Simens PLC Programmeerbare Logische Controller CPU Centrale Eenheid 6ES7414-4HM14-0AB0

Siemens 6ES7414-4HM14-0AB0 | SIMATIC S7-400H CPU 414H — Redundante Centrale Verwerkingseenheid, 2,8 MB Geheugen, 4 Interfaces (1 MPI/DP + 1 DP + 2 Sync), 21 Uitbreidingsracks, S7-400H / S7-400F/FH

CPU 414H — Waar deze zich bevindt in de S7-400H hiërarchie

Het S7-400H platform biedt een reeks H-CPU's, die elk toenemen in geheugen, aantal interfaces en verwerkingscapaciteit om grotere en complexere installaties aan te kunnen. De CPU 414H neemt een belangrijke middenpositie in binnen deze familie.

De voorganger in het assortiment — de CPU 412H (6ES7412-3HJ14-0AB0) — biedt een totaal geheugen van 768 KB.

De CPU 414H verdrievoudigt dit tot 2,8 MB, gelijk verdeeld over data en programma, en voegt een tweede speciale PROFIBUS DP-interface toe die de 412H mist. Boven de 414H bevinden zich de CPU 417H-varianten, die schalen tot 20 MB totaal geheugen met extra interfaces voor de meest veeleisende continue procesautomatiseringsprogramma's.

Voor procesinstallaties waar het automatiseringsprogramma honderden PID-regelcircuits, uitgebreide PROFIBUS I/O-netwerken op meerdere segmenten en grote datastructuren voor proceshistorische buffering en receptbeheer moet verwerken, is de 2,8 MB van de 414H gecombineerd met twee onafhankelijke PROFIBUS DP-interfaces een zinvolle stap omhoog ten opzichte van de instapmodel H-CPU.

De tweede speciale DP-interface stelt de controller in staat om aparte PROFIBUS-netwerken te beheren — bijvoorbeeld één segment voor aandrijvingen en apparatuur met variabele snelheid, een ander voor instrumentatie en zenders — zonder de busbandbreedte te delen tussen verschillende apparaattypen.

Belangrijkste Specificaties

De Twee Sync Interfaces en Glasvezel Synchronisatie

De twee synchronisatiemodule-interfaces op de CPU 414H vormen de fysieke basis van het gehele H-systeem redundantie mechanisme.

Elke interface accepteert een insteekbare IF 960 synchronisatiesubmodule — een glasvezeltransceiver die via een glasvezelkabel verbinding maakt met de corresponderende submodule in het partner-CPU-rack.

Het glasvezelmedium is bewust gekozen: het biedt volledige galvanische isolatie tussen de twee CPU-racks, elimineert de problemen met common-mode spanning die elektrische synchronisatiekabels in industriële omgevingen kunnen beïnvloeden, en werkt betrouwbaar over de afstanden (tot ongeveer 10 m voor de standaard korte-afstand versies) die de twee racks in een H-systeeminstallatie typisch scheiden.

Twee onafhankelijke sync-verbindingen zijn verplicht in plaats van optioneel.

De redundantie van de S7-400H kan alleen worden gehandhaafd als het synchronisatiekanaal zelf redundant is — een enkele sync-verbinding die het synchronisatiemechanisme uitschakelt, zou een volledig redundant H-systeem degraderen tot een systeem met één CPU zonder failover-mogelijkheid.

Met twee onafhankelijke sync-paden via twee aparte glasvezelkabels genereert een storing in één sync-pad een onderhoudsalarm, maar tast dit het vermogen van het CPU-paar om te synchroniseren en in hot-standby gereedheid te blijven niet aan.

De systeemdiagnostiek van de S7-400H detecteert en rapporteert storingen in één sync-pad, waardoor onderhoudspersoneel tijd heeft om de gedegradeerde verbinding te herstellen voordat er een procesonderbreking optreedt.

21 Uitbreidingsracks — Het Argument voor Grote Systeemcapaciteit

De CPU 414H ondersteunt maximaal 21 uitbreidingsracks naast het centrale rack — een totaal van 22 fysieke racks in de grootst mogelijke configuratie.

Elk rack biedt plaats aan signaalmodules, functiemodules en communicatieprocessors, waarbij elk rack tot 8 extra module-slots bijdraagt aan het station. Met 8 modules per rack over 22 racks kan een volledig opgebouwd CPU 414H-station meer dan 176 moduleposities huisvesten.

In de praktijk worden continue procesinstallaties zelden gebouwd tot hun absolute maximum.

De 21-rack uitbreidingsmogelijkheid bestaat om te voldoen aan de schaalbaarheidsbehoeften van grote geïntegreerde proceseenheden — een raffinage destillatie-eenheid, een chemisch reactorencomplex, een grote waterzuiveringsinstallatie — waar één S7-400H-station honderden veldinstrumenten, meerdere aandrijvingen en tientallen discrete apparatuur kan aansturen.

De capaciteit van de 414H is gekalibreerd om deze werkelijk grote programma's te verwerken zonder dat het station in meerdere communicerende controllers hoeft te worden opgesplitst, wat de engineeringcomplexiteit en potentiële faalpunten aan de architectuur zou toevoegen.

S7-400F/FH — Redundantie Gecombineerd met Functionele Veiligheid

De CPU 414H is gecertificeerd voor gebruik in S7-400F/FH configuraties — systemen die de H-systeem hardware redundantie (hot-standby CPU-paren) combineren met IEC 61508-gecertificeerde functionele veiligheid. In S7-400F/FH bedrijf voert de CPU zowel een standaard gebruikersprogramma als een veiligheidsprogramma uit.

Het veiligheidsprogramma implementeert de Safety Instrumented Functions (SIF's) zoals gedefinieerd in de veiligheidseisen specificatie van de installatie, en draait op veiligheidsklasse F-CPU's met het PROFIsafe communicatieprotocol dat gecertificeerde veiligheid uitbreidt over het PROFIBUS DP-netwerk naar F-periferieapparatuur.

De F/FH-configuratie is de complete veiligheids- en beschikbaarheidsoplossing voor procesinstallaties in gevaarlijke gebieden: de H-redundantie voorkomt ongeplande stilstand als gevolg van storingen in de controllerhardware, terwijl de F-certificering ervoor zorgt dat de veiligheidsinstrumentenfuncties het vereiste Safety Integrity Level (SIL 1, 2 of 3, afhankelijk van de toepassing) bereiken zoals gedefinieerd door de procesrisicoanalyse.

In installaties zoals upstream olie- en gasproductieplatforms, raffinaderijen en chemische fabrieken is de combinatie van continue beschikbaarheid en gecertificeerde veiligheid in dezelfde controller geen luxe, maar een wettelijke en operationele vereiste.

Strategie voor Reserveonderdelen voor Niet Meer Geproduceerde H-CPU's

De CPU 414H is per 01-02-2017 door Siemens stopgezet, wat betekent dat deze niet meer wordt geproduceerd of gedistribueerd via de standaard verkoopkanalen van Siemens. Echter, niet meer geproduceerd betekent niet onbeschikbaar.

Siemens committeert zich doorgaans aan de beschikbaarheid van reserveonderdelen voor tien jaar na stopzetting voor kritieke industriële producten — een beleid dat veel momenteel operationele S7-400H installaties dekt. Buiten het Siemens reserveonderdelenvenster, beschikt de markt voor industriële overschotten en revisie over aanzienlijke voorraden van geteste en gegarandeerde CPU 414H eenheden.

Voor locaties die S7-400H systemen met CPU 414H eenheden exploiteren, is de minimaal aanbevolen reservevoorraad één complete set H-CPU modules — twee eenheden van de 6ES7414-4HM14-0AB0, aangezien beide racks identieke CPU's vereisen. Een niet-overeenkomend CPU-paar (verschillende firmwareversies, of één origineel en één gereviseerd met licht verschillende productiedata) kan nog steeds functioneren, maar kan firmwareharmonisatie vereisen.

Het aanhouden van bijpassende reserveparen vereenvoudigt noodreparaties en elimineert de noodzaak om firmwarecompatibiliteit onder tijdsdruk te beheren tijdens een ongeplande uitval.

Veelgestelde Vragen

V1: De CPU 414H heeft twee PROFIBUS DP-interfaces — de MPI/DP gecombineerde interface en de speciale DP-interface. Zijn beide tegelijkertijd beschikbaar en kunnen ze worden aangesloten op verschillende PROFIBUS DP-netwerken?

Ja, beide PROFIBUS DP-interfaces kunnen gelijktijdig werken en kunnen worden aangesloten op aparte, onafhankelijke PROFIBUS DP-netwerken. In de STEP 7 hardwareconfiguratie wordt elke interface toegewezen aan een eigen PROFIBUS-netwerk met eigen busparameters (busadres, transmissiesnelheid, timingparameters).

De CPU 414H werkt als DP-master op beide netwerken onafhankelijk — slaven op netwerk 1 en netwerk 2 worden afwisselend gescand binnen elke PLC-scan cyclus.

Deze dual-master mogelijkheid is bijzonder waardevol in grote procesinstallaties waar het scheiden van instrumentatie (zenders, analysers) van aandrijfapparatuur (frequentieregelaars, softstarters) op onafhankelijke bussegmenten de kruislingse netwerkinterferentie vermindert en het oplossen van problemen vereenvoudigt door foutdomeinen te isoleren.

De MPI/DP-interface kan ook worden geconfigureerd in MPI-modus in plaats van DP-modus wanneer een PROFIBUS DP-masterfunctie niet nodig is op die fysieke interface — bijvoorbeeld om deze uitsluitend te gebruiken voor programmering van terminaltoegang en HMI-verbindingen.

V2: Wat is de schakeltijd (failover-tijd) wanneer de actieve CPU van de CPU 414H uitvalt en de standby-CPU het overneemt?

De failover-tijd in een correct geconfigureerd S7-400H systeem met CPU 414H ligt binnen de PLC-scan cyclus — typisch in het bereik van enkele milliseconden tot enkele tientallen milliseconden, afhankelijk van de systeemconfiguratie, communicatiebelasting en het aantal PROFIBUS DP-slaven. Tijdens normale hot-standby synchronisatie voeren beide CPU's hetzelfde programma uit met dezelfde data in elke scan cyclus.

Het synchronisatiemechanisme zorgt ervoor dat de geheugentoestand van de standby-CPU — uitgangen, datablokken, timers, tellers — op elke scan-grens overeenkomt met de master-CPU.

Wanneer de master uitvalt, verklaart de standby-CPU zichzelf actief en begint onmiddellijk met het aansturen van uitgangen, zonder een herstartsequentie uit te voeren of ingangen opnieuw te lezen vanuit een koude staat.

Vanuit het perspectief van de veldapparatuur behouden de uitgangen hun laatste geldige toestand zonder merkbare onderbreking; vanuit het perspectief van de PROFIBUS DP-slaven blijft de master ze pollen zonder een cyclus te missen.

V3: Kan de CPU 414H in een enkele CPU niet-redundante modus werken als de tweede CPU voor onderhoud wordt verwijderd, en wat zijn de implicaties?

De CPU 414H kan in enkele CPU-modus werken — wanneer slechts één eenheid in zijn rack is geïnstalleerd, of wanneer de synchronisatieverbinding tussen de twee CPU's afwezig is, blijft het S7-400H systeem draaien op de beschikbare CPU. Deze modus wordt enkele operatie of gedegradeerde modus genoemd.

Het systeem genereert een diagnostisch alarm dat aangeeft dat volledige redundantie niet beschikbaar is, en de STEP 7/WinCC operatorinterface toont een overeenkomstige statusmelding.

In deze gedegradeerde staat blijft de functionerende CPU alle procesbesturing, PROFIBUS DP-communicatie en HMI-dataprovisie normaal uitvoeren — maar elke hardwarestoring die die ene CPU treft, zou leiden tot een processtop, aangezien er geen partner-CPU is om het over te nemen.

Voor gepland onderhoud — het vervangen van een defecte sync-submodule, het uitvoeren van preventief onderhoud aan een CPU-rack — is werken in gedegradeerde modus voor een korte, beheerde periode acceptabel en ontworpen. Langdurige werking in gedegradeerde modus verhoogt het risicoprofiel van de installatie aanzienlijk.

V4: Wat is de betekenis van de geheugensplitsing — 1,4 MB data en 1,4 MB programma — voor programma-ontwikkeling, en kunnen gebruikers datablokken programmageheugen verbruiken of vice versa?

In de SIMATIC S7-400H is het werkgeheugen (RAM dat de CPU gebruikt voor actieve programma-uitvoering) bij de fabricage verdeeld in een vaste code (programma) partitie en een vaste data partitie, en deze partities zijn niet uitwisselbaar. Programmacode — OB's, FC's, FB's, de gecompileerde instructiesequenties — verbruikt codememory; datablokken (DB's), inclusief instantie DB's, gedeelde DB's en receptopslag — verbruiken datamemory.

Een programma met veel complexe besturingsalgoritmen maar relatief kleine datasets past comfortabel binnen de 1,4 MB codelimiet, terwijl slechts een fractie van de 1,4 MB data-allocatie wordt gebruikt.

Omgekeerd kan een programma met relatief eenvoudige besturingslogica maar grote recepttabellen, historische buffers of uitgebreide alarmdatastructuren het 1,4 MB datageheugen vullen, terwijl het codememory grotendeels leeg blijft. Programma-ontwikkelaars die met de CPU 414H werken, moeten beide geheugengebieden tijdens de ontwikkeling onafhankelijk monitoren.

Laadgeheugen (Flash/EPROM of geheugenkaart) bevat de opgeslagen kopie van het programma; werkgeheugen bevat de actief uitgevoerde kopie; alleen de partitie van het werkgeheugen is van belang voor de timing van de uitvoering.

V5: Is STEP 7 V5.x de enige programmeeromgeving voor de CPU 414H, of kan TIA Portal worden gebruikt?

De CPU 414H, als onderdeel van het klassieke SIMATIC S7-400H platform, wordt geprogrammeerd met STEP 7 Professional V5.x — de traditionele STEP 7 Classic omgeving.

TIA Portal ondersteunt de S7-400H CPU-familie niet voor programmering; de S7-400 ondersteuning van TIA Portal omvat standaard S7-400 CPU's (niet-H), en het high-availability platform van de huidige generatie dat in TIA Portal wordt ondersteund, is de S7-1500H. Het engineeren van een CPU 414H in TIA Portal is niet mogelijk.

Als een locatie gestandaardiseerd is op TIA Portal voor alle andere PLC-programmering, moet het S7-400H programma nog steeds worden onderhouden en uitgebreid met STEP 7 V5.5 of STEP 7 Professional. Siemens heeft zich gecommitteerd aan de ondersteuning van STEP 7 V5.x voor de bestaande geïnstalleerde basis van S7-300 en S7-400 systemen; updates en beveiligingspatches blijven beschikbaar, zelfs nu de primaire ontwikkelingsfocus is verschoven naar TIA Portal.