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概述

• 用于方便地將傳感器和執(zhí)行器連接到 S7-300 I/O 模塊
• 用于更換模塊時保持接線（“固定式接線”）
• 帶有用于防止更換模塊時出錯的機(jī)械編碼

應(yīng)用

前連接器可方便地將傳感器和執(zhí)行器連接到I/O模塊上。

前連接器的使用：

• 數(shù)字量和模擬量 I/O 模塊
• S7-300 系列的緊湊型 CPU

分為 20 針和 40 針。

設(shè)計

前連接器插入到模塊上并通過前門蓋好。更換模塊時，只需斷開前連接器，不需要耗時的重新更換所有接線。為了避免在更換模塊時發(fā)生錯誤，在*次插入時，前連接器要進(jìn)行機(jī)械編碼。之后，只能插入相同類型的模塊。例如，這樣可以避免將 230 V AC 輸入信號錯誤地插入 24 V DC 模塊中。

另外，連接器有“預(yù)嚙合位置”。在此位置，可以在進(jìn)行電接觸前將連接器卡裝在模塊上。連接器被卡裝在模塊上，隨后可以方便地進(jìn)行接線。接線后，將連接器插牢以便接觸良好。

前連接器包括：

• 連線觸點。
• 導(dǎo)線松緊件。
• 更換模塊時用于復(fù)位前連接器的復(fù)位鍵。
• 用于對附屬元件編碼的進(jìn)口。不帶附件的模塊上有兩個編碼元件。首次連接前連接器時，附件會鎖入。

40 針前連接器還具有一個更換模塊時用于安裝和松開連接器的固定螺絲。

前連接器具有下列連接方式：

• 螺釘型接線端子
• 彈簧型端子
•  

目前工業(yè)生產(chǎn)工藝中消耗的初級能源約有一半被白白浪費掉。尤其是在余熱方面，眼下幾乎沒有任何經(jīng)濟(jì)上切合實際、技術(shù)上成熟的能源回收方法。西門子正在潛心研究能夠巧妙地利用大部分此類能源的途徑。

鋼鐵無處不在。若沒有了鋼鐵，難以想象機(jī)械工程、汽車制造，乃至整個工業(yè)世界會是什么樣子。2011年，全球原鋼產(chǎn)量達(dá)到15億公噸左右，這個數(shù)字意味著消耗大量能源來支撐。即便是通過回收利用金屬廢料生產(chǎn)的鋼材，例如利用電弧爐來回收，每公噸鋼也需要消耗約370度電。在這種電弧爐中，若干電極之間會放出電弧。由此產(chǎn)生的熱量使鋼材發(fā)生融化。然后呢？電弧爐的出鋼口釋放出溫度高達(dá)1700℃的混合氣體，這些原本可以用來發(fā)電的巨量余熱就這樣浪費掉了。

在奧地利林茨的西門子奧鋼聯(lián)鋼鐵科技有限公司，收集這些余熱正是Alexander Fleischanderl所帶領(lǐng)的團(tuán)隊目前研究的目標(biāo)。但這并非易事。從材料入爐到整個熔煉過程，再到“出鋼”，需要45到60分鐘的時間，具體時長視系統(tǒng)而定。在此期間，廢氣溫度和流速千差萬別，這對工程師提出了巨大挑戰(zhàn)。Fleischanderl指出，“要確保高效地運轉(zhuǎn)，渦輪機(jī)必須有持續(xù)的蒸汽供應(yīng)。為保障蒸汽供應(yīng)，我們在煉鋼爐和渦輪機(jī)之間引入了熱存儲系統(tǒng)。”

這種熱存儲功能是通過熔點很低的鹽混合物（也被用于太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)裝置）來實現(xiàn)的。鹽混合物通過熱交換器系統(tǒng)從廢氣中吸取熱量。在第二個回路中，水流過加熱的鹽混合物，生成能為渦輪機(jī)提供動力的蒸汽，渦輪機(jī)則生產(chǎn)出電力。第二個回路是持續(xù)的過程，它獨立于煉鋼爐作業(yè)循環(huán)。

Fleischanderl介紹道，“鹽熔體的優(yōu)勢是它們不需要壓力、存儲能力強(qiáng)并且對環(huán)境無害。”因此，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時無需價格不菲的高壓容器，易于建造和獲得審批，同時操作安全。此外，由于鹽的溫度高達(dá)500℃，該工藝的能效等級也高達(dá)24%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過能效等級只有17%的蒸汽蓄熱器。

上圖：在莫斯科，科學(xué)家們利用有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)來回收大量余熱。

據(jù)Fleischanderl估計，全球市場約有300個此類系統(tǒng)，每個系統(tǒng)的成本在3000萬歐元左右。他指出，“融化金屬廢料所需的電力有多達(dá)20%可以從余熱中回收。通過這種方式，可使生產(chǎn)每公噸鋼材所排放的二氧化碳約減少40 公斤。當(dāng)前系統(tǒng)的二氧化碳排放量約為270公斤，其中220公斤是因電力生產(chǎn)而來。這意味著，對于一個典型的120公噸級煉鋼爐，每年的二氧化碳排量可降低3萬公噸。”

西門子的專家們目前正在對不同的容器材料和鹽混合物進(jìn)行測試，同時自2012年2月開始，一個試點系統(tǒng)也已經(jīng)在德國的一家鋼鐵廠開始運行。商用熱能回收系統(tǒng)有望于2013年面市。

但是目前大部分工業(yè)余熱并未得到有價值的利用。愛爾蘭根西門子中央研究院的Martin Tackenberg博士稱，“如今工業(yè)生產(chǎn)工藝和發(fā)電過程中消耗的初級能源約有一半被浪費。對于溫度在300℃以下的余熱而言，尤其如此，目前幾乎沒有任何經(jīng)濟(jì)上切合實際而技術(shù)上成熟的相應(yīng)工藝。”考慮到這一現(xiàn)狀，西門子在一個側(cè)重于熱管理的特殊項目中，廣泛探索了一系列工藝，并篩選出20個可能會帶來巨大的熱回收利用潛力的方案。在從大約80個用例選出的方案中，具潛力的項目有4個，這些項目均可應(yīng)用有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）技術(shù)。ORC技術(shù)尤其適用于以下余熱利用領(lǐng)域：玻璃工業(yè)的高爐余熱、柴油機(jī)或汽油機(jī)的余熱、精煉廠的天然氣燃除余熱和壓縮站燃?xì)廨啓C(jī)的余熱。與傳統(tǒng)的蒸汽回路工藝相比，ORC中循環(huán)的并非水，而是一種有機(jī)介質(zhì)，它能確?；芈芬暂^低的余熱溫度和功耗實現(xiàn)優(yōu)效率，并且非常適用于緊湊型設(shè)計。

易揮發(fā)的介質(zhì)。在與莫斯科動力工程學(xué)院和莫斯科國立大學(xué)聯(lián)合開展的ORC研究項目中，西門子采用了美國3M公司出產(chǎn)的一種新型工作介質(zhì)，該介質(zhì)由碳、氟和氧組成，在正常壓力下溫度達(dá)到49℃時便會蒸發(fā)。Tackenberg指出，“更為重要的是，這種有機(jī)介質(zhì)對于環(huán)境*無污染。在可持續(xù)發(fā)展的大背景下，這一優(yōu)勢對于西門子而言非常重要。”*個示范系統(tǒng)于2011年11月在莫斯科國立大學(xué)開始投入運轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)的輸出功率為1.2千瓦。另有一個加大規(guī)模的示范系統(tǒng)預(yù)定將于2012年秋季在德國玻璃纖維制造商Lauscha的工廠投入運轉(zhuǎn)，其輸出功率為100千瓦。該示范系統(tǒng)將利用玻璃纖維生產(chǎn)線產(chǎn)生的高溫余熱發(fā)電——發(fā)電溫度只有220℃。Tackenberg表示，“此ORC單元每年將額外產(chǎn)出約80萬度電，能效達(dá)到20%左右，這個產(chǎn)能價值約相當(dāng)于8萬歐元。在此案例中，每千瓦電能的投入成本約為2200歐元。因此，這個系統(tǒng)在不到三年時間內(nèi)，就可以逐步收回成本。”據(jù)他估計，ORC解決方案的年度市場額可達(dá)30億歐元左右。

上圖：圖為紅外顯示的ORC工藝，該工藝可以在低溫條件下發(fā)電。

用余熱凈化水。余熱不僅可以發(fā)電，它還可以用來對水進(jìn)行凈化。這正是西門子EvaCon（蒸發(fā)和冷凝）工藝背后的理念。愛爾蘭根西門子中央研究院的EvaCon項目經(jīng)理Thomas Hammer博士解釋道，“工業(yè)生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的余熱往往溫度太低，無法實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)劃算的發(fā)電。EvaCon可以利用溫度在65℃到90℃之間的余熱來進(jìn)行水凈化。”

在此應(yīng)用中，廢水經(jīng)過加熱、蒸發(fā)，然后進(jìn)入冷凝器，蒸汽在冷凝器中重新液化為水。Hammer介紹道，“這就是從高濃度廢水分離潔凈水的過程，最終得到的是去礦物質(zhì)水。”潛在的熱源包括造紙廠、瓶裝飲料廠等等，這些地方產(chǎn)生的廢水在污水處理廠無法立即得到處理。利用EvaCon不僅可以生產(chǎn)出新的潔凈水，同時亦可以減輕污水處理的負(fù)擔(dān)。

西門子中央研究院的研究人員目前正在探索用于蒸發(fā)器和冷凝器的設(shè)計和材料。預(yù)計在2012年9月將推出一個雛形，用以示范這一工藝的工業(yè)規(guī)模應(yīng)用。Tackenberg估計EvaCon有望在2015底以前做好面市準(zhǔn)備，屆時它將成為一款炙手可熱的產(chǎn)品。Tackenberg介紹說：“從年度來看，如果一家飲料生產(chǎn)商每小時需要使用8立方米滅菌沖洗水，并處理掉伴生廢水，那么目前它每年因此而為每個裝瓶作業(yè)線支出的成本約為50萬歐元。利用EvaCon來實現(xiàn)廢水的再處理，每年可以節(jié)約37萬歐元左右。因此，假如系統(tǒng)的建設(shè)成本為32.5萬歐元，那么這個投入在不到一年內(nèi)就可以逐步收回。”西門子中央研究院與西門子工業(yè)的食品與飲料業(yè)務(wù)部合作推廣EvaCon，目前已經(jīng)將該工藝推介到紐約的百事公司。

機(jī)器之幸。在另一個項目中，西門子研究人員研究了未來的潛熱存儲單元如何確保機(jī)器的“熱舒適度”。在此類存儲設(shè)備中，熱不會引起溫度的升高，而是促發(fā)形態(tài)轉(zhuǎn)變，例如冰融化成水，只要還剩有最后一點冰未融盡，溫度就會保持在0℃，高精度的機(jī)床尤其需要復(fù)雜的熱管理。為了防止由于機(jī)床和產(chǎn)品的熱膨脹而導(dǎo)致不合格品增多，在運轉(zhuǎn)期間，機(jī)床需要冷卻，而在啟動前則要將其預(yù)熱。潛熱存儲單元可以吸收生產(chǎn)期間產(chǎn)生的多余熱能，然后在機(jī)器閑置時將這些熱能重新釋放到機(jī)器中。Tackenberg指出，“這種方法可以顯著降低冷卻成本，同時啟動時也不再需要額外用電。”

上述項目仍處于起步階段，所以究竟何種材料才是潛熱存儲的選擇目前尚未可知。如此看來，西門子的ORC和EvaCon解決方案很可能要先于潛熱存儲單元一步，在實際應(yīng)用中一展拳腳了。Tackenberg預(yù)計，截至2020年，在這些解決方案及其他研發(fā)成果的作用下，工業(yè)濃煙中溢出的礦物初級能源余熱比例將從高達(dá)50%降至40%左右。

據(jù)西門子和McKinsey聯(lián)合開展的一項研究顯示，僅ORC 技術(shù)應(yīng)用一項就可以帶來1.1至 2.5千兆瓦的可用余熱發(fā)電潛力。這對于氣候和此類解決方案的供應(yīng)商而言都是一大益事。西門子無疑是其中的受益者之一。