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Siemens 6ES7312-1AE14-0AB0 | SIMATIC S7-300 CPU 312 — Unité centrale de traitement, interface MPI, mémoire de travail de 32 Ko, alimentation intégrée 24 VDC, traitement de bits de 0,1 µs, 40 × 125 × 130 mm

Vue d'ensemble

Le Siemens 6ES7312-1AE14-0AB0 est le CPU 312 — le CPU standard d'entrée de gamme (non compact) de la famille SIMATIC S7-300.

Avec une largeur minimale de 40 mm et un poids de 270 g, il fait partie des CPU S7-300 les plus compacts physiquement, tout en offrant l'ensemble complet des instructions S7-300, l'interface de communication MPI standard, et des performances de traitement suffisantes pour la grande majorité des tâches de contrôle de machines et d'automatisation de processus de petite à moyenne taille.

Pour comprendre la place du CPU 312, il faut comprendre la structure de la gamme des CPU S7-300.

La famille s'étend des CPU compacts (comme le CPU 312C, qui dispose d'entrées/sorties numériques intégrées) aux CPU standard (comme ce CPU 312, sans entrées/sorties intégrées mais avec une flexibilité modulaire complète), en passant par des CPU plus puissants (CPU 314, 315, 317) avec des mémoires plus grandes et des interfaces PROFIBUS DP intégrées. 

Le CPU 312 est le point de départ de la gamme des CPU standard — le choix lorsque la tâche nécessite la modularité et la flexibilité d'ingénierie de l'architecture des CPU standard, mais ne requiert pas la mémoire plus importante, la capacité multi-rack ou les interfaces supplémentaires des CPU de modèles supérieurs.

La mémoire de travail de 32 Ko est la principale contrainte du CPU 312, et elle définit les applications pour lesquelles il convient.

Avec 32 Ko, le CPU 312 peut accueillir des programmes STEP 7 de petite à moyenne taille — ceux comportant jusqu'à plusieurs centaines de blocs de programme, une logique de contrôle PLC standard, une gestion de données de base et des exigences de communication modérées.

Il ne convient pas aux programmes qui gèrent de grandes tables de recettes, des tampons d'historique étendus ou des algorithmes mathématiques complexes qui génèrent un code objet volumineux. Pour ces applications, les CPU 314 (64 Ko), CPU 315-2 DP (256 Ko) ou CPU 317-2 DP (1 Mo) sont les choix appropriés.

Spécifications clés

Traitement binaire de 0,1 µs — Ce que cela signifie pour les temps de cycle

La vitesse de 0,1 µs par instruction binaire du CPU 312 est la métrique fondamentale de la vitesse d'exécution du processeur. En pratique, un programme S7-300 typique mélange des instructions binaires (contacts/bobines), des opérations sur mots, des calculs arithmétiques et des surcoûts de communication.

Un programme de 1 000 instructions binaires a un temps d'exécution d'instruction brut de 0,1 ms — mais le temps de cycle total est plus long car le système d'exploitation S7-300 ajoute une mise à jour de l'image de processus (lecture de toutes les entrées, écriture de toutes les sorties), un traitement de communication et un surcoût d'auto-test à chaque cycle.

Pour un CPU 312 exécutant un programme de taille modérée dans une station à rack unique avec des modules numériques et analogiques S7-300 standard, les temps de cycle typiques se situent dans la plage de 5 à 15 ms, en fonction de la taille du programme, du nombre de modules actifs et du trafic de communication sur l'interface MPI. Pour les applications de contrôle de machines ciblées par le CPU 312 — séquençage de convoyeurs, interverrouillage de machines, processus de batch simples — un temps de cycle de 5 à 15 ms est tout à fait adéquat.

Les boucles de régulation de température, la régulation de pression et d'autres variables de processus à dynamique lente évoluent sur une échelle de temps de secondes à minutes, rendant le temps de cycle de scan du PLC non pertinent pour la performance de la boucle (qui est dominée par le temps de réponse de l'émetteur et la dynamique de la vanne).

Seuls les processus mécaniques rapides (tri à haute vitesse, contrôle de presses, opérations de pick-and-place rapides) nécessitent des temps de cycle PLC inférieurs à 5 ms, et ces applications sont desservies par des CPU haute performance avec des mémoires significativement plus grandes et des capacités de traitement d'interruptions dédiées, pas par le CPU 312.

La carte Micro Memory Card — Stockage de programme sans batterie

Le CPU 312 nécessite une carte Micro Memory Card (MMC) pour le stockage du programme — la carte basée sur Flash qui sert simultanément de mémoire de chargement (stockant le programme complet téléchargé depuis STEP 7) et de mécanisme de stockage persistant qui élimine le besoin d'une batterie de secours. Chaque fois que le CPU 312 est mis sous tension, il lit le programme depuis la MMC dans la RAM de travail et commence l'exécution. Le programme sur la MMC est non volatile — il persiste indéfiniment à travers les cycles d'alimentation, Siemens spécifiant une rétention de données d'au moins 10 ans sur la MMC.

Ce fonctionnement sans batterie est un avantage de maintenance réel par rapport aux générations de CPU plus anciennes qui nécessitaient un remplacement régulier de la batterie pour préserver le programme lors des coupures de courant. Une batterie de secours déchargée ou défaillante dans un CPU S7-300 ou S5 plus ancien entraînait une perte complète du programme lors de la prochaine interruption de courant — un événement de service qui pouvait nécessiter des heures de rechargement du programme et de redémarrage du système dans un environnement de production.

L'architecture MMC élimine entièrement ce mode de défaillance. La MMC est la sauvegarde — retirer la MMC d'un CPU en fonctionnement préserve le programme intact sur la carte, qui peut être transportée vers un terminal de programmation pour sauvegarde ou vers un CPU de remplacement pour pré-chargement.

La prise de service à 6 caractères sur la face avant du CPU 312 accepte les MMC S7-300 standard (SIMATIC Micro Memory Cards, famille 6ES7953-8LXXX-0AA0) dans des capacités allant de 64 Ko à 8 Mo.

Interface MPI — Capacités et limitations

Le CPU 312 fournit une seule interface MPI — pas de PROFIBUS DP, pas de PROFINET, pas d'Ethernet intégré.

Cette limitation d'interface est le critère de sélection le plus important : si l'application exige que le CPU agisse en tant que maître PROFIBUS DP (contrôlant des stations d'E/S distantes, des variateurs ou des instruments sur un réseau PROFIBUS), le CPU 312 n'est pas le bon choix. Un CPU avec une interface PROFIBUS DP intégrée (CPU 315-2 DP, CPU 317-2 DP) ou l'ajout d'un processeur de communication CP 342-5 serait nécessaire.

Ce que l'interface MPI fournit est :

Accès au terminal de programmation : Un poste de travail STEP 7 se connecte au CPU via un adaptateur PC (6ES7972-0CB20-0XA0 ou équivalent USB) via le port MPI pour le téléchargement du programme, la surveillance en ligne et le diagnostic.

Connexion IHM : Les panneaux opérateurs Siemens OP et TP se connectent via MPI pour afficher les données du processus et accepter les entrations de l'opérateur. Pour les MES à panneau unique, la connexion MPI est économique et simple.

Communication PLC à PLC : Plusieurs CPU S7-300 peuvent partager un réseau MPI et échanger des données via la communication de base S7 (SFC 65/66 pour les données globales) ou la communication S7 (SFB 8/9 BSEND/BRCV ou SFB 12/13 BSEND/BRCV), permettant une coordination simple multi-contrôleurs sans PROFIBUS.

Données globales : Jusqu'à 4 cercles de données globales peuvent être définis pour l'échange cyclique de données entre les contrôleurs S7 sur le même réseau MPI — un mécanisme simple pour partager les variables d'état entre les PLC sans programmation de communication explicite.

La limite de 6 connexions du CPU 312 (total des connexions PG, OP et S7) contraint le nombre de participants actifs simultanément sur le réseau MPI.

Dans une station avec un terminal de programmation, un panneau IHM et une liaison de communication S7, la limite de connexion est déjà presque atteinte.

Structure du programme et types de blocs

Le CPU 312 prend en charge la structure complète du programme basé sur des blocs de STEP 7 dans sa limite totale de 1 024 blocs.

Les types de blocs sont :

OB (Blocs d'organisation) : L'interface entre le système d'exploitation et le programme utilisateur. OB1 est le programme cyclique principal. OB35 est une interruption cyclique (100 ms par défaut). OB40 est une interruption matérielle provenant des modules. OB82 est une interruption de diagnostic.

OB100 est l'OB de démarrage. Les OB sont les points d'entrée définis par lesquels le système d'exploitation S7-300 appelle le code utilisateur en réponse à des événements.

FB (Blocs fonctionnels) et FC (Fonctions) : Modules de programme réutilisables créés par l'utilisateur. Les FB ont des blocs de données d'instance associés qui stockent les variables statiques du FB ; les FC sont des fonctions sans état.

Les deux peuvent être appelés depuis des OB ou depuis d'autres FB/FC pour créer une hiérarchie de programme structurée.

DB (Blocs de données) : Zones de stockage de données — blocs de données partagés pour les variables de toute l'usine, blocs de données d'instance pour les FB, et stockage de données rétentives.

Dans une mémoire de travail de 32 Ko, tous les OB + FB + FC + DB combinés doivent tenir dans 32 Ko.

Les ingénieurs expérimentés S7-300 connaissent la gestion du budget mémoire — le menu STEP 7 Online fournit l'utilisation de la mémoire de travail en temps réel, et des objectifs de taille de programme doivent être établis tôt dans le projet pour éviter de découvrir la limite de 32 Ko tard dans le développement.

FAQ

Q1 : Le CPU 312 n'a pas d'interface PROFIBUS DP. Comment peut-il communiquer avec des périphériques de terrain PROFIBUS si l'application l'exige ?

L'approche standard pour ajouter une capacité de maître PROFIBUS DP à un système CPU 312 consiste à installer un module processeur de communication CP 342-5 (6GK7342-5DA02-0XE0) dans le rack S7-300.

Le CP 342-5 fournit une interface maître PROFIBUS DP complète et fonctionne indépendamment du port MPI du CPU 312. Du point de vue du programme du CPU 312, le CP 342-5 échange des données avec le CPU via le backplane S7-300, et le programmeur utilise des appels de fonction (FC1 DP_SEND et FC2 DP_RECV de la bibliothèque de fonctions du CP 342-5) pour transférer des données entre les blocs de données du CPU 312 et l'image d'E/S PROFIBUS du CP 342-5.

Cette approche consomme l'un des 8 précieux slots de modules du CPU 312, et le coût supplémentaire du CP 342-5 (qui dépasse le CPU 312 lui-même en prix catalogue) rend souvent plus économique la mise à niveau vers un CPU 315-2 DP (qui intègre PROFIBUS DP) plutôt que l'ajout du CP à un système CPU 312. L'approche CP 342-5 est appropriée pour les installations CPU 312 existantes où l'ajout de la capacité PROFIBUS est nécessaire mais un remplacement complet du CPU n'est pas justifié.

Q2 : Quel est le nombre maximum de points d'E/S analogiques et numériques que le CPU 312 peut traiter dans une seule station, et est-ce limité par la mémoire de travail ou par le matériel ?

La limite matérielle est plus restrictive que la limite de mémoire pour le CPU 312.

La taille de l'image de processus — 128 octets pour les entrées et 128 octets pour les sorties — détermine le nombre maximal d'E/S adressables : 128 octets × 8 bits = 1 024 entrées numériques (I 0.0 à I 127.7) et 1 024 sorties numériques (Q 0.0 à Q 127.7), ou un mélange équivalent d'adressage analogique et numérique dans la même plage d'octets.

La limite matérielle est le nombre de slots de modules : 8 slots dans le rack central + 8 slots dans le seul rack d'extension autorisé = 16 positions de modules au total. Avec des modules numériques à 16 canaux de 2 octets chacun, 16 modules fournissent 32 octets d'E/S numériques — bien dans la limite de l'image de processus.

Avec des modules analogiques à 8 canaux de 16 octets chacun (8 canaux × 2 octets par mot analogique), 16 modules analogiques consommeraient 256 octets — dépassant la limite de l'image de processus. En pratique, une installation mixte de modules numériques et analogiques dans une station de 16 slots n'a aucune difficulté à rester dans la limite de l'image de processus de 128 octets.

La mémoire de travail de 32 Ko contraint la complexité du programme mais rarement l'adressage des E/S pour l'échelle des installations ciblées par le CPU 312.

Q3 : Que devient la donnée rétentive du bloc de données lorsque le CPU 312 perd l'alimentation, et quel est le rôle de la carte Micro Memory Card dans la rétention des données ?

Dans l'architecture mémoire du CPU 312, la RAM de travail (32 Ko) est la mémoire d'exécution active — elle contient le programme en cours d'exécution et toutes les valeurs de variables actuelles. La RAM de travail est volatile : elle perd son contenu lorsque l'alimentation est coupée.

La carte Micro Memory Card est une mémoire Flash non volatile et ne contient que la copie de la mémoire de chargement du programme. De manière critique, le contenu des blocs de données — même s'il est marqué comme rétentif dans les propriétés du bloc de données de STEP 7 — n'est pas automatiquement sauvegardé sur la MMC pendant le fonctionnement.

Les données rétentives dans le CPU 312 sont préservées lors de brèves interruptions d'alimentation par un circuit alimenté par condensateur dans le CPU (le même condensateur interne qui maintient l'horloge du CPU lors de la perte d'alimentation), mais ce condensateur ne conserve les données que pendant un temps limité (généralement quelques heures à température ambiante).

Si le CPU est hors tension suffisamment longtemps pour que le condensateur se décharge, les données rétentives sont perdues. Pour les applications où les données doivent survivre à des coupures de courant prolongées — compteurs de production, numéros d'identification de batch, totaux accumulés — le programme doit périodiquement écrire ces valeurs dans un bloc de données non rétentif et copier l'intégralité du bloc de données sur la MMC en utilisant SFC 84 (WRIT_DBL, Écrire bloc de données en mémoire de chargement).

Au démarrage, OB100 lit le bloc de données depuis la MMC en utilisant SFC 82 (CREA_DBL ou similaire). Cette procédure explicite d'écriture/lecture MMC fournit un véritable stockage non volatile au prix de routines de démarrage/arrêt légèrement plus longues.

Q4 : Le CPU 312 peut-il être programmé avec TIA Portal, ou STEP 7 V5.x est-il requis ?

Principalement STEP 7 V5.5 SP1 ou ultérieur (STEP 7 classique, pas TIA Portal) est l'environnement de programmation natif pour le CPU 312.

TIA Portal n'inclut pas de support natif pour le CPU S7-300 312 dans sa configuration de produit standard — le support S7-300 de TIA Portal couvre des modèles de CPU spécifiques que Siemens a explicitement inclus dans la bibliothèque S7-300 de TIA Portal, et l'ancien CPU 312 (en particulier la version matérielle 1AE14) peut ne pas être entièrement pris en charge. 

Certains ingénieurs ont utilisé TIA Portal avec le support des appareils hérités S7-300 via des fichiers HSP (Hardware Support Package) disponibles sur Siemens Industry Online Support, mais cette approche doit être vérifiée par rapport à la version spécifique de TIA Portal et à la version du firmware du CPU 312 avant de s'y engager pour un projet de production.

Pour les nouveaux projets où TIA Portal est l'environnement d'ingénierie requis, Siemens recommande de sélectionner un CPU S7-300 de la gamme explicitement prise en charge dans TIA Portal (tel que le CPU 315-2 PN/DP ou le CPU 317-2 DP dans les versions de firmware ultérieures) ou de migrer vers la plateforme S7-1500, qui est la cible principale de TIA Portal.

Q5 : Quel est le chemin de migration recommandé du CPU 312 vers une plateforme Siemens actuelle, et quelle est la complexité de la migration ?

La recommandation officielle de Siemens pour la migration de S7-300 est vers la plateforme SIMATIC S7-1500. Pour le profil d'application typique du CPU 312 — petites machines autonomes, contrôle de processus simple, installations à rack unique — le CPU S7-1500 1511-1 PN est le remplacement fonctionnel approximatif : il offre une mémoire de travail significativement plus grande (150 Ko), PROFINET IO intégré, un traitement plus rapide (48 ns binaire) et une ingénierie TIA Portal.

L'effort de migration n'est pas négligeable : le programme STEP 7 doit être restructuré et réécrit pour TIA Portal (aucune conversion de code automatisée n'existe — STEP 7 Classic et TIA Portal utilisent des paradigmes de programmation et des structures de blocs différents, bien que l'ensemble d'instructions soit largement compatible au niveau du langage).

Les E/S matérielles doivent être repensées (les modules S7-300 ne sont pas compatibles avec S7-1500), et toutes les IHM connectées en MPI doivent être remplacées ou mises à jour vers une connectivité PROFINET ou Ethernet. 

Pour les sites qui ne peuvent pas supporter l'investissement en ingénierie d'une migration complète, le maintien du CPU 312 existant sur STEP 7 V5.x avec des pièces de rechange est une stratégie viable à long terme — Siemens s'engage à 10 ans de disponibilité des pièces de rechange après l'arrêt (jusqu'à environ 2033), et la base installée des systèmes S7-300 est suffisamment importante pour soutenir un marché secondaire pour le matériel et l'expertise de support bien au-delà de cette période.