
L'architettura MMC elimina completamente questa modalità di guasto. La MMC è il backup — rimuovere la MMC da una CPU in funzione preserva il programma intatto sulla scheda, che può essere trasportato a un terminale di programmazione per il backup o a una CPU sostitutiva per il pre-caricamento.
La presa di servizio a 6 caratteri sulla parte anteriore della CPU 312 accetta MMC S7-300 standard (SIMATIC Micro Memory Cards, famiglia 6ES7953-8LXXX-0AA0) in capacità da 64 KB a 8 MB.
La CPU 312 fornisce una singola interfaccia MPI — nessun PROFIBUS DP, nessun PROFINET, nessun Ethernet integrato.
Questa limitazione dell'interfaccia è il criterio di selezione più importante: se l'applicazione richiede che la CPU agisca come master PROFIBUS DP (controllando stazioni I/O remote, azionamenti o strumenti su una rete PROFIBUS), la CPU 312 non è la scelta giusta. Sarebbe necessaria una CPU con un'interfaccia PROFIBUS DP integrata (CPU 315-2 DP, CPU 317-2 DP) o l'aggiunta di un processore di comunicazione CP 342-5.
Ciò che l'interfaccia MPI fornisce è:
Accesso al terminale di programmazione: Una workstation STEP 7 si collega alla CPU tramite un adattatore PC (6ES7972-0CB20-0XA0 o equivalente USB) tramite la porta MPI per il download del programma, il monitoraggio online e la diagnostica.
Connessione HMI: I pannelli operatore Siemens OP e TP si collegano tramite MPI per visualizzare i dati di processo e accettare gli input dell'operatore. Per MES a pannello singolo, la connessione MPI è conveniente e semplice.
Comunicazione PLC-PLC: Più CPU S7-300 possono condividere una rete MPI e scambiare dati tramite la comunicazione di base S7 (SFC 65/66 per dati globali) o la comunicazione S7 (SFB 8/9 BSEND/BRCV o SFB 12/13 BSEND/BRCV), consentendo un semplice coordinamento multi-controller senza PROFIBUS.
Dati globali: Possono essere definiti fino a 4 cicli di dati globali per lo scambio ciclico di dati tra controller S7 sulla stessa rete MPI — un semplice meccanismo per la condivisione di variabili di stato tra PLC senza programmazione di comunicazione esplicita.
Il limite di 6 connessioni della CPU 312 (totale di connessioni PG, OP e S7) limita il numero di partecipanti attivi contemporaneamente alla rete MPI.
In una stazione con un terminale di programmazione, un pannello HMI e un collegamento di comunicazione S7, il limite di connessione è già quasi raggiunto.
La CPU 312 supporta la struttura completa del programma basata su blocchi di STEP 7 entro il suo limite totale di 1.024 blocchi.
I tipi di blocchi sono:
OB (Blocchi Organizzativi): L'interfaccia tra il sistema operativo e il programma utente. OB1 è il programma ciclico principale. OB35 è un interrupt ciclico (100 ms predefinito). OB40 è un interrupt hardware dai moduli. OB82 è un interrupt diagnostico.
OB100 è l'OB di avvio. Gli OB sono i punti di ingresso definiti attraverso i quali il sistema operativo S7-300 chiama il codice utente in risposta agli eventi.
FB (Blocchi Funzione) e FC (Funzioni): Moduli di programma riutilizzabili creati dall'utente. Gli FB hanno blocchi dati di istanza associati che memorizzano le variabili statiche dell'FB; gli FC sono funzioni stateless.
Entrambi possono essere chiamati da OB o da altri FB/FC per creare una gerarchia di programma strutturata.
DB (Blocchi Dati): Aree di archiviazione dati — blocchi dati condivisi per variabili a livello di impianto, blocchi dati di istanza per FB e archiviazione dati ritentiva.
In una memoria di lavoro da 32 KB, tutti gli OB + FB + FC + DB combinati devono rientrare in 32 KB.
Gli ingegneri S7-300 esperti hanno familiarità con la gestione del budget di memoria — il menu Online di STEP 7 fornisce l'utilizzo della memoria di lavoro in tempo reale e gli obiettivi di dimensione del programma dovrebbero essere stabiliti all'inizio del progetto per evitare di scoprire il limite di 32 KB in fase avanzata di sviluppo.
D1: La CPU 312 non ha un'interfaccia PROFIBUS DP. Come può comunicare con i dispositivi di campo PROFIBUS se l'applicazione lo richiede?
L'approccio standard per aggiungere la capacità di master PROFIBUS DP a un sistema CPU 312 è installare un modulo processore di comunicazione CP 342-5 (6GK7342-5DA02-0XE0) nel rack S7-300.
Il CP 342-5 fornisce un'interfaccia master PROFIBUS DP completa e opera indipendentemente dalla porta MPI della CPU 312. Dal punto di vista del programma della CPU 312, il CP 342-5 scambia dati con la CPU tramite il backplane S7-300, e il programmatore utilizza chiamate di funzione (FC1 DP_SEND e FC2 DP_RECV dalla libreria di funzioni del CP 342-5) per trasferire dati tra i blocchi dati della CPU 312 e l'immagine I/O PROFIBUS del CP 342-5.
Questo approccio consuma uno dei preziosi 8 slot modulo della CPU 312, e il costo aggiuntivo del CP 342-5 (che supera la CPU 312 stessa nel prezzo di listino) spesso rende più economico l'aggiornamento a una CPU 315-2 DP (che ha PROFIBUS DP integrato) piuttosto che aggiungere il CP a un sistema CPU 312. L'approccio CP 342-5 è appropriato per installazioni esistenti di CPU 312 dove è necessaria l'aggiunta di capacità PROFIBUS ma la sostituzione completa della CPU non è giustificata.
D2: Qual è il numero massimo di punti I/O analogici e digitali che la CPU 312 può elaborare in una singola stazione, ed è limitato dalla memoria di lavoro o dall'hardware?
Il limite hardware è più restrittivo del limite di memoria per la CPU 312.
La dimensione dell'immagine di processo — 128 byte per gli ingressi e 128 byte per le uscite — determina il massimo I/O indirizzabile: 128 byte × 8 bit = 1.024 ingressi digitali (I 0.0 a I 127.7) e 1.024 uscite digitali (Q 0.0 a Q 127.7), o un mix equivalente di indirizzamento analogico e digitale all'interno dello stesso intervallo di byte.
Il limite hardware è il numero di slot modulo: 8 slot nel rack centrale + 8 slot nell'unico rack di espansione consentito = 16 posizioni modulo totali. Con moduli digitali a 16 canali da 2 byte ciascuno, 16 moduli forniscono 32 byte di I/O digitali — ben all'interno del limite dell'immagine di processo.
Con moduli analogici a 8 canali da 16 byte ciascuno (8 canali × 2 byte per word analogica), 16 moduli analogici consumerebbero 256 byte — superando il limite dell'immagine di processo. In pratica, un'installazione mista di moduli digitali e analogici in una stazione da 16 slot non ha difficoltà a rientrare nel limite dell'immagine di processo da 128 byte.
La memoria di lavoro da 32 KB limita la complessità del programma ma raramente l'indirizzamento I/O per la scala di installazioni a cui si rivolge la CPU 312.
D3: Cosa succede ai dati ritentivi dei blocchi dati quando la CPU 312 perde alimentazione, e qual è il ruolo della Micro Memory Card nella ritenzione dei dati?
Nell'architettura di memoria della CPU 312, la RAM di lavoro (32 KB) è la memoria di esecuzione attiva — contiene il programma in esecuzione e tutti i valori delle variabili correnti. La RAM di lavoro è volatile: perde il suo contenuto quando viene rimossa l'alimentazione.
La Micro Memory Card è memoria Flash non volatile e contiene solo la copia della memoria di caricamento del programma. Fondamentalmente, i contenuti dei blocchi dati — anche se contrassegnati come ritentivi nelle proprietà del blocco dati di STEP 7 — non vengono salvati automaticamente sulla MMC durante il funzionamento.
I dati ritentivi nella CPU 312 vengono preservati durante brevi interruzioni di alimentazione da un circuito con supporto di condensatore nella CPU (lo stesso condensatore interno che mantiene l'orologio della CPU durante la perdita di alimentazione), ma questo condensatore mantiene i dati solo per un tempo limitato (tipicamente ore a temperatura ambiente).
Se la CPU viene spenta abbastanza a lungo da far scaricare il condensatore, i dati ritentivi vengono persi. Per applicazioni in cui i dati devono sopravvivere a prolungate interruzioni di alimentazione — contatori di produzione, numeri di identificazione batch, totali accumulati — il programma dovrebbe scrivere periodicamente questi valori in un blocco dati non ritentivo e copiare l'intero blocco dati sulla MMC utilizzando SFC 84 (WRIT_DBL, Scrivi Blocco Dati in Memoria di Caricamento).
All'avvio, OB100 legge il blocco dati dalla MMC utilizzando SFC 82 (CREA_DBL o simile). Questa procedura esplicita di scrittura/lettura MMC fornisce una vera archiviazione non volatile al costo di routine di avvio/arresto leggermente più lunghe.
D4: La CPU 312 può essere programmata con TIA Portal, o è richiesto STEP 7 V5.x?
Principalmente STEP 7 V5.5 SP1 o successivo (STEP 7 classico, non TIA Portal) è l'ambiente di programmazione nativo per la CPU 312.
TIA Portal non include il supporto nativo per la CPU S7-300 312 nella sua configurazione standard del prodotto — il supporto S7-300 di TIA Portal copre CPU specifiche che Siemens ha esplicitamente incluso nella libreria S7-300 di TIA Portal, e la CPU 312 più vecchia (soprattutto la versione hardware 1AE14) potrebbe non essere completamente supportata.
Alcuni ingegneri hanno utilizzato TIA Portal con il supporto per dispositivi legacy S7-300 tramite file HSP (Hardware Support Package) disponibili da Siemens Industry Online Support, ma questo approccio dovrebbe essere verificato rispetto alla versione specifica di TIA Portal e alla versione firmware della CPU 312 prima di impegnarsi in esso per un progetto di produzione.
Per nuovi progetti in cui TIA Portal è l'ambiente di ingegneria richiesto, Siemens consiglia di selezionare una CPU S7-300 dalla gamma esplicitamente supportata in TIA Portal (come CPU 315-2 PN/DP o CPU 317-2 DP nelle versioni firmware più recenti) o di migrare alla piattaforma S7-1500, che è il target principale di TIA Portal.
D5: Qual è il percorso di migrazione consigliato dalla CPU 312 a una piattaforma Siemens attuale, e quanto è complessa la migrazione?
La raccomandazione ufficiale di Siemens per la migrazione da S7-300 è alla piattaforma SIMATIC S7-1500. Per il profilo applicativo tipico della CPU 312 — piccole macchine autonome, controllo di processo semplice, installazioni a rack singolo — la CPU S7-1500 1511-1 PN è il sostituto funzionale approssimativo: fornisce molta più memoria di lavoro (150 KB), PROFINET IO integrato, elaborazione più veloce (48 ns binaria) e ingegneria TIA Portal.
Lo sforzo di migrazione non è banale: il programma STEP 7 deve essere ristrutturato e riscritto per TIA Portal (non esiste una conversione automatica del codice — STEP 7 Classic e TIA Portal utilizzano paradigmi di programmazione e strutture di blocchi diversi, sebbene il set di istruzioni sia in gran parte compatibile a livello di linguaggio).
L'I/O hardware deve essere ridisegnato (i moduli S7-300 non sono compatibili con S7-1500), e qualsiasi HMI collegato via MPI deve essere sostituito o aggiornato a connettività PROFINET o Ethernet.
Per i siti che non possono permettersi l'investimento ingegneristico di una migrazione completa, mantenere la CPU 312 esistente su STEP 7 V5.x con pezzi di ricambio è una strategia a lungo termine valida — Siemens si impegna a 10 anni di disponibilità di pezzi di ricambio post-dismissione (fino a circa il 2033), e la base installata di sistemi S7-300 è abbastanza grande da sostenere un mercato secondario per hardware e competenze di supporto ben oltre tale periodo.
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