升级传统I/O系统

设计和制造机器和机器人的公司经常面临在一台或多台机器上升级I/O的问题。甚至最终用户也发现，可能已经成功使用多年的遗留I/O可能需要更换，因为供应商已经退出业务或不再支持硬件。在其他情况下，OEM或用户可能出于成本、安全、客户偏好、质量或性能原因希望更改控制系统、I/O网络或供应商。

现代I/O模块(图1)通常支持以太网连接、无线通信、高级诊断、通过Internet进行远程诊断、车载智能、多输入和多输出，以及许多在旧系统中无法找到的其他功能。无论驱动原因是什么，在机器或生产线上升级I/O并不是一项简单的任务，因为在选择I/O系统之前必须考虑许多因素。

从硬连线到以太网

第一代plc通过硬布线将所有远程I/O信号传输到主处理器，因为当时还没有数字网络。基于RS-232、RS-422和rs -485的串行网络出现了，并改变了工厂的地板，因为它们大大降低了布线要求。在串行网络中，多个设备可以插入到一个双绞线中。

很快，大多数PLC制造商都推出了自己的串行网络版本，如Modbus，至今仍在广泛使用。

其中一些串行网络成为了事实上的标准，包括Profibus DP、InterBus和DeviceNet。这些网络和其他网络通常一开始是由一个或多个供应商支持的私有协议，然后开放给任何制造商创建兼容设备。这些网络大多运行良好，但它们彼此不兼容。

一旦OEM或最终用户承诺使用特定的I/O网络标准，在可预见的未来，它通常会绑定到特定的供应商组。如果应用程序需要与不同网络上的设备通信，那么网关设备是正常的解决方案。这些设备价格昂贵，很难编程，这使得用户很难将不同公司生产的机器或机器人整合成一个整体，比如一条包装线。

当PLC制造商在争夺市场份额时，以太网正在成为办公网络的标准，以太网很快就转移到了工厂车间。PLC制造商调整了他们的串行网络以在以太网上运行，从而在单个以太网网络上运行多种协议。如今，基于以太网的I/O网络(图2)正在取代旧的专有网络。PLC供应商仍然维护单独的协议，但大多数将精力集中在基于以太网的通信上，因此可以共享同一个以太网网络。

这使得制造商可以使用标准以太网功能对工业网络进行全面控制。可以通过多播等传输协议控制数据在多个I/O设备之间的精确传输，并且可以通过使用VLAN(虚拟局域网)来控制一般的网络分段。其他以太网标准，如快速生成树协议，可用于在网络中创建冗余，同时不影响PLC制造商的I/O通信。这些类型的协议通过使用托管以太网交换机在网络上使用。

今天，机器制造商面临着无数的网络选择，包括Modbus TCP, EtherNet/IP, Profinet, DeviceNet, Profibus DP, InterBus, Mechatrolink, CANopen, EtherCAT, CC-Link等等。而且几乎所有这些网络都有无线选项。

当升级I/O时，机器制造商或用户必须问:

1.我想要什么样的I/O网络，还是我的控制器决定了这个选择?

2.有多少供应商为该网络生产产品?

3.我是否希望在可预见的未来被绑定到一个供应商组?

PC vs. PLC

在升级中要考虑的下一个因素是控制系统。尽管plc继续主导着机器控制，但工业pc也在逐步进军。

如果在机器上的I/O升级期间保持相同的PLC，那么您可能不必重新编程控制逻辑，但可能必须为新的I/O重新配置它。您是否有权访问更改I/O配置的代码?如果没有这些代码，或者没有来自PLC供应商的现成补丁，您可能无法将新的I/O连接到旧的PLC，而旧型号的PLC甚至可能不支持来自同一供应商的新的I/O网络。

一种解决方案可能是将PLC升级到同一系列的新型号-既支持控制逻辑程序又支持新的升级后的I/O。升级后的PLC应该支持它自己更新的I/O，但它可能不支持您需要的所有选项。

幸运的是，一些I/O供应商提供了与许多网络一起工作的模块。不幸的是，并非每个供应商都覆盖每个网络，因此OEM可能不得不混合和匹配来自多个供应商的产品。例如，如果机器或机器人需要应变计/测压元件转换器，OEM必须确保从首选供应商处可以获得应变计/测压元件转换器。

模块化vs.专有

被锁定在单一PLC供应商会带来许多问题，其中最重要的是模块成本过高。

在某些情况下，客户需要特定品牌的PLC。但在许多情况下，OEM可以自由选择控制器，无论是PLC还是PC。即使客户指定了某个PLC品牌，OEM通常也可以选择I/O。这是因为OEM的客户主要关心的是为PLC的软件提供操作支持，而不是I/O硬件。

对于有选择的原始设备制造商来说，模块化I/O是升级机器或机器人或制造新机器或机器人的绝佳方式。模块化I/ o可由多家供应商提供——模拟和数字输入和输出设备、信号调节器、网络接口、电源、端子条以及机器所需的所有其他组件都与网络无关。

例如，如果OEM销售给德国公司，模块化I/O将与Profibus DP合作，Profibus DP是许多欧洲公司的首选网络。如果同一台机器或机器人被卖给一家需要罗克韦尔自动化PLC的公司，那么I/O将与DeviceNet一起工作。机器使用相同的I/O设备，但是每个设备都通过总线耦合器连接到I/O网络，因此只需要在I/O站更换耦合器。

机器与机柜安装

机器可以有几十个传感器和控制设备，如接近开关、编码器、测压元件、压力和温度传感器、继电器、电机起动器和指示灯。这些传感器和控制设备安装在机器本身，并且必须连接到离散和模拟I/O。这些I/O设备可以安装在机柜中或机器上。

对于将在国际上销售的机器，典型的选择是安装在控制柜中的ip20级设备，直接安装在机器上的IP67级设备，或两者的组合。IP等级基于国际标准IEC 60529，该标准对防尘、接触和防水的保护程度进行了评级。IP20相当于NEMA 1, IP67相当于NEMA 6。

对于安装在机柜中的IP20系统(图3)，传感器和控制设备连接到安装在NEMA或ip级控制柜中的I/O设备。机柜还可以放置电源、电源调节设备、空调、HMI屏幕、以太网交换机和I/O机架。I/O设备或机架通过总线耦合器连接到任何基于以太网的网络。

IP67设备(图4)具有更强的防尘和防水保护，可以直接安装在机器或机器人上，不需要外壳。每个站都有一个内置的以太网连接。IP67设备的成本高于IP20，但总成本通常更低，因为不需要购买带有额外安装成本的机柜。在许多情况下，OEM可以购买预制电缆，从传感器运行到I/O设备，进一步降低安装和布线成本。

在决定是使用IP20还是IP67设备时，请确保您可以获得所需的I/O设备，因为与IP20相比，供应商通常提供更少的IP67级选项。这可能会迫使您混合和匹配设备，因此请确保I/O供应商支持此功能。

将无线

无线I/O在机器和机器人控制领域的发展势头日益强劲。串行网络和以太网花了几十年的时间才发展起来，无线网络在短短几年内就取得了巨大的进步。许多原始设备制造商仍然对无线技术持谨慎态度，就像以太网最初被引入实时控制应用时，他们对以太网也不太确定一样。

无线I/O可用于传统上需要滑环和难以布线的拖链的应用;更换易断裂的高柔性电缆;以及在临时安装中，例如正在被集成到永久系统中的组件。特别是对于机器人来说，无线I/O是非常有利的。

无线I/O最明显的优点是消除了与从机器到控制器的线路运行相关的成本，以及整体安装的简单性——这可能导致更低的维护和诊断成本。我们离完全无线的机器还有很长的路要走，但随着业界对无线的信心越来越强，应用程序将继续增长。无线I/O设备通常有IP20和IP67两种版本。

诊断

现代I/O设备的主要优点之一是内置诊断。I/O设备可以传输短路、过载、极端温度、状态和其他诊断数据等信息，从而可以快速查明问题并减少机器停机时间。

例如，在DeviceNet系统中，故障以诊断告警的形式传输，并将其分为重要告警和次要告警。该参数可以包含I/ o错误码或网络错误码。如果故障是在远程I/O站生成的，则供应商可以通过流程数据通道中的诊断提供附加信息。磨损指示器或用于诊断的类似信息可以通过两个维护请求优先级发出信号。

标准的微软Windows操作系统软件(如Internet Explorer)可以诊断网络问题。例如，Phoenix Contact的以太网I/O有一个内置的Web界面，允许用户通过Web页面查看设备状态和配置信息。

机器控制的另一个重大发展是远程访问，OEM可以从数千英里外的PC、笔记本电脑甚至手机上诊断问题。工程师只需进入云端并连接到远程机器或机器人，即可查看和更改控制器和I/O中的数据。使用内置诊断使这项任务更加简单，因为远程工程师可以快速识别I/O中的短路或过载等问题。

由于所有这些原因，机器制造商和用户正在更新他们的传统I/O系统，远离专有网络，进入基于以太网通信的现代世界。在理想的情况下，所有的传感器、控制设备和控制器都是可互换的，以满足不同的客户需求——I/O硬件和网络也是如此。

理想情况下，当客户需要Siemens PLC时，OEM或集成商应该能够在机器上安装基于profibus的I/O，并在第二天使用Allen-Bradley PLC和DeviceNet制造同一台机器。在实践中，只有当您仔细选择I/O策略和供应商，确保所有需要的功能都以具有成本效益的方式得到支持时，这才有可能实现。

杰森·霍尔德曼(Jason Haldeman)是凤凰接触公司的产品营销主管专家。

www.phoenixcontact.com

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