流程工業(yè)控制系統(tǒng)是啥？通用I/O又是啥？

如果說，PLC為離散順序控制而生，那么分散控制系統(tǒng)（DCS）就是為連續(xù)過程控制而誕生。與PLC作為單一裝置不同，DCS以微機(jī)處理為基礎(chǔ)，以分散的風(fēng)險(xiǎn)控制、集中的經(jīng)營(yíng)管理為特點(diǎn)，集新的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、CRT技術(shù)和控制技術(shù)于一體，即4C技術(shù)，成為新的控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)的概念是“分散控制”和“集中管理”，是一種自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

在流程工業(yè)控制系統(tǒng)中，DCS作為核心組成部分，已經(jīng)走過了四十余年的發(fā)展歷程。傳統(tǒng)的DCS結(jié)構(gòu)，特別是其底層的IO硬件部分，長(zhǎng)期以來一直保持著相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，主要由現(xiàn)場(chǎng)儀表4-20mA/開關(guān)信號(hào)、銅電纜、接線柜、IO卡件組成。然而，隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的IO技術(shù)逐漸顯露出其局限性，尤其是在信號(hào)傳輸效率、系統(tǒng)靈活性和成本效益等方面。

為此，控制系統(tǒng)廠商不斷探索新的技術(shù)路徑，其中現(xiàn)場(chǎng)通用IO技術(shù)便是其中的佼佼者，為流程工業(yè)控制領(lǐng)域帶來了革命性的變革。該技術(shù)的思路是：既然用戶仍然選擇4-20mA/開關(guān)信號(hào)為主的模擬信號(hào)，那就把位于IO系統(tǒng)柜里面的IO卡件和通信模塊搬到現(xiàn)場(chǎng)接線箱里，首先實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)接線箱到機(jī)柜室的數(shù)字化傳輸。為了增強(qiáng)靈活性，現(xiàn)場(chǎng)通用IO技術(shù)把IO卡件設(shè)計(jì)成適應(yīng)大部分信號(hào)的通用IO卡件。

在現(xiàn)場(chǎng)儀表側(cè)，儀表仍然輸出模擬電流信號(hào)。儀表信號(hào)進(jìn)入接線箱內(nèi)的通用IO卡件。通用IO卡件將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過光纖或者網(wǎng)線，將數(shù)字信號(hào)送到控制室。

現(xiàn)場(chǎng)通用IO優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)場(chǎng)通用IO技術(shù)革新性地將IO卡件直接部署到現(xiàn)場(chǎng)，有效替代了傳統(tǒng)方案中機(jī)柜室內(nèi)的接線柜、安全柵繼電器機(jī)柜和IO系統(tǒng)柜。這并非意味著安全柵繼電器和IO卡件被取消，而是將它們的功能組件分散到了現(xiàn)場(chǎng)接線箱，實(shí)現(xiàn)了更為靈活和高效的控制。正是基于這種分散控制、集中管理的理念，該技術(shù)被稱為電子布線技術(shù)，由EMERSON公司率先開發(fā)。這一技術(shù)顯著減少了機(jī)柜室的占地面積，優(yōu)化了空間利用。

艾默生的傳統(tǒng)配線與電子配線

左：傳統(tǒng)配線I/O模塊容量為320個(gè)；右：電子配線方式后I/O模塊容量為576個(gè)

一個(gè)大膽的創(chuàng)新，引入光纖作為現(xiàn)場(chǎng)通用IO的主要傳輸媒介，能夠替代傳統(tǒng)笨重且成本高昂的多對(duì)銅芯對(duì)絞電纜。這種廉價(jià)、大容量的光纖不僅提高了信號(hào)傳輸效率，還大幅降低了材料和安裝成本，是模擬信號(hào)傳輸方案的一大革新。

此外，現(xiàn)場(chǎng)通用IO技術(shù)還顯著增強(qiáng)了工程設(shè)計(jì)和施工的靈活性。由于通用IO卡件能夠兼容多種現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)，工程師不再需要為信號(hào)分類匯總而煩惱，只需簡(jiǎn)單地為現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)配備一個(gè)接線箱即可。這一特點(diǎn)極大地縮短了工程設(shè)計(jì)和安裝周期，為工程項(xiàng)目節(jié)省了可觀的建造成本。

現(xiàn)場(chǎng)通用IO技術(shù)有著很大性能優(yōu)勢(shì)，控制系統(tǒng)廠商陸續(xù)推出自己的技術(shù)解決方案。下面將介紹一下主要控制系統(tǒng)廠商的解決方案。

艾默生公司CHARM技術(shù)方案

艾默生公司的創(chuàng)新能力在儀表控制系統(tǒng)領(lǐng)域一直有口皆碑。2011年左右，EMERSON公司首先提出來電子布線（也稱CHARM）技術(shù)方案。

 艾默生電子布線的組件

該方案的主要設(shè)備是位于現(xiàn)場(chǎng)的單通道特性模塊箱（以下簡(jiǎn)稱CHARM箱）。CHARM箱中主要包括一對(duì)冗余CHARM IO卡件(CIOC)和96個(gè)（或者48個(gè)）CHARM單卡。每個(gè)CHARM單卡獨(dú)立安裝可插拔底板上，一個(gè)底板可容納12個(gè)單卡，每個(gè)CHARM最大可安裝8個(gè)底板。任一底座通道可以配置任何類型的CHARM單卡，因此總體看來任何信號(hào)都可以進(jìn)入CHARM箱，這樣就提供了極大的靈活性。

CHARM箱提供了冗余以太網(wǎng)口，通過網(wǎng)線或者光纖，將現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)接入交換機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)CHARM IO卡件與控制器的通信。CHARM技術(shù)具備云IO特性，一個(gè)CHARM箱中的任一CHARM IO信號(hào)可以分配到多達(dá)4對(duì)控制器，一對(duì)控制器可連接多達(dá)16個(gè)CHARM箱。截止到2018年底，全球已有超過162萬點(diǎn)的CHARM設(shè)備成功安裝運(yùn)行。

霍尼韋爾的通用I/O

霍尼韋爾提供了通用I/O技術(shù)，用于Experion PKS、安全管理器及本質(zhì)安全應(yīng)用。該技術(shù)將通用過程機(jī)柜（UPC）直接置于現(xiàn)場(chǎng)，每個(gè)UPC最多可集成六個(gè)32點(diǎn)位的ControlEdge 900通用I/O卡件（UIO卡件），并通過冗余光纖通信模塊確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

霍尼韋爾的6×32點(diǎn)通用過程配線柜

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。它通過軟件組態(tài)定義I/O通道類型，每個(gè)模塊有16個(gè)通用通道，可靈活配置為AI、AO、DI、DO或支持HART 7協(xié)議的AI/AO。此外，還設(shè)計(jì)了專用的溫度配線柜以滿足特定需求。

通過高速、容錯(cuò)以太網(wǎng)構(gòu)建的I/O網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合霍尼韋爾的自動(dòng)查詢技術(shù)，任何控制器都能與I/O通道通信，大大簡(jiǎn)化了配置過程，提高了工作效率。

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(chǎng)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。

橫河ProSafe RS R4安全儀表系統(tǒng)

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(chǎng)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。

總結(jié)

自從顯示儀的萬能輸入技術(shù)問世以來，便迅速贏得了市場(chǎng)的熱烈反響。而今，控制系統(tǒng)的通用I/O技術(shù)同樣備受矚目，它不僅實(shí)現(xiàn)了輸入端的全面兼容，還結(jié)合控制系統(tǒng)的實(shí)際需求，增加了輸出端的通用性。更為重要的是，通用I/O技術(shù)的引入，不僅顯著提升了信號(hào)傳輸?shù)男?，還大幅度節(jié)省了材料和安裝成本。

或許，通用I/O技術(shù)在控制系統(tǒng)中的這一革新將引領(lǐng)整個(gè)行業(yè)朝著更高效、更經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展，形成一股不可逆轉(zhuǎn)的潮流。這不僅是因?yàn)樗鼮橛脩魩砹酥T多便利和實(shí)惠，同時(shí)也為制造廠商帶來了更多的商業(yè)機(jī)會(huì)和利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。