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通过 PROFINET IO 进行过程通信

SIMATIC S7-300 通过通信处理器或通过配备集成 PROFINET 接口的 CPU 连接到 PROFINET IO 总线系统。通过带有 PROFIBUS 接口的 CPU,可构建一个高速的分布式自动化系统，并且使得操作大大简化。

从用户的角度来看，PROFINET IO 上的分布式I/O处理与集中式I/O处理没有区别（相同的组态，编址及编程）。

可将下列设备作为 IO 控制器进行连接：

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

可将下列设备作为 IO 设备进行连接：

• ET 200 分布式 I/O 设备
• ET 200S IM151-8 PN/DP CPU, ET 200pro IM154-8 PN/DP CPU
• SIMATIC S7-300
  （使用配备 PROFINET 接口或 PROFINET CP 的 CPU）
• 现场设备

通过 AS-Interface 进行过程通信

S7-300 所配备的通信处理器 (CP 342-2) 适用于通过 AS-Interface 总线连接现场设备（AS-Interface 从站）。

更多信息，请参见通信处理器。

通过 CP 或集成接口（点对点）进行数据通信

通过 CP 340/CP 341 通信处理器或 CPU 313C-2 PtP 或 CPU 314C-2 PtP 的集成接口，可经济有效地建立点到点连接。有三种物理传输介质支持不同的通信协议：

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

可以连接以下设备：

• SIMATIC S7、SIMATIC S5 自动化系统和其他公司的系统
• 打印机
• 机器人控制
• 扫描器，条码阅读器，等

特殊功能块包括在通信功能手册的供货范围之内。

使用多点接口 (MPI) 进行数据通信

MPI（多点接口）是集成在 SIMATIC S7-300 CPU 上的通信接口。它可用于简单的网络任务。

• MPI 可以同时连接多个配有 STEP 7 的编程器/PC、HMI 系统（OP/OS）、S7-300 和 S7-400。
• 全局数据：
  “全局数据通信”服务可以在联网的 CPU 间周期性地进行数据交换。 一个 S7-300 CPU 可与多达 4 个数据包交换数据，每个数据包含有 22 字节数据，可同时有 16 个 CPU 参与数据交换（使用 STEP 7 V4.x）。
  例如，可以允许一个 CPU 访问另一个 CPU 的输入/输出。只可通过 MPI 接口进行全局数据通信。
• 内部通信总线(C-bus)：
  CPU 的 MPI 直接连接到 S7-300 的 C 总线。因此，可以通过 MPI 从编程器直接找到与 C 总线连接的 FM/CP 模块的地址。
• 功能强大的通信技术：
  • 多达 32 个 MPI 节点。
  • 使用 SIMATIC S7-300/-400 的 S7 基本通信的每个 CPU 有多个通信接口。
  • 使用编程器/PC、SIMATIC HMI 系统和 SIMATIC S7-300/400 的 S7 通信的每个 CPU 有多个通信接口。
  • 数据传输速率 187.5 kbit/s 或 12 Mbit/s
• 灵活的组态选项：
  可靠的组件用于建立 MPI 通信： PROFIBUS 和“分布式 I/O”系列的总线电缆、总线连接器和 RS 485 中继器。使用这些组件，可以根据需求实现设计的 化调整。例如，任意两个MPI节点之间最多可以开启10个中继器，以桥接更大的距离。
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巴伐利亚南部的一个小村庄产出的绿色电能大大超过其用电量，这使其成为试验智能电网技术的理想之地。试验项目由西门子、当地电力公司和两所大学共同实施。

Ignaz Einsiedler灵活地爬上梯子，来到一个大罐子上面巨大的灰色的圆拱型储气囊旁边。橡胶盖下面，褐色的混合物里有青草、玉米和其他生物质，中间还混杂着泥浆气泡。“就像一个巨大的牛胃。”这位63岁的农民这样描述道。这个“胃”消化这些生物质，并将其转化成沼气，沼气被送至Einsiedler的地下室。地下室里有两台燃烧沼气的发电机。Einsiedler将沼气发电机以及他家房顶上的三台光伏设备产生的电能送入

和德国南部Oberallgäu地区Wildpoldsried村的2500名居民中的很多人一样，Einsiedler也是一名能源先锋。这里几乎家家户户的房顶上都有蓝色的太阳能电池板，它们在阳光下熠熠生辉。沼气发酵产生甲烷，消耗甲烷的热电联产（CHP）工厂排放出的废气，从很多谷仓的金属烟囱中袅袅升起。很多民房都从4.7公里长的地区电网中获得热能。Einsiedler和本地其他居民通过为此专门成立的合作机构，一起建造并筹资运营这个电网。Einsiedler还拥有一个燃气网络和五家风电站的股份。这个燃气网络负责向三家联合发电厂输送燃气；这些风电站*是由村民们联合筹资运营的，没有引入任何外部投资。

“Wildpoldsried村的居民们有点疯狂，但这种疯狂是积极的。”当地电网运营商AllgäuNetz有限公司的律师Guido Zeller说道。其中最疯狂的恐怕就是Arno Zengerle了，他从1996年起就一直担任这里的村长。*个任期一开始，Zengerle就让村民就村庄的发展目标进行投票。“要想有效保护大气，就必须得到大家的积极支持，而不是违背他们的心愿。” Zengerle说。正是得到了大家的支持，Wildpoldsried村现在才能产出两倍于自身需求的电力。的确，现在很多村民既是电能的生产者也是消费者——即所谓的“生产型消费者”。

上图：Wildpoldsried村的智能电网包括32辆电动车。这些车辆可以存储多余的电能。

电能盈余带来的困扰。Wildpoldsried村使大家看到了未来20年间德国将面临的情形。但是，一切并非看起来那么容易。建立太阳能、风能和沼气发电厂，这些还远远不够。利用可再生能源生产的电能，还要被送抵用户家中，这就需要建立一个系统来保持电力生产和消耗之间的平衡。不过，这个村庄如今面对的问题正是每一个社区所乐见的。它拥有的电能实在太多了。实际上，输入的波动会影响电网的输出功率，半小时内的浮动可以高达8兆瓦。

但对Robert Koerle来说，这种电能盈余却令人头疼。他在10公里以外的Kempten工作，任务是确保在任何时候，无论电量的输入或输出有多大，都要保证AüW电网的稳定性。2010年，AüW选择在Wildpoldsried村进行一项大规模试验，旨在建立可以自动稳定电力网络的智能电网。智能电网是未来能源系统的关键，因为只有它才能顺利输送采用可再生能源生产的电能，而不导致电力网络遭受破坏。

AüW制定计划时，西门子基础设施与城市业务领域的Alexander Hammer就在寻找一家电网运营商，作为项目合作伙伴测试新的智能电网技术。西门子和AüW于2011年4月签署了一份合作协议，成立了IRENE （可再生能源并网发电与电动交通）项目。项目总投资约600万欧元，其中三分之一来自两家合作伙伴，剩余部分由德国联邦经济技术部提供，因为后者很快就意识到该项目的重要性。

上图：智能软件系统平衡电力供需。

IRENE成立以来已经开展了很多工作。例如，AüW已在太阳能和沼气发电站以及变压器中安装了大约200个监测装置——装有移动通讯模块的黑匣子。气象测量数据和网络摄像头还被用于监测云的运动。这些监测的目的是了解谁在为电网送电，谁从电网拿走电力，他们何时何地送电或用电，以及所有这些对电网稳定性的影响。“我们需要管理网络中的动态。”Hammer说道。他还指出，每天要将大约30亿字节的数据发送到位于附近的Kempten的AüW总部。

一旦查明了电网存在的关键问题，就能有针对性地采取纠正措施。为此，西门子安装了一个可以抵消电压波动的可调变压器。这种装置在高压电网中十分寻常，但却是首次应用于二次配电网络。

光伏设备中远程控制逆变器的系统也是一项创新。当Allgau山阳光普照时，那里的太阳能模块可以收集大量电能，因此会产生过多的交流电。集中管理逆变器可以保证电压质量并稳定电网。“事实上，就算是线路冒烟了，你也不能要求关闭光伏设备。”Hammer说。因为《德国可再生能源法案》规定，电网公司必须接纳利用可再生能源生产的所有电能。但IRENE项目的合作伙伴却不受这一规定的限制，他们现在希望精确的数据收集和系统的精密控制功能，可以将Wildpoldsried村的电力生产者的损失降至最低。

智能平衡。Wildpoldsried村智能电网的核心是自组织能源自动化系统（SOEASY）软件，它可以巧妙地平衡电力供需并维持电网的稳定性。但是SOEASY可并不像它的名称那么简单（So Easy的意思是太简单了——译者注）。将电能送至千家万户的配电网络的组件数量是高压输电网络的好几倍。

上图：智能控制系统调节发电量及入网电量。

为避免事情进一步复杂化，西门子中央研究院（CT）的工程师和计算机科学家开发出可扩展的软硬件模块，这样即使智能电网以后扩容，相应的成本只会适度增加。收集和传输数据以及远程控制设备的组件都是即插即用型的，因此不需要额外编程，就可以安装到太阳能逆变器中。

SOEASY的几个组件分布在电网各处，但是“起平衡作用的中央控制单元能够提升配电网络吸收可再生能源生产的电能的能力。”西门子中央研究院IRENE项目经理Michael Metzger博士指出。个人本地能源代理——一种自主软件模块——控制着分散在不同地点的电力用户、电力生产者以及电网之间的交互。每个“生产型消费者”都有这样一个代理，它通过一个交易市场预定诸如天气预报或系统优化等集中式服务。SOEASY的组件还包括可实时监测电网状态的“网络传输代理”、维持网络稳定性的“地区管理员”，以及可根据天气变化等参数提前几天或几小时计划需要进行哪些关键调节的“平衡大师”。

所有这些软件代理相互之间高度关联，*自动。它们控制电网中的执行器，确保电压质量。这种执行器包括用于配电网的新的可调变压器、即将安装的电池蓄能装置，以及光伏系统中的逆变器。在项目完工前，还要安装一套电力交换系统，以便各代理协调电力交付。

上图：沼气发电装置自动向电力供应者传送数据。

该项目的另一特色就是为Wildpoldsried村的居民提供32辆电动车。这些车辆已经整合进村庄的智能电网，用作电能缓冲装置。如果电能出现盈余，将优先给这些车辆的电池充电。IRENE还会检查在电力不足时可向电网回馈电能的电动车的使用情况。

目前，Wildpoldsried村的电动车尚未在当地智能电网中发挥积极作用。眼下项目组仅仅是监控它们的使用情况。正因如此，这些车辆配备了能够报告其行踪的导航设备。研究人员希望根据行驶情况判断它们的电池能够在多大程度上充当电网的缓冲装置。Kempten应用科学大学的科学家正在进行这个子项目的研究，他们还分析了电网中的非对称负荷，找出了合理的测量点。IRENE项目的另一家科研合作伙伴是RWTH Aachen应用科学大学，这所大学正在利用车辆行驶数据开发覆盖上万辆电动车的更大型智能电网的仿真模型。

虽然IRENE项目将于2013年秋划上句号，但Wildpoldsried村的居民不会让AüW和西门子的研究人员就此止步。他们计划到2020年*实现电能和热能的自给自足，并初步设想利用风能从二氧化碳和水中提取天然气。一些居民甚至计划在归还租赁的电动车后，拥有自己的电动车。这类车辆*不排放废气。毕竟，Wildpoldsried村的环保电能绰绰有余。