将I/O系统与工业物联网连接

传统的有线输入/输出(I/O)连接对于大多数自动化系统至关重要。最新一代I/O系统弥补了差距，将这些连接带入工业物联网(IIoT)。

通过乔什·伊斯特本 10月3日

工业自动化应用正受益于智能设备日益增长的可用性。这些智能组件也被称为工业物联网(IIoT)设备，其功能和尺寸范围从小型的单个传感器到大型的打包控制系统。它们的一个共同点是能够通过数字通信链路进行广泛的信息交流。

基于围绕工业物联网的讨论，人们可能会有这样的印象:这些智能设备都将是无线的。然而，现实情况是，传统的有线输入和输出(I/O)将继续作为一种基本的自动化需求。继电器、螺线管、开关和发射机等许多设备作为功能简单的基本组件仍然有意义。这尤其适用于改造情况，但也适用于新安装。

然而，当自动化I/O系统整合基本信号，使许多现有的硬连线I/O点看起来像更少的IIoT设备时，它们就具有了新的重要性。这种整合对于控制工业物联网产生的数据量以及在工业物联网应用的现代网络架构中使用经典有线信号至关重要。组织可以使用这些I/O系统来实现其数字化转型和工业物联网目标。

I/O系统基础知识

传统的有线I/O连接是一种可以追溯到几十年前的成熟技术。

I/O点通常被称为离散(开/关信号)或模拟(在一定范围内变化的信号)，无论它们是自动控制器的输入还是控制器命令的输出。术语离散输入(DI)，离散输出(DO)，模拟输入(AI)和模拟输出(AO)描述了传统的I/O。

在早期，一个I/O模块包含一个输入或输出通道，几个单通道输入或输出可以一起安装在一个机箱上。后来，制造商增加了I/O模块的密度，因此一个模块中最多可以包含32个通道(图1)。

I/O系统模块上的每个DI/DO/AI/AO通道都具有一定的电压和电流特性。模块可以是分布式的或独立的，可扩展的或基于机架的。现场接线连接传统上使用螺旋夹端子，尽管许多用户正在过渡到弹簧夹端子，以方便布线和抗振动。大多数I/O模块必须安装在受保护的环境中，但有些模块是连接的，以便在分类和其他要求较高的区域使用。

灵活性是关键

由于有许多选项可供选择，用户经常混合和匹配I/O类型以最适合他们的应用程序。一些特定的特性使得用户比以往任何时候都更容易连接、配置和驱动他们的I/O系统。

形成的因素

从物理角度来看，具有紧凑外形的I/O系统更容易集成到系统中。紧凑的尺寸可以通过更高的I/O密度或设计窄宽度模块来实现。然而，由于尺寸的减小限制了允许的线规，可能会使诊断更加困难，因此需要考虑一些权衡。可拆卸端子座和接线臂系统等功能也允许更快地组装和更换模块(图2)。

信号的选择

大多数I/O系统为离散点提供24 VDC或120 VAC的信号电平，为模拟点提供4-20 mA或0-10 VDC。继电器接点DOs也很常见。热电偶(TC)、电阻温度检测器(RTD)和集成电路温度检测器(ICTD)是AIs的专门版本。它们通常用于提供高输入密度，并避免需要单独的温度变送器。一些制造商提供更专业的I/O，包括速率(Hz)、电阻(欧姆)或毫伏(mv)。

混合多功能I/O

通常，一个模块中的所有通道在基本格式上都是相似的——所有DI、所有AO等等。然而，一些较新的系统提供包含离散输入和离散输出的模块，或者是所有四种基本类型的混合。在过去，各种典型的信号电平要求设计人员计划I/O分配以匹配现场仪器，这很困难，因为现场设备设计细节可能要到项目后期才能定义。

为了解决这个问题，许多I/O系统供应商提供多功能I/O模块，这些模块在相同的终端点上接受相关类型的信号，使用基于软件的配置为每个模块配置特定的特性。这些模块可能更昂贵，但它们也简化了最初的设计工作，并为未来的更改提供了灵活性。

配电

与I/O信号电平的讨论相关的是这些信号是如何供电的。通常，循环电源要么来自I/O位置，要么来自现场下沉。但是，设计人员需要评估I/O模块隔离特性，以确保在如何连接来自不同位置的I/O点方面没有限制。

今天，许多I/O系统使用开放的以太网协议，而不是传统的专有工业现场总线。这意味着其中一些I/O系统可以利用以太网供电(PoE)技术来操作远程I/O，甚至是电源循环。尽管可用电源有限，但在某些应用中，PoE可以在没有专用电源的情况下安装I/O系统。

基于软件的配置

最后一个关键的I/O系统特性是基于软件的I/O模块和点配置。该属性允许用户调整、查看和记录I/O范围和特性。设计良好的用户界面还提供有用的诊断。如果系统包含基于web的界面，那么这些信息甚至可以在用户的PC或移动设备上访问。

坚持到底

确定从I/O模块到监控或控制系统的通信链路同样重要。有时需要一个通信适配器来使I/O模块与监控系统通信。

无论如何，I/O监控通信是另一个技术改进使设计人员更加容易的领域。

有两个概念很重要。首先是了解本地I/O和远程I/O之间的区别;第二是理解每个I/O通道可能的通信范围。本地I/O直接与控制器连接，或者非常紧密，通常使用专用总线或串行连接。相比之下，远程I/O可以位于与系统其余部分相关的任何位置，并使用许多网络或现场总线技术之一进行连接。

最早的I/O系统由I/O适配器和模块组成，这些适配器和模块只能与控制它们的控制器(或PC)连接，无论它们是本地的还是远程的。

20世纪90年代末，工业I/O引入了标准以太网网络;今天，这很普遍。虽然与传统的工业I/O现场总线相比，以太网有一些距离限制，但使用工业通信协议(如Modbus/TCP、Ethernet /IP或Profinet)的以太网已被证明是一种可靠的I/O通信方法。

现代网络方法还为I/O提供了其他好处。首先，以太网是一种众所周知的高速标准。它也是企业计算机系统的基础，促进了互操作性。以太网上的I/O适配器还可以充当对等体，将其数据发布到任意数量的设备。

I/O得到升级

由于现代I/O系统可以使用标准以太网进行联网，并且不局限于主从通信，因此可以使用一些新的架构来弥合传统有线和智能无线之间以及I/O和工业物联网之间的差距。

在大中型项目中，最大的成本之一是现场布线，特别是在无线选项不可行的情况下。最新一代远程I/O系统降低了集成远程设备的成本，在控制器和远程节点之间用一根以太网电缆取代了布线(图3)。

这些系统还将I/O控制与嵌入式IT技术相结合，将远程从机转换为分布式数据节点。例如，独立于主模块，远程I/O模块可以与消息队列遥测传输(MQTT)代理通信，以启用字段内的点对点连接。结合这项技术意味着现场数据可以发送到云服务或数据库，将网络的最远边缘集成到工业物联网中。

工业物联网时代的I/O系统

即使工业物联网设备和智能现场设备的激增，对监控传统有线I/O点的新设备和旧设备仍有需求。传统上，它们将连接到由控制器控制的I/O系统，而新的I/O系统提供灵活的功能，以简化设计、安装和维护，节省时间和金钱。

最新一代的I/O系统甚至更进一步，通过以太网提供了与对等点、其他设备和软件系统的更强连接，而不是只绑定到一个主机上。这种新的I/O将使创建完全支持iiot的自动化系统成为可能。

乔什·伊斯特本，技术营销总监，光电子的22．由制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．