Simens PLC Programmierbare Logiksteuerung CPU Zentraleinheit 6ES7414-4HM14-0AB0

Siemens 6ES7414-4HM14-0AB0 | SIMATIC S7-400H CPU 414H — Redundante Zentraleinheit, 2,8 MB Speicher, 4 Schnittstellen (1 MPI/DP + 1 DP + 2 Sync), 21 Erweiterungseinheiten, S7-400H / S7-400F/FH

CPU 414H — Ihre Position in der S7-400H-Hierarchie

Die S7-400H-Plattform bietet eine Reihe von H-CPUs, die sich jeweils in Speicher, Schnittstellenanzahl und Verarbeitungsleistung unterscheiden, um größeren und komplexeren Installationen gerecht zu werden. Die CPU 414H nimmt eine bedeutende Mittelposition in dieser Familie ein.

Ihr Vorgänger in der Baureihe — die CPU 412H (6ES7412-3HJ14-0AB0) — bietet insgesamt 768 KB Speicher.

Die CPU 414H verdreifacht diesen Wert auf 2,8 MB, gleichmäßig aufgeteilt zwischen Daten und Programm, und fügt eine zweite dedizierte PROFIBUS DP-Schnittstelle hinzu, die der 412H fehlt. Oberhalb der 414H befinden sich die CPU 417H-Varianten, die bis zu 20 MB Gesamtspeicher mit zusätzlichen Schnittstellen für die anspruchsvollsten kontinuierlichen Prozessautomatisierungsprogramme bieten.

Für Prozessanlagen, in denen das Automatisierungsprogramm Hunderte von PID-Regelkreisen, umfangreiche PROFIBUS-E/A-Netzwerke auf mehreren Segmenten und große Datenstrukturen für die Pufferung von Prozesshistorikern und das Rezeptmanagement verarbeiten muss, ist die 2,8 MB der 414H in Kombination mit zwei unabhängigen PROFIBUS DP-Schnittstellen ein sinnvoller Schritt gegenüber der Einstiegs-H-CPU.

Die zweite dedizierte DP-Schnittstelle ermöglicht es der Steuerung, separate PROFIBUS-Netzwerke zu verwalten — zum Beispiel ein Segment für Antriebe und drehzahlvariable Geräte, ein anderes für Instrumentierung und Transmitter —, ohne die Busbandbreite zwischen ungleichen Gerätetypen zu teilen.

Wichtige Spezifikationen

Die beiden Sync-Schnittstellen und die Glasfaser-Synchronisation

Die beiden Synchronisationsmodulschnittstellen der CPU 414H bilden die physische Grundlage des gesamten H-System-Redundanzmechanismus.

Jede Schnittstelle nimmt ein steckbares Synchronisationssubmodul IF 960 auf — einen Glasfaser-Transceiver, der über ein Glasfaserkabel mit dem entsprechenden Submodul im Partner-CPU-Rack verbunden wird. 

Das Glasfasermedium ist bewusst gewählt: Es bietet eine vollständige galvanische Trennung zwischen den beiden CPU-Racks, vermeidet Gleichtaktspannungs-Probleme, die elektrische Synchronisationskabel in industriellen Umgebungen beeinträchtigen können, und arbeitet zuverlässig über die Distanzen (bis zu ca. 10 m bei den Standard-Kurzstreckenversionen), die die beiden Racks in einer H-System-Installation typischerweise trennen.

Zwei unabhängige Sync-Links sind zwingend erforderlich und nicht optional.

Die Redundanz des S7-400H kann nur aufrechterhalten werden, wenn der Synchronisationskanal selbst redundant ist — ein einzelner Sync-Link-Ausfall, der den Synchronisationsmechanismus deaktiviert, würde ein vollständig redundantes H-System zu einem Einzel-CPU-System ohne Ausfallsicherungsfähigkeit degradieren. 

Mit zwei unabhängigen Sync-Pfaden über zwei separate Glasfaserkabel erzeugt ein Ausfall eines Sync-Pfades einen Wartungsalarm, beeinträchtigt aber nicht die Fähigkeit des CPU-Paares, sich zu synchronisieren und die Hot-Standby-Bereitschaft aufrechtzuerhalten.

Die Systemdiagnose des S7-400H erkennt und meldet Einzelausfälle von Sync-Pfaden, was dem Wartungspersonal Zeit gibt, den degradierten Link wiederherzustellen, bevor ein prozessbeeinträchtigendes Ereignis eintritt.

21 Erweiterungseinheiten — Argumente für große Systemkapazität

Die CPU 414H unterstützt zusätzlich zum Zentralrack maximal 21 Erweiterungseinheiten — insgesamt 22 physische Racks in der größtmöglichen Konfiguration.

Jedes Rack beherbergt Signalmodule, Funktionsmodule und Kommunikationsprozessoren, wobei jedes Rack bis zu 8 zusätzliche Modulsteckplätze zur Station beiträgt. Bei 8 Modulen pro Rack über 22 Racks kann eine vollständig ausgebaute CPU 414H-Station über 176 Modulpositionen aufnehmen.

In der Praxis werden S7-400H-Stationen für die kontinuierliche Prozessautomatisierung selten bis zum absoluten Maximum ausgebaut.

Die 21-Rack-Erweiterungskapazität dient dazu, den Skalierungsanforderungen großer integrierter Prozessanlagen gerecht zu werden — einer Raffinerie-Destillationsanlage, einem Chemieanlagenkomplex, einer großen Wasseraufbereitungsanlage —, bei denen eine einzige S7-400H-Station mehrere hundert Feldinstrumente, mehrere Antriebe und Dutzende von diskreten Ausrüstungsgegenständen steuern kann. 

Die Kapazität der 414H ist so kalibriert, dass sie diese wirklich großen Programme verarbeiten kann, ohne dass die Station in mehrere kommunizierende Steuerungen aufgeteilt werden muss, was die Komplexität der Engineering-Prozesse und potenzielle Fehlerquellen in der Architektur erhöhen würde.

S7-400F/FH — Redundanz mit funktionaler Sicherheit kombinieren

Die CPU 414H ist für den Einsatz in S7-400F/FH-Konfigurationen zertifiziert — Systeme, die die H-System-Hardware-Redundanz (Hot-Standby-CPU-Paare) mit IEC 61508-zertifizierter funktionaler Sicherheit kombinieren. Im S7-400F/FH-Betrieb führt die CPU sowohl ein Standard-Benutzerprogramm als auch ein Sicherheitsprogramm aus.

Das Sicherheitsprogramm implementiert die Safety Instrumented Functions (SIFs), die in der Sicherheitsanforderungsspezifikation der Anlage definiert sind, und läuft auf sicherheitsbewerteten F-CPUs mit dem PROFIsafe-Kommunikationsprotokoll, das die zertifizierte Sicherheit über das PROFIBUS DP-Netzwerk zu F-Peripheriegeräten erweitert.

Die F/FH-Konfiguration ist die vollständige Sicherheits- und Verfügbarkeitslösung für Prozessinstallationen in explosionsgefährdeten Bereichen: Die H-Redundanz verhindert ungeplante Abschaltungen aufgrund von Steuerungs-Hardwarefehlern, während die F-Zertifizierung sicherstellt, dass die sicherheitsgerichteten Funktionen die erforderliche Safety Integrity Level (SIL 1, 2 oder 3, je nach Anwendung) gemäß der Prozessrisikoanalyse erreichen.

In Anlagen wie Upstream-Öl- und Gasförderplattformen, Raffinerien und Chemieanlagen ist die Kombination aus kontinuierlicher Verfügbarkeit und zertifizierter Sicherheit in derselben Steuerung kein Luxusmerkmal, sondern eine regulatorische und betriebliche Anforderung.

Strategie für Ersatzteile für ausgelaufene H-CPUs

Die CPU 414H wurde von Siemens mit Wirkung vom 01.02.2017 eingestellt, was bedeutet, dass sie nicht mehr hergestellt oder über die Standard-Vertriebskanäle von Siemens vertrieben wird. Ausgelaufen bedeutet jedoch nicht nicht verfügbar.

Siemens verpflichtet sich in der Regel zur Ersatzteilverfügbarkeit für zehn Jahre nach der Einstellung kritischer Industrieprodukte — eine Richtlinie, die viele derzeit betriebene S7-400H-Installationen abdeckt. Über das Siemens-Ersatzteilfenster hinaus verfügt der Markt für industrielle Gebrauchtwaren und überholte Geräte über beträchtliche Lagerbestände an geprüften und garantierten CPU 414H-Einheiten.

Für Standorte, die S7-400H-Systeme mit CPU 414H-Einheiten betreiben, beträgt der empfohlene Mindestbestand an Ersatzteilen ein vollständiger Satz von H-CPU-Modulen — zwei Einheiten der 6ES7414-4HM14-0AB0, da beide Racks identische CPUs benötigen. Ein nicht übereinstimmendes CPU-Paar (unterschiedliche Firmware-Versionen oder eine Original- und eine überholte Einheit mit leicht unterschiedlichen Produktionsdaten) kann zwar noch funktionieren, erfordert aber möglicherweise eine Firmware-Harmonisierung.

Das Vorhalten von passenden Ersatzpaaren vereinfacht den Notfallaustausch und eliminiert die Notwendigkeit, die Firmware-Kompatibilität unter Zeitdruck während einer ungeplanten Ausfallzeit zu verwalten.

FAQ

F1: Die CPU 414H verfügt über zwei PROFIBUS DP-Schnittstellen — die MPI/DP-Kombinationsschnittstelle und die dedizierte DP-Schnittstelle. Sind beide gleichzeitig verfügbar und können sie an verschiedene PROFIBUS DP-Netzwerke angeschlossen werden?

Ja, beide PROFIBUS DP-Schnittstellen können gleichzeitig betrieben werden und an separate, unabhängige PROFIBUS DP-Netzwerke angeschlossen werden. In der STEP 7-Hardwarekonfiguration wird jeder Schnittstelle ein eigenes PROFIBUS-Netzwerk mit eigenen Busparametern (Busadresse, Übertragungsgeschwindigkeit, Timing-Parameter) zugewiesen.

Die CPU 414H arbeitet als DP-Master in beiden Netzwerken unabhängig voneinander — sie scannt Slaves in Netzwerk 1 und Netzwerk 2 abwechselnd innerhalb jedes SPS-Scanzyklus.

Diese Dual-Master-Fähigkeit ist besonders wertvoll in großen Prozessanlagen, wo die Trennung von Instrumentierung (Transmitter, Analysatoren) von Antriebsausrüstung (Frequenzumrichter, Sanftstarter) auf unabhängige Bussegmente die gegenseitige Netzinterferenz reduziert und die Fehlersuche vereinfacht, indem Fehlerdomänen isoliert werden.

Die MPI/DP-Schnittstelle kann auch im MPI-Modus anstelle des DP-Modus konfiguriert werden, wenn keine PROFIBUS DP-Masterfunktion an dieser physischen Schnittstelle benötigt wird — zum Beispiel, um sie ausschließlich für die Programmierung von Terminalzugängen und HMI-Verbindungen zu nutzen.

F2: Wie lange dauert der Wechsel (Failover-Zeit), wenn die aktive CPU der CPU 414H ausfällt und die Standby-CPU übernimmt?

Die Failover-Zeit in einem korrekt konfigurierten S7-400H-System mit CPU 414H liegt innerhalb des SPS-Scanzyklus — typischerweise im Bereich von mehreren Millisekunden bis zu einigen zehn Millisekunden, abhängig von der Systemkonfiguration, der Kommunikationslast und der Anzahl der PROFIBUS DP-Slaves. Während der normalen Hot-Standby-Synchronisation führen beide CPUs im selben Programm mit denselben Daten in jedem Scanzyklus aus.

Der Synchronisationsmechanismus stellt sicher, dass der Speicherzustand der Standby-CPU — Ausgänge, Datenbausteine, Timer, Zähler — an jeder Scan-Grenze die Master-CPU widerspiegelt.

Wenn die Master-CPU ausfällt, erklärt sich die Standby-CPU zur aktiven und beginnt sofort mit der Steuerung der Ausgänge, ohne eine Neustartsequenz auszuführen oder Eingänge aus einem kalten Zustand neu zu lesen.

Aus Sicht der Feldgeräte behalten die Ausgänge ihren letzten gültigen Zustand ohne wahrnehmbare Unterbrechung bei; aus Sicht der PROFIBUS DP-Slaves scannt der Master sie ohne Ausfall eines Zyklus weiter.

F3: Kann die CPU 414H im Single-CPU-Nicht-Redundanzmodus betrieben werden, wenn die zweite CPU zur Wartung entfernt wird, und welche Auswirkungen hat dies?

Die CPU 414H kann im Single-CPU-Modus betrieben werden — wenn nur eine Einheit in ihrem Rack installiert ist oder wenn die Synchronisationsverbindung zwischen den beiden CPUs fehlt, läuft das S7-400H-System auf der verfügbaren CPU weiter. Dieser Modus wird als Einzelbetrieb oder degradierter Modus bezeichnet.

Das System generiert einen Diagnosealarm, der anzeigt, dass die volle Redundanz nicht verfügbar ist, und die STEP 7/WinCC-Bedienoberfläche zeigt eine entsprechende Statusmeldung an.

In diesem degradierten Zustand führt die funktionierende CPU die gesamte Prozesssteuerung, die PROFIBUS DP-Kommunikation und die HMI-Datenbereitstellung normal weiter — aber jeder Hardwarefehler, der diese einzelne CPU betrifft, würde zu einem Prozessstillstand führen, da keine Partner-CPU zum Übernehmen vorhanden ist.

Für geplante Wartungsarbeiten — Austausch eines ausgefallenen Sync-Submoduls, Durchführung von vorbeugenden Wartungsarbeiten an einem CPU-Rack — ist der Betrieb im degradierten Modus für einen kurzen, kontrollierten Zeitraum akzeptabel und vorgesehen. Ein längerer Betrieb im degradierten Modus erhöht das Risikoprofil der Anlage erheblich.

F4: Welche Bedeutung hat die Speicheraufteilung — 1,4 MB Daten und 1,4 MB Programm — für die Programmentwicklung, und können Benutzerdatenbausteine Speicher für Programme verbrauchen oder umgekehrt?

In der SIMATIC S7-400H ist der Arbeitsspeicher (RAM, den die CPU für die aktive Programmausführung verwendet) bei der Herstellung in eine feste Code- (Programm-) Partition und eine feste Datenpartition unterteilt, und diese Partitionen sind nicht austauschbar. Programmcode — OBs, FCs, FBs, die kompilierten Befehlssequenzen — verbraucht Codespeicher; Datenbausteine (DBs), einschließlich Instanz-DBs, gemeinsame DBs und Rezeptspeicher — verbrauchen Datenspeicher.

Ein Programm mit vielen komplexen Steuerungsalgorithmen, aber relativ kleinen Datensätzen passt bequem in die 1,4 MB Code-Grenze, während nur ein Bruchteil der 1,4 MB Datenzuweisung genutzt wird.

Umgekehrt kann ein Programm mit relativ einfacher Steuerlogik, aber großen Rezepttabellen, Historikerpuffern oder umfangreichen Alarmdatenstrukturen den 1,4 MB Datenspeicher füllen, während der Codespeicher weitgehend leer bleibt. Programmieranwender, die mit der CPU 414H arbeiten, sollten beide Speicherbereiche während der Entwicklung unabhängig voneinander überwachen.

Der Ladespeicher (Flash/EPROM oder Speicherkarte) enthält die gespeicherte Kopie des Programms; der Arbeitsspeicher enthält die aktiv ausgeführte Kopie; nur die Partitionierung des Arbeitsspeichers ist für die Laufzeitbemessung relevant.

F5: Ist STEP 7 V5.x die einzige Programmierumgebung für die CPU 414H oder kann TIA Portal verwendet werden?

Die CPU 414H ist als Teil der klassischen SIMATIC S7-400H-Plattform mit STEP 7 Professional V5.x — der traditionellen STEP 7 Classic-Umgebung — zu programmieren.

TIA Portal unterstützt die S7-400H-CPU-Familie nicht für die Programmierung; die S7-400-Unterstützung von TIA Portal umfasst Standard-S7-400-CPUs (nicht H), und die aktuelle Hochverfügbarkeitsplattform, die in TIA Portal unterstützt wird, ist die S7-1500H. Die Erstellung einer CPU 414H in TIA Portal ist nicht möglich.

Wenn ein Standort auf TIA Portal für alle anderen SPS-Programmierungen standardisiert hat, muss das S7-400H-Programm weiterhin mit STEP 7 V5.5 oder STEP 7 Professional gepflegt und erweitert werden. Siemens hat sich verpflichtet, STEP 7 V5.x für die bestehende installierte Basis von S7-300- und S7-400-Systemen zu unterstützen; Updates und Sicherheitspatches sind weiterhin verfügbar, auch wenn der primäre Entwicklungsschwerpunkt auf TIA Portal verlagert wurde.