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說(shuō)說(shuō)通用I/O（十）：控制系統(tǒng)通用I/O技術(shù)的特點(diǎn)

2024-3-1新聞

控制系統(tǒng)的通用I/O技術(shù)

控制系統(tǒng)的通用I/O技術(shù)是指I/O模塊的通用性好，同一個(gè)I/O點(diǎn)可以配置成AI、AO、DI、DO，甚至更多的信號(hào)類型。對(duì)控制系統(tǒng)的通用I/O技術(shù)來(lái)說(shuō)，與上面介紹的顯示儀萬(wàn)能輸入技術(shù)相比，“萬(wàn)能”的對(duì)象由僅限“輸入”擴(kuò)展到“輸出”，與IMP遠(yuǎn)程測(cè)控終端相比，通用的對(duì)象從模擬量?jī)H有輸入、開(kāi)關(guān)量同時(shí)有“輸入”、“輸出”擴(kuò)展到模擬量、開(kāi)關(guān)量均有“輸入”、“輸出”。

現(xiàn)在說(shuō)到控制系統(tǒng)的通用I/O技術(shù)時(shí)，通常認(rèn)為是從艾默生過(guò)程管理2009年推出電子布線開(kāi)始的。三五年甚至更長(zhǎng)時(shí)間之后，國(guó)外的霍尼韋爾、橫河、ABB、施耐德?？怂共_、倍加福、伊頓、菲尼克斯、Computrols都推出了通用I/O技術(shù)，國(guó)內(nèi)的和利時(shí)公司近年來(lái)也推出了應(yīng)用這一技術(shù)的產(chǎn)品。

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(chǎng)設(shè)備連接到現(xiàn)場(chǎng)儀表箱，然后匯總成多芯電纜傳送到控制室的配線柜，再通過(guò)繁雜的交叉配線與控制系統(tǒng)的I/O模塊連接。

通用I/O技術(shù)則使用單根線纜將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到集中配線柜或現(xiàn)場(chǎng)儀表箱，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)：

Part.04

減少設(shè)計(jì)選型的工作量

如同顯示儀的萬(wàn)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(guò)程不考慮選哪種I/O模塊，可以就近將各類I/O點(diǎn)集中安裝到一個(gè)配線柜或儀表箱，同時(shí)配線柜或儀表箱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(duì)工作量也大大減少。

圖30對(duì)比了傳統(tǒng)機(jī)柜與通用機(jī)柜I/O模塊配置示意圖，傳統(tǒng)機(jī)柜中代表各種I/O模塊的不同色彩混合配置，需仔細(xì)設(shè)計(jì)及核對(duì)確認(rèn)，而通用機(jī)柜I/O模塊配置是一種色彩表示的單一配置，除數(shù)量外，無(wú)需設(shè)計(jì)及核對(duì)確認(rèn)。

圖30 通用IO技術(shù)簡(jiǎn)化配線制作

Part.05

簡(jiǎn)化了制造商的配線柜制作工作量

以往制造商的配線柜或儀表箱屬非標(biāo)產(chǎn)品，需根據(jù)用戶提供I/O點(diǎn)數(shù)、詳細(xì)的I/O信號(hào)模塊類型/數(shù)量、排列位置等信息后制作。而采用通用I/O技術(shù)后，制造商的配線柜或儀表箱可以制作成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，比如不同I/O點(diǎn)數(shù)的產(chǎn)品，當(dāng)用戶提供I/O點(diǎn)數(shù)后可直接供貨，而不需要用戶提供詳細(xì)的信號(hào)類型、不同模塊的數(shù)量、排列位置等信息。

配線柜或儀表箱制作標(biāo)準(zhǔn)化，只需要根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)量提供幾種基本型號(hào)即可，不需要設(shè)計(jì)院提供配線柜或儀表箱圖紙，制造商也不需要完成單獨(dú)的機(jī)柜布局、接線圖以及功率和熱量計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品將使設(shè)備配置錯(cuò)誤/接線錯(cuò)誤減少、制作速度加快、驗(yàn)收測(cè)試簡(jiǎn)化、成本降低。作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品可在用戶訂貨前大量制作由于不再有硬件設(shè)計(jì)、機(jī)柜設(shè)計(jì)、機(jī)柜成套、系統(tǒng)功能測(cè)試等環(huán)節(jié)，縮短供貨周期約1~6個(gè)月（見(jiàn)圖31）。

圖31 傳統(tǒng)配線方式與通用I/O配線方式工序比較

Part.06

簡(jiǎn)化信息傳輸過(guò)程，節(jié)省大量電纜

由于控制系統(tǒng)通用I/O技術(shù)通常是在現(xiàn)場(chǎng)就近設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)儀表箱，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(chǎng)儀表箱（見(jiàn)圖32）。其優(yōu)點(diǎn)非常突出，除了將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到現(xiàn)場(chǎng)儀表箱的單根線纜，其余大量電纜都可以被單根光纜或電纜取代，其投資省、施工快捷，節(jié)省了配線柜的占地。傳統(tǒng)方案一個(gè)儀表信號(hào)需要2根銅芯電線傳送。新方案上百個(gè)儀表信號(hào)僅需一對(duì)冗余光纖進(jìn)行傳輸，將電纜鋪設(shè)成本降低到原來(lái)的3%左右。光纖在無(wú)需中繼的情況下傳輸距離長(zhǎng)達(dá)20km，還可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的冗余傳輸，傳輸效率更高、可用性更強(qiáng)。

圖32 傳統(tǒng)配線信息傳輸方式與通用配線I/O信息傳輸方式比較

初期艾默生的電子布線技術(shù)介紹的是集中配線柜，后期又推出就地安裝的小型現(xiàn)場(chǎng)儀表箱，而絕大多數(shù)廠家首先推出的就是就地安裝的小型現(xiàn)場(chǎng)儀表箱。應(yīng)該說(shuō)，這代表了通用I/O技術(shù)的發(fā)展方向。

Part.07

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，往往需要增加設(shè)備、增加電纜敷設(shè)，而這可能延誤工期。對(duì)控制系統(tǒng)通用I/O技術(shù)來(lái)說(shuō)，在大多數(shù)情況下，工程項(xiàng)目的變更影響較小，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(chǎng)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(kāi)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；在配線柜或儀表箱之外，由于已經(jīng)匯總為總線或光纖統(tǒng)一傳輸，更不需要增加或改動(dòng)布線。

Part.08

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，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。

但在CHARM這個(gè)環(huán)節(jié)沒(méi)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。在和利時(shí)的OpticVIO I/O技術(shù)中，除了電源模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、光總線連接單元、控制單元、光纜連接是冗余配置的以外，連IO模塊也可以做到冗余，所以可做到全程冗余。

Part.09

工程總費(fèi)用大幅節(jié)省

由于在工程實(shí)施過(guò)程中以下因素，可使項(xiàng)目總費(fèi)用大幅節(jié)?。簻p少配線及控制系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施、配線柜/儀表箱的I/O密度增加、備件庫(kù)存減少、設(shè)計(jì)更改造成的變動(dòng)最小、工程量減少、維護(hù)人工成本降低、性能提高。和利時(shí)公司給出的數(shù)據(jù)是機(jī)柜間面積減少90%以上、儀控系統(tǒng)項(xiàng)目周期縮短50%以上、工程總費(fèi)用節(jié)省30%以上；霍尼韋爾公司給出的數(shù)據(jù)是機(jī)柜數(shù)量減少了15%~20%、工程時(shí)間減少10%~15%、調(diào)試時(shí)間減少20%~30%，工程總費(fèi)用節(jié)省30%；施耐德?？怂共_公司給出的數(shù)據(jù)是工程總費(fèi)用可節(jié)省35%（見(jiàn)圖33）。

圖33 傳統(tǒng)配線與通用I/O配線生命周期費(fèi)用比較

結(jié)束語(yǔ)

如同顯示儀的萬(wàn)能輸入技術(shù)一問(wèn)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(wàn)能輸入，還結(jié)合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)添加了萬(wàn)能輸出。與此同時(shí)，通用I/O技術(shù)還使現(xiàn)場(chǎng)儀表箱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。現(xiàn)在通用I/O技術(shù)不僅僅讓用戶得到好處，同時(shí)也讓制造廠商受益，這已經(jīng)成為控制系統(tǒng)發(fā)展的一種趨勢(shì)，形成一個(gè)潮流。