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通過 PROFINET IO 進行過程通信

SIMATIC S7-300 通過通信處理器或通過配備集成 PROFINET 接口的 CPU 連接到 PROFINET IO 總線系統(tǒng)。通過帶有 PROFIBUS 接口的 CPU,可構(gòu)建一個高速的分布式自動化系統(tǒng)，并且使得操作大大簡化。

從用戶的角度來看，PROFINET IO 上的分布式I/O處理與集中式I/O處理沒有區(qū)別（相同的組態(tài)，編址及編程）。

可將下列設(shè)備作為 IO 控制器進行連接：

• SIMATIC S7-300
  （使用配備 PROFINET 接口或 PROFINET CP 的 CPU）
• SIMATIC ET 200
  （使用配備 PROFINET 接口的 CPU）
• SIMATIC S7-400
  （使用配備 PROFINET 接口或 PROFINET CP 的 CPU）

可將下列設(shè)備作為 IO 設(shè)備進行連接：

• ET 200 分布式 I/O 設(shè)備
• ET 200S IM151-8 PN/DP CPU, ET 200pro IM154-8 PN/DP CPU
• SIMATIC S7-300
  （使用配備 PROFINET 接口或 PROFINET CP 的 CPU）
• 現(xiàn)場設(shè)備

通過 AS-Interface 進行過程通信

S7-300 所配備的通信處理器 (CP 342-2) 適用于通過 AS-Interface 總線連接現(xiàn)場設(shè)備（AS-Interface 從站）。

更多信息，請參見通信處理器。

通過 CP 或集成接口（點對點）進行數(shù)據(jù)通信

通過 CP 340/CP 341 通信處理器或 CPU 313C-2 PtP 或 CPU 314C-2 PtP 的集成接口，可經(jīng)濟有效地建立點到點連接。有三種物理傳輸介質(zhì)支持不同的通信協(xié)議：

• 20 mA (TTY)（僅 CP 340/CP 341）
• RS 232C/V.24（僅 CP 340/CP 341）
• RS 422/RS 485

可以連接以下設(shè)備：

• SIMATIC S7、SIMATIC S5 自動化系統(tǒng)和其他公司的系統(tǒng)
• 打印機
• 機器人控制
• 掃描器，條碼閱讀器，等

特殊功能塊包括在通信功能手冊的供貨范圍之內(nèi)。

使用多點接口 (MPI) 進行數(shù)據(jù)通信

MPI（多點接口）是集成在 SIMATIC S7-300 CPU 上的通信接口。它可用于簡單的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。

• MPI 可以同時連接多個配有 STEP 7 的編程器/PC、HMI 系統(tǒng)（OP/OS）、S7-300 和 S7-400。
• 全局數(shù)據(jù)：
  “全局數(shù)據(jù)通信”服務(wù)可以在聯(lián)網(wǎng)的 CPU 間周期性地進行數(shù)據(jù)交換。 一個 S7-300 CPU 可與多達 4 個數(shù)據(jù)包交換數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)包含有 22 字節(jié)數(shù)據(jù)，可同時有 16 個 CPU 參與數(shù)據(jù)交換（使用 STEP 7 V4.x）。
  例如，可以允許一個 CPU 訪問另一個 CPU 的輸入/輸出。只可通過 MPI 接口進行全局數(shù)據(jù)通信。
• 內(nèi)部通信總線(C-bus)：
  CPU 的 MPI 直接連接到 S7-300 的 C 總線。因此，可以通過 MPI 從編程器直接找到與 C 總線連接的 FM/CP 模塊的地址。
• 功能強大的通信技術(shù)：
  • 多達 32 個 MPI 節(jié)點。
  • 使用 SIMATIC S7-300/-400 的 S7 基本通信的每個 CPU 有多個通信接口。
  • 使用編程器/PC、SIMATIC HMI 系統(tǒng)和 SIMATIC S7-300/400 的 S7 通信的每個 CPU 有多個通信接口。
  • 數(shù)據(jù)傳輸速率 187.5 kbit/s 或 12 Mbit/s
• 靈活的組態(tài)選項：
  可靠的組件用于建立 MPI 通信： PROFIBUS 和“分布式 I/O”系列的總線電纜、總線連接器和 RS 485 中繼器。使用這些組件，可以根據(jù)需求實現(xiàn)設(shè)計的 化調(diào)整。例如，任意兩個MPI節(jié)點之間最多可以開啟10個中繼器，以橋接更大的距離。
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巴伐利亞南部的一個小村莊產(chǎn)出的綠色電能大大超過其用電量，這使其成為試驗智能電網(wǎng)技術(shù)的理想之地。試驗項目由西門子、當?shù)仉娏竞蛢伤髮W共同實施。

Ignaz Einsiedler靈活地爬上梯子，來到一個大罐子上面巨大的灰色的圓拱型儲氣囊旁邊。橡膠蓋下面，褐色的混合物里有青草、玉米和其他生物質(zhì)，中間還混雜著泥漿氣泡。“就像一個巨大的牛胃。”這位63歲的農(nóng)民這樣描述道。這個“胃”消化這些生物質(zhì)，并將其轉(zhuǎn)化成沼氣，沼氣被送至Einsiedler的地下室。地下室里有兩臺燃燒沼氣的發(fā)電機。Einsiedler將沼氣發(fā)電機以及他家房頂上的三臺光伏設(shè)備產(chǎn)生的電能送入

和德國南部Oberallgäu地區(qū)Wildpoldsried村的2500名居民中的很多人一樣，Einsiedler也是一名能源先鋒。這里幾乎家家戶戶的房頂上都有藍色的太陽能電池板，它們在陽光下熠熠生輝。沼氣發(fā)酵產(chǎn)生甲烷，消耗甲烷的熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）工廠排放出的廢氣，從很多谷倉的金屬煙囪中裊裊升起。很多民房都從4.7公里長的地區(qū)電網(wǎng)中獲得熱能。Einsiedler和本地其他居民通過為此專門成立的合作機構(gòu)，一起建造并籌資運營這個電網(wǎng)。Einsiedler還擁有一個燃氣網(wǎng)絡(luò)和五家風電站的股份。這個燃氣網(wǎng)絡(luò)負責向三家聯(lián)合發(fā)電廠輸送燃氣；這些風電站*是由村民們聯(lián)合籌資運營的，沒有引入任何外部投資。

“Wildpoldsried村的居民們有點瘋狂，但這種瘋狂是積極的。”當?shù)仉娋W(wǎng)運營商AllgäuNetz有限公司的律師Guido Zeller說道。其中最瘋狂的恐怕就是Arno Zengerle了，他從1996年起就一直擔任這里的村長。*個任期一開始，Zengerle就讓村民就村莊的發(fā)展目標進行投票。“要想有效保護大氣，就必須得到大家的積極支持，而不是違背他們的心愿。” Zengerle說。正是得到了大家的支持，Wildpoldsried村現(xiàn)在才能產(chǎn)出兩倍于自身需求的電力。的確，現(xiàn)在很多村民既是電能的生產(chǎn)者也是消費者——即所謂的“生產(chǎn)型消費者”。

上圖：Wildpoldsried村的智能電網(wǎng)包括32輛電動車。這些車輛可以存儲多余的電能。

電能盈余帶來的困擾。Wildpoldsried村使大家看到了未來20年間德國將面臨的情形。但是，一切并非看起來那么容易。建立太陽能、風能和沼氣發(fā)電廠，這些還遠遠不夠。利用可再生能源生產(chǎn)的電能，還要被送抵用戶家中，這就需要建立一個系統(tǒng)來保持電力生產(chǎn)和消耗之間的平衡。不過，這個村莊如今面對的問題正是每一個社區(qū)所樂見的。它擁有的電能實在太多了。實際上，輸入的波動會影響電網(wǎng)的輸出功率，半小時內(nèi)的浮動可以高達8兆瓦。

但對Robert Koerle來說，這種電能盈余卻令人頭疼。他在10公里以外的Kempten工作，任務(wù)是確保在任何時候，無論電量的輸入或輸出有多大，都要保證AüW電網(wǎng)的穩(wěn)定性。2010年，AüW選擇在Wildpoldsried村進行一項大規(guī)模試驗，旨在建立可以自動穩(wěn)定電力網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)是未來能源系統(tǒng)的關(guān)鍵，因為只有它才能順利輸送采用可再生能源生產(chǎn)的電能，而不導致電力網(wǎng)絡(luò)遭受破壞。

AüW制定計劃時，西門子基礎(chǔ)設(shè)施與城市業(yè)務(wù)領(lǐng)域的Alexander Hammer就在尋找一家電網(wǎng)運營商，作為項目合作伙伴測試新的智能電網(wǎng)技術(shù)。西門子和AüW于2011年4月簽署了一份合作協(xié)議，成立了IRENE （可再生能源并網(wǎng)發(fā)電與電動交通）項目。項目總投資約600萬歐元，其中三分之一來自兩家合作伙伴，剩余部分由德國聯(lián)邦經(jīng)濟技術(shù)部提供，因為后者很快就意識到該項目的重要性。

上圖：智能軟件系統(tǒng)平衡電力供需。

IRENE成立以來已經(jīng)開展了很多工作。例如，AüW已在太陽能和沼氣發(fā)電站以及變壓器中安裝了大約200個監(jiān)測裝置——裝有移動通訊模塊的黑匣子。氣象測量數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)攝像頭還被用于監(jiān)測云的運動。這些監(jiān)測的目的是了解誰在為電網(wǎng)送電，誰從電網(wǎng)拿走電力，他們何時何地送電或用電，以及所有這些對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。“我們需要管理網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)。”Hammer說道。他還指出，每天要將大約30億字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送到位于附近的Kempten的AüW總部。

一旦查明了電網(wǎng)存在的關(guān)鍵問題，就能有針對性地采取糾正措施。為此，西門子安裝了一個可以抵消電壓波動的可調(diào)變壓器。這種裝置在高壓電網(wǎng)中十分尋常，但卻是首次應用于二次配電網(wǎng)絡(luò)。

光伏設(shè)備中遠程控制逆變器的系統(tǒng)也是一項創(chuàng)新。當Allgau山陽光普照時，那里的太陽能模塊可以收集大量電能，因此會產(chǎn)生過多的交流電。集中管理逆變器可以保證電壓質(zhì)量并穩(wěn)定電網(wǎng)。“事實上，就算是線路冒煙了，你也不能要求關(guān)閉光伏設(shè)備。”Hammer說。因為《德國可再生能源法案》規(guī)定，電網(wǎng)公司必須接納利用可再生能源生產(chǎn)的所有電能。但IRENE項目的合作伙伴卻不受這一規(guī)定的限制，他們現(xiàn)在希望精確的數(shù)據(jù)收集和系統(tǒng)的精密控制功能，可以將Wildpoldsried村的電力生產(chǎn)者的損失降至最低。

智能平衡。Wildpoldsried村智能電網(wǎng)的核心是自組織能源自動化系統(tǒng)（SOEASY）軟件，它可以巧妙地平衡電力供需并維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。但是SOEASY可并不像它的名稱那么簡單（So Easy的意思是太簡單了——譯者注）。將電能送至千家萬戶的配電網(wǎng)絡(luò)的組件數(shù)量是高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的好幾倍。

上圖：智能控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)電量及入網(wǎng)電量。

為避免事情進一步復雜化，西門子中央研究院（CT）的工程師和計算機科學家開發(fā)出可擴展的軟硬件模塊，這樣即使智能電網(wǎng)以后擴容，相應的成本只會適度增加。收集和傳輸數(shù)據(jù)以及遠程控制設(shè)備的組件都是即插即用型的，因此不需要額外編程，就可以安裝到太陽能逆變器中。

SOEASY的幾個組件分布在電網(wǎng)各處，但是“起平衡作用的中央控制單元能夠提升配電網(wǎng)絡(luò)吸收可再生能源生產(chǎn)的電能的能力。”西門子中央研究院IRENE項目經(jīng)理Michael Metzger博士指出。個人本地能源代理——一種自主軟件模塊——控制著分散在不同地點的電力用戶、電力生產(chǎn)者以及電網(wǎng)之間的交互。每個“生產(chǎn)型消費者”都有這樣一個代理，它通過一個交易市場預定諸如天氣預報或系統(tǒng)優(yōu)化等集中式服務(wù)。SOEASY的組件還包括可實時監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)的“網(wǎng)絡(luò)傳輸代理”、維持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的“地區(qū)管理員”，以及可根據(jù)天氣變化等參數(shù)提前幾天或幾小時計劃需要進行哪些關(guān)鍵調(diào)節(jié)的“平衡大師”。

所有這些軟件代理相互之間高度關(guān)聯(lián)，*自動。它們控制電網(wǎng)中的執(zhí)行器，確保電壓質(zhì)量。這種執(zhí)行器包括用于配電網(wǎng)的新的可調(diào)變壓器、即將安裝的電池蓄能裝置，以及光伏系統(tǒng)中的逆變器。在項目完工前，還要安裝一套電力交換系統(tǒng)，以便各代理協(xié)調(diào)電力交付。

上圖：沼氣發(fā)電裝置自動向電力供應者傳送數(shù)據(jù)。

該項目的另一特色就是為Wildpoldsried村的居民提供32輛電動車。這些車輛已經(jīng)整合進村莊的智能電網(wǎng)，用作電能緩沖裝置。如果電能出現(xiàn)盈余，將優(yōu)先給這些車輛的電池充電。IRENE還會檢查在電力不足時可向電網(wǎng)回饋電能的電動車的使用情況。

目前，Wildpoldsried村的電動車尚未在當?shù)刂悄茈娋W(wǎng)中發(fā)揮積極作用。眼下項目組僅僅是監(jiān)控它們的使用情況。正因如此，這些車輛配備了能夠報告其行蹤的導航設(shè)備。研究人員希望根據(jù)行駛情況判斷它們的電池能夠在多大程度上充當電網(wǎng)的緩沖裝置。Kempten應用科學大學的科學家正在進行這個子項目的研究，他們還分析了電網(wǎng)中的非對稱負荷，找出了合理的測量點。IRENE項目的另一家科研合作伙伴是RWTH Aachen應用科學大學，這所大學正在利用車輛行駛數(shù)據(jù)開發(fā)覆蓋上萬輛電動車的更大型智能電網(wǎng)的仿真模型。

雖然IRENE項目將于2013年秋劃上句號，但Wildpoldsried村的居民不會讓AüW和西門子的研究人員就此止步。他們計劃到2020年*實現(xiàn)電能和熱能的自給自足，并初步設(shè)想利用風能從二氧化碳和水中提取天然氣。一些居民甚至計劃在歸還租賃的電動車后，擁有自己的電動車。這類車輛*不排放廢氣。畢竟，Wildpoldsried村的環(huán)保電能綽綽有余。