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S7-300F

SIMATIC S7-300F 故障安全自动化系统可使用在对安全要求较高的设备中。其可对立即停车过程进行控制，因此不会对人身、环境造成损害。

S7-300F 满足下列安全要求：

• 要求等级 AK 1 - AK 6 符合 DIN V 19250/DIN V VDE 0801
• 安全要求等级 SIL 1 - SIL 3 符合 IEC 61508
• 类别 1 - 4 符合 EN 954-1

另外，标准模块还可用在 S7-300F 及故障安全模块中。因此它可以创建一个全集成的控制系统，在非安全相关和安全相关任务共存的工厂中使用。使用相同的标准工具对整个工厂进行组态和编程。

设计

S7-300

一般步骤

S7-300自动化系统采用模块化设计。它拥有丰富的模块，且这些模块均可以独立地组合使用。

一个系统包含下列组件：

• CPU：
  不同的 CPU 可用于不同的性能范围，包括具有集成 I/O 和对应功能的 CPU 以及具有集成 PROFIBUS DP、PROFINET 和点对点接口的 CPU。
• 用于数字量和模拟量输入/输出的信号模块 (SM)。
• 用于连接总线和点对点连接的通信处理器 (CP)。
• 用于高速计数、定位（开环/闭环）及 PID 控制的功能模块（FM）。

根据要求，也可使用下列模块：

• 用于将 SIMATIC S7-300 连接到 120/230 V AC 电源的负载电源模块(PS)。
• 接口模块 (IM)，用于多层配置时连接中央控制器 (CC) 和扩展装置 (EU)。
  通过分布式中央控制器 (CC) 和 3 个扩展装置 (EU)，SIMATIC S7-300 可以操作多达 32 个模块。所有模块均在外壳中运行，并且无需风扇。
• SIPLUS 模块可用于扩展的环境条件：
  适用于 -25 至 +60℃ 的温度范围及高湿度、结露以及有雾的环境条件。防直接日晒、雨淋或水溅，在防护等级为 IP20 机柜内使用时，可直接在汽车或室外建筑使用。不需要空气调节的机柜和 IP65 外壳。

设计

简单的结构使得 S7-300 使用灵活且易于维护：

• 安装模块：
  只需简单地将模块挂在安装导轨上，转动到位然后锁紧螺钉。
• 集成的背板总线：
  背板总线集成到模块里。模块通过总线连接器相连，总线连接器插在外壳的背面。
• 模块采用机械编码，更换极为容易：
  更换模块时，必须拧下模块的固定螺钉。按下闭锁机构，可轻松拔下前连接器。前连接器上的编码装置防止将已接线的连接器错插到其他的模块上。
• 现场证明可靠的连接：
  对于信号模块，可以使用螺钉型、弹簧型或绝缘刺破型前连接器。
• TOP 连接：
  为采用螺钉型接线端子或弹簧型接线端子连接的 1 线 - 3 线连接系统提供预组装接线另外还可直接在信号模块上接线。
• 规定的安装深度：
  所有的连接和连接器都在模块上的凹槽内，并有前盖保护。因此，所有模块应有明确的安装深度。
• 无插槽规则:
  信号模块和通信处理器可以不受限制地以任何方式连接。系统可自行组态。

扩展

若用户的自动化任务需要 8 个以上的 SM、FM 或 CP 模块插槽时，则可对 S7-300（除 CPU 312 和 CPU 312C 外）进行扩展：

• 中央控制器和3个扩展机架最多可连接32个模块：
  总共可将 3 个扩展装置（EU）连接到中央控制器（CC）。每个 CC/EU 可以连接八个模块。
• 通过接口模板连接：
  每个 CC / EU 都有自己的接口模块。在中央控制器上它总是被插在 CPU 旁边的插槽中，并自动处理与扩展装置的通信。
  • 通过 IM 365 扩展：
    1 个扩展装置最远扩展距离为 1 米；电源电压也通过扩展装置提供。
  • 通过 IM 360/361 扩展：
    3 个扩展装置， CC 与 EU 之间以及 EU 与 EU 之间的最远距离为 10m。
• 单独安装：
  对于单独的 CC/EU，也能够以更远的距离安装。两个相邻 CC/EU 或 EU/EU 之间的距离：长达 10m。
• 灵活的安装选项：
  CC/EU 既可以水平安装，也可以垂直安装。这样可以最大限度满足空间要求。
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资源短缺日益严重，日本遭遇核灾难，全球开始变暖，这些都告诉人们一个事实：全球的能源体系不具备可持续性。为了改变这一现状，各种目标远大的计划应运而生。比如，德国就在考虑实现可持续发展能源供应，这种转变注定要面对种种挑战，但是同时也将为人类、环境和经济带来诸多机遇。

听起来像是科幻小说里的情节。驱使小行星进入环绕月球的轨道，然后让机器和设备降落在这些小行星上，开采铁、铂和稀土元素等原料。2012年4月，当一家名不见经传的公司首度展示这个商业模式时，着实让全世界大吃一惊。这个乍听起来犹如痴人说梦的设想，实际上是一个严密的计划。宣布这一目标的公司名为“Planetary Resources”。据多家机构的可行性研究报告，此类项目最早2025年就有望进入实施阶段。

该设想背后的目的不无道理。据智库机构“全球生态足迹网络”（Global Footprint Network）计算，如果我们不设法节制目前的资源消耗速度，那么到2050年，我们将需要两到三个地球满足人类的资源需求。与此同时，却有巨大的金属和矿石矿藏与地球擦肩而过，它们就是不计其数的小行星。那么开采小行星上的矿藏是否就可以解决我们的资源短缺问题？或许可以，但是这种方式可能会过于昂贵、过于复杂。更为现实可行的出路是更经济有效地利用现有资源。

然而对于很多国家而言，这却绝非易事。之所以说它是个巨大挑战，皆因我们最终要同时克服当今面临的两大难题：气候变化和资源短缺。要实现这个目标，就必须本着更好地实现可持续发展这一目标，对我们的经济和能源体系进行重大改革。经济改革要求加强原材料的再利用、循环利用和闭环废物管理。能源体系改革要求大幅提高可再生能源的占比，在可能的情况下，还要大规模采用零碳能源。此外，还必须显著提高发电和用电的效率。上述所有措施不是以2025年为期，而是必须尽快落实。

柏林勃兰登堡门门前的一条标语写道“能源转型，刻不容缓！”。这条标语折射出德国对于向可再生能源、节能增效和新型交通解决方案转型的高度热情。

在德国，这种可持续发展的能源体系的未来面貌已依稀可见。日本2011年发生核灾难之后，德国*制定了一个宏远的可持续发展能源供应目标。德国不仅计划在2022年之前*摒弃核能，还要求大力发展风能和太阳能等可再生能源（到2050年占发电总量的80%），减少温室气体排放（2050年之前在1990年的基础上减少80%）。“实现可持续能源供应对于德国人民而言是一个世纪项目。这个目标是正确的，它的意义重大。”西门子能源业务领域*执行官Michael Süß表示，“其他国家都在密切关注德国如何开拓这条道路。”

完成这个项目不仅要求营造适当的政治环境，而且最重要的，还要有合适的技术解决方案。“这意味着方方面面的创新：能源效率、电力传输、电力生产和存储。”德国联邦电力、天然气、电信、邮政和铁路网络管理局主席Jochen Homann接受《未来之窗》采访时表示。“德国工业是成功实现向可持续能源供应转型的一大保证。”此外，一旦德国的能源体系改革取得成功，那么德国所采用的解决方案可以输出到全球各地。

庆幸的是，实现建设可持续发展能源体系这一个宏大的目标，并不意味着要推翻现有的技术从头再来。所需的很多技术和解决方案已接近成型，目前正在开发之中。要使能源体系具有可持续性，必须从九个不同的领域入手，这些领域相辅相成，如同拼图游戏中的各个图块。

可再生能源就是一个例子。“时至今日，可再生能源已不再是一种小众技术；它们已成为电力市场上的一支生力军。所以在中短期内，它们必须更多地参与市场公平竞争。”Homann称，要让可再生能源成为电力行业的*，更需要让它们参与市场竞争。尤其是在风电领域，这种经济可行性可以在相对较短的时间内实现。得益于西门子风电实验室目前正在开发的创新技术，用不了多久，风力发电即便没有政府补贴，其上网价格也有望与燃煤发电一样便宜。

电力高速公路。然而由于可再生能源大多来自资源丰富的地方——比如在阳光充沛地区收集太阳能，在广阔的海洋上捕获风能，因此就需要将输电网扩建成电力高速公路，不仅国内要畅通，还要通向国外。高压直流输电（HVDC）技术是实现这一目标的理想解决方案。在远距离输电中，HVDC的效率超过了传统的三相高压输电线路。

2012年5月底，德国政府和德国各大电力公司联合发布了一份《电网发展规划》，明确了远距离输电网络改造的基础指标，提出了新建3,800公里线路的计划。“我们的可再生能源在蓬勃发展。要将风电输送到市场，我们亟需贯通南北的电力高速公路。”Michael Süß指出。

向可持续发展能源供应转型要求采取相辅相成的配套措施。德国联邦环境部部长Peter Altmaier手里拿的便是这样一幅“能源拼图”

然而，在这一发展过程中有一点仍然非常重要，那就是不能让市民感觉向可持续能源供应转型的决策丝毫未考虑他们的利益或观点。“建设可持续发展的能源体系，还需要人们转变观念。”Süß一语中的，“如果说连安装一根电线杆都需要去争取市民的同意，那种情形肯定行不通。人们确实愿意增加可再生能源的使用量，但如果不增建基础设施，就不可能实现这一点。”

然而，可再生能源的大量使用不仅仅要求扩建电网。这是因为风能和太阳能的发电量会随天气的变化而变化。因此，长期来看，还需要能够将过剩电能存储几小时、几天，甚至几周的蓄能系统，必要时，在风力不足的日子里，这个系统再将电能馈回电网。目前已经有一些类似的系统在开发之中，包括水氢电解法和蓄电厂，以及西门子基础设施与城市业务领域开发的Siestorage蓄电技术。Siestorage是一种基于锂离子电池的模组系统，它能存储500度电（按平均水平计算，相当于50个家庭的日用电量），可以充当缓冲装置，以应对可再生能源的短暂浮动，比如几秒或几分钟内的浮动。同时，传统电厂仍然必不可少，它们要提供一定的基载电能，同时充当备用供电源，当电网中的电力不足时，它们可以快速向电网送电。启动快、效率高的燃气发电厂尤其适合这一用途。

百万能源生产大军。无论是太阳能、风能或生物质发电厂，还是小型热电联产厂，或是大型传统电厂，将来会有数百万台发电机源源不断地向德国电网送电——而不是15年前的寥寥几百台。用电者也将逐步成为发电者，或者说是“产消者”。这种情况加之可再生能源发电量波动不定这一特性，使得智能电网成为必不可少的设施，它可以保证配电网络的稳定性，并实现智能化电力管理。

从全局而言，需求侧也必须实现智能化管理。鉴于前述原因，可再生能源要求人们明智地利用手中的能源。降低能源需求的方法不拘一格。其中的一个重要手段就是实时定价机制。如果价格随着需求的增加而上涨，那么用户就会减少不必要的用电。比如，冷藏仓库、空调系统或家用电器断一会儿电并不会有多大影响。

这告诉我们，最清洁的电能永远是未消耗的电能。因此，可持续能源体系这个拼图中最重要的一块是能源的高效利用。对于企业而言尤为如此，企业可以通过提高能效，降低能源成本，增强竞争力。

交通系统和建筑物也必须具备更高的能效。建筑物耗能占全球能耗的40%，若能实施简单的节能措施，就可以使建筑物的能耗减少近四分之一。西门子目前正在为很多国家的建筑物装配节能设备，从而打造出全世界屈指可数的可持续发展建筑物。

在对建筑物进行现代化改造时，西门子常常发现唯有采用明智的融资方案，才能取得更好的节能增效结果。对于预算有限而仍希望设法降低能源需求的城市而言，明智的融资方案尤其重要。西门子采用的合同能源管理就是一种明智的融资方案。根据合同，用户不需要为现代化节能设施的初始安装投入任何成本。然后，他们只需要用节约的能源成本分期支付设施升级费用。

首要目标：可靠的供应。在为构建可持续发展能源体系采取的一切行动中，有一个目标始终占据着头等重要的位置：能源供应的安全性。未来的能源供应必须可靠，其价格必须适度。“我们可以想象得到电网费率将上涨，那么电价也会随之上涨。” Jochen Homann表示，“但是必须要尽量控制成本；配电网络的扩建必须以满足安全供应的需求为限，不能过度。此外，成本去向必须透明，成本必须在消费者群体中公平分摊。”

同时，能源供应在任何情况下都应具备稳定性，尤其是在像德国这样的高度工业化国家。2012年7月印度发生了大规模停电事故，致使近6亿人口在长达两天的时间里无电可用。如果德国的电网也像这样频繁出现故障或供应中断，那么就会有损于全国工商业的竞争力。

鉴于上述原因，所有措施必须像拼图的图块一样整合起来。在适当的框架下，也就是政府对可再生能源、能源效率、配电网扩建、网费和研发的适当支持下，各种措施的相辅相成将构建出一副和谐的整体蓝图。这是向可持续能源供应转型的必由之路；同时在转型过程中研发出的产品还可以输入国际市场，成为重要的出口产品，因为其他国家迟早需要探寻自己的可持续能源供应之路。

目前德国的哈尔茨山就在实施和测试一个可持续能源体系项目。在该地区，可再生能源盛行，占当地电力供应的60%以上。但问题是如何既保证所有电网的稳定性和配电系统的经济可行性、可靠性与安全性，又实现可持续发展的电力传输。

Harz.EE交通研究项目由德国多个部委扶持，参与方包括西门子、移动通讯运营商沃达丰、公用事业公司E.ON和德国铁路系统。各方正在研究将各地的可再生能源应用于电动车辆，以及将这类能源并入智能电网的方法。尽管存在地理限制，该项目还是展现了交通如何被纳入更广泛的可持续发展能源体系，而这不需要任何宇宙飞船或行星的帮助。

作者：Sebastian Webel

电力矩阵

人类对能源的需求始终有增无减。电力能以一种经济、清洁、可靠和高效利用资源的方式来克服人类面临的能源挑战。然而，不同地区的能源需求有所不同，各种各样的电力利用形式也不相同。此外，我们的能源体系将变得日益复杂。以往的能源转换链是一条垂直的线，从原材料到原材料加工、由大型电厂生产可用能源，再往下输送给消费者，一气呵成，但现在它们不再局限于单一的标准结构和这种能源转换链。如今的能源、地区需求和市场环境千差万别。因此，西门子能源认为当今的能源体系可被视为一个无穷尽的矩阵；在这个矩阵中，能源需求要求我们找到能够优化利用所有可用能源的解决方案，这个解决方案要能超越具体能源形态、不同发电形式以及传输距离的差异，具有普适性。公司的矩阵式能源概念中包含传统的电厂以及利用光伏、风力、水力和生物质进行的分散式发电。蓄能系统和电力传输同样是这个电力矩阵的组成部分。西门子能源的产品、解决方案和服务都以该矩阵为蓝图，因而有望帮助构建一个具有前瞻性的能源体系，在这个体系中，经济、高效、可靠的可持续发展能源利用将成为现实。