新一代I/O系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接

智能設(shè)備的日益普及使工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用受益匪淺。這些智能組件，也被稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）設(shè)備，其功能和尺寸涵蓋的范圍從小型、獨(dú)立的傳感器到大型、封裝的控制系統(tǒng)不等。它們有一個(gè)共同特點(diǎn)，那就是能夠通過數(shù)字通信鏈路傳遞大量信息。

基于IIoT的相關(guān)討論可能會(huì)給人一種印象，就是這些智能設(shè)備全部都是無(wú)線的。但實(shí)際上，在很多應(yīng)用場(chǎng)景仍然需要傳統(tǒng)的有線輸入和輸出（I/O）來(lái)繼續(xù)提供基本的自動(dòng)化服務(wù)。許多設(shè)備，例如繼電器、電磁設(shè)備、開關(guān)和變送器，對(duì)于舊系統(tǒng)的改造應(yīng)用尤其如此，但它也適用于新安裝。作為具有簡(jiǎn)單功能的基本組件仍然有意義。這尤其適用于舊系統(tǒng)的改造情況，但也適用于新安裝的系統(tǒng)。

在自動(dòng)化I/O系統(tǒng)整合基本信號(hào)，使許多現(xiàn)有的硬接線I/O點(diǎn)看起來(lái)有點(diǎn)像IIoT設(shè)備時(shí)，它們就具有了新的重要性。從控制IIoT產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量，以及在IIoT應(yīng)用的現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中使用經(jīng)典的有線信號(hào)來(lái)講，整合也至關(guān)重要。企業(yè)可以使用這些新的I/O系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其數(shù)字化轉(zhuǎn)型和部署實(shí)施IIoT的目標(biāo)。整合對(duì)于控制IIoT在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中為IIoT應(yīng)用程序生成和使用經(jīng)典有線信號(hào)的數(shù)據(jù)量至關(guān)重要。組織可以使用這些I/O系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其數(shù)字轉(zhuǎn)換和IIoT目標(biāo)。

I/O系統(tǒng)的基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的有線I/O連接是一項(xiàng)可追溯至數(shù)十年前的成熟技術(shù)。不管它們是自動(dòng)化控制器的輸入，還是控制器指令的輸出，I/O點(diǎn)通常被稱為離散量（開/關(guān)信號(hào)）或模擬量（信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化）。術(shù)語(yǔ)離散輸入（DI）、離散輸出（DO）、模擬輸入（AI）和模擬輸出（AO），構(gòu)成了傳統(tǒng)的I/O概念。

早期，一個(gè)I/O模塊只包含一個(gè)輸入或輸出通道，并且可以在一個(gè)機(jī)架上安裝幾個(gè)單通道輸入或輸出。后來(lái)，制造商提高了I/O模塊的密度。一個(gè)模塊最多可包含32個(gè)通道（圖1）。

圖1：Opto 22公司的最新I/O模塊可用軟件配置I/O點(diǎn)類型和擴(kuò)展的數(shù)據(jù)連接選項(xiàng)。 圖片來(lái)源：Opto 22

I/O系統(tǒng)模塊上的每個(gè)通道，都具有一定的電壓和電流特性。模塊可以是分布式的或獨(dú)立的、可擴(kuò)展的或基于機(jī)架的。傳統(tǒng)上，現(xiàn)場(chǎng)布線連接，通過螺絲刀緊固端子。為了簡(jiǎn)化接線以及提高抗振性，許多用戶開始使用彈簧端子。大多數(shù)I/O模塊必須安裝在受保護(hù)的環(huán)境中。有些定制的連接類型，主要用于特定或者其它要求比較嚴(yán)格的區(qū)域。

靈活性與混合匹配

用戶可以從眾多選項(xiàng)中選擇，通常將其混合并匹配不同的I/O類型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同應(yīng)用的最佳適配。一些特定功能，使用戶可以更輕松地連接、配置I/O系統(tǒng)并為其供電。

外形尺寸：從物理角度來(lái)看，具有緊湊外形尺寸的I/O，更易容易被集成到系統(tǒng)中?？梢酝ㄟ^提高I/O密度或設(shè)計(jì)窄型模塊，來(lái)達(dá)到緊湊的外形要求。但是，由于尺寸減小會(huì)限制接線儀表的數(shù)量，并且可能會(huì)使診斷變得更加困難，因此需要在兩者之間做平衡。諸如可移除端子塊和接線臂系統(tǒng)之類的功能，可以實(shí)現(xiàn)更快地組裝和更換模塊（圖2）。

圖2：現(xiàn)場(chǎng)空間總是非常寶貴，因此設(shè)計(jì)人員和安裝人員會(huì)喜歡緊湊型I/O系統(tǒng)。

信號(hào)選項(xiàng)：大多數(shù)I/O系統(tǒng)，可為離散信號(hào)提供24 VDC或120 VAC供電，為模擬信號(hào)提供4-20 mA或0-10 VDC供電。繼電器連接離散輸出也很常見。熱電偶、電阻溫度檢測(cè)器和集成電路溫度檢測(cè)器可被視為特殊類型的模擬輸入模塊。它們通常提供較高的輸入密度，以避免使用單獨(dú)的溫度變送器。一些制造商提供更專業(yè)的I/O模塊，包括頻率、電阻或毫伏信號(hào)。

混合和多功能I/O：通常情況下，一個(gè)模塊中的所有通道類型都是相同的，不管是離散輸入還是模擬輸出模塊。某些較新的系統(tǒng)提供的模塊，同時(shí)包含離散輸入和離散輸出，或所有四種基本類型的組合。過去，各種典型的信號(hào)電平要求設(shè)計(jì)人員規(guī)劃I/O的分配，以匹配現(xiàn)場(chǎng)儀器，但是由于只有在項(xiàng)目后期才可以確定現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，因此匹配就變得很困難。

為了解決此問題，許多I/O系統(tǒng)供應(yīng)商提供了多功能I/O模塊，使用基于軟件的配置，為每個(gè)終端配置特定屬性，從而可以在同一終端上接收相關(guān)類型的信號(hào)。這些模塊可能價(jià)格更高，但是它們簡(jiǎn)化了初始設(shè)計(jì)，并為將來(lái)的變更提供了靈活性。

功率分配：與I/O信號(hào)電平相關(guān)的，是如何為這些信號(hào)供電。通常，回路電源要么是從I/O位置獲得的，要么是從現(xiàn)場(chǎng)接入。設(shè)計(jì)人員需要評(píng)估I/O模塊的隔離特性，以確保在為不同位置的I/O點(diǎn)進(jìn)行布線時(shí)沒有任何限制。許多I/O系統(tǒng)使用開放的以太網(wǎng)協(xié)議，而不是傳統(tǒng)的專有工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線。這意味著某些I/O系統(tǒng)，可以利用以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)來(lái)運(yùn)行遠(yuǎn)程I/O和電源回路。盡管可用功率有限，但是在某些應(yīng)用程序中，以太網(wǎng)供電使在無(wú)需專用電源的情況下安裝I/O系統(tǒng)成為可能。

基于軟件的配置：I/O系統(tǒng)的最后一項(xiàng)關(guān)鍵功能，是對(duì)模塊和I/O點(diǎn)進(jìn)行基于軟件的配置。該屬性使用戶可以調(diào)整、查看和記錄I/O量程和功能。精心設(shè)計(jì)的用戶界面，還可以提供有用的診斷信息。如果配置了基于網(wǎng)頁(yè)的界面，那么甚至可以在用戶的計(jì)算機(jī)或移動(dòng)設(shè)備上訪問此信息。

讓連接更進(jìn)一步

確定從I/O模塊到控制系統(tǒng)的通信鏈接也同樣重要。有時(shí)需要通信適配器，才能使I/O模塊與監(jiān)控系統(tǒng)通信。

有兩個(gè)概念很重要。首先是了解本地和遠(yuǎn)程I/O之間的區(qū)別；其次是了解每個(gè)I/O通道可能的通訊范圍。本地I/O通常直接使用專有總線或串行連接，與控制器直接連接，或者與此非常接近。相反，遠(yuǎn)程I/O可以位于與系統(tǒng)其余部分相關(guān)的任何位置，并且可以從眾多互聯(lián)網(wǎng)或現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中選擇一種來(lái)連接。

最早期的I/O系統(tǒng)，由I/O適配器和模塊組成，這些I/O適配器和模塊只能與控制它們的控制器（或計(jì)算機(jī)）連接，不管它們是本地的還是遠(yuǎn)程的。

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)最早于1990年代末被引入到工業(yè)I/O，現(xiàn)在應(yīng)用非常普遍。與傳統(tǒng)的工業(yè)I/O現(xiàn)場(chǎng)總線相比在傳輸距離上有一定的限制，但是使用工業(yè)通信協(xié)議（例如Modbus/TCP，EtherNet/IP或Profinet）的以太網(wǎng)，可以提供強(qiáng)大而可靠的I/O通信?，F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和解決方案也為I/O帶來(lái)了其它好處。以太網(wǎng)是一種易于理解的高速標(biāo)準(zhǔn)。它也是企業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，促進(jìn)了互操作性。以太網(wǎng)上的I/O適配器，還可以充當(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)發(fā)布到任意數(shù)量的設(shè)備上。

升級(jí)后的I/O系統(tǒng)

可以使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)將現(xiàn)代I/O系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，而不再局限于主-從通信。新的架構(gòu)可以連接傳統(tǒng)的有線和智能無(wú)線以及I/O和IIoT系統(tǒng)。在大、中型項(xiàng)目中，現(xiàn)場(chǎng)布線的成本很高，尤其是在無(wú)法使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的情況下，更是如此。最新的遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)可在控制器和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)之間使用一根以太網(wǎng)電纜通訊，從而大大降低集成遠(yuǎn)程設(shè)備的成本（圖3）。

圖3：最新一代的遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，可通過以太網(wǎng)連接來(lái)代替昂貴的室內(nèi)布線。

這些系統(tǒng)還將I/O控制與嵌入式IT技術(shù)結(jié)合使用，以將遠(yuǎn)程從站轉(zhuǎn)換為分布式數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。遠(yuǎn)程I/O模塊獨(dú)立于主機(jī)，可以與消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（MQTT）代理進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。這種配對(duì)意味著可以將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)或數(shù)據(jù)庫(kù)，從而將網(wǎng)絡(luò)集成到IIoT系統(tǒng)中。（作者：Josh Eastburn）
編輯：hfy