Kompakte CPU mit MPI 6ES7312-5BF04-0AB0 6ES7 312-5BF04-0AB0 6ES7312-5BFO4-OABO

Siemens 6ES7312-5BF04-0AB0 | SIMATIC S7-300 CPU 312C — Kompakte CPU mit MPI, 10 DI / 6 DQ, 2 Hochgeschwindigkeitszähler 10kHz, 64KB Arbeitsspeicher, 24VDC, 80×125×130mm

Übersicht

Die Siemens 6ES7312-5BF04-0AB0 ist die SIMATIC S7-300 CPU 312C — die kompakte SPS-Lösung von Siemens, die einen SPS-Prozessor, integrierte digitale Ein-/Ausgänge, Hochgeschwindigkeits-Zählereingänge und einen Stromversorgungseingang in einem einzigen 80 mm breiten Modul vereint.

Für Maschinenkonstrukteure, die kostengünstige Schaltschränke bauen, bei denen der Platz begrenzt ist und die Anzahl der E/A-Kanäle moderat ist, verändert die 312C die Architektur des Systems. Anstatt eines CPU-Moduls plus eines separaten digitalen Eingangsmoduls plus eines separaten digitalen Ausgangsmoduls werden drei Module auf eines reduziert.

Der Verdrahtungsaufwand sinkt, der Platz auf der Hutschiene sinkt und die Systemkosten sinken.

Das "C" in CPU 312C ist der Schlüssel — es steht für Compact und unterscheidet diese Serie von den Standard (nicht integrierten) S7-300 CPUs, die keine integrierten E/A haben. Alle S7-300 CPUs der C-Serie verfolgen den gleichen Ansatz: Prozessorleistung, die auf den Anwendungsmaßstab abgestimmt ist, mit gerade genug integrierten E/A, um die gängigsten direkten Verbindungen zu handhaben, ohne zusätzliche Module zu benötigen.

Die 10+6 E/A-Konfiguration der 312C deckt den Bedarf kleiner Maschinen mit einer Handvoll Sensoren, Tastern, Endschaltern und digitalen Aktoren ab — alle direkt an das CPU-Modul selbst angeschlossen —, während die MPI-Schnittstelle und die Möglichkeit zur Erweiterung mit zusätzlichen Signalmodulen alles Komplexere handhaben.

Die beiden Hochgeschwindigkeits-Zählereingänge erweitern den praktischen Einsatzbereich der 312C auf Anwendungen, die normale digitale Eingänge nicht bedienen können.

Impulsausgänge von Encodern, Näherungsschalter, die Maschinenzyklen zählen, Durchflussmesser, die Impulsfolgen erzeugen — all das erzeugt Signale, die zu schnell für den normalen 100ms-Eingangsfilter und den Scanzyklus der CPU sind, um sie genau zu erfassen.

Die HSC-Eingänge der 312C arbeiten unabhängig vom Scanzyklus mit bis zu 10 kHz und zählen Impulse genau, unabhängig von der Programmausführungszeit der SPS.

Wichtige Spezifikationen

Micro Memory Card — Nicht verhandelbare Programmspeicherung

Die CPU 312C benötigt eine Micro Memory Card (MMC) zur Programmspeicherung, und diese Anforderung ist nicht optional. Im Gegensatz zu älteren S7-300 CPUs, die über ein integriertes EPROM oder einen batteriegepufferten RAM für die Programmerhaltung verfügten, speichern die CPU 312C und alle S7-300 CPUs der neueren Generation ihre Programme auf der Micro Memory Card — einer kleinen Flash-basierten Karte, die in das Frontpanel der CPU gesteckt wird.

Die MMC erfüllt zwei Funktionen: Sie speichert das Benutzerprogramm (die STEP 7 OB/FC/FB/DB-Struktur) persistent ohne Batterie-Backup und sie enthält die Firmware der CPU (das Betriebssystem).

Wenn eine CPU 312C mit einer MMC mit einem gültigen Programm eingeschaltet wird, kopiert die CPU das Programm von der MMC in den Arbeitsspeicher und beginnt mit der Ausführung — keine Batterie, kein Laden von einem Programmiergerät nach dem ersten Programmdownload erforderlich.

Die betrieblichen Auswirkungen sind erheblich.

Eine MMC mit einem vollständigen Programm kann von einer laufenden CPU auf eine identische Ersatz-CPU verschoben werden, und die Ersatz-CPU übernimmt das Programm ohne zusätzliche Programmierschritte. Für Maschinenbauer, die viele identische Maschinen ausliefern, bedeutet dies, dass eine MMC-Kopie als Backup für eine ganze Flotte dient — wenn eine CPU im Feld ausfällt, ist die Ersatz-CPU in wenigen Minuten von der Backup-MMC vorprogrammiert.

Die MMC ist nicht im Lieferumfang der CPU 312C enthalten und muss separat bestellt werden. Gängige Kapazitäten sind 64KB, 128KB, 512KB, 2MB und 4MB — die 64KB-Karte deckt kleine Programme ab, während größere Karten die Speicherung zusätzlicher Daten wie Rezepte, historische Trends und Dokumentation ermöglichen.

Hochgeschwindigkeitszähler — Über den normalen Scanzyklus hinaus

Die beiden integrierten Hochgeschwindigkeits-Zählereingänge der CPU 312C verwenden dedizierte Hardware-Zähler, die asynchron zum SPS-Scanzyklus arbeiten. Diese Hardware-Zählung stellt sicher, dass keine Impulse verloren gehen, unabhängig davon, wie stark die Programmausführung der CPU zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgelastet ist — eine kritische Anforderung für Encoder-basierte Längenmessung, Batch-Zählung und Durchflussmessung.

Bei einer maximalen Frequenz von 10 kHz können die HSC-Eingänge Impulse zählen, die alle 100 Mikrosekunden eintreffen.

Dies entspricht beispielsweise einem Encoder, der 10.000 Impulse pro Umdrehung auf einer Welle mit 60 U/min erzeugt — eine vernünftige Spezifikation für ein Messrad oder einen Positionssensor auf einem langsam laufenden Förderband.

Für schnellere Wellen oder Encoder mit höherer Auflösung wird die 10-kHz-Grenze zu einer Einschränkung, und ein schnellerer Zähler (verfügbar in Funktionsmodulen wie dem FM 350) wäre erforderlich.

Die Zähler können in verschiedenen Modi betrieben werden, die über STEP 7 konfigurierbar sind: einfacher Aufwärtszähler (akkumuliert Impulse von einem Ereignis), Auf-/Abwärtszähler (richtungsgesteuert durch einen zweiten Eingang), Frequenzmessung (zählt Impulse über eine definierte Torzeit und meldet die Frequenz) und Periodenmessung. Jeder Modus dient unterschiedlichen Messanwendungen.

MPI-Schnittstelle — Programmierung und Vernetzung

Die MPI (Multi-Point Interface) an der CPU 312C ist eine kostengünstige, aber leistungsfähige Kommunikationsschnittstelle, die die wesentlichen Vernetzungsanforderungen der CPU erfüllt:

Programmierzugriff: Ein STEP 7 Programmierterminal wird über einen PC-Adapter (USB oder RS232) an den MPI-Port der CPU angeschlossen, um Programme herunterzuladen, hochzuladen, online zu überwachen und zu diagnostizieren. Dies ist die grundlegendste und universell erforderliche Nutzung des MPI-Ports.

HMI-Anschluss: Siemens OP (Operator Panel) und TP (Touch Panel) HMI-Geräte werden über MPI an die CPU 312C angeschlossen, um Prozessdaten anzuzeigen und Bedienereingaben entgegenzunehmen. Der MPI-Anschluss ist einfacher und kostengünstiger als PROFIBUS für einzelne HMI-zu-CPU-Verbindungen.

SPS-zu-SPS-Kommunikation: Mehrere S7-300 oder S7-400 SPS können ein MPI-Netzwerk gemeinsam nutzen und Daten über S7-Kommunikation (PUT/GET-Dienste) austauschen.

Dies ist eine Alternative zu PROFIBUS für kleine Netzwerke, bei denen die höhere Geschwindigkeit und die größere Anzahl von Knoten von PROFIBUS nicht benötigt werden.

Die MPI-Schnittstelle unterstützt keine PROFIBUS DP Master- oder Slave-Operation — für PROFIBUS-Konnektivität würde die CPU 312C ein zusätzliches Kommunikationsprozessormodul CP 342-5 benötigen.

Dies ist eine wichtige Unterscheidung bei der Spezifikation des Systems: Wenn eine PROFIBUS DP-Slave-Verbindung zu einer übergeordneten Steuerung erforderlich ist, muss die MPI-only-Schnittstelle der CPU 312C ergänzt werden.

FAQ

F1: Die CPU 312C verfügt über 10 integrierte digitale Eingänge und 6 digitale Ausgänge. Können weitere E/A hinzugefügt werden und wie?

Ja. Die integrierten E/A werden durch die Installation von S7-300 Signalmodulen (SM-Serie) auf derselben Hutschiene wie die CPU ergänzt.

Standard S7-300 digitale und analoge Signalmodule — SM 321 digitale Eingänge, SM 322 digitale Ausgänge, SM 323 kombinierte DI/DQ, SM 331/332 analoge E/A — werden alle über den S7-300 Backplane-Bus mit der CPU verbunden. Die CPU 312C unterstützt ein Erweiterungsrack über ein IM 365 Schnittstellenmodulpaar, wenn zusätzlicher Platz auf der Hutschiene benötigt wird. 

Die Gesamtkapazität der E/A des Systems wird durch die Anzahl der verfügbaren Modulsteckplätze und den E/A-Adressbereich der CPU begrenzt.

F2: Was ist der Unterschied zwischen der CPU 312C und der (nicht-kompakten) CPU 312, und wann sollte jede ausgewählt werden?

Die CPU 312 (nicht-kompakt) hat keine integrierten E/A — sie ist ein reines CPU-Modul, das nur die MPI-Schnittstelle und die Verbindung zu Signalmodulen auf dem Backplane bietet. Ihr Vorteil ist die Flexibilität: Jeder Steckplatz kann frei dem benötigten Modultyp zugewiesen werden, ohne feste E/A.

Die CPU 312C enthält 10 DI und 6 DQ sowie die beiden HSCs, die immer vorhanden sind.

Wenn eine Maschine genau oder ungefähr 10 DI und 6 DQ plus Hochgeschwindigkeitszähler benötigt, liefert die 312C diese ohne zusätzliche Module. 

Wenn eine Maschine hauptsächlich analoge E/A oder ein sehr anderes DI/DQ-Verhältnis benötigt, bietet die feste E/A der 312C weniger Flexibilität, und die nicht-kompakte CPU mit frei wählbaren Signalmodulen kann die bessere Konfiguration sein.

F3: Können die digitalen Ausgänge der CPU 312C direkt 24VDC Spulenkontaktoren und Magnetventile ansteuern?

Die integrierten digitalen Ausgänge der CPU 312C sind vom Typ Transistor 24VDC und für 24VDC-Lasten ausgelegt. Jeder Ausgang kann den Strom liefern, der zum Ansteuern von Standard-24VDC-Relaisspulen (typischerweise 50–200mA) und 24VDC-Magnetventilspulen (100–300mA) direkt benötigt wird, vorausgesetzt, der Laststrom pro Ausgang liegt innerhalb der angegebenen Nennwerte.

Für größere Lasten (Hauptmotor-Schütze mit 24V-Spulen, größere Magnetventile) oder Wechselstromlasten (Spulen, die mit 230VAC betrieben werden) müssen Zwischenrelais verwendet werden. 

Der Ausgangsstrom pro Kanal und der Gesamtmodulstrom der CPU sollten während der Entwurfsphase mit den angeschlossenen Lasten abgeglichen werden.

F4: Unterstützt die CPU 312C PROFIBUS DP und wenn ja, in welcher Rolle?

Die MPI-Schnittstelle der CPU 312C unterstützt kein PROFIBUS DP. Wenn eine PROFIBUS DP-Konnektivität erforderlich ist — entweder damit die CPU als DP-Master fungiert und entfernte E/A steuert, oder damit die CPU als DP-Slave fungiert und an eine übergeordnete Steuerung angeschlossen ist —, muss ein externes Kommunikationsprozessormodul (CP 342-5 für DP-Master oder CP 342-5 FO für Glasfaser-PROFIBUS) auf der Hutschiene neben der CPU installiert werden.

Für neue Designs, bei denen PROFIBUS-Konnektivität eine Anforderung ist, vermeidet eine CPU mit integrierter PROFIBUS DP-Schnittstelle (wie die CPU 314C-2 DP) die Notwendigkeit eines zusätzlichen CP-Moduls.

F5: Was ist der empfohlene Migrationspfad von der CPU 312C zu einer aktuellen Siemens-Plattform?

Siemens empfiehlt die SIMATIC S7-1500 Serie als Nachfolgeplattform für die S7-300, einschließlich der kompakten CPU-Varianten. Die CPU 1511C-1 PN oder CPU 1512C-1 PN (aus der S7-1500 Kompaktserie) bieten vergleichbare integrierte E/A-Funktionalität mit deutlich verbesserter Leistung, nativem PROFINET IO, erweitertem Arbeitsspeicher und TIA Portal Engineering.

Die Migration erfordert das Umschreiben des STEP 7-Programms in TIA Portal — es gibt keine automatisierte direkte Konvertierung —, aber Siemens bietet Migrationsunterstützungswerkzeuge in TIA Portal, die bei der Umstrukturierung und Anpassung von Altanwendungen helfen können.

Für Maschinen, die aus Gründen der Altanlagenkompatibilität bei S7-300 bleiben müssen, bietet Siemens weiterhin Ersatzteilunterstützung für zehn Jahre nach dem Auslaufdatum des Produkts.