让你的I/O更聪明

现场设备的I/O系统的改进可以使您的过程控制系统安装和升级更快，更具成本效益。

通过彼得Welander 2013年1月11日

多年甚至几十年来，将现场设备连接到过程控制系统基本上使用了相同的技术。当然，现场总线甚至无线网络已经取得了进步，但对于普通的有线设备，您需要将电缆连接到控制器上I/O(输入/输出)板上的匹配插槽。只要设备匹配插槽，这就可以工作:4-20 mA的HART流量计需要相应的输入。你不需要把它连接到热电偶的端子上。

大多数情况下，这类事情是可以容忍的，但它会引起问题。假设你有一个安装在油箱上的液位开关，当液体超过特定点时触发。它通过数字输入进入系统。如果你的老板想把它改成磁致伸缩水平传感器，提供连续读数怎么办?你不能把它们放在同一个输入通道上，因为它们有不同的信号类型。这意味着更换董事会或增加一个新的董事会。但是可能你的I/O架上没有空间了。一个小项目可能会变得复杂。

控制系统供应商听到客户问这样的问题:“为什么我不能随意分配I/O以适应任何类型的现场设备?”嗯，考虑到过去几年的一些产品开发，现在的答案通常是，你可以。越来越多的制造商现在正在提供更灵活或更智能的I/O系统，允许更大的灵活性。它们是如何工作的，能为你做什么?

根据所使用的控制平台的不同，智能I/O使用硬件和软件的组合来与现场设备通信。目前可用的所有系统至少需要更换一些组件，可能还需要更换一些线路。

两个不同的概念

对于I/O，目前还没有一种万能的方法。虽然基金会现场总线、Profibus PA或其他类似的方法确实是平台不确定的，但它们需要与这些特定协议一起工作的现场设备。这些新的智能I/O系统可以与任何现场设备一起工作(在合理的范围内)，但您需要购买一个与您的控制器一起工作的系统。如果您正在使用DeltaV，则需要从Emerson获得一个系统。

目前有两种概念方法正在发挥作用，以填补这一空间:艾默生的硬件方法，以及霍尼韦尔和英维思的Foxboro部门等其他公司更以软件为中心的想法。

后者的范围更小。霍尼韦尔的Universal Process I/O(2013年初上市)和Foxboro的FBM247(现已上市)分别使用相同的I/O器件外形，并与目前的Experion系列C和I/A系列200使用相同的机柜。两者都被设计成任何模块上的任何通道都可以通过控制系统配置，以与多种类型的设备交互:

模拟输入/输出加上HART
数字输入/输出，或者
脉搏。

Foxboro认为这是一项小规模但具有战略意义的产品改进。Foxboro控制和I/O产品管理总监Thad Frost解释道:“这并不是一个全新的产品线;这是现存家族的一个子集。我们这样做是因为这是一项经过验证的技术。我们的200系列I/O已经过时很长时间了，所以它是家族中的另一个模块，但它是一个非常特殊的模块，因为它可以支持各种各样的信号类型。我们可以在现有的控制器上添加这个模块，并且在功能上没有真正的区别。”

在建设新系统或进行大规模升级时，可能需要新的或更多的现场设备，这种吸引力是显而易见的。安装程序不必将信号类型与给定的输入设备相匹配。

霍尼韦尔过程解决方案公司Experion控制和I/O解决方案经理Joe Bastone表示:“您可以使用模块上的任何通道作为任何I/O类型，并且所有的软件都可以使用现有的控制构建工具进行配置。”“不需要在现场进行任何配置就能实现这一点。您可以将所有的现场布线都放在通用进程I/O模块上，然后关闭盒子，然后走开，再也不用打开盒子了。其他一切都是在工程站完成的。”

这个概念取代了传统的I/O，其中卡或模块是固定的，只与单一类型的设备通信。这种方法的一个明显优点是，任何模块都可以在任何情况下工作，因此备份只需要一个项。此外，配置信息驻留在主机系统中，因此如果需要更换模块，可以从机箱中取出一个模块，并在不进行预配置的情况下将其插入。主机系统会自动完成。

两家公司都希望将这一概念向前推进一大步，提供可以放置在工厂地板上的完整机柜。唯一重要的变量是通道的数量。巴斯滕说:“正在开发的通用柜可以让用户拥有一套可交付的产品。”“这是一个远程安装的机柜，可以容纳一些通用进程I/O模块，可能是64、96或128个I/O模块。它将配备模块、安装硬件、电源和光纤转换器，将I/O链路带回控制室。”

不同的方向

另一方面，Emerson为其DeltaV架构创建了一种不同的方法。在这里，每个现场设备都通过一个单独的小表征模块或Charm进行通信。每个现场设备都需要与其信号类型相匹配的Charm。实际上，一个机柜就是一个96通道I/O卡。

艾默生过程管理公司DeltaV SIS产品营销经理Keith Bellville解释说:“传统的I/O没有限制，你必须把所有的现场布线都带进来，把多芯电缆放在组布线带上，然后挑选4-20 mA的模拟输入，将其中8个输入到一个单独的卡上。我们用实际的多核来代替编组，我们用Charms I/O卡来表征信号。每一个都是一个单独的通道。它是DeltaV I/O，所以它被设计成与DeltaV控制器一起工作。”

每个模块的输出都是以太网，因此一根光纤电缆就可以将所有数据从机柜传输回控制器。实际结果是控制网络中的一个小云，允许用户将信息从给定的现场设备发送到多达四个控制器。在功能上，这是与前面提到的其他系统的最大区别。

Bellville补充道:“通常情况下，当你在现场布置I/O时，它是根据位置而不是功能进行分组的。“所以在一个给定的接线盒里，你可能有来自反应堆区域的一些变送器的电缆，但在同一个接线盒里，你可能有真正专用于公用事业区域的变送器。使用传统的编组和传统的I/O，当你把它们带进来时，你必须说，‘我必须把这8个通道带到我的反应堆区域控制卡上，而这12个通道，我必须带到我的公用事业控制器I/O卡上。“通过电子编组，你把它们都放在一个迷人的I/O卡上，然后把它们以电子方式发送到反应堆控制器或公用事业公司，你如何将设备定位到哪个控制器。”你不需要把它连接到控制器上的实际I/O卡上。”

将概念付诸实践

这些新方法提供了一些功能上的好处:

首先，用户不必关心给定设备的通信方法。如果情况发生变化，您需要使用不同类型的现场设备，您可以通过软件更改或最坏的情况下，单个Charm更改进行调整。

其次，这些平台可以促进升级和迁移，无论是现场设备、布线基础设施还是控制系统本身的升级。然而，有一个基本的限制，即每个平台都专门与各自的控制系统相关联，因此这个元素可能是供应商评估过程中的一个重要点。

第三，这些平台可以应用于安全设备以及传统的I/O。与其他产品不同的是，霍尼韦尔在该领域的第一款产品与安全设备有关，该公司现在正在准备后续的标准控制系统I/O版本。鉴于安全相关设备及其相关测试和认证的复杂性，它决定首先解决这个问题。爱默生具有传统的、本质上安全的、SIS的魅力。Foxboro的产品线中有安全模块。

第四，硬件的灵活性使得可替换部件的库存更少。将一个设备用于多个应用程序的能力具有明显的优势。

什么跟什么说话?

如前所述，艾默生广泛讨论的一个方面是它能够将数据从任何给定的现场设备发送到最多四个控制器中的任何一个。Foxboro和Honeywell保持了与标准I/O相同级别的通信功能，因此添加这些新模块不会影响这种能力。有一些方法可以在点对点的基础上将信息从控制器发送到控制器，但这些方法相对复杂。

霍尼韦尔过程解决方案C系列I/O产品经理Bob Bristow说:“I/O模块和控制器之间的紧密连接是我们更成熟的客户认为有益的东西，主要是由于当今存在的不断增加的安全问题。”“通过I/O链路的这种密切关系可以防止任何可能发生在单一结构层的事情发生在控制器的工作和控制器的I/O执行之间。可能会发生一些不好的事情，使I/O与其控制操作中的整体伙伴断开连接。这就是我们选择这种特殊架构的原因。”

Foxboro的Frost回应了这一观点:“当I/O点不绑定到特定控制器时，我们称之为无界I/O。我们的I/O通常是受限的。将一个特定的点移动到不同的控制器上会花费一些精力。这是我们未来的目标，但目前我们还不具备这种能力。”

这会让你改变吗?

虽然这些新的I/O系统提供了额外的功能，并可以节省硬件和工程成本，但它们都连接到特定的控制系统平台，且仅连接到该平台。如果您已经在使用Foxboro I/A系列200或其他产品，更改非常简单。如果没有，他们就没有任何帮助，但我们有理由期待其他制造商会以某种方式效仿。

另一种选择是更换控制系统供应商。仅仅添加这些功能可能不足以迫使您进行迁移，但是如果已经计划了迁移，那么它可能会影响制造商的选择。

在某些方面，最有趣的吸引力可能是那些还不存在的东西。这些系统的模块化使得它们很容易根据情况的需要进行修改。相比之下，阻碍采用像HART这样的协议来支持更大的资产管理程序的事情之一是难以升级旧的硬连线设备级网络。这些旧平台的运营商发现实际上不可能增加这样的功能，因为硬件不允许这样做。这种类型的限制在未来不一定存在。添加新的通信方法或协议可能只需要切换相应的模块。它甚至可以通过软件来改变。

彼得·韦兰德是一名内容经理控制工程．联络他的地址是pwelander@cfemedia.com．

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