Центральный блок процессора 6ES7412-3HJ14-0AB0 6ES7 412-3HJ14-0AB0

Siemens 6ES7412-3HJ14-0AB0 | SIMATIC S7-400H CPU 412-3H — Высоконадежный резервированный ЦПУ, память 768 КБ, 1 интерфейс MPI/DP + 2 синхронизирующих интерфейса, S7-400H и S7-400F/FH

Обзор

Siemens 6ES7412-3HJ14-0AB0 представляет собой ЦПУ 412-3H — центральный процессор системы высоконадежных контроллеров SIMATIC S7-400H. Один блок 6ES7412-3HJ14-0AB0 не может работать самостоятельно в своей предполагаемой роли.

Он требует второй идентичный ЦПУ, и два ЦПУ работают в резервированной паре: оба ЦПУ одновременно выполняют одну и ту же программу, оба обрабатывают одни и те же входные данные, и их выходные данные сравниваются синхронно.

Если один ЦПУ выходит из строя, другой беспрепятственно берет на себя управление, продолжая процесс без малейших нарушений, видимых управляемому процессу.

Эта аппаратная избыточность является отличительной чертой S7-400H и причиной его существования как отдельной платформы от стандартного S7-400. В большинстве случаев автоматизации производства сбой ПЛК приводит к остановке машины — неудобно и дорого, но устранимо.

На установках непрерывных процессов — нефтеперерабатывающих заводах, химических реакторах, электростанциях, водоочистных сооружениях — отказ контроллера может привести к потере процесса, загрязнению продукта, повреждению оборудования или угрозе безопасности.

Стоимость одной незапланированной остановки может достигать сотен тысяч долларов в виде потерянного производства, а перезапуск после незапланированной остановки может занять часы. Системы, управляющие этими процессами, не могут допускать даже кратковременных перебоев в работе контроллера, поэтому S7-400H разработан с нуля для непрерывной работы при любом единичном аппаратном сбое.

ЦПУ 412-3H является начальным уровнем H-ЦПУ в линейке S7-400H — он обеспечивает общий объем памяти 768 КБ (512 КБ для программы, 256 КБ для данных) с коммуникацией MPI/DP.

Для более крупных программ или приложений, требующих большего объема хранения данных, более крупные ЦПУ 414-3H (6ES7414-3HM14-0AB0) и ЦПУ 417-4H (6ES7417-4HL14-0AB0) предлагают соответственно больший объем памяти и дополнительные интерфейсы.

Ключевые характеристики

Архитектура синхронизации — как два ЦПУ становятся одной отказоустойчивой системой

Трехинтерфейсная конструкция ЦПУ 412-3H отражает технические требования аппаратной избыточности.

Единый интерфейс MPI/DP обеспечивает обычную коммуникацию автоматизации — подключение ЦПУ к полевым устройствам PROFIBUS DP, к программирующим терминалам, к панелям HMI и к другим ПЛК в сети предприятия. Два синхронизирующих интерфейса предназначены для межпроцессорной связи.

Два интерфейса синхронизирующих модулей на каждом ЦПУ 412-3H подключаются к синхронизирующим модулям (IM 460-4, 6ES7460-4AA01-0AB0), которые формируют физические каналы передачи данных между двумя резервированными стойками ЦПУ. Используются два независимых синхронизирующих канала — не один — потому что сам канал синхронизации должен быть резервирован.

В противном случае отказ одного синхронизирующего кабеля отключил бы всю функцию резервирования. 

При наличии двух независимых путей синхронизации пара ЦПУ может синхронизироваться по любому из путей независимо, а сбой в одном пути синхронизации генерирует сигнал технического обслуживания без принудительного переключения.

Синхронизационная связь передает всю информацию о состоянии, необходимую для поддержания идентичности обоих ЦПУ: каждое состояние выхода, каждое значение таймера и счетчика, каждый бит памяти — обновляется при каждом сканировании программы.

Эта бесшовная синхронизация обеспечивает истинное переключение (а не перезапуск) при отказе одного ЦПУ: оставшийся ЦПУ уже имеет все текущие данные и продолжает выполнение точно с того места, где остановился отказавший ЦПУ.

S7-400H и S7-400F/FH — избыточность и безопасность в сочетании

6ES7412-3HJ14-0AB0 совместим с двумя конфигурациями системы:

S7-400H (Высокая доступность): Стандартная резервированная конфигурация — два ЦПУ, работающие параллельно, переключение при аппаратном сбое, целевая доступность в диапазоне 99,99% или выше.

Система H обеспечивает доступность (поддержание работы процесса), но не функциональную безопасность (предотвращение опасных состояний процесса).

S7-400F/FH (Безопасная высокая доступность): Сочетает аппаратную избыточность с функциональной безопасностью, сертифицированной по IEC 61508.

Система F/FH добавляет сертифицированные по безопасности F-модули и блоки программ безопасности, которые реализуют функции безопасности (SIF), необходимые для процессов в опасных зонах. 

Когда в одном контроллере требуются как доступность (отсутствие незапланированных остановок), так и функциональная безопасность (сертифицированная защита SIL 1/2/3), S7-400F/FH решает обе задачи одновременно. Эта конфигурация часто используется в нефтегазовой, химической и атомной промышленности, где опасности процессов требуют сертифицированной защиты безопасности наряду с непрерывной работой.

Конфигурация памяти — 512 КБ программа, 256 КБ данные

Разделение памяти — 512 КБ для программы и 256 КБ для данных — отражает типичный баланс рабочей нагрузки в приложениях непрерывного управления технологическими процессами, на которые ориентирована система S7-400H. Программы автоматизации процессов, как правило, крупнее эквивалентных программ дискретной автоматизации, поскольку они включают:

Обширную обработку аналоговых сигналов (масштабирование, фильтрация, оценка пределов аварийных сигналов для десятков или сотен технологических переменных), сложные алгоритмы управления (каскадные ПИД-регуляторы, регуляторы соотношения, передовое управление процессами), большие структуры данных для интеграции с историками процессов (буферизация истории измерений перед передачей в SCADA) и комплексные процедуры диагностики и управления аварийными сигналами, которые подробно сообщают операторам о состоянии установки.

512 КБ памяти программы вмещают эти сложные программы. Для очень крупных установок добавление загружаемых функциональных блоков (FB), хранящихся на картах памяти, расширяет эффективный размер программы за пределы встроенного лимита памяти.

Часто задаваемые вопросы

В1: Переключается ли S7-400H автоматически на резервный ЦПУ при отказе основного, и насколько быстро происходит переключение?

Да, переключение происходит автоматически и не требует вмешательства оператора. Когда активный (основной) ЦПУ обнаруживает у себя ошибку, он сигнализирует резервному ЦПУ о необходимости взять управление на себя. Резервный ЦПУ, который выполнял ту же программу с теми же данными синхронно, продолжает выполнение без перерыва.

Время переключения в правильно сконфигурированной системе S7-400H находится в пределах времени цикла сканирования ПЛК, обычно в диапазоне нескольких миллисекунд, что незаметно для полевых устройств и технологической аппаратуры.

Никакие значения процесса не теряются, никакие выходы не меняют состояние из-за самого переключения, и ручной перезапуск не требуется.

В2: Можно ли обслуживать S7-400H — заменять модули или обновлять прошивку — во время работы процесса?

Да. Резервированная архитектура S7-400H поддерживает онлайн-обслуживание — замену отказавших модулей в одной стойке ЦПУ, пока другая остается в рабочем состоянии и управляет процессом.

Это означает, что аппаратное обслуживание может проводиться во время производства, включая: замену отказавшего ЦПУ (самого 6ES7412-3HJ14-0AB0), замену блоков питания, замену модулей ввода-вывода и обновление прошивки — все это без остановки процесса. 

После обслуживания отремонтированная стойка автоматически синхронизируется с работающей стойкой.

Эта возможность онлайн-обслуживания является основным эксплуатационным преимуществом системы H по сравнению с простым предоставлением горячего резерва.

В3: Совместим ли ЦПУ 412-3H напрямую со стандартными модулями ввода-вывода и коммуникационными модулями S7-400?

Да. Стойки ЦПУ S7-400H принимают стандартные модули сигналов (SM), коммуникационные процессоры (CP) и функциональные модули (FM) S7-400, с учетом ограничений режима резервирования.

При работе в режиме H модули, установленные в обеих стойках, должны быть идентичными, а некоторые типы модулей (особенно FM с функциями коммуникационной шины) требуют специальных версий, совместимых с H. 

Стандартные модули ввода-вывода S7-400 (серии SM421, SM422, SM431, SM432) совместимы и часто используются. Полный список совместимости документирован в руководстве по системе S7-400H.

В4: Как программируется S7-400H — требуется ли специальное программное обеспечение, помимо STEP 7?

S7-400H использует STEP 7 в качестве среды программирования, с добавлением библиотеки S7-REDCONNECT.

Программное обеспечение REDCONNECT предоставляет функциональные блоки и инструменты конфигурации для настройки резервированных каналов связи (соединений между системой H и подчиненными устройствами PROFIBUS/PROFINET, системами SCADA и т. д.) таким образом, чтобы оба ЦПУ могли одновременно управлять путем связи, с автоматическим переключением каналов связи в дополнение к переключению ЦПУ.

Без REDCONNECT система H по-прежнему будет выполнять стандартные пользовательские программы STEP 7, но функции резервированной конфигурации связи будут недоступны.

В5: ЦПУ 412-3H снят с производства. Каков рекомендуемый путь миграции от Siemens?

Siemens рекомендует систему SIMATIC S7-1500H (в частности, ЦПУ 1513H-1 PN и ЦПУ 1517H-3 PN) в качестве замены S7-400H текущего поколения.

S7-1500H обеспечивает эквивалентную аппаратную избыточность со значительными улучшениями производительности (более быстрые циклы сканирования, большая память), встроенную избыточность PROFINET IO, интеграцию с инжинирингом TIA Portal и значительно более компактные физические размеры.

Миграция с S7-400H на S7-1500H является аппаратным и программным проектом — программа STEP 7 должна быть мигрирована в TIA Portal, а аппаратная конфигурация должна быть перестроена для новой платформы — но Siemens предоставляет инструменты и услуги миграции для поддержки перехода.