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连入IIoT的新一代I/O系统

来源:控制工程网2020.11.10阅读 1293

  智能设备的日益普及使工业自动化应用受益匪浅。这些智能组件,也被称为工业物联网(IIoT)设备,其功能和尺寸涵盖的范围从小型、独立的传感器到大型、封装的控制系统不等。它们有一个共同特点,那就是能够通过数字通信链路传递大量信息。
  基于IIoT的相关讨论可能会给人一种印象,就是这些智能设备全部都是无线的。但实际上,在很多应用场景仍然需要传统的有线输入和输出(I/O)来继续提供基本的自动化服务。许多设备,例如继电器、电磁设备、开关和变送器,对于旧系统的改造应用尤其如此www.cechina.cn,但它也适用于新安装。作为具有简单功能的基本组件仍然有意义。这尤其适用于旧系统的改造情况,但也适用于新安装的系统。
  在自动化I/O系统整合基本信号,使许多现有的硬接线I/O点看起来有点像IIoT设备时,它们就具有了新的重要性。从控制IIoT产生的数据量,以及在IIoT应用的现代网络架构中使用经典的有线信号来讲,整合也至关重要。企业可以使用这些新的I/O系统来实现其数字化转型和部署实施IIoT的目标。整合对于控制IIoT在现代网络架构中为IIoT应用程序生成和使用经典有线信号的数据量至关重要。组织可以使用这些I/O系统来实现其数字转换和IIoT目标。
  I/O系统的基础
  传统的有线I/O连接是一项可追溯至数十年前的成熟技术。不管它们是自动化控制器的输入,还是控制器指令的输出,I/O点通常被称为离散量(开/关信号)或模拟量(信号在一定范围内变化)。术语离散输入(DI)、离散输出(DO)、模拟输入(AI)和模拟输出(AO),构成了传统的I/O概念。
  早期,一个I/O模块只包含一个输入或输出通道,并且可以在一个机架上安装几个单通道输入或输出。后来,制造商提高了I/O模块的密度。一个模块最多可包含32个通道(图1)。

图1:Opto 22公司的最新I/O模块可用软件配置I/O点类型和扩展的数据连接选项。 图片来源:Opto 22

  I/O系统模块上的每个通道,都具有一定的电压和电流特性。模块可以是分布式的或独立的、可扩展的或基于机架的。传统上,现场布线连接,通过螺丝刀紧固端子。为了简化接线以及提高抗振性,许多用户开始使用弹簧端子。大多数I/O模块必须安装在受保护的环境中。有些定制的连接类型,主要用于特定或者其它要求比较严格的区域。
  灵活性与混合匹配
  用户可以从众多选项中选择,通常将其混合并匹配不同的I/O类型,以实现对不同应用的最佳适配。一些特定功能,使用户可以更轻松地连接、配置I/O系统并为其供电。
  外形尺寸:从物理角度来看,具有紧凑外形尺寸的I/O,更易容易被集成到系统中。可以通过提高I/O密度或设计窄型模块,来达到紧凑的外形要求。但是,由于尺寸减小会限制接线仪表的数量,并且可能会使诊断变得更加困难,因此需要在两者之间做平衡。诸如可移除端子块和接线臂系统之类的功能,可以实现更快地组装和更换模块(图2)。

图2:现场空间总是非常宝贵,因此设计人员和安装人员会喜欢紧凑型I/O系统。

  信号选项:大多数I/O系统,可为离散信号提供24 VDC或120 VAC供电,为模拟信号提供4-20 mA或0-10 VDC供电。继电器连接离散输出也很常见。热电偶、电阻温度检测器和集成电路温度检测器可被视为特殊类型的模拟输入模块。它们通常提供较高的输入密度,以避免使用单独的温度变送器。一些制造商提供更专业的I/O模块,包括频率、电阻或毫伏信号。
  混合和多功能I/O:通常情况下,一个模块中的所有通道类型都是相同的,不管是离散输入还是模拟输出模块。某些较新的系统提供的模块,同时包含离散输入和离散输出,或所有四种基本类型的组合。过去,各种典型的信号电平要求设计人员规划I/O的分配www.cechina.cn,以匹配现场仪器,但是由于只有在项目后期才可以确定现场设备设计细节www.cechina.cn,因此匹配就变得很困难。
  为了解决此问题,许多I/O系统供应商提供了多功能I/O模块,使用基于软件的配置,为每个终端配置特定属性,从而可以在同一终端上接收相关类型的信号。这些模块可能价格更高,但是它们简化了初始设计,并为将来的变更提供了灵活性。
  功率分配:与I/O信号电平相关的,是如何为这些信号供电。通常,回路电源要么是从I/O位置获得的,要么是从现场接入。设计人员需要评估I/O模块的隔离特性,以确保在为不同位置的I/O点进行布线时没有任何限制。许多I/O系统使用开放的以太网协议,而不是传统的专有工业现场总线。这意味着某些I/O系统,可以利用以太网供电(PoE)技术来运行远程I/O和电源回路。尽管可用功率有限,但是在某些应用程序中CONTROL ENGINEERING China版权所有,以太网供电使在无需专用电源的情况下安装I/O系统成为可能。
  基于软件的配置:I/O系统的最后一项关键功能,是对模块和I/O点进行基于软件的配置。该属性使用户可以调整、查看和记录I/O量程和功能。精心设计的用户界面,还可以提供有用的诊断信息。如果配置了基于网页的界面,那么甚至可以在用户的计算机或移动设备上访问此信息。
  让连接更进一步
  确定从I/O模块到控制系统的通信链接也同样重要。有时需要通信适配器,才能使I/O模块与监控系统通信。
  有两个概念很重要。首先是了解本地和远程I/O之间的区别;其次是了解每个I/O通道可能的通讯范围。本地I/O通常直接使用专有总线或串行连接,与控制器直接连接,或者与此非常接近。相反,远程I/O可以位于与系统其余部分相关的任何位置,并且可以从众多互联网或现场总线技术中选择一种来连接。
  最早期的I/O系统,由I/O适配器和模块组成,这些I/O适配器和模块只能与控制它们的控制器(或计算机)连接,不管它们是本地的还是远程的。
  标准以太网网络最早于1990年代末被引入到工业I/O,现在应用非常普遍。与传统的工业I/O现场总线相比在传输距离上有一定的限制,但是使用工业通信协议(例如Modbus/TCP控制工程网版权所有,EtherNet/IP或Profinet)的以太网,可以提供强大而可靠的I/O通信。现代网络技术和解决方案也为I/O带来了其它好处。以太网是一种易于理解的高速标准。它也是企业计算机系统的基础,促进了互操作性。以太网上的I/O适配器,还可以充当点对点通信节点,将数据发布到任意数量的设备上。
  升级后的I/O系统
  可以使用标准以太网将现代I/O系统联网,而不再局限于主-从通信。新的架构可以连接传统的有线和智能无线以及I/O和IIoT系统。在大、中型项目中,现场布线的成本很高,尤其是在无法使用无线网络的情况下,更是如此。最新的远程I/O系统可在控制器和远程节点之间使用一根以太网电缆通讯,从而大大降低集成远程设备的成本(图3)。

图3:最新一代的远程I/O系统,可通过以太网连接来代替昂贵的室内布线。

  这些系统还将I/O控制与嵌入式IT技术结合使用,以将远程从站转换为分布式数据节点。远程I/O模块独立于主机,可以与消息队列遥测传输(MQTT)代理进行通信,以实现现场的点对点连接。这种配对意味着可以将现场数据发送到云服务或数据库,从而将网络集成到IIoT系统中。(作者:Josh Eastburn) 
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