说说通用I/O（十）：控制系统通用I/O技术的特点

剑指工控星期二, 01/30/2024 - 11:07 发表

控制系统的通用I/O技术

控制系统的通用I/O技术是指I/O模块的通用性好，同一个I/O点可以配置成AI、AO、DI、DO，甚至更多的信号类型。对控制系统的通用I/O技术来说，与上面介绍的显示仪万能输入技术相比，“万能”的对象由仅限“输入”扩展到“输出”，与IMP远程测控终端相比，通用的对象从模拟量仅有输入、开关量同时有“输入”、“输出”扩展到模拟量、开关量均有“输入”、“输出”。

现在说到控制系统的通用I/O技术时，通常认为是从艾默生过程管理2009年推出电子布线开始的。三五年甚至更长时间之后，国外的霍尼韦尔、横河、ABB、施耐德福克斯波罗、倍加福、伊顿、菲尼克斯、Computrols都推出了通用I/O技术，国内的和利时公司近年来也推出了应用这一技术的产品。

《波斯湾四国游随笔》
在剑指工控网站连载中！

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仪表箱，然后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模块连接。

通用I/O技术则使用单根线缆将现场设备连接到集中配线柜或现场仪表箱，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：

Part.04

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或仪表箱，同时配线柜或仪表箱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。

图30对比了传统机柜与通用机柜I/O模块配置示意图，传统机柜中代表各种I/O模块的不同色彩混合配置，需仔细设计及核对确认，而通用机柜I/O模块配置是一种色彩表示的单一配置，除数量外，无需设计及核对确认。

图30 通用IO技术简化配线制作

Part.05

简化了制造商的配线柜制作工作量

以往制造商的配线柜或仪表箱属非标产品，需根据用户提供I/O点数、详细的I/O信号模块类型/数量、排列位置等信息后制作。而采用通用I/O技术后，制造商的配线柜或仪表箱可以制作成标准产品，比如不同I/O点数的产品，当用户提供I/O点数后可直接供货，而不需要用户提供详细的信号类型、不同模块的数量、排列位置等信息。配线柜或仪表箱制作标准化，只需要根据I/O点数量提供几种基本型号即可，不需要设计院提供配线柜或仪表箱图纸，制造商也不需要完成单独的机柜布局、接线图以及功率和热量计算。标准产品将使设备配置错误/接线错误减少、制作速度加快、验收测试简化、成本降低。作为标准产品可在用户订货前大量制作由于不再有硬件设计、机柜设计、机柜成套、系统功能测试等环节，缩短供货周期约1~6个月（见图31）。

图31 传统配线方式与通用I/O配线方式工序比较

Part.06

简化信息传输过程，节省大量电缆

由于控制系统通用I/O技术通常是在现场就近设置现场仪表箱，这就相当于将原先安装在控制室配线柜的I/O模块转移到现场仪表箱（见图32）。其优点非常突出，除了将现场设备连接到现场仪表箱的单根线缆，其余大量电缆都可以被单根光缆或电缆取代，其投资省、施工快捷，节省了配线柜的占地。传统方案一个仪表信号需要2根铜芯电线传送。新方案上百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。光纤在无需中继的情况下传输距离长达20km，还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32 传统配线信息传输方式与通用配线I/O信息传输方式比较

初期艾默生的电子布线技术介绍的是集中配线柜，后期又推出就地安装的小型现场仪表箱，而绝大多数厂家首先推出的就是就地安装的小型现场仪表箱。应该说，这代表了通用I/O技术的发展方向。

Part.07

能适应工程项目的变更

工程项目在建设期间经常发生各种临时变更要求，往往需要增加设备、增加电缆敷设，而这可能延误工期。对控制系统通用I/O技术来说，在大多数情况下，工程项目的变更影响较小，容忍度较高，并能使这些变动所造成的成本增加幅度降低、耗费的时间减少。当新增现场设备时，只要有多余的I/O通道，用户只需敷设到配线柜的布线；如果只是I/O类型变化（如液位开关量输入信号改为模拟量输入信号），甚至不需要重新布线；在配线柜或仪表箱之外，由于已经汇总为总线或光纤统一传输，更不需要增加或改动布线。

Part.08

高冗余性能增强了可靠性

控制系统通用I/O技术设计时考虑了高等级的冗余性能，如艾默生公司的电子配线技术中，从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块，每个独立的CHARM还配有冗余的电源和通信底板，因而保证了整个系统在I/O环节的可靠性。但在CHARM这个环节没有冗余，这是由于CHARM故障只影响一个通道，且可在线更换不影响其他CHARM的工作。在和利时的OpticVIO I/O技术中，除了电源模块、光电转换模块、光总线连接单元、控制单元、光缆连接是冗余配置的以外，连IO模块也可以做到冗余，所以可做到全程冗余。

Part.09

工程总费用大幅节省

由于在工程实施过程中以下因素，可使项目总费用大幅节省：减少配线及控制系统基础设施、配线柜/仪表箱的I/O密度增加、备件库存减少、设计更改造成的变动最小、工程量减少、维护人工成本降低、性能提高。和利时公司给出的数据是机柜间面积减少90%以上、仪控系统项目周期缩短50%以上、工程总费用节省30%以上；霍尼韦尔公司给出的数据是机柜数量减少了15%~20%、工程时间减少10%~15%、调试时间减少20%~30%，工程总费用节省30%；施耐德福克斯波罗公司给出的数据是工程总费用可节省35%（见图33）。

图33 传统配线与通用I/O配线生命周期费用比较

结束语

如同显示仪的万能输入技术一问世就受到广泛欢迎一样，控制系统的通用I/O技术不仅实现了万能输入，还结合控制系统的特点添加了万能输出。与此同时，通用I/O技术还使现场仪表箱与控制室的配线用廉价大容量的光纤替代了铜芯主电缆，提高了信号传输效率，节省了大量的材料和安装费用。现在通用I/O技术不仅仅让用户得到好处，同时也让制造厂商受益，这已经成为控制系统发展的一种趋势，形成一个潮流。