El nuevo Siemens S7 300 6ES7312-1AE14-0AB0

Siemens 6ES7312-1AE14-0AB0 | SIMATIC S7-300 CPU 312 — Unidad Central de Procesamiento, Interfaz MPI, 32 KB de Memoria de Trabajo, Alimentación Integrada de 24 VCC, Procesamiento de Bits de 0.1 µs, 40 × 125 × 130 mm

Descripción general

El Siemens 6ES7312-1AE14-0AB0 es la CPU 312 — la CPU estándar de nivel de entrada (no compacta) de la familia SIMATIC S7-300.

En su versión más estrecha, 40 mm y 270 g, se encuentra entre las CPU S7-300 físicamente más compactas, al tiempo que ofrece el conjunto completo de instrucciones S7-300, la interfaz de comunicación MPI estándar y suficiente rendimiento de procesamiento para la gran mayoría de las tareas de control de máquinas y automatización de procesos pequeñas y medianas.

Para comprender dónde encaja la CPU 312, es necesario comprender la estructura de la gama de CPU S7-300.

La familia abarca desde CPU compactas (como la CPU 312C, que tiene E/S digitales integradas) hasta CPU estándar (como esta CPU 312, sin E/S integradas pero con total flexibilidad modular), hasta CPU más potentes (CPU 314, 315, 317) con memorias más grandes e interfaces PROFIBUS DP integradas. 

La CPU 312 es el punto de partida de la gama de CPU estándar: la elección cuando la tarea requiere la modularidad y la flexibilidad de ingeniería de la arquitectura de CPU estándar, pero no requiere la memoria más grande, la capacidad de múltiples racks o las interfaces adicionales de las CPU de modelos superiores.

La memoria de trabajo de 32 KB es la principal limitación de la CPU 312 y define las aplicaciones para las que es adecuada.

Con 32 KB, la CPU 312 admite programas STEP 7 pequeños y medianos, aquellos con hasta varios cientos de bloques de programa, lógica de control PLC estándar, manejo básico de datos y requisitos de comunicación moderados.

No es adecuada para programas que gestionan grandes tablas de recetas, búferes de historial extensos o algoritmos matemáticos complejos que generan un gran código objeto. Para esas aplicaciones, las CPU 314 (64 KB), CPU 315-2 DP (256 KB) o CPU 317-2 DP (1 MB) son las opciones adecuadas.

Especificaciones clave

Procesamiento binario de 0.1 µs — Qué significa para los tiempos de ciclo

Los 0.1 µs por instrucción binaria de la CPU 312 son la métrica fundamental de velocidad de ejecución del procesador. En la práctica, un programa S7-300 típico mezcla instrucciones binarias (contacto/bobina), operaciones de palabra, aritmética y sobrecarga de comunicación.

Un programa con 1.000 instrucciones binarias tiene un tiempo de ejecución de instrucción bruto de 0.1 ms, pero el tiempo de ciclo total es más largo porque el sistema operativo S7-300 añade una actualización de la imagen de proceso (lectura de todas las entradas, escritura de todas las salidas), procesamiento de comunicación y sobrecarga de autocomprobación a cada ciclo.

Para una CPU 312 que ejecuta un programa de tamaño moderado en una estación de un solo rack con módulos digitales y analógicos S7-300 estándar, los tiempos de ciclo típicos se sitúan en el rango de 5-15 ms, dependiendo del tamaño del programa, el número de módulos activos y el tráfico de comunicación en la interfaz MPI. Para las aplicaciones de control de máquinas a las que se dirige la CPU 312 (secuenciación de cintas transportadoras, enclavamientos de máquinas, procesos por lotes sencillos), un tiempo de ciclo de 5-15 ms es totalmente adecuado.

Los bucles de temperatura de proceso, la regulación de presión y otras variables de proceso de dinámica lenta cambian en una escala de tiempo de segundos a minutos, lo que hace que el tiempo de escaneo del PLC sea irrelevante para el rendimiento del bucle (que está dominado por el tiempo de respuesta del transmisor y la dinámica de la válvula).

Solo los procesos mecánicos rápidos (clasificación de alta velocidad, control de prensas, operaciones de pick-and-place rápidas) requieren tiempos de ciclo de PLC inferiores a 5 ms, y esas aplicaciones son atendidas por CPU de alto rendimiento con memorias significativamente más grandes y capacidades de procesamiento de interrupciones dedicadas, no por la CPU 312.

La tarjeta de memoria micro — Almacenamiento de programas sin batería

La CPU 312 requiere una tarjeta de memoria micro (MMC) para el almacenamiento del programa, la tarjeta basada en flash que sirve simultáneamente como memoria de carga (almacenando el programa completo que se descarga de STEP 7) y como mecanismo de almacenamiento persistente que elimina la necesidad de una batería de respaldo. Cada vez que la CPU 312 se enciende, lee el programa de la MMC a la RAM de trabajo y comienza la ejecución. El programa en la MMC no es volátil: persiste a través de ciclos de alimentación indefinidamente, y Siemens especifica una retención de datos mínima de 10 años en la MMC.

Este funcionamiento sin batería es una ventaja de mantenimiento real sobre las generaciones anteriores de CPU que requerían reemplazo regular de la batería para preservar el programa durante fallos de alimentación. Una batería de respaldo descargada o fallida en una CPU S7-300 o S5 anterior resultaba en la pérdida completa del programa en la siguiente interrupción de alimentación, un evento de servicio que podía requerir horas de recarga del programa y reinicio del sistema en un entorno de producción.

La arquitectura MMC elimina por completo este modo de fallo. La MMC es la copia de seguridad: retirar la MMC de una CPU en funcionamiento preserva el programa intacto en la tarjeta, que puede ser transportada a una terminal de programación para copia de seguridad o a una CPU de reemplazo para precarga.

El zócalo de servicio de 6 caracteres en la parte frontal de la CPU 312 acepta MMCs S7-300 estándar (SIMATIC Micro Memory Cards, familia 6ES7953-8LXXX-0AA0) en capacidades de 64 KB a 8 MB.

Interfaz MPI — Capacidades y limitaciones

La CPU 312 proporciona una única interfaz MPI: sin PROFIBUS DP, sin PROFINET, sin Ethernet integrado.

Esta limitación de interfaz es el criterio de selección más importante: si la aplicación requiere que la CPU actúe como maestro PROFIBUS DP (controlando estaciones de E/S remotas, variadores o instrumentos en una red PROFIBUS), la CPU 312 no es la opción correcta. Se requeriría una CPU con una interfaz PROFIBUS DP integrada (CPU 315-2 DP, CPU 317-2 DP) o la adición de un procesador de comunicación CP 342-5.

Lo que proporciona la interfaz MPI es:

Acceso a la terminal de programación: Una estación de trabajo STEP 7 se conecta a la CPU a través de un adaptador de PC (6ES7972-0CB20-0XA0 o equivalente USB) a través del puerto MPI para la descarga del programa, la monitorización en línea y el diagnóstico.

Conexión HMI: Los paneles de operador Siemens OP y TP se conectan a través de MPI para mostrar datos del proceso y aceptar entradas del operador. Para MES de panel único, la conexión MPI es rentable y sencilla.

Comunicación PLC a PLC: Múltiples CPU S7-300 pueden compartir una red MPI e intercambiar datos a través de la comunicación básica S7 (SFC 65/66 para datos globales) o la comunicación S7 (SFB 8/9 BSEND/BRCV o SFB 12/13 BSEND/BRCV), lo que permite una coordinación simple entre controladores sin PROFIBUS.

Datos globales: Se pueden definir hasta 4 círculos de datos globales para el intercambio cíclico de datos entre controladores S7 en la misma red MPI, un mecanismo sencillo para compartir variables de estado entre PLCs sin programación de comunicación explícita.

El límite de 6 conexiones de la CPU 312 (total de conexiones PG, OP y S7) restringe el número de participantes activos simultáneamente en la red MPI.

En una estación con una terminal de programación, un panel HMI y un enlace de comunicación S7, el límite de conexiones ya está casi alcanzado.

Estructura del programa y tipos de bloques

La CPU 312 admite la estructura de programa completa basada en bloques de STEP 7 dentro de su límite total de 1.024 bloques.

Los tipos de bloques son:

OBs (Bloques de Organización): La interfaz entre el sistema operativo y el programa de usuario. OB1 es el programa cíclico principal. OB35 es una interrupción cíclica (100 ms por defecto). OB40 es una interrupción de hardware de los módulos. OB82 es una interrupción de diagnóstico.

OB100 es el OB de inicio. Los OB son los puntos de entrada definidos a través de los cuales el sistema operativo S7-300 llama al código de usuario en respuesta a eventos.

FBs (Bloques de Función) y FCs (Funciones): Módulos de programa reutilizables creados por el usuario. Los FB tienen bloques de datos de instancia asociados que almacenan las variables estáticas del FB; los FC son funciones sin estado.

Ambos pueden ser llamados desde OBs o desde otros FBs/FCs para crear una jerarquía de programa estructurada.

DBs (Bloques de Datos): Áreas de almacenamiento de datos: bloques de datos compartidos para variables de toda la planta, bloques de datos de instancia para FBs y almacenamiento de datos retentivos.

En una memoria de trabajo de 32 KB, todos los OB + FB + FC + DB combinados deben caber dentro de 32 KB.

Los ingenieros experimentados de S7-300 están familiarizados con la gestión del presupuesto de memoria: el menú STEP 7 Online proporciona la utilización de la memoria de trabajo en tiempo real, y los objetivos de tamaño del programa deben establecerse al principio del proyecto para evitar descubrir el límite de 32 KB al final del desarrollo.

Preguntas frecuentes

P1: La CPU 312 no tiene interfaz PROFIBUS DP. ¿Cómo puede comunicarse con dispositivos de campo PROFIBUS si la aplicación lo requiere?

El enfoque estándar para agregar capacidad de maestro PROFIBUS DP a un sistema CPU 312 es instalar un módulo de procesador de comunicación CP 342-5 (6GK7342-5DA02-0XE0) en el rack S7-300.

El CP 342-5 proporciona una interfaz maestra PROFIBUS DP completa y opera independientemente del puerto MPI de la CPU 312. Desde la perspectiva del programa de la CPU 312, el CP 342-5 intercambia datos con la CPU a través del bus posterior S7-300, y el programador utiliza llamadas a funciones (FC1 DP_SEND y FC2 DP_RECV de la biblioteca de funciones del CP 342-5) para transferir datos entre los bloques de datos de la CPU 312 y la imagen de E/S PROFIBUS del CP 342-5.

Este enfoque consume una de las valiosas 8 ranuras de módulo de la CPU 312, y el costo adicional del CP 342-5 (que supera a la propia CPU 312 en precio de lista) a menudo hace que sea más económico actualizar a una CPU 315-2 DP (que tiene PROFIBUS DP integrado) en lugar de agregar el CP a un sistema CPU 312. El enfoque CP 342-5 es apropiado para instalaciones existentes de CPU 312 donde se necesita agregar capacidad PROFIBUS pero no se justifica un reemplazo completo de la CPU.

P2: ¿Cuál es el número máximo de puntos de E/S analógicas y digitales que la CPU 312 puede procesar en una sola estación, y está esto limitado por la memoria de trabajo o por el hardware?

El límite de hardware es más restrictivo que el límite de memoria para la CPU 312.

El tamaño de la imagen de proceso (128 bytes para entradas y 128 bytes para salidas) determina las E/S direccionables máximas: 128 bytes × 8 bits = 1.024 entradas digitales (I 0.0 a I 127.7) y 1.024 salidas digitales (Q 0.0 a Q 127.7), o una combinación equivalente de direccionamiento analógico y digital dentro del mismo rango de bytes.

El límite de hardware es el número de ranuras de módulo: 8 ranuras en el rack central + 8 ranuras en el único rack de expansión permitido = 16 posiciones de módulo en total. Con módulos digitales de 16 canales a 2 bytes cada uno, 16 módulos proporcionan 32 bytes de E/S digitales, muy dentro del límite de la imagen de proceso.

Con módulos analógicos de 8 canales a 16 bytes cada uno (8 canales × 2 bytes por palabra analógica), 16 módulos analógicos consumirían 256 bytes, superando el límite de la imagen de proceso. En la práctica, una instalación mixta de módulos digitales y analógicos en una estación de 16 ranuras no tiene dificultad para ajustarse al límite de la imagen de proceso de 128 bytes.

La memoria de trabajo de 32 KB restringe la complejidad del programa, pero rara vez el direccionamiento de E/S para la escala de instalaciones a las que se dirige la CPU 312.

P3: ¿Qué sucede con los datos retentivos de los bloques de datos cuando la CPU 312 pierde energía, y cuál es el papel de la tarjeta de memoria micro en la retención de datos?

En la arquitectura de memoria de la CPU 312, la RAM de trabajo (32 KB) es la memoria de ejecución activa: contiene el programa en ejecución y todos los valores de variables actuales. La RAM de trabajo es volátil: pierde su contenido cuando se retira la alimentación.

La tarjeta de memoria micro es memoria Flash no volátil y solo contiene la copia de memoria de carga del programa. Críticamente, el contenido de los bloques de datos, incluso si están marcados como retentivos en las propiedades del bloque de datos de STEP 7, no se guardan automáticamente en la MMC durante el funcionamiento.

Los datos retentivos en la CPU 312 se conservan durante breves interrupciones de alimentación mediante un circuito con respaldo de condensador en la CPU (el mismo condensador interno que mantiene el reloj de la CPU durante la pérdida de alimentación), pero este condensador solo retiene datos durante un tiempo limitado (típicamente horas a temperatura ambiente).

Si la CPU se apaga el tiempo suficiente para que el condensador se descargue, se pierden los datos retentivos. Para aplicaciones en las que los datos deben sobrevivir a apagones prolongados (contadores de producción, números de identificación de lotes, totales acumulados), el programa debe escribir periódicamente estos valores en un bloque de datos no retentivo y copiar todo el bloque de datos a la MMC utilizando SFC 84 (WRIT_DBL, Escribir bloque de datos en memoria de carga).

Al inicio, OB100 lee el bloque de datos de la MMC utilizando SFC 82 (CREA_DBL o similar). Este procedimiento explícito de escritura/lectura de MMC proporciona un almacenamiento verdaderamente no volátil a costa de rutinas de inicio/apagado ligeramente más largas.

P4: ¿Se puede programar la CPU 312 con TIA Portal, o se requiere STEP 7 V5.x?

Principalmente STEP 7 V5.5 SP1 o posterior (STEP 7 clásico, no TIA Portal) es el entorno de programación nativo para la CPU 312.

TIA Portal no incluye soporte nativo para la CPU S7-300 312 en su configuración de producto estándar: el soporte S7-300 de TIA Portal cubre modelos de CPU específicos que Siemens ha incluido explícitamente en la biblioteca S7-300 de TIA Portal, y la CPU 312 más antigua (especialmente la versión de hardware 1AE14) puede no ser totalmente compatible. 

Algunos ingenieros han utilizado TIA Portal con el soporte de dispositivos heredados S7-300 a través de archivos HSP (Hardware Support Package) disponibles en Siemens Industry Online Support, pero este enfoque debe verificarse con la versión específica de TIA Portal y la versión de firmware de la CPU 312 antes de comprometerse con él para un proyecto de producción.

Para nuevos proyectos en los que TIA Portal sea el entorno de ingeniería requerido, Siemens recomienda seleccionar una CPU S7-300 de la gama explícitamente admitida en TIA Portal (como la CPU 315-2 PN/DP o la CPU 317-2 DP en versiones de firmware posteriores) o migrar a la plataforma S7-1500, que es el objetivo principal de TIA Portal.

P5: ¿Cuál es la ruta de migración recomendada de la CPU 312 a una plataforma Siemens actual y qué tan compleja es la migración?

La recomendación oficial de Siemens para migrar de S7-300 es a la plataforma SIMATIC S7-1500. Para el perfil de aplicación típico de la CPU 312 (máquinas independientes pequeñas, control de procesos simple, instalaciones de un solo rack), la CPU S7-1500 1511-1 PN es el reemplazo funcional aproximado: proporciona significativamente más memoria de trabajo (150 KB), PROFINET IO integrado, procesamiento más rápido (48 ns binario) e ingeniería TIA Portal.

El esfuerzo de migración no es trivial: el programa STEP 7 debe ser reestructurado y reescrito para TIA Portal (no existe conversión automática de código; STEP 7 Classic y TIA Portal utilizan diferentes paradigmas de programación y estructuras de bloques, aunque el conjunto de instrucciones es en gran medida compatible a nivel de lenguaje).

Las E/S de hardware deben rediseñarse (los módulos S7-300 no son compatibles con S7-1500), y cualquier HMI conectado por MPI debe ser reemplazado o actualizado a conectividad PROFINET o Ethernet. 

Para sitios que no pueden permitirse la inversión de ingeniería de una migración completa, mantener la CPU 312 existente en STEP 7 V5.x con piezas de repuesto es una estrategia viable a largo plazo: Siemens se compromete a 10 años de disponibilidad de piezas de repuesto post-descatalogación (hasta aproximadamente 2033), y la base instalada de sistemas S7-300 es lo suficientemente grande como para mantener un mercado secundario de hardware y experiencia de soporte mucho más allá de ese plazo.