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通過(guò) PROFINET IO 進(jìn)行過(guò)程通信

SIMATIC S7-300 通過(guò)通信處理器或通過(guò)配備集成 PROFINET 接口的 CPU 連接到 PROFINET IO 總線(xiàn)系統。通過(guò)帶有 PROFIBUS 接口的 CPU,可構建一個(gè)高速的分布式自動(dòng)化系統，并且使得操作大大簡(jiǎn)化。

從用戶(hù)的角度來(lái)看，PROFINET IO 上的分布式I/O處理與集中式I/O處理沒(méi)有區別（相同的組態(tài)，編址及編程）。

可將下列設備作為 IO 控制器進(jìn)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）

可將下列設備作為 IO 設備進(jìn)行連接：

• ET 200 分布式 I/O 設備
• 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）
• 現場(chǎng)設備

通過(guò) AS-Interface 進(jìn)行過(guò)程通信

S7-300 所配備的通信處理器 (CP 342-2) 適用于通過(guò) AS-Interface 總線(xiàn)連接現場(chǎng)設備（AS-Interface 從站）。

更多信息，請參見(jiàn)通信處理器。

通過(guò) CP 或集成接口（點(diǎn)對點(diǎn)）進(jìn)行數據通信

通過(guò) 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(diǎn)到點(diǎn)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

可以連接以下設備：

• SIMATIC S7、SIMATIC S5 自動(dòng)化系統和其他公司的系統
• 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。

使用多點(diǎn)接口 (MPI) 進(jìn)行數據通信

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

• MPI 可以同時(shí)連接多個(gè)配有 STEP 7 的編程器/PC、HMI 系統（OP/OS）、S7-300 和 S7-400。
• 全局數據：
  “全局數據通信”服務(wù)可以在聯(lián)網(wǎng)的 CPU 間周期性地進(jìn)行數據交換。 一個(gè) S7-300 CPU 可與多達 4 個(gè)數據包交換數據，每個(gè)數據包含有 22 字節數據，可同時(shí)有 16 個(gè) CPU 參與數據交換（使用 STEP 7 V4.x）。
  例如，可以允許一個(gè) CPU 訪(fǎng)問(wèn)另一個(gè) CPU 的輸入/輸出。只可通過(guò) MPI 接口進(jìn)行全局數據通信。
• 內部通信總線(xiàn)(C-bus)：
  CPU 的 MPI 直接連接到 S7-300 的 C 總線(xiàn)。因此，可以通過(guò) MPI 從編程器直接找到與 C 總線(xiàn)連接的 FM/CP 模塊的地址。
• 功能強大的通信技術(shù)：
  • 多達 32 個(gè) MPI 節點(diǎn)。
  • 使用 SIMATIC S7-300/-400 的 S7 基本通信的每個(gè) CPU 有多個(gè)通信接口。
  • 使用編程器/PC、SIMATIC HMI 系統和 SIMATIC S7-300/400 的 S7 通信的每個(gè) CPU 有多個(gè)通信接口。
  • 數據傳輸速率 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(xiàn)電纜、總線(xiàn)連接器和 RS 485 中繼器。使用這些組件，可以根據需求實(shí)現設計的 化調整。例如，任意兩個(gè)MPI節點(diǎn)之間最多可以開(kāi)啟10個(gè)中繼器，以橋接更大的距離。
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巴伐利亞南部的一個(gè)小村莊產(chǎn)出的綠色電能大大超過(guò)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(mén)子、當地電力公司和兩所大學(xué)共同實(shí)施。

Ignaz Einsiedler靈活地爬上梯子，來(lái)到一個(gè)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(zhù)泥漿氣泡。“就像一個(gè)巨大的牛胃。”這位63歲的農民這樣描述道。這個(gè)“胃”消化這些生物質(zhì)，并將其轉化成沼氣，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備產(chǎn)生的電能送入

和德國南部Oberallgäu地區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(hù)戶(hù)的房頂上都有藍色的太陽(yáng)能電池板，它們在陽(yáng)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(chǎng)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(cháng)的地區電網(wǎng)中獲得熱能。Einsiedler和本地其他居民通過(guò)為此專(zhuān)門(mén)成立的合作機構，一起建造并籌資運營(yíng)這個(gè)電網(wǎng)。Einsiedler還擁有一個(gè)燃氣網(wǎng)絡(luò )和五家風(fēng)電站的股份。這個(gè)燃氣網(wǎng)絡(luò )負責向三家聯(lián)合發(fā)電廠(chǎng)輸送燃氣；這些風(fēng)電站*是由村民們聯(lián)合籌資運營(yíng)的，沒(méi)有引入任何外部投資。

“Wildpoldsried村的居民們有點(diǎn)瘋狂，但這種瘋狂是積極的。”當地電網(wǎng)運營(yíng)商AllgäuNetz有限公司的律師Guido Zeller說(shuō)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(cháng)。*個(gè)任期一開(kāi)始，Zengerle就讓村民就村莊的發(fā)展目標進(jìn)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(shuō)。正是得到了大家的支持，Wildpoldsried村現在才能產(chǎn)出兩倍于自身需求的電力。的確，現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(dòng)車(chē)。這些車(chē)輛可以存儲多余的電能。

電能盈余帶來(lái)的困擾。Wildpoldsried村使大家看到了未來(lái)20年間德國將面臨的情形。但是，一切并非看起來(lái)那么容易。建立太陽(yáng)能、風(fēng)能和沼氣發(fā)電廠(chǎng)，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(hù)家中，這就需要建立一個(gè)系統來(lái)保持電力生產(chǎn)和消耗之間的平衡。不過(guò)，這個(gè)村莊如今面對的問(wèn)題正是每一個(gè)社區所樂(lè )見(jiàn)的。它擁有的電能實(shí)在太多了。實(shí)際上，輸入的波動(dòng)會(huì )影響電網(wǎng)的輸出功率，半小時(shí)內的浮動(dòng)可以高達8兆瓦。

但對Robert Koerle來(lái)說(shuō)，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(shí)候，無(wú)論電量的輸入或輸出有多大，都要保證AüW電網(wǎng)的穩定性。2010年，AüW選擇在Wildpoldsried村進(jìn)行一項大規模試驗，旨在建立可以自動(dòng)穩定電力網(wǎng)絡(luò )的智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)是未來(lái)能源系統的關(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(shí)，西門(mén)子基礎設施與城市業(yè)務(wù)領(lǐng)域的Alexander Hammer就在尋找一家電網(wǎng)運營(yíng)商，作為項目合作伙伴測試新的智能電網(wǎng)技術(shù)。西門(mén)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(dòng)交通）項目。項目總投資約600萬(wàn)歐元，其中三分之一來(lái)自?xún)杉液献骰锇?，剩余部分由德國?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：智能軟件系統平衡電力供需。

IRENE成立以來(lái)已經(jīng)開(kāi)展了很多工作。例如，AüW已在太陽(yáng)能和沼氣發(fā)電站以及變壓器中安裝了大約200個(gè)監測裝置——裝有移動(dòng)通訊模塊的黑匣子。氣象測量數據和網(wǎng)絡(luò )攝像頭還被用于監測云的運動(dòng)。這些監測的目的是了解誰(shuí)在為電網(wǎng)送電，誰(shuí)從電網(wǎng)拿走電力，他們何時(shí)何地送電或用電，以及所有這些對電網(wǎng)穩定性的影響。“我們需要管理網(wǎng)絡(luò )中的動(dòng)態(tài)。”Hammer說(shuō)道。他還指出，每天要將大約30億字節的數據發(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(wèn)題，就能有針對性地采取糾正措施。為此，西門(mén)子安裝了一個(gè)可以抵消電壓波動(dòng)的可調變壓器。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 )。

光伏設備中遠程控制逆變器的系統也是一項創(chuàng )新。當Allgau山陽(yáng)光普照時(shí)，那里的太陽(yáng)能模塊可以收集大量電能，因此會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的交流電。集中管理逆變器可以保證電壓質(zhì)量并穩定電網(wǎng)。“事實(shí)上，就算是線(xiàn)路冒煙了，你也不能要求關(guān)閉光伏設備。”Hammer說(shuō)。因為《德國可再生能源法案》規定，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定的限制，他們現在希望精確的數據收集和系統的精密控制功能，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(dòng)化系統（SOEASY）軟件，它可以巧妙地平衡電力供需并維持電網(wǎng)的穩定性。但是SOEASY可并不像它的名稱(chēng)那么簡(jiǎn)單（So Easy的意思是太簡(jiǎn)單了——譯者注）。將電能送至千家萬(wàn)戶(hù)的配電網(wǎng)絡(luò )的組件數量是高壓輸電網(wǎng)絡(luò )的好幾倍。

上圖：智能控制系統調節發(fā)電量及入網(wǎng)電量。

為避免事情進(jìn)一步復雜化，西門(mén)子中央研究院（CT）的工程師和計算機科學(xué)家開(kāi)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(huì )適度增加。收集和傳輸數據以及遠程控制設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(yáng)能逆變器中。

SOEASY的幾個(gè)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(mén)子中央研究院IRENE項目經(jīng)理Michael Metzger博士指出。個(gè)人本地能源代理——一種自主軟件模塊——控制著(zhù)分散在不同地點(diǎn)的電力用戶(hù)、電力生產(chǎn)者以及電網(wǎng)之間的交互。每個(gè)“生產(chǎn)型消費者”都有這樣一個(gè)代理，它通過(guò)一個(gè)交易市場(chǎng)預定諸如天氣預報或系統優(yōu)化等集中式服務(wù)。SOEASY的組件還包括可實(shí)時(shí)監測電網(wǎng)狀態(tài)的“網(wǎng)絡(luò )傳輸代理”、維持網(wǎng)絡(luò )穩定性的“地區管理員”，以及可根據天氣變化等參數提前幾天或幾小時(shí)計劃需要進(jìn)行哪些關(guān)鍵調節的“平衡大師”。

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

上圖：沼氣發(fā)電裝置自動(dòng)向電力供應者傳送數據。

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

目前，Wildpoldsried村的電動(dòng)車(chē)尚未在當地智能電網(wǎng)中發(fā)揮積極作用。眼下項目組僅僅是監控它們的使用情況。正因如此，這些車(chē)輛配備了能夠報告其行蹤的導航設備。研究人員希望根據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(xué)大學(xué)的科學(xué)家正在進(jìn)行這個(gè)子項目的研究，他們還分析了電網(wǎng)中的非對稱(chēng)負荷，找出了合理的測量點(diǎn)。IRENE項目的另一家科研合作伙伴是RWTH Aachen應用科學(xué)大學(xué)，這所大學(xué)正在利用車(chē)輛行駛數據開(kāi)發(fā)覆蓋上萬(wàn)輛電動(dòng)車(chē)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(huì )讓AüW和西門(mén)子的研究人員就此止步。他們計劃到2020年*實(shí)現電能和熱能的自給自足，并初步設想利用風(fēng)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(dòng)車(chē)后，擁有自己的電動(dòng)車(chē)。這類(lèi)車(chē)輛*不排放廢氣。畢竟，Wildpoldsried村的環(huán)保電能綽綽有余。