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　S7-300

　　一般步驟

　　S7-300自動(dòng)化系統采用模塊化設計。它擁有豐富的模塊，且這些模塊均可以獨立地組合使用。

　　一個(gè)系統包含下列組件：

　　CPU：

　　不同的 CPU 可用于不同的性能范圍，包括具有集成 I/O 和對應功能的 CPU 以及具有集成 PROFIBUS DP、PROFINET 和點(diǎn)對點(diǎn)接口的 CPU。 用于數字量和模擬量輸入/輸出的信號模塊 (SM)。 用于連接總線(xiàn)和點(diǎn)對點(diǎn)連接的通信處理器 (CP)。 用于高速計數、定位（開(kāi)環(huán)/閉環(huán)）及 PID 控制的功能模塊（FM）。

　　根據要求，也可使用下列模塊：

　　用于將 SIMATIC S7-300 連接到 120/230 V AC 電源的負載電源模塊(PS)。 接口模塊 (IM)，用于多層配置時(shí)連接中央控制器 (CC) 和擴展裝置 (EU)。

　　通過(guò)分布式中央控制器 (CC) 和 3 個(gè)擴展裝置 (EU)，SIMATIC S7-300 可以操作多達 32 個(gè)模塊。所有模塊均在外殼中運行，并且無(wú)需風(fēng)扇。 SIPLUS 模塊可用于擴展的環(huán)境條件：

　　適用于 -25 至 +60℃ 的溫度范圍及高濕度、結露以及有霧的環(huán)境條件。防直接日曬、雨淋或水濺，在防護等級為 IP20 機柜內使用時(shí)，可直接在汽車(chē)或室外建筑使用。不需要空氣調節的機柜和 IP65 外殼。

　　設計

　　簡(jiǎn)單的結構使得 S7-300 使用靈活且易于維護：

　　安裝模塊：

　　只需簡(jiǎn)單地將模塊掛在安裝導軌上，轉動(dòng)到位然后鎖緊螺釘。 集成的背板總線(xiàn)：

　　背板總線(xiàn)集成到模塊里。模塊通過(guò)總線(xiàn)連接器相連，總線(xiàn)連接器插在外殼的背面。 模塊采用機械編碼，更換極為容易：

　　更換模塊時(shí)，必須擰下模塊的固定螺釘。按下閉鎖機構，可輕松拔下前連接器。前連接器上的編碼裝置防止將已接線(xiàn)的連接器錯插到其他的模塊上。 現場(chǎng)證明可靠的連接：

　　對于信號模塊，可以使用螺釘型、彈簧型或絕緣刺破型前連接器。 TOP 連接：

　　為采用螺釘型接線(xiàn)端子或彈簧型接線(xiàn)端子連接的 1 線(xiàn) - 3 線(xiàn)連接系統提供預組裝接線(xiàn)另外還可直接在信號模塊上接線(xiàn)。 規定的安裝深度：

　　所有的連接和連接器都在模塊上的凹槽內，并有前蓋保護。因此，所有模塊應有明確的安裝深度。 無(wú)插槽規則:

　　信號模塊和通信處理器可以不受限制地以任何方式連接。系統可自行組態(tài)。

　　擴展

　　若用戶(hù)的自動(dòng)化任務(wù)需要 8 個(gè)以上的 SM、FM 或 CP 模塊插槽時(shí)，則可對 S7-300（除 CPU 312 和 CPU 312C 外）進(jìn)行擴展：

　　中央控制器和3個(gè)擴展機架多可連接32個(gè)模塊：

　　總共可將 3 個(gè)擴展裝置（EU）連接到中央控制器（CC）。每個(gè) CC/EU 可以連接八個(gè)模塊。 通過(guò)接口模板連接：

　　每個(gè) CC / EU 都有自己的接口模塊。在中央控制器上它總是在 CPU 旁邊的插槽中，并自動(dòng)處理與擴展裝置的通信。 通過(guò) IM 365 擴展：

　　1 個(gè)擴展裝置遠擴展距離為 1 米；電源電壓也通過(guò)擴展裝置提供。 通過(guò) IM 360/361 擴展：

　　3 個(gè)擴展裝置， CC 與 EU 之間以及 EU 與 EU 之間的遠距離為 10m。 單獨安裝：

　　對于單獨的 CC/EU，也能夠以更遠的距離安裝。兩個(gè)相鄰 CC/EU 或 EU/EU 之間的距離：長(cháng)達 10m。 靈活的安裝選項：

　　CC/EU 既可以水平安裝，也可以垂直安裝。這樣可以大限度滿(mǎn)足空間要求。

　　通信

　　S7-300 具有不同的通信接口：

　　連接 AS-Interface、PROFIBUS 和 PROFINET/工業(yè)以太網(wǎng)總線(xiàn)系統的通信處理器。 用于點(diǎn)到點(diǎn)連接的通信處理器 多點(diǎn)接口 (MPI), 集成在 CPU 中；

　　是一種經(jīng)濟有效的方案，可以同時(shí)連接編程器/PC、人機界面系統和其它的 SIMATIC S7/C7 自動(dòng)化系統。

　　PROFIBUS DP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 PROFIBUS DP 接口的 CPU 連接到 PROFIBUS DP 總線(xiàn)系統。通過(guò)帶有 PROFIBUS DP 主站/從站接口的 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，PROFIBUS DP 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）。

　　以下設備可作為主站連接：

　　SIMATIC S7-300

　?。ㄍㄟ^(guò)帶 PROFIBUS DP 接口的 CPU 或 PROFIBUS DP CP） SIMATIC S7-400

　?。ㄍㄟ^(guò)帶 PROFIBUS DP 接口的 CPU 或 PROFIBUS DP CP） SIMATIC C7

　?。ㄍㄟ^(guò)帶 PROFIBUS DP 接口的 C7 或 PROFIBUS DP CP） SIMATIC S5-115U/H、S5-135U 和 S5-155U/H，帶IM 308 SIMATIC 505

　　出于性能原因，每條線(xiàn)路上連接的主站不得超過(guò) 2 個(gè)。

　　以下設備可作為從站連接：

　　ET 200 分布式 I/O 設備 S7-300，通過(guò) CP 342-5 CPU 313C-2 DP, CPU 314C-2 DP, CPU 314C-2 PN/DP, CPU 315-2 DP, CPU 315-2 PN/DP, CPU 317-2 DP, CPU 317-2 PN/DP and CPU 319-3 PN/DP C7-633/P DP, C7-633 DP, C7-634/P DP, C7-634 DP, C7-626 DP, C7-635, C7-636 現場(chǎng)設備

　　雖然帶有 STEP 7 的編程器/PC 或 OP 是總線(xiàn)上的主站，但是只使用 MPI 功能，另外通過(guò) PROFIBUS DP 也可部分提供 OP 功能。

　　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

　?。ㄊ褂门鋫?PROFINET 接口或 PROFINET CP 的 CPU） SIMATIC ET 200

　?。ㄊ褂门鋫?PROFINET 接口的 CPU） SIMATIC S7-400

　?。ㄊ褂门鋫?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

　?。ㄊ褂门鋫?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)之間多可以開(kāi)啟10個(gè)中繼器，以橋接更大的距離。

查明故障信號。在服務(wù)行業(yè)，機器學(xué)習將會(huì )帶來(lái)革命性的變化。西門(mén)子研究人員如今已不再滿(mǎn)足于發(fā)現醫療診斷系統等昂貴設備出現故障后再去解決，而是要往前跨一大步。西門(mén)子美國研究院的Fabian Mörchen博士正在研發(fā)知識決策系統領(lǐng)域的學(xué)習系統，他說(shuō)：“我們開(kāi)發(fā)的程序可以有效預測核磁共振成像設備或核醫學(xué)系統什么時(shí)候會(huì )發(fā)生故障。”這種方法的原理是，很多機器在發(fā)生故障前會(huì )發(fā)出預兆。Mörchen說(shuō)：“關(guān)鍵是找到這種信號，并讓它們可被察覺(jué)到。”這種信號包括電流、電壓、噪聲、震動(dòng)、氣壓以及溫度等的變化。

機器自帶的傳感器可以檢測出自身的異常情況。在了解如何判斷機器是否正常運轉后，研究人員和其學(xué)習系統使用數據挖掘技術(shù)找出異常模式。一旦將一系列模式和某個(gè)故障聯(lián)系起來(lái)，Mörchen團隊就可以開(kāi)發(fā)出相關(guān)算法，來(lái)訓練計算機程序。這樣，程序在處理之前沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的數據時(shí)也能夠識別出這些模式。比如，MRI掃描器的低溫氦泄露時(shí)，溫度和壓力只是發(fā)生了微乎其微的變化。得益于早期預警算法，西門(mén)子醫療的技術(shù)人員才盯住了這個(gè)問(wèn)題，在機器出現故障前就修復了制冷系統。如今，在這種軟件的幫助下，西門(mén)子服務(wù)團隊不僅僅監視著(zhù)3,500臺MRI掃描儀，還可以進(jìn)行預防性維護。這一戰略使過(guò)去三年間的維修成本降低了580萬(wàn)美元。

西門(mén)子美國研究院的研究員Ciprian Raileanu開(kāi)展的一個(gè)項目，是這類(lèi)研究項目的之一。開(kāi)發(fā)的成果被用來(lái)監控橋梁。當時(shí)，美國交通部正想優(yōu)化全國境內大約650,000座橋梁的維修工作。Raileanu團隊和普林斯頓附近的羅格斯大學(xué)及其高級基礎設施和交通研究中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種解決方案。

自主學(xué)習提高了風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量，相當于增加了一臺風(fēng)電機組。

Raileanu說(shuō)：“根據橋梁傳感器資料、檢測報告、氣象資料、橋梁基建圖等歷史數據和來(lái)自警方的事故記錄、照片等，系統能夠獨立判斷橋梁的狀態(tài)。”他還補充道：“我們還從這些紛雜的數據中找到了模式。”在這些模式的基礎上，相關(guān)算法可了解由于某些因素共同作用可能會(huì )導致怎樣的后果。例如，如果某座橋梁于1976年建在強降雨地區，并使用了梁鐵，那么，30年后橋墩很有可能就會(huì )出現裂縫。美國交通部自2008年以來(lái)就一直在使用這種橋梁監視程序。

英國和俄羅斯的鐵路公司用于監視其列車(chē)車(chē)隊的全新系統也以該程序為藍本。這種學(xué)習軟件使用的數據一部分來(lái)自火車(chē)各種子系統上的傳感器，比如監視剎車(chē)和車(chē)門(mén)的傳感器，另一部分則來(lái)自列車(chē)時(shí)刻表和故障報告。這種被稱(chēng)為列車(chē)遠程服務(wù)桌面（RRSD）的系統綜合所有數據，計算出某個(gè)時(shí)刻每輛列車(chē)的位置，判斷是否需要對其進(jìn)行維護等。目前，RRSD正在監視175輛列車(chē)——西門(mén)子不僅提供軟件，還提供自動(dòng)化部件。

使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，學(xué)習系統可以預測輪機的運行標準及其排放量（如需了解更多信息，請參閱第54頁(yè)）。

駕馭復雜數據。學(xué)習軟件的另一個(gè)主要應用領(lǐng)域是燃氣輪機——在這方面，學(xué)習軟件的基礎主要是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。這種系統能在數秒之間作出關(guān)于排放量和輪機運轉情況的預測。輪機受無(wú)數因素之間復雜關(guān)系的影響，研究人員一般只能通過(guò)統計手段去評估，因為很多值都只能粗略地估算出來(lái)。傳統的數學(xué)公式需要精確的數字，因此在這種研究中不是很實(shí)用。但想要使輪機達到長(cháng)的使用壽命，實(shí)現的運轉狀態(tài)，同時(shí)將其排放量降到低，就必須精確地估算并預測數千種設置的影響。

為此，位于慕尼黑的西門(mén)子智能系統與控制技術(shù)領(lǐng)域（GTF）部門(mén)的Volkmar Sterzing及其CT團隊開(kāi)發(fā)了一種可以實(shí)現以上功能的新方法。使用所謂的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，研究人員可以描繪燃氣輪機的整個(gè)運轉過(guò)程，并準確預測其產(chǎn)出。Sterzing解釋說(shuō)：“過(guò)去，我們只能了解到這些過(guò)程在某一時(shí)刻的狀態(tài)。而現在，使用這個(gè)新方法，我們可以掌握在這個(gè)特定時(shí)刻之前及之后的運行情況。”Sterzing表示，利用這種方法，研究人員不僅可以查明過(guò)去發(fā)生了什么，還可以預見(jiàn)未來(lái)會(huì )發(fā)生什么。這種動(dòng)態(tài)的描繪可以確認其中的變化，充分利用有利的變化，同時(shí)弱化可能產(chǎn)生負面影響的變化，并相應地調整維保計劃。

未來(lái)，個(gè)人能源代理將使用裝有學(xué)習軟件的專(zhuān)業(yè)電表箱（左圖）來(lái)操作顧客和電力公司之間的電力交易。

CT研究人員已經(jīng)將他們從燃氣輪機中學(xué)到的知識應用在相關(guān)領(lǐng)域內，例如優(yōu)化風(fēng)電機組及整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)。作為熱心航海比賽船員的一份子，Sterzing知道在比賽中每時(shí)每刻都需要關(guān)注波浪、風(fēng)速和對手的船只，這樣才能決定駕馭船只的方式。否則，如果無(wú)法預測未來(lái)的變化，就不能規劃合適的路線(xiàn)。在這種辦法的啟發(fā)下，他為風(fēng)電機組發(fā)明了一種軟件系統，這種系統的基礎是能夠測量大約十種因素的傳感器，包括風(fēng)速、亂流度、溫度和氣壓。算法將這些數據和風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量聯(lián)系起來(lái)，這樣軟件就能夠從數以千計的關(guān)系中學(xué)習并學(xué)會(huì )如何在新情況下應用已有的知識。

西門(mén)子研究人員現在正在測試該系統。

隨著(zhù)對不同情況的學(xué)習，系統越來(lái)越擅長(cháng)獨立預測，知道哪種情況下，旋轉葉片的入射角或發(fā)電機速度快慢的改變，使得風(fēng)電機組能夠從風(fēng)中獲得大的產(chǎn)出。這種方法可以將風(fēng)電機組的產(chǎn)出提高0.5個(gè)百分點(diǎn)。聽(tīng)起來(lái)似乎不多，但是對一個(gè)大型風(fēng)電場(chǎng)而言就是很顯著(zhù)的效果。在過(guò)去的六個(gè)月里，瑞典Lillgrund風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行的實(shí)驗已經(jīng)表明，正是得益于從自己的行為中獨立學(xué)習的能力，即所謂的自主學(xué)習，風(fēng)電場(chǎng)提高了發(fā)電量，這相當于額外添加了一臺風(fēng)電機組所生產(chǎn)的電量。

從聲音中學(xué)習——高效節能

將電弧爐中的鐵塊熔煉成鋼板會(huì )產(chǎn)生大量噪聲。重量各異的鐵塊，有的甚至像汽車(chē)那么大，在三個(gè)強大的電弧下熔化時(shí)來(lái)回滑動(dòng)。雖然電弧的溫度高達一萬(wàn)攝氏度，有時(shí)也不能將熔化的鐵塊焊接起來(lái)，而將能量消耗到爐壁上。熔爐產(chǎn)生的噪聲震耳欲聾。三相交流電電極的電弧產(chǎn)生大約120分貝的噪聲，比噴氣式飛機的噪聲都大。Detlef Rieger是慕尼黑西門(mén)子中央研究院的非破壞性試驗技術(shù)領(lǐng)域（GTF）部門(mén)的項目經(jīng)理，Thomas Matschullat就職于愛(ài)爾蘭根的冶金技術(shù)部門(mén)。正是這樣巨大的噪聲使兩位科學(xué)家不得不認真思考這一問(wèn)題。兩人想知道該如何監視和控制熔煉過(guò)程，以減少能源的浪費。

他們在熔爐外壁掛上傳感器，這樣就可以測出熔爐內部產(chǎn)生的聲波。除此之外，他們還持續不斷地監視電極產(chǎn)生的電流。Rieger說(shuō)：“把電極數據和聲波測量結果結合起來(lái)。我們的算法可以計算出電弧和爐壁之間產(chǎn)生的是哪種聲音振蕩。通過(guò)這個(gè)信息，我們可以推斷出熔爐內部每時(shí)每刻的情況。”在熔化的初階段，系統已經(jīng)掌握足夠的信息可以確定熔爐內部各個(gè)鐵塊的位置，從而判斷出單個(gè)電極的輸出是增加還是減少。在熔煉的第二階段，確保鐵塊中碎屑異物形成的礦渣盡可能均勻地分布在熔化的金屬表層，這很關(guān)鍵。為此，將煤灰吹入熔爐中，在礦渣上形成一層一氧化碳泡沫。這一層泡沫保護了電弧和熔化的金屬，避免爐壁的溫度過(guò)高。這樣就減少了能源消耗。軟件不斷地通過(guò)解讀聲波數據來(lái)測量含有泡沫的礦渣是否足夠厚，分布是否均勻，因此該過(guò)程被命名為“IMELT Foaming Slag Manager（IMELT泡沫煤渣管理器）。”德國的兩家煉鋼廠(chǎng)和白俄羅斯的一家煉鋼廠(chǎng)都在使用這個(gè)系統，并成功地將能耗降低了2.3%。Rieger說(shuō)：“例如，按照100噸鋼材的成本計算，差不多相當于每小時(shí)節省了920 度電。”而且，煉鋼廠(chǎng)每年的煤炭消耗量降低了25%，二氧化碳排放量減少了12,000噸。