控制系统的革新先从通用IO做起

摘要：I/O模块是控制系统最重要的部件之一，通常I/O模块有多种类型，控制系统设计时，设计人员要根据用户要求先进行设备选型，确定各种类别设备的数量，然后选择相应类型的I/O模块及其数量。用户的控制系统投运阶段或运行一段时间后，通常需要对各种类别的I/O模块数量修改或增添，这些后期变更可能造成控制系统I/O模块数量的增加、进出模块的接线等变动，这些变动有可能造成追加订货、新增电缆接线及电缆敷设等工作，使投运延后甚至影响生产。近年来，控制系统设备制造商推出了通用I/O模块，它可以接受多种I/O信息，同时还将I/O前移到现场，在生产设备附近设配线柜，而配线柜与控制系统间的传输介质多数以光纤代替铜芯电缆。本文回顾了显示仪表的万能输入技术，介绍了国内外多家公司的控制系统通用I/O技术，总结了控制系统通用I/O技术的特点。关键词：通用I/O技术、控制系统、配线柜、光纤；

一、概述

I/O模块是控制系统最重要的部件之一，通常I/O模块有多种类型，比如：模拟量输入模块AI、模拟量输出模块AO、数字量输入模块DI、数字量输出模块DO、脉冲量输入模块PI、温度量输入模块等等，数字量输入模块DI又细分为不同电压等级的直流、交流输入，数字量输出模块DO又细分为不同电压等级的继电器、晶体管、晶闸管输出，温度量输入模块又细分热电偶输入模块、热电阻输入模块。控制系统设计时，设计人员要根据用户要求先进行设备选型，确定上述类别设备的数量，然后选择相应类型的I/O模块及其数量。控制系统设备制作时，需要为I/O模块的安装制作专用的配线柜，这些配线柜需根据每个用户的I/O模块配置要求非标定制。用户的控制系统投运阶段或运行一段时间后，通常需要对各种类别的I/O模块数量修改或增添，这些后期变更可能造成控制系统I/O模块数量的增加、进出模块的接线变动，这些变动有可能造成追加订货、新增电缆接线及电缆敷设等工作，使投运延后甚至影响生产。而对控制系统设备制造商来说，每台配线柜模块不一样、接线不一样，都是非标定制，制作质量、速度都受影响。怎么办？控制系统设备制造商想了很多办法，最终还是从I/O做起。针对I/O模块，他们提出了通用通道（UniversalChannel）、通用I/O（UniversalInputOutput）、多功能I/O（Multi-FunctionalInputOutput）、软件定义I/O(SoftwareDefinitionInputOutput)、按需配置I/O（I/OOnDemand）、电子布线（ElectronicMarshalling）、智能数据传输（IntelligentDataTransmission）、网络I/O(NetworkI/O)、智能可配置I/O（SmartConfigurableI/O）等技术，虽然名称不一，但实质内容却非常接近，即所采用的模块可以接受多种I/O信息，是“通用”的。就像上面说到的多种类型的I/O模块的模拟量输入AI、模拟量输出AO、数字量输入DI、数字量输出DO、脉冲量输入PI、热电偶/热电阻温度量输入等都可以接收。这样控制系统设备制造商的I/O模块类型很少，甚至只有一种。至于怎样区分不同类型的信号，有的采用在I/O模块底板上设定“锁”的位置，更先进的则采用软件设定。采用“锁”位置设定I/O模块信号类别时，“锁”的不同位置代表了不同类型的信号。软件设定信号类别则只需在I/O模块组态时输入代表不同类型信号的设定数据即可。这样当控制系统设计时，设计人员只需提供I/O信号的总数量即可；当控制系统设备制造商制作配线柜时，可只考虑按I/O信号容量将配线柜分成大中小几档的标准配线柜即可。通用I/O技术还将I/O前移到现场，靠近生产设备，使I/O成为现场设备的一部分，这样可以极大减少电缆数量、工程量以及安装空间，这一点和传统的远程I/O非常相似。同时配线柜与控制系统间的传输介质多数以光纤代替铜芯电缆，实现“光进铜退”。

二、显示仪的万能输入技术

通用I/O技术让我想起显示仪表的万能输入技术。在上世纪九十年代以前，如果需要选用显示仪表，设计院的图纸、用户的订货，都要列出信号类别、分度号/信号范围、显示量程等信息。这些信息如果错了一项，设计院的图纸就是不合格，用户按设计订货运到现场的设备就不能使用。比如配铂铑-铂热电偶的显示仪表，订货参数这一栏要写清楚是热电偶、分度号S、量程0~1300℃。常见的信号类别、分度号/信号范围见表1。表1：常见信号类别、分度号/信号范围表而在上世纪九十年代以后，数字显示仪开发了万能输入功能，信号类别、分度号/信号范围、显示量程等信息不必在订货时提出，只需要在现场对数字显示仪组态时设定,这就是上面说到的“软件设定”技术。万能输入方式使数字显示仪就输入信号来说只有一种选型，设计、安装、维护都很方便，也不再担心因设计、安装、订货等环节中哪一个出错（如信号类型错误、分度号错误、量程范围错误）而导致到货仪表不能使用。设计院的图纸、用户的订货甚至连制造厂的生产都变得简单，信号类别、分度号/信号范围、显示量程等信息都不必列出，由于设计、订货、制造等引起的选型参数错误可完全避免，用户的备品备件数量也可大大减少。稍后在无纸记录仪的产品中，也采用了同样的万能输入技术。正是因为数字显示仪的万能输入技术给我们留下深刻印象，所以当接触到控制系统的通用I/O技术时，理解了“通用”和上面说的“万能”含义相近，很容易就接受了。

三、控制系统的通用I/O技术

由于通用I/O技术是针对控制系统的，所以不同于上面介绍的显示仪万能输入技术，将“万能”的对象由仅限“输入”，扩展为“输入”、“输出”都包括了。3.1艾默生的电子布线艾默生电子布线的组件有CHARM（CHARacterizationModule，特性模块）和CHARMI/O卡（见图1）。CHARMI/O卡是DeltaVS控制系统的I/O节点，2块CHARMI/O卡并列冗余配置；每一对CHARMI/O卡往下可挂接最多8块安装在DIN导轨上的CHARM底板，每块CHARM底板上可以插入12个CHARM，CHARMI/O卡往上可以通过光纤以太网与4台独立的DeltaVS系列控制器通信，而不像传统的I/O只与1台控制器通信，这样组态时控制器可在更大的范围内选择某个I/O点。CHARM是一个可以单个插入或取出的单通道I/O，CHARM的I/O类型有：AI4~20mAHART、AI0~10V隔离、热电偶/mV、热电阻、AO4~20mAHART、DI24VDC干接点、DI24VDC隔离、DI120VAC隔离、DI230VAC隔离、DINAMUR（本质安全的数字量输入和频率量输入的标准信号）、DO24VDCHighSide、DO24VDC隔离、DO120/230VAC隔离、DO100mA能量限制。

图1艾默生电子布线的组件CHARM底板上为每个CHARM固定设置了有4个接线端子的端子块，端子块上面覆盖了标签，可标出通道号及仪表位号，端子块上还带可插标准表表笔的测试点。CHARM底板上在每个CHARM插入位置上有个可以设定的“锁”位置，对应不同I/O信号，“锁”的位置不同，当发生故障的CHARM拔出后，可插入同样I/O信号类型的CHARM，而其他类型的I/OCHARM因“锁”位置不合，无法插入，由此保证了更换模块的正确性。当该CHARM模块确实需要更改I/O类型时，应首先重新设定“锁”的位置，然后才能插入更改I/O类型后的CHARM模块。万一CHARM损坏，也只影响一个点的信息，更换时也只更换一个CHARM，因此可以说是在单通道级别实现信号回路的独立性和灵活性。在AI和AO的CHARM中，每个通道都带有HART调制解调器，一般的控制系统的HARTI/O模件是多个通道之间共享HART调制解调器，因此CHARM的HART通信速率更快。3.2霍尼韦尔的通用I/O霍尼韦尔为ExperionPKS、安全管理器和本质安全应用的通用解决方案中提供通用I/O技术，它将通用过程机柜(UNIVERSALPROCESSCABINET，UPC)放置在现场，其中包括最多6个32点通用ControlEdge900IO卡件（简称UIO卡件）和冗余光纤通信模块（见图2），UIO卡件通过冗余的IO-link与控制器通信。图2霍尼韦尔的6×32点通用过程配线柜与艾默生电子布线的组件CHARM不同的是，霍尼韦尔的UIO卡件是多点通用信号整体卡件，没有可拆卸的单点信号卡件。它采取了软件组态的办法定义I/O通道类型，这种方式同样实现了通用I/O信号的接入。每个模块16个通用通道、每个通道可单独配置为AI、AO、DI、DO或AI和AO支持的HART7。对温度信号输入，厂商专门设计了128LLAI温度专用配线柜。通用IO通过一个高速、容错的以太网组成一个I/O网络，霍尼韦尔采用了自动查询通用I/O技术，只要这个I/O通道是连接到I/O网络上，任何一个控制器都能够跟任意一个I/O通道通信，而以前控制器只能和与它物理上相连的I/O通信。这样的话，可大大减少配置I/O和工程组态的时间。3.3横河的智能可配置I/O在横河公司ProSafeRSR4安全仪表系统中采用了与CENTUMVPR6相同的架构，控制器除了专用于特定信号类型的常规I/O模块（FIO模块）外，ProSafeRSR4还可以提供N-IO(NetworkI/O)模块，该模块在每个通道上都可以接受不同的信号类型。通常FIO模块安装在控制室的机柜里，而N-IO模块安装在现场的机箱里，并分别通过电缆、光纤与控制器通信，而N-IO模块通过光纤的传输距离可达50km。通过同时接收FIO、N-IO这两种类型的模块，ProSafeRSR4可以更灵活地处理客户的设计要求。在N-IO的每个模块内，都可以处理AI、AO、DI、DO信号，每个通道的I/O信号类型的改变是通过软件设定的。作为标准功能，接线板具有现场设备信号回路的断开功能。N-IO基板可用于本质安全栅，SIL3可以通过单个配置实现，冗余配置也是可选的。图3横河ProSafeRSR4安全仪表系统3.4倍加福的多功能I/O倍加福公司的单一多功能I/O是HiC2441本质安全型通用安全栅，适用所有信号类型，所设计的通用安全栅配线柜，有16、32和64点I/O等多种规格(见图4)，与艾默生电子布线的CHARM一样，信号卡件是单点可拆装的。倍加福公司的单一多功能I/O可以为霍尼韦尔的C系列Experion®等多种DCS/ESD系统提供带安全栅的I/O卡件，和利时公司的OpticVIOI/O带安全栅的卡件也有倍加福公司的通用安全栅选项。图4

倍加福公司64点I/O的通用安全栅配线柜3.5和利时的OpticVIOI/O和利时公司的OpticVIOI/O模块支持AI、AO、DI、DO、PI、SOE6（设备状态）、Namar等多种信号类型，前四种信号类型支持HART协议，信号周期为100ms。软件定义I/O模块的含义是指可通过软件将I/O通道设置配套的现场仪表信号类型一致，另外当某个I/O通道出现故障时，只需要在工程师站上进行软件切换，将故障的通道切换到备用通道即可，无需维护人员到达故障现场。作为智能数据传输单元（iDTU）的现场配线柜的点数有16点、48点，底座可选调理卡型和安全栅型（见图5）。图5和利时公司16点智能数据传输单元（iDTU）除了传统模拟信号外，多功能IO模块还可以接收包括Profibus-DP(PA)，Modbus-RTU等总线信号，从而提高了现场多功能IO模块的适用性。智能数据传输单元采用冗余光纤与工业光总线连接单元（RJU）连接，再采用冗余光纤连接到冗余控制站，将现场数据传输到控制系统。

四、控制系统通用I/O技术的特点

传统的控制系统配线方式是使用单根线缆将现场设备连接到现场配线柜，汇总成多芯电缆传送到控制室的配线柜，再通过繁杂的交叉配线与控制系统的I/O模件连接。通用I/O技术则使用单根线缆将现场设备连接到现场配线柜，汇总后通常以光纤以太网的方式与控制系统连接。配线方式及I/O技术的改进，使得控制系统通用I/O技术具有下述特点。4.1将控制室的I/O模块转移到现场配线柜由于控制系统通用I/O技术通常是在现场就近设置配线柜，这就相当于将原先安装在控制室配线柜的I/O模块转移到现场（见图6）。其优点非常突出，除了将现场设备连接到现场配线柜的单根线缆，其余配线距离内的大量电缆都被光缆取代，其投资省、施工快捷，节省了配线柜的占地。信号传输由铜线改为了光纤。传统方案一个仪表信号需要2根铜芯电线。新方案512个仪表信号仅需一对冗余光纤进行传输，将电缆铺设成本降低到原来的3%左右。且一根光纤可以传输至少512路现场信号，无需中继的情况下传输距离长达20km，更为重要的是，可以实现现场信号的冗余传输，传输效率更高、可用性更强。图6控制系统的I/O模块从控制室的配线柜转移到现场配线柜4.2可以实现I/O“按需配置”一般的控制系统是以I/O模件为单位（8、16、32甚至64点）选择I/O类型，常常有大量的空余I/O点，通用I/O可以“按需配置”，用多少配置多少，I/O模件种类少，只需预留少量的空余点，而且这些点可预留给任何类型的参数，更为灵活，使空余I/O点数大大减少。4.3控制系统I/O模块的类型减少以往控制系统的I/O模块的类型往往多达十余种，甚至数十种。现在可以减少到几种，如和利时的I/O模块只需选择支持4种/7种信号类型、配调理卡/安全栅卡及是否支持HART协议分为几种；而像艾默生、霍尼韦尔、倍加福公司的I/O模块都是只有一种模块，通用性非常好。4.4配线柜容量增加这些通用I/O模块的输出信号在底板上采用了总线技术，省掉了一根根繁杂的配线，节省了配线空间，从而使配线柜实现高密度安装。艾默生公司采用配线柜，I/O密度从以往传统配线方式的320点增加到576点（见图7）；霍尼韦尔公司采用通用I/O的2m配线柜，I/O密度从以往传统配线方式的448点增加到720点（见图8）。图7艾默生的传统配线与电子配线左：传统配线I/O模块容量为320个；右：电子配线方式后I/O模块容量为576个图8霍尼韦尔的通用I/O配线柜4.5减少设计选型的工作量如同显示仪的万能输入功能可以减少设计选型的工作量一样，控制系统通用I/O技术也可以减少设计选型的工作量。设计过程可以不考虑选哪种I/O模块，可以就近将各类I/O点集中安装到一个配线柜，同时配线柜的出线端子接线已经汇聚成总线方式传输，不必一根根再标注出线的编号，图纸绘制、审核、校对工作量也大大减少。4.6简化了制造商的配线柜制作工作量由于控制系统I/O模块的类型减少，霍尼韦尔公司的通用I/O连安全系统、非安全系统也采用同一套设备，可满足CSAI类2区、IECEx2区和ATEX2区认证的危险区域的要求，当然也满足非危险区域的要求。所以I/O模块的类型很少，甚至是单一类型，这样配线柜的制作就可以标准化，只需要根据节点数量分类即可。4.7能适应工程项目