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工業(yè)發(fā)展里程碑

通過增加服務(wù)質(zhì)量機(jī)制，成熟的以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)得到進(jìn)一步優(yōu)化。得益于新的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)將能在預(yù)定義的長時(shí)限內(nèi)，可靠地進(jìn)行多協(xié)議（包括實(shí)時(shí)協(xié)議）并行傳輸。工業(yè)用戶和汽車制造商已經(jīng)準(zhǔn)備好使用新標(biāo)準(zhǔn)。

機(jī)械臂動(dòng)作整齊劃一，分毫不差，靈活自如地?cái)[動(dòng)著機(jī)械爪。兩個(gè)工業(yè)機(jī)器人跳著優(yōu)雅的機(jī)械芭蕾，讓人覺察不到哪怕一絲遲延。這樣的*協(xié)調(diào)，歸功于一項(xiàng)正在揭開工業(yè)通信新紀(jì)元的技術(shù)：時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）。

過去40年，在通過電纜傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)方面，以太網(wǎng)已是*的*。西門子從一開始就積極投身這個(gè)領(lǐng)域，并推出了市場上工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)：SINEC H1。自此之后，以太網(wǎng)不單用于辦公室，尤其還用于工業(yè)制造環(huán)境。然而，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)從誕生之初就存在一個(gè)問題——它不能保證發(fā)送方發(fā)出的數(shù)據(jù)包能在一定時(shí)間內(nèi)送達(dá)接收方。對于工業(yè)控制器，這樣的情況是不能容忍的。要知道，機(jī)器的可靠運(yùn)行，依賴于傳感器測量數(shù)據(jù)和控制信號在短時(shí)間內(nèi)送達(dá)目的地。它們需要時(shí)延低至毫秒級的實(shí)時(shí)通信——這項(xiàng)任務(wù)超出了以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)初衷。

一個(gè)重要發(fā)展：未來，一切都將建立在支持TSN的以太網(wǎng)之上，可以按要求實(shí)現(xiàn)并行操作。

正因如此，想要在以太網(wǎng)上進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的用戶必須部署擴(kuò)展性技術(shù)，如應(yīng)用廣泛的Profinet標(biāo)準(zhǔn)。舉例來講，在機(jī)器中，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通過向以太網(wǎng)添加實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸能力，將傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器等連接至中央控制器，從而實(shí)現(xiàn)包括精準(zhǔn)控制伺服驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用。西門子Simatic控制器業(yè)務(wù)部門的系統(tǒng)管理負(fù)責(zé)人Matthias Gärtner解釋道，“然而，要做到這一點(diǎn)，通常需要在連接設(shè)備內(nèi)加裝特殊硬件組件。不僅如此，各種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)解決方案不能在同一個(gè)以太網(wǎng)上并行運(yùn)行。”

很快，這個(gè)問題將成為歷史，因?yàn)樨?fù)責(zé)為各種系統(tǒng)制定標(biāo)準(zhǔn)的電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）已通過添加實(shí)時(shí)通信機(jī)制擴(kuò)展了以太網(wǎng)，從而滿足這一迫切需求。這些機(jī)制包括時(shí)間控制傳輸、同步和帶寬預(yù)留等。通過這種方式，IEEE借助TSN提高了服務(wù)質(zhì)量。這樣一來，以太網(wǎng)將能夠向連接的所有支持這些擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備提供相同的時(shí)間信息。終，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)精確同步。除此之外，預(yù)留協(xié)議可確保按照預(yù)定義的時(shí)間表，通過所有中間交換機(jī)將數(shù)據(jù)包從發(fā)送方傳送至目的地。TSN標(biāo)準(zhǔn)還將有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼{入考慮，即，網(wǎng)絡(luò)部署是星型、環(huán)型，還是線型，以及發(fā)送方與接收方之間的交換機(jī)的數(shù)量。此外，TSN標(biāo)準(zhǔn)還包含無縫冗余流程。

引起工業(yè)界普遍關(guān)注：除在機(jī)器內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)通信之外，現(xiàn)在還可以在機(jī)器之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，從而提高整個(gè)工廠系統(tǒng)的吞吐量。

單個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸所有數(shù)據(jù)

Gärtner指出，“對于以太網(wǎng)而言，這是一個(gè)歷史性時(shí)刻。未來，將有可能使用面向Profinet及其他基于TSN的實(shí)時(shí)工業(yè)通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)硬件組件。這將實(shí)現(xiàn)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)傳輸所有數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)信息。”用戶將自然而然地獲益于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)帶寬穩(wěn)步提高，隨著自動(dòng)化系統(tǒng)的IP連接與日俱增，帶寬需求將不斷增長。此外，TSN交換機(jī)堅(jiān)決將交換資源預(yù)留用于所請求的實(shí)時(shí)通信需求，確保不再因緩沖器溢出而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，因此，通信將更加穩(wěn)健。

除對通過Profinet實(shí)現(xiàn)機(jī)器內(nèi)部實(shí)時(shí)通信的需求日益增長之外，對不同機(jī)器之間的確定性（即預(yù)定的）數(shù)據(jù)交換的需求也越來越大。譬如，同時(shí)對一個(gè)工件執(zhí)行操作的協(xié)作機(jī)器人，它們必須精確協(xié)調(diào)彼此的動(dòng)作?，F(xiàn)在，具備PubSub（發(fā)布/訂閱）擴(kuò)展的OPC UA標(biāo)準(zhǔn)已在這個(gè)領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟。它也可以采用TSN以太網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)。Gärtner表示，“預(yù)計(jì)，TSN以太網(wǎng)將被引入整個(gè)工業(yè)制造流程。不僅如此，譬如，汽車制造商也希望使用這種新標(biāo)準(zhǔn)來發(fā)送倒車后視攝像頭生成的大量數(shù)據(jù)，或者實(shí)現(xiàn)無人駕駛。無人駕駛的實(shí)現(xiàn)，離不開包含服務(wù)質(zhì)量機(jī)制的車載網(wǎng)絡(luò)。”現(xiàn)在，時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。TSN組件現(xiàn)已投放市場，在2018年德國漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，西門子將使用實(shí)際的TSN產(chǎn)品來演示基于OPC UA PubSub的確定性機(jī)器間通信。這些產(chǎn)品將于今年年底開始銷售，屆時(shí)，TSN以太網(wǎng)將終來到數(shù)字化和“工業(yè)4.0”的現(xiàn)代化世界。

S7-300

SIMATIC S7-300 是模塊化的微型 PLC 系統(tǒng)，可滿足中、低端的性能要求。

模塊化、無風(fēng)扇設(shè)計(jì)、易于實(shí)現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)以及方便的操作,使得 SIMATIC S7-300 成為中、低端應(yīng)用中各種不同任務(wù)的經(jīng)濟(jì)、用戶友好的解決方案。

SIMATIC S7-300 的應(yīng)用領(lǐng)域包括：

特殊機(jī)械，

紡織機(jī)械，

包裝機(jī)械，

一般機(jī)械設(shè)備制造，

控制器制造，

機(jī)床制造，

安裝系統(tǒng)，

電氣與電子工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

多種性能等級的 CPU，具有用戶友好功能的全系列模塊，可允許用戶根據(jù)不同的應(yīng)用選取相應(yīng)模塊。任務(wù)擴(kuò)展時(shí)，可通過使用附加模塊隨時(shí)對控制器進(jìn)行升級。

SIMATIC S7-300 是一個(gè)通用的控制器：

具有高電磁兼容性和抗震性，可大限度地用于工業(yè)領(lǐng)域。

S7-300F

SIMATIC S7-300F 故障安全自動(dòng)化系統(tǒng)可使用在對安全要求較高的設(shè)備中。其可對立即停車過程進(jìn)行控制，因此不會(huì)對人身、環(huán)境造成損害。

一系列具有不同功率范圍的CPU，以及具有很多用戶友好功能的一系列擴(kuò)展模塊，可以使用戶根據(jù)不

同的應(yīng)用情況選擇相應(yīng)的模塊。 如果控制任務(wù)需要擴(kuò)展，可以隨時(shí)使用附加模塊對控制系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。

SIMATIC S7-300 是一個(gè)通用的控制器。

高等級的電磁兼容性以及高等級的抗震性，使得它具有*的工業(yè)控制能力。

模塊化微型PLC系統(tǒng)，滿足中、小規(guī)模的性能要求

各種性能的模塊可以非常好地滿足和適應(yīng)自動(dòng)化控制任務(wù)

簡單實(shí)用的分布式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，應(yīng)用十分靈活

方便用戶和簡易的無風(fēng)扇設(shè)計(jì)

當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，可自由擴(kuò)展

大量的集成功能使它功能非常強(qiáng)勁

大量功能特性為用戶針對 S7-300 進(jìn)行的編程、調(diào)試和維護(hù)提供支持。

快速的指令處理：

指令處理時(shí)間為 0.01μs，可在低端和中端性能范圍中*開辟新的應(yīng)用。

浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算：

使用浮點(diǎn)運(yùn)算可以有效地執(zhí)行更為復(fù)雜的運(yùn)算功能。

用戶友好的參數(shù)設(shè)置:

只需一個(gè)帶有統(tǒng)一用戶界面的軟件工具便可參數(shù)化所有模塊。
 

操作和監(jiān)控 (HMI)：

用戶友好的人機(jī)界面 (HMI) 服務(wù)已集成在 S7-300 的操作系統(tǒng)中。這些功能不再需要耗時(shí)的編程：

SIMATIC HMI 系統(tǒng)需要來自 SIMATIC S7-300 的過程數(shù)據(jù) - S7-300 按照請求的更新周期傳輸過程數(shù)據(jù)。

SIMATIC S7-300 操作系統(tǒng)可自主執(zhí)行傳輸。所有這些都是使用同一的符號和數(shù)據(jù)庫完成的。
 

S7-300F 滿足下列安全要求：

要求等級 AK 1 - AK 6 符合 DIN V 19250/DIN V VDE 0801

安全要求等級 SIL 1 - SIL 3 符合 IEC 61508

類別 1 - 4 符合 EN 954-1

另外，標(biāo)準(zhǔn)模塊還可用在 S7-300F 及故障安全模塊中。因此它可以創(chuàng)建一個(gè)全集成的控制系統(tǒng)，在非安全相關(guān)和安全相關(guān)任務(wù)共存的工廠中使用。使用相同的標(biāo)準(zhǔn)工具對整個(gè)工廠進(jìn)行組態(tài)和編程。

Design

S7-300

一般步驟

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

一個(gè)系統(tǒng)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(yīng)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(shù)字量和模擬量輸入/輸出的信號模塊 (SM)。

用于連接總線和點(diǎn)對點(diǎn)連接的通信處理器 (CP)。

用于高速計(jì)數(shù)、定位（開環(huán)/閉環(huán)）及 PID 控制的功能模塊（FM）。

根據(jù)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(fù)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(kuò)展裝置 (EU)。

通過分布式中央控制器 (CC) 和 3 個(gè)擴(kuò)展裝置 (EU)，SIMATIC S7-300 可以操作多達(dá) 32 個(gè)模塊。所有模塊均在外殼中運(yùn)行，并且無需風(fēng)扇。

SIPLUS 模塊可用于擴(kuò)展的環(huán)境條件：

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

設(shè)計(jì)

簡單的結(jié)構(gòu)使得 S7-300 使用靈活且易于維護(hù)：

安裝模塊：

只需簡單地將模塊掛在安裝導(dǎo)軌上，轉(zhuǎn)動(dòng)到位然后鎖緊螺釘。

集成的背板總線：

背板總線集成到模塊里。模塊通過總線連接器相連，總線連接器插在外殼的背面。

模塊采用機(jī)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(jī)構(gòu)，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的連接器錯(cuò)插到其他的模塊上。

現(xiàn)場證明可靠的連接：

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：

為采用螺釘型接線端子或彈簧型接線端子連接的 1 線 - 3 線連接系統(tǒng)提供預(yù)組裝接線另外還可直接在信號模塊上接線。

規(guī)定的安裝深度：

所有的連接和連接器都在模塊上的凹槽內(nèi)，并有前蓋保護(hù)。因此，所有模塊應(yīng)有明確的安裝深度。

無插槽規(guī)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(tǒng)可自行組態(tài)。

擴(kuò)展

若用戶的自動(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(kuò)展：

中央控制器和3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架多可連接32個(gè)模塊：

總共可將 3 個(gè)擴(kuò)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被插在 CPU 旁邊的插槽中，并自動(dòng)處理與擴(kuò)展裝置的通信。