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以微機處理為基礎，以分散的風險控制、集中的經營管理為特點，集新的計算機技術、通信技術、CRT技術和控制技術于一體，即4C技術，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，已經走過了四十余年的發(fā)展歷程。傳統(tǒng)的DCS結構，特別是其底層的IO硬件部分，長期以來一直保持著相對穩(wěn)定的狀態(tài)，主要由現(xiàn)場儀表4-20mA/開關信號、銅電纜、接線柜、IO卡件組成。然而，隨著工業(yè)自動化技術的不斷進步，傳統(tǒng)的IO技術逐漸顯露出其局限性，尤其是在信號傳輸效率、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路徑，其中現(xiàn)場通用IO技術便是其中的佼佼者，為流程工業(yè)控制領域帶來了革命性的變革。該技術的思路是：既然用戶仍然選擇4-20mA/開關信號為主的模擬信號，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)場接線箱里，首先實現(xiàn)現(xiàn)場接線箱到機柜室的數(shù)字化傳輸。為了增強靈活性，現(xiàn)場通用IO技術把IO卡件設計成適應大部分信號的通用IO卡件。

在現(xiàn)場儀表側，儀表仍然輸出模擬電流信號。儀表信號進入接線箱內的通用IO卡件。通用IO卡件將模擬信號轉換為數(shù)字信號，然后通過光纖或者網線，將數(shù)字信號送到控制室。

現(xiàn)場通用IO優(yōu)勢

現(xiàn)場通用IO技術革新性地將IO卡件直接部署到現(xiàn)場，有效替代了傳統(tǒng)方案中機柜室內的接線柜、安全柵繼電器機柜和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)場接線箱，實現(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，該技術被稱為電子布線技術，由EMERSON公司率先開發(fā)。這一技術顯著減少了機柜室的占地面積，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；右：電子配線方式后I/O模塊容量為576個

一個大膽的創(chuàng)新，引入光纖作為現(xiàn)場通用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銅芯對絞電纜。這種廉價、大容量的光纖不僅提高了信號傳輸效率，還大幅降低了材料和安裝成本，是模擬信號傳輸方案的一大革新。

此外，現(xiàn)場通用IO技術還顯著增強了工程設計和施工的靈活性。由于通用IO卡件能夠兼容多種現(xiàn)場儀表信號，工程師不再需要為信號分類匯總而煩惱，只需簡單地為現(xiàn)場儀表信號配備一個接線箱即可。這一特點極大地縮短了工程設計和安裝周期，為工程項目節(jié)省了可觀的建造成本。

現(xiàn)場通用IO技術有著很大性能優(yōu)勢，控制系統(tǒng)廠商陸續(xù)推出自己的技術解決方案。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技術方案

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

 艾默生電子布線的組件

該方案的主要設備是位于現(xiàn)場的單通道特性模塊箱（以下簡稱CHARM箱）。CHARM箱中主要包括一對冗余CHARM IO卡件(CIOC)和96個（或者48個）CHARM單卡。每個CHARM單卡獨立安裝可插拔底板上，一個底板可容納12個單卡，每個CHARM最大可安裝8個底板。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都可以進入CHARM箱，這樣就提供了極大的靈活性。

CHARM箱提供了冗余以太網口，通過網線或者光纖，將現(xiàn)場儀表信號接入交換機，從而實現(xiàn)CHARM IO卡件與控制器的通信。CHARM技術具備云IO特性，一個CHARM箱中的任一CHARM IO信號可以分配到多達4對控制器，一對控制器可連接多達16個CHARM箱。截止到2018年底，全球已有超過162萬點的CHARM設備成功安裝運行。

霍尼韋爾的通用I/O

霍尼韋爾提供了通用I/O技術，用于Experion PKS、安全管理器及本質安全應用。該技術將通用過程機柜（UPC）直接置于現(xiàn)場，每個UPC最多可集成六個32點位的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卡件是多點通用信號整體卡件，沒有可拆卸的單點信號卡件。它通過軟件組態(tài)定義I/O通道類型，每個模塊有16個通用通道，可靈活配置為AI、AO、DI、DO或支持HART 7協(xié)議的AI/AO。此外，還設計了專用的溫度配線柜以滿足特定需求。

通過高速、容錯以太網構建的I/O網絡，結合霍尼韋爾的自動查詢技術，任何控制器都能與I/O通道通信，大大簡化了配置過程，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，控制器除了專用于特定信號類型的常規(guī)I/O模塊（FIO模塊）外，ProSafe RS R4還可以提供N-IO(Network I/O)模塊，該模塊在每個通道上都可以接受不同的信號類型。通常FIO模塊安裝在控制室的機柜里，而N-IO模塊安裝在現(xiàn)場的機箱里，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50km。通過同時接收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計要求。

橫河ProSafe RS R4安全儀表系統(tǒng)

在N-IO的每個模塊內，都可以處理AI、AO、DI、DO信號，每個通道的I/O信號類型的改變是通過軟件設定的。作為標準功能，接線板具有現(xiàn)場設備信號回路的斷開功能。N-IO基板可用于本質安全柵，SIL3可以通過單個配置實現(xiàn)，冗余配置也是可選的。

總結

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

或許，通用I/O技術在控制系統(tǒng)中的這一革新將引領整個行業(yè)朝著更高效、更經濟的方向發(fā)展，形成一股不可逆轉的潮流。這不僅是因為它為用戶帶來了諸多便利和實惠，同時也為制造廠商帶來了更多的商業(yè)機會和利潤增長點。