本文回顧了顯示儀表的萬能輸入技術(shù)，介紹了國內(nèi)外多家公司的控制系統(tǒng)通用I/O技術(shù)，總結(jié)了控制系統(tǒng)通用I/O技術(shù)的特點(diǎn)。
一、概述
遠(yuǎn)程I/O模塊是控制系統(tǒng)最重要的部件之一，通常I/O模塊有多種類型，比如：模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、數(shù)字量輸入模塊DI、數(shù)字量輸出模塊DO、脈沖量輸入模塊PI、溫度量輸入模塊等等，數(shù)字量輸入模塊DI又細(xì)分為不同電壓等級(jí)的直流、交流輸入，數(shù)字量輸出模塊DO又細(xì)分為不同電壓等級(jí)的繼電器、晶體管、晶閘管輸出，溫度量輸入模塊又細(xì)分熱電偶輸入模塊、熱電阻輸入模塊。
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)用戶要求先進(jìn)行設(shè)備選型，確定上述類別設(shè)備的數(shù)量，然后選擇相應(yīng)類型的I/O模塊及其數(shù)量。控制系統(tǒng)設(shè)備制作時(shí)，需要為I/O模塊的安裝制作專用的配線柜，這些配線柜需根據(jù)每個(gè)用戶的I/O模塊配置要求非標(biāo)定制。
用戶的控制系統(tǒng)投運(yùn)階段或運(yùn)行一段時(shí)間后，通常需要對各種類別的I/O模塊數(shù)量修改或增添，這些后期變更可能造成控制系統(tǒng)I/O模塊數(shù)量的增加、進(jìn)出模塊的接線變動(dòng)，這些變動(dòng)有可能造成追加訂貨、新增電纜接線及電纜敷設(shè)等工作，使投運(yùn)延后甚至影響生產(chǎn)。而對控制系統(tǒng)設(shè)備制造商來說，每臺(tái)配線柜模塊不一樣、接線不一樣，都是非標(biāo)定制，制作質(zhì)量、速度都受影響。
怎么辦？控制系統(tǒng)設(shè)備制造商想了很多辦法，最終還是從I/O做起。針對I/O模塊，他們提出了通用通道(Universal Channel)、通用I/O(Universal Input Output)、多功能I/O(Multi-Functional Input Output)、軟件定義I/O(Software Definition Input Output)、按需配置I/O(I/O On Demand)、電子布線(Electronic Marshalling)、智能數(shù)據(jù)傳輸(Intelligent Data Transmission)、網(wǎng)絡(luò)I/O(Network I/O)、智能可配置I/O(Smart Configurable I/O)等技術(shù)，雖然名稱不一，但實(shí)質(zhì)內(nèi)容卻非常接近，即所采用的模塊可以接受多種I/O信息，是“通用”的。就像上面說到的多種類型的I/O模塊的模擬量輸入AI、模擬量輸出AO、數(shù)字量輸入DI、數(shù)字量輸出DO、脈沖量輸入PI、熱電偶/熱電阻溫度量輸入等都可以接收。這樣控制系統(tǒng)設(shè)備制造商的I/O模塊類型很少，甚至只有一種。至于怎樣區(qū)分不同類型的信號(hào)，有的采用在I/O模塊底板上設(shè)定“鎖”的位置，更先進(jìn)的則采用軟件設(shè)定。采用“鎖”位置設(shè)定I/O模塊信號(hào)類別時(shí)，“鎖”的不同位置代表了不同類型的信號(hào)。軟件設(shè)定信號(hào)類別則只需在I/O模塊組態(tài)時(shí)輸入代表不同類型信號(hào)的設(shè)定數(shù)據(jù)即可。這樣當(dāng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員只需提供I/O信號(hào)的總數(shù)量即可；當(dāng)控制系統(tǒng)設(shè)備制造商制作配線柜時(shí)，可只考慮按I/O信號(hào)容量將配線柜分成大中小幾檔的標(biāo)準(zhǔn)配線柜即可。
通用I/O技術(shù)還將I/O前移到現(xiàn)場，靠近生產(chǎn)設(shè)備，使I/O成為現(xiàn)場設(shè)備的一部分，這樣可以極大減少電纜數(shù)量、工程量以及安裝空間，這一點(diǎn)和傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程I/O非常相似。同時(shí)配線柜與控制系統(tǒng)間的傳輸介質(zhì)多數(shù)以光纖代替銅芯電纜，實(shí)現(xiàn)“光進(jìn)銅退”。
二、顯示儀的萬能輸入技術(shù)
通用I/O技術(shù)讓我想起顯示儀表的萬能輸入技術(shù)。在上世紀(jì)九十年代以前，如果需要選用顯示儀表，設(shè)計(jì)院的圖紙、用戶的訂貨，都要列出信號(hào)類別、分度號(hào)/信號(hào)范圍、顯示量程等信息。這些信息如果錯(cuò)了一項(xiàng)，設(shè)計(jì)院的圖紙就是不合格，用戶按設(shè)計(jì)訂貨運(yùn)到現(xiàn)場的設(shè)備就不能使用。比如配鉑銠-鉑熱電偶的顯示儀表，訂貨參數(shù)這一欄要寫清楚是熱電偶、分度號(hào)S、量程0~1300℃。
常見的信號(hào)類別、分度號(hào)/信號(hào)范圍見表1。
表1：常見信號(hào)類別、分度號(hào)/信號(hào)范圍表
而在上世紀(jì)九十年代以后，數(shù)字顯示儀開發(fā)了萬能輸入功能，信號(hào)類別、分度號(hào)/信號(hào)范圍、顯示量程等信息不必在訂貨時(shí)提出，只需要在現(xiàn)場對數(shù)字顯示儀組態(tài)時(shí)設(shè)定，這就是上面說到的“軟件設(shè)定”技術(shù)。
萬能輸入方式使數(shù)字顯示儀就輸入信號(hào)來說只有一種選型，設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)都很方便，也不再擔(dān)心因設(shè)計(jì)、安裝、訂貨等環(huán)節(jié)中哪一個(gè)出錯(cuò)(如信號(hào)類型錯(cuò)誤、分度號(hào)錯(cuò)誤、量程范圍錯(cuò)誤)而導(dǎo)致到貨儀表不能使用。設(shè)計(jì)院的圖紙、用戶的訂貨甚至連制造廠的生產(chǎn)都變得簡單，信號(hào)類別、分度號(hào)/信號(hào)范圍、顯示量程等信息都不必列出，由于設(shè)計(jì)、訂貨、制造等引起的選型參數(shù)錯(cuò)誤可完全避免，用戶的備品備件數(shù)量也可大大減少。稍后在無紙記錄儀產(chǎn)品中，也采用了同樣的萬能輸入技術(shù)。
正是因?yàn)閿?shù)字顯示儀的萬能輸入技術(shù)給我們留下深刻印象，所以當(dāng)接觸到控制系統(tǒng)的通用I/O技術(shù)時(shí)，理解了“通用”和上面說的“萬能”含義相近，很容易就接受了。
三、控制系統(tǒng)的通用I/O技術(shù)
由于通用I/O技術(shù)是針對控制系統(tǒng)的，所以不同于上面介紹的顯示儀萬能輸入技術(shù)，將“萬能”的對象由僅限“輸入”，擴(kuò)展為“輸入”、“輸出”都包括了。
3.1 艾默生的電子布線
艾默生電子布線的組件有CHARM(CHARacterization Module，特性模塊)和CHARM I/O卡。CHARM I/O卡是DeltaV S控制系統(tǒng)的I/O節(jié)點(diǎn)，2塊CHARM I/O卡并列冗余配置；每一對CHARM I/O卡往下可掛接最多8塊安裝在DIN導(dǎo)軌上的CHARM底板，每塊CHARM底板上可以插入12個(gè)CHARM，CHARM I/O卡往上可以通過光纖以太網(wǎng)與4臺(tái)獨(dú)立的DeltaV S系列控制器通信，而不像傳統(tǒng)的I/O只與1臺(tái)控制器通信，這樣組態(tài)時(shí)控制器可在更大的范圍內(nèi)選擇某個(gè)I/O點(diǎn)。CHARM是一個(gè)可以單個(gè)插入或取出的單通道I/O，CHARM的I/O類型有：AI 4-20mA HART、AI 0-10V隔離、熱電偶/mV、熱電阻、AO 4-20mA HART、DI 24VDC干接點(diǎn)、DI 24VDC隔離、DI 120VAC隔離、DI 230VAC隔離、DI NAMUR(本質(zhì)安全的數(shù)字量輸入和頻率量輸入的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào))、DO 24VDC High Side、DO 24VDC隔離、DO 120/230VAC隔離、DO 100mA能量限制。
CHARM底板上為每個(gè)CHARM固定設(shè)置了有4個(gè)接線端子的端子塊，端子塊上面覆蓋了標(biāo)簽，可標(biāo)出通道號(hào)及儀表位號(hào)，端子塊上還帶可插標(biāo)準(zhǔn)表表筆的測試點(diǎn)。CHARM底板上在每個(gè)CHARM插入位置上有個(gè)可以設(shè)定的“鎖”位置，對應(yīng)不同I/O信號(hào)，“鎖”的位置不同，當(dāng)發(fā)生故障的CHARM拔出后，可插入同樣I/O信號(hào)類型的CHARM，而其他類型的I/O CHARM因“鎖”位置不合，無法插入，由此保證了更換模塊的正確性。當(dāng)該CHARM模塊確實(shí)需要更改I/O類型時(shí)，應(yīng)首先重新設(shè)定“鎖”的位置，然后才能插入更改I/O類型后的CHARM模塊。萬一CHARM損壞，也只影響一個(gè)點(diǎn)的信息，更換時(shí)也只更換一個(gè)CHARM，因此可以說是在單通道級(jí)別實(shí)現(xiàn)信號(hào)回路的獨(dú)立性和靈活性。
在AI和AO的CHARM中，每個(gè)通道都帶有HART調(diào)制解調(diào)器，一般的控制系統(tǒng)的HART I/O模件是多個(gè)通道之間共享HART調(diào)制解調(diào)器，因此CHARM的HART通信速率更快。
3.2 霍尼韋爾的通用I/O
霍尼韋爾為Experion PKS、安全管理器和本質(zhì)安全應(yīng)用的通用解決方案中提供通用I/O技術(shù)，它將通用過程機(jī)柜(UNIVERSAL PROCESS CABINET，UPC)放置在現(xiàn)場，其中包括最多6個(gè)32點(diǎn)通用ControlEdge 900 IO卡件(簡稱UIO卡件)和冗余光纖通信模塊，UIO卡件通過冗余的IO-link與控制器通信。
與艾默生電子布線的組件CHARM不同的是，霍尼韋爾的UIO卡件是多點(diǎn)通用信號(hào)整體卡件，沒有可拆卸的單點(diǎn)信號(hào)卡件。它采取了軟件組態(tài)的辦法定義I/O通道類型，這種方式同樣實(shí)現(xiàn)了通用I/O信號(hào)的接入。每個(gè)模塊16個(gè)通用通道、每個(gè)通道可單獨(dú)配置為AI、AO、DI、DO或AI和AO支持的HART 7。對溫度信號(hào)輸入，廠商專門設(shè)計(jì)了128 LLAI溫度專用配線柜。
通用IO通過一個(gè)高速、容錯(cuò)的以太網(wǎng)組成一個(gè)I/O網(wǎng)絡(luò)，霍尼韋爾采用了自動(dòng)查詢通用I/O技術(shù)，只要這個(gè)I/O通道是連接到I/O網(wǎng)絡(luò)上，任何一個(gè)控制器都能夠跟任意一個(gè)I/O通道通信，而以前控制器只能和與它物理上相連的I/O通信。這樣的話，可大大減少配置I/O和工程組態(tài)的時(shí)間。
3.3 橫河的智能可配置I/O
在橫河公司ProSafe RS R4安全儀表系統(tǒng)中采用了與CENTUM VP R6相同的架構(gòu)，控制器除了專用于特定信號(hào)類型的常規(guī)I/O模塊(FIO模塊)外，ProSafe RS R4還可以提供N-IO(Network I/O)模塊，該模塊在每個(gè)通道上都可以接受不同的信號(hào)類型。通常FIO模塊安裝在控制室的機(jī)柜里，而N-IO模塊安裝在現(xiàn)場的機(jī)箱里，并分別通過電纜、光纖與控制器通信，而N-IO模塊通過光纖的傳輸距離可達(dá)50km。通過同時(shí)接收FIO、N-IO這兩種類型的模塊，ProSafe RS R4可以更靈活地處理客戶的設(shè)計(jì)要求。
在N-IO的每個(gè)模塊內(nèi)，都可以處理AI、AO、DI、DO信號(hào)，每個(gè)通道的I/O信號(hào)類型的改變是通過軟件設(shè)定的。作為標(biāo)準(zhǔn)功能，接線板具有現(xiàn)場設(shè)備信號(hào)回路的斷開功能。N-IO基板可用于本質(zhì)安全柵，SIL3可以通過單個(gè)配置實(shí)現(xiàn)，冗余配置也是可選的。
3.4 倍加福的多功能I/O
倍加福公司的單一多功能I/O是HiC2441本質(zhì)安全型通用安全柵，適用所有信號(hào)類型，所設(shè)計(jì)的通用安全柵配線柜，有16、32和64點(diǎn)I/O等多種規(guī)格，與艾默生電子布線的CHARM一樣，信號(hào)卡件是單點(diǎn)可拆裝的。倍加福公司的單一多功能I/O可以為霍尼韋爾的C系列Experion®等多種DCS/ESD系統(tǒng)提供帶安全柵的I/O卡件，和利時(shí)公司的OpticVIO I/O帶安全柵的卡件也有倍加福公司的通用安全柵選項(xiàng)。
3.5 和利時(shí)的OpticVIO I/O
和利時(shí)公司的OpticVIO I/O模塊支持AI、AO、DI、DO、PI、SOE6(設(shè)備狀態(tài))、Namar等多種信號(hào)類型，前四種信號(hào)類型支持HART協(xié)議，信號(hào)周期為100ms。軟件定義I/O模塊的含義是指可通過軟件將I/O通道設(shè)置配套的現(xiàn)場儀表信號(hào)類型一致，另外當(dāng)某個(gè)I/O通道出現(xiàn)故障時(shí)，只需要在工程師站上進(jìn)行軟件切換，將故障的通道切換到備用通道即可，無需維護(hù)人員到達(dá)故障現(xiàn)場。
作為智能數(shù)據(jù)傳輸單元(iDTU)的現(xiàn)場配線柜的點(diǎn)數(shù)有16點(diǎn)、48點(diǎn)，底座可選調(diào)理卡型和安全柵型。
除了傳統(tǒng)模擬信號(hào)外，多功能IO模塊還可以接收包括Profibus-DP(PA)，Modbus-RTU等總線信號(hào)，從而提高了現(xiàn)場多功能IO模塊的適用性。
智能數(shù)據(jù)傳輸單元采用冗余光纖與工業(yè)光總線連接單元(RJU)連接，再采用冗余光纖連接到冗余控制站，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。
四、控制系統(tǒng)通用I/O技術(shù)的特點(diǎn)
傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)配線方式是使用單根線纜將現(xiàn)場設(shè)備連接到現(xiàn)場配線柜，匯總成多芯電纜傳送到控制室的配線柜，再通過繁雜的交叉配線與控制系統(tǒng)的I/O模件連接。
通用I/O技術(shù)則使用單根線纜將現(xiàn)場設(shè)備連接到現(xiàn)場配線柜，匯總后通常以光纖以太網(wǎng)的方式與控制系統(tǒng)連接。配線方式及I/O技術(shù)的改進(jìn)，使得控制系統(tǒng)通用I/O技術(shù)具有下述特點(diǎn)。
4.1 將控制室的I/O模塊轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場配線柜
由于控制系統(tǒng)通用I/O技術(shù)通常是在現(xiàn)場就近設(shè)置配線柜，這就相當(dāng)于將原先安裝在控制室配線柜的I/O模塊轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場。其優(yōu)點(diǎn)非常突出，除了將現(xiàn)場設(shè)備連接到現(xiàn)場配線柜的單根線纜，其余配線距離內(nèi)的大量電纜都被光纜取代，其投資省、施工快捷，節(jié)省了配線柜的占地。信號(hào)傳輸由銅線改為了光纖。傳統(tǒng)方案一個(gè)儀表信號(hào)需要2根銅芯電線。新方案512個(gè)儀表信號(hào)僅需一對冗余光纖進(jìn)行傳輸，將電纜鋪設(shè)成本降低到原來的3%左右。且一根光纖可以傳輸至少512路現(xiàn)場信號(hào)，無需中繼的情況下傳輸距離長達(dá)20km，更為重要的是，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號(hào)的冗余傳輸，傳輸效率更高、可用性更強(qiáng)。
4.2 可以實(shí)現(xiàn)I/O“按需配置”
一般的控制系統(tǒng)是以I/O模件為單位(8、16、32甚至64點(diǎn))選擇I/O類型，常常有大量的空余I/O點(diǎn)，通用I/O可以“按需配置”，用多少配置多少，I/O模件種類少，只需預(yù)留少量的空余點(diǎn)，而且這些點(diǎn)可預(yù)留給任何類型的參數(shù)，更為靈活，使空余I/O點(diǎn)數(shù)大大減少。
4.3 控制系統(tǒng)I/O模塊的類型減少
以往控制系統(tǒng)的I/O模塊的類型往往多達(dá)十余種，甚至數(shù)十種。現(xiàn)在可以減少到幾種，如和利時(shí)的I/O模塊只需選擇支持4種/7種信號(hào)類型、配調(diào)理卡/安全柵卡及是否支持HART協(xié)議分為幾種；而像艾默生、霍尼韋爾、倍加福公司的I/O模塊都是只有一種模塊，通用性非常好。
4.4 配線柜容量增加
這些通用I/O模塊的輸出信號(hào)在底板上采用了總線技術(shù)，省掉了一根根繁雜的配線，節(jié)省了配線空間，從而使配線柜實(shí)現(xiàn)高密度安裝。艾默生公司采用配線柜，I/O密度從以往傳統(tǒng)配線方式的320點(diǎn)增加到576點(diǎn)；霍尼韋爾公司采用通用I/O的2m配線柜，I/O密度從以往傳統(tǒng)配線方式的448點(diǎn)增加到720點(diǎn)。
4.5 減少設(shè)計(jì)選型的工作量
如同顯示儀的萬能輸入功能可以減少設(shè)計(jì)選型的工作量一樣，控制系統(tǒng)通用I/O技術(shù)也可以減少設(shè)計(jì)選型的工作量。設(shè)計(jì)過程可以不考慮選哪種I/O模塊，可以就近將各類I/O點(diǎn)集中安裝到一個(gè)配線柜，同時(shí)配線柜的出線端子接線已經(jīng)匯聚成總線方式傳輸，不必一根根再標(biāo)注出線的編號(hào)，圖紙繪制、審核、校對工作量也大大減少。
4.6 簡化了制造商的配線柜制作工作量
由于控制系統(tǒng)I/O模塊的類型減少，霍尼韋爾公司的通用I/O連安全系統(tǒng)、非安全系統(tǒng)也采用同一套設(shè)備，可滿足CSA I類2區(qū)、IECEx 2區(qū)和ATEX 2區(qū)認(rèn)證的危險(xiǎn)區(qū)域的要求，當(dāng)然也滿足非危險(xiǎn)區(qū)域的要求。所以I/O模塊的類型很少，甚至是單一類型，這樣配線柜的制作就可以標(biāo)準(zhǔn)化，只需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量分類即可。
4.7 能適應(yīng)工程項(xiàng)目的變更
工程項(xiàng)目在建設(shè)期間經(jīng)常發(fā)生各種臨時(shí)變更要求，大多數(shù)情況下，工程項(xiàng)目的變更對控制系統(tǒng)通用I/O技術(shù)影響較小，容忍度較高，并能使這些變動(dòng)所造成的成本增加幅度降低、耗費(fèi)的時(shí)間減少。當(dāng)新增現(xiàn)場設(shè)備時(shí)，只要有多余的I/O通道，用戶只需敷設(shè)到配線柜的布線；如果只是I/O類型變化(如液位開關(guān)量輸入信號(hào)改為模擬量輸入信號(hào))，甚至不需要重新布線；在配線柜之外，由于已經(jīng)匯總到光纖統(tǒng)一傳輸，更不需要增加或改動(dòng)布線。
4.8 高冗余性能增強(qiáng)了可靠性
控制系統(tǒng)通用I/O技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了高等級(jí)的冗余性能，如艾默生公司的電子配線技術(shù)中，從CHARM到DeltaV S系列控制器的所有通信都是完全冗余的，冗余CHARM I/O卡底板具有冗余通信模塊，可用于一級(jí)和二級(jí)網(wǎng)絡(luò)連接，同時(shí)每個(gè)獨(dú)立的CHARM還配有冗余的電源和通信底板，因而保證了整個(gè)系統(tǒng)在I/O環(huán)節(jié)的可靠性。但是CHARM沒有冗余，這是由于CHARM故障只影響一個(gè)通道，且可在線更換不影響其他CHARM的工作。再如和利時(shí)的智能數(shù)據(jù)傳輸單元中，多功能IO模塊、電源模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、光總線連接單元、控制單元全都是冗余配置的，并都采用冗余光纜連接。
五、結(jié)束語
如同顯示儀的萬能輸入技術(shù)一問世就受到廣泛歡迎一樣，控制系統(tǒng)的通用I/O技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了萬能輸入，還結(jié)合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)添加了萬能輸出。與此同時(shí)，通用I/O技術(shù)還使現(xiàn)場配線柜與控制室的配線用廉價(jià)大容量的光纖替代了銅芯主電纜，提高了信號(hào)傳輸效率，節(jié)省了大量的材料和安裝費(fèi)用。或許，通用I/O技術(shù)對控制系統(tǒng)的革新會(huì)成為控制系統(tǒng)發(fā)展的一種趨勢，形成一種潮流，因?yàn)樗粌H僅讓用戶得到好處，同時(shí)也讓制造廠商受益。
作者：方原柏
相關(guān)閱讀
為什么使用遠(yuǎn)程I/O模塊
