本文回顧了顯示儀表的萬能輸入技術，介紹了國內外多家公司的控制系統通用I/O技術，總結了控制系統通用I/O技術的特點。
一、概述
遠程I/O模塊是控制系統最重要的部件之一，通常I/O模塊有多種類型，比如：模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、數字量輸入模塊DI、數字量輸出模塊DO、脈沖量輸入模塊PI、溫度量輸入模塊等等，數字量輸入模塊DI又細分為不同電壓等級的直流、交流輸入，數字量輸出模塊DO又細分為不同電壓等級的繼電器、晶體管、晶閘管輸出，溫度量輸入模塊又細分熱電偶輸入模塊、熱電阻輸入模塊。
控制系統設計時，設計人員要根據用戶要求先進行設備選型，確定上述類別設備的數量，然后選擇相應類型的I/O模塊及其數量。控制系統設備制作時，需要為I/O模塊的安裝制作專用的配線柜，這些配線柜需根據每個用戶的I/O模塊配置要求非標定制。
用戶的控制系統投運階段或運行一段時間后，通常需要對各種類別的I/O模塊數量修改或增添，這些后期變更可能造成控制系統I/O模塊數量的增加、進出模塊的接線變動，這些變動有可能造成追加訂貨、新增電纜接線及電纜敷設等工作，使投運延后甚至影響生產。而對控制系統設備制造商來說，每臺配線柜模塊不一樣、接線不一樣，都是非標定制，制作質量、速度都受影響。
怎么辦？控制系統設備制造商想了很多辦法，最終還是從I/O做起。針對I/O模塊，他們提出了通用通道(Universal Channel)、通用I/O(Universal Input Output)、多功能I/O(Multi-Functional Input Output)、軟件定義I/O(Software Definition Input Output)、按需配置I/O(I/O On Demand)、電子布線(Electronic Marshalling)、智能數據傳輸(Intelligent Data Transmission)、網絡I/O(Network I/O)、智能可配置I/O(Smart Configurable I/O)等技術，雖然名稱不一，但實質內容卻非常接近，即所采用的模塊可以接受多種I/O信息，是“通用”的。就像上面說到的多種類型的I/O模塊的模擬量輸入AI、模擬量輸出AO、數字量輸入DI、數字量輸出DO、脈沖量輸入PI、熱電偶/熱電阻溫度量輸入等都可以接收。這樣控制系統設備制造商的I/O模塊類型很少，甚至只有一種。至于怎樣區分不同類型的信號，有的采用在I/O模塊底板上設定“鎖”的位置，更先進的則采用軟件設定。采用“鎖”位置設定I/O模塊信號類別時，“鎖”的不同位置代表了不同類型的信號。軟件設定信號類別則只需在I/O模塊組態時輸入代表不同類型信號的設定數據即可。這樣當控制系統設計時，設計人員只需提供I/O信號的總數量即可；當控制系統設備制造商制作配線柜時，可只考慮按I/O信號容量將配線柜分成大中小幾檔的標準配線柜即可。
通用I/O技術還將I/O前移到現場，靠近生產設備，使I/O成為現場設備的一部分，這樣可以極大減少電纜數量、工程量以及安裝空間，這一點和傳統的遠程I/O非常相似。同時配線柜與控制系統間的傳輸介質多數以光纖代替銅芯電纜，實現“光進銅退”。
二、顯示儀的萬能輸入技術
通用I/O技術讓我想起顯示儀表的萬能輸入技術。在上世紀九十年代以前，如果需要選用顯示儀表，設計院的圖紙、用戶的訂貨，都要列出信號類別、分度號/信號范圍、顯示量程等信息。這些信息如果錯了一項，設計院的圖紙就是不合格，用戶按設計訂貨運到現場的設備就不能使用。比如配鉑銠-鉑熱電偶的顯示儀表，訂貨參數這一欄要寫清楚是熱電偶、分度號S、量程0~1300℃。
常見的信號類別、分度號/信號范圍見表1。
表1：常見信號類別、分度號/信號范圍表
而在上世紀九十年代以后，數字顯示儀開發了萬能輸入功能，信號類別、分度號/信號范圍、顯示量程等信息不必在訂貨時提出，只需要在現場對數字顯示儀組態時設定，這就是上面說到的“軟件設定”技術。
萬能輸入方式使數字顯示儀就輸入信號來說只有一種選型，設計、安裝、維護都很方便，也不再擔心因設計、安裝、訂貨等環節中哪一個出錯(如信號類型錯誤、分度號錯誤、量程范圍錯誤)而導致到貨儀表不能使用。設計院的圖紙、用戶的訂貨甚至連制造廠的生產都變得簡單，信號類別、分度號/信號范圍、顯示量程等信息都不必列出，由于設計、訂貨、制造等引起的選型參數錯誤可完全避免，用戶的備品備件數量也可大大減少。稍后在無紙記錄儀產品中，也采用了同樣的萬能輸入技術。
正是因為數字顯示儀的萬能輸入技術給我們留下深刻印象，所以當接觸到控制系統的通用I/O技術時，理解了“通用”和上面說的“萬能”含義相近，很容易就接受了。
三、控制系統的通用I/O技術
由于通用I/O技術是針對控制系統的，所以不同于上面介紹的顯示儀萬能輸入技術，將“萬能”的對象由僅限“輸入”，擴展為“輸入”、“輸出”都包括了。
3.1 艾默生的電子布線
艾默生電子布線的組件有CHARM(CHARacterization Module，特性模塊)和CHARM I/O卡。CHARM I/O卡是DeltaV S控制系統的I/O節點，2塊CHARM I/O卡并列冗余配置；每一對CHARM I/O卡往下可掛接最多8塊安裝在DIN導軌上的CHARM底板，每塊CHARM底板上可以插入12個CHARM，CHARM I/O卡往上可以通過光纖以太網與4臺獨立的DeltaV S系列控制器通信，而不像傳統的I/O只與1臺控制器通信，這樣組態時控制器可在更大的范圍內選擇某個I/O點。CHARM是一個可以單個插入或取出的單通道I/O，CHARM的I/O類型有：AI 4-20mA HART、AI 0-10V隔離、熱電偶/mV、熱電阻、AO 4-20mA HART、DI 24VDC干接點、DI 24VDC隔離、DI 120VAC隔離、DI 230VAC隔離、DI NAMUR(本質安全的數字量輸入和頻率量輸入的標準信號)、DO 24VDC High Side、DO 24VDC隔離、DO 120/230VAC隔離、DO 100mA能量限制。
CHARM底板上為每個CHARM固定設置了有4個接線端子的端子塊，端子塊上面覆蓋了標簽，可標出通道號及儀表位號，端子塊上還帶可插標準表表筆的測試點。CHARM底板上在每個CHARM插入位置上有個可以設定的“鎖”位置，對應不同I/O信號，“鎖”的位置不同，當發生故障的CHARM拔出后，可插入同樣I/O信號類型的CHARM，而其他類型的I/O CHARM因“鎖”位置不合，無法插入，由此保證了更換模塊的正確性。當該CHARM模塊確實需要更改I/O類型時，應首先重新設定“鎖”的位置，然后才能插入更改I/O類型后的CHARM模塊。萬一CHARM損壞，也只影響一個點的信息，更換時也只更換一個CHARM，因此可以說是在單通道級別實現信號回路的獨立性和靈活性。
在AI和AO的CHARM中，每個通道都帶有HART調制解調器，一般的控制系統的HART I/O模件是多個通道之間共享HART調制解調器，因此CHARM的HART通信速率更快。
3.2 霍尼韋爾的通用I/O
霍尼韋爾為Experion PKS、安全管理器和本質安全應用的通用解決方案中提供通用I/O技術，它將通用過程機柜(UNIVERSAL PROCESS CABINET，UPC)放置在現場，其中包括最多6個32點通用ControlEdge 900 IO卡件(簡稱UIO卡件)和冗余光纖通信模塊，UIO卡件通過冗余的IO-link與控制器通信。
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。它采取了軟件組態的辦法定義I/O通道類型，這種方式同樣實現了通用I/O信號的接入。每個模塊16個通用通道、每個通道可單獨配置為AI、AO、DI、DO或AI和AO支持的HART 7。對溫度信號輸入，廠商專門設計了128 LLAI溫度專用配線柜。
通用IO通過一個高速、容錯的以太網組成一個I/O網絡，霍尼韋爾采用了自動查詢通用I/O技術，只要這個I/O通道是連接到I/O網絡上，任何一個控制器都能夠跟任意一個I/O通道通信，而以前控制器只能和與它物理上相連的I/O通信。這樣的話，可大大減少配置I/O和工程組態的時間。
3.3 橫河的智能可配置I/O
在橫河公司ProSafe RS R4安全儀表系統中采用了與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。
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，冗余配置也是可選的。
3.4 倍加福的多功能I/O
倍加福公司的單一多功能I/O是HiC2441本質安全型通用安全柵，適用所有信號類型，所設計的通用安全柵配線柜，有16、32和64點I/O等多種規格，與艾默生電子布線的CHARM一樣，信號卡件是單點可拆裝的。倍加福公司的單一多功能I/O可以為霍尼韋爾的C系列Experion®等多種DCS/ESD系統提供帶安全柵的I/O卡件，和利時公司的OpticVIO I/O帶安全柵的卡件也有倍加福公司的通用安全柵選項。
3.5 和利時的OpticVIO I/O
和利時公司的OpticVIO I/O模塊支持AI、AO、DI、DO、PI、SOE6(設備狀態)、Namar等多種信號類型，前四種信號類型支持HART協議，信號周期為100ms。軟件定義I/O模塊的含義是指可通過軟件將I/O通道設置配套的現場儀表信號類型一致，另外當某個I/O通道出現故障時，只需要在工程師站上進行軟件切換，將故障的通道切換到備用通道即可，無需維護人員到達故障現場。
作為智能數據傳輸單元(iDTU)的現場配線柜的點數有16點、48點，底座可選調理卡型和安全柵型。
除了傳統模擬信號外，多功能IO模塊還可以接收包括Profibus-DP(PA)，Modbus-RTU等總線信號，從而提高了現場多功能IO模塊的適用性。
智能數據傳輸單元采用冗余光纖與工業光總線連接單元(RJU)連接，再采用冗余光纖連接到冗余控制站，將現場數據傳輸到控制系統。
四、控制系統通用I/O技術的特點
傳統的控制系統配線方式是使用單根線纜將現場設備連接到現場配線柜，匯總成多芯電纜傳送到控制室的配線柜，再通過繁雜的交叉配線與控制系統的I/O模件連接。
通用I/O技術則使用單根線纜將現場設備連接到現場配線柜，匯總后通常以光纖以太網的方式與控制系統連接。配線方式及I/O技術的改進，使得控制系統通用I/O技術具有下述特點。
4.1 將控制室的I/O模塊轉移到現場配線柜
由于控制系統通用I/O技術通常是在現場就近設置配線柜，這就相當于將原先安裝在控制室配線柜的I/O模塊轉移到現場。其優點非常突出，除了將現場設備連接到現場配線柜的單根線纜，其余配線距離內的大量電纜都被光纜取代，其投資省、施工快捷，節省了配線柜的占地。信號傳輸由銅線改為了光纖。傳統方案一個儀表信號需要2根銅芯電線。新方案512個儀表信號僅需一對冗余光纖進行傳輸，將電纜鋪設成本降低到原來的3%左右。且一根光纖可以傳輸至少512路現場信號，無需中繼的情況下傳輸距離長達20km，更為重要的是，可以實現現場信號的冗余傳輸，傳輸效率更高、可用性更強。
4.2 可以實現I/O“按需配置”
一般的控制系統是以I/O模件為單位(8、16、32甚至64點)選擇I/O類型，常常有大量的空余I/O點，通用I/O可以“按需配置”，用多少配置多少，I/O模件種類少，只需預留少量的空余點，而且這些點可預留給任何類型的參數，更為靈活，使空余I/O點數大大減少。
4.3 控制系統I/O模塊的類型減少
以往控制系統的I/O模塊的類型往往多達十余種，甚至數十種。現在可以減少到幾種，如和利時的I/O模塊只需選擇支持4種/7種信號類型、配調理卡/安全柵卡及是否支持HART協議分為幾種；而像艾默生、霍尼韋爾、倍加福公司的I/O模塊都是只有一種模塊，通用性非常好。
4.4 配線柜容量增加
這些通用I/O模塊的輸出信號在底板上采用了總線技術，省掉了一根根繁雜的配線，節省了配線空間，從而使配線柜實現高密度安裝。艾默生公司采用配線柜，I/O密度從以往傳統配線方式的320點增加到576點；霍尼韋爾公司采用通用I/O的2m配線柜，I/O密度從以往傳統配線方式的448點增加到720點。
4.5 減少設計選型的工作量
如同顯示儀的萬能輸入功能可以減少設計選型的工作量一樣，控制系統通用I/O技術也可以減少設計選型的工作量。設計過程可以不考慮選哪種I/O模塊，可以就近將各類I/O點集中安裝到一個配線柜，同時配線柜的出線端子接線已經匯聚成總線方式傳輸，不必一根根再標注出線的編號，圖紙繪制、審核、校對工作量也大大減少。
4.6 簡化了制造商的配線柜制作工作量
由于控制系統I/O模塊的類型減少，霍尼韋爾公司的通用I/O連安全系統、非安全系統也采用同一套設備，可滿足CSA I類2區、IECEx 2區和ATEX 2區認證的危險區域的要求，當然也滿足非危險區域的要求。所以I/O模塊的類型很少，甚至是單一類型，這樣配線柜的制作就可以標準化，只需要根據節點數量分類即可。
4.7 能適應工程項目的變更
工程項目在建設期間經常發生各種臨時變更要求，大多數情況下，工程項目的變更對控制系統通用I/O技術影響較小，容忍度較高，并能使這些變動所造成的成本增加幅度降低、耗費的時間減少。當新增現場設備時，只要有多余的I/O通道，用戶只需敷設到配線柜的布線；如果只是I/O類型變化(如液位開關量輸入信號改為模擬量輸入信號)，甚至不需要重新布線；在配線柜之外，由于已經匯總到光纖統一傳輸，更不需要增加或改動布線。
4.8 高冗余性能增強了可靠性
控制系統通用I/O技術設計時考慮了高等級的冗余性能，如艾默生公司的電子配線技術中，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，可用于一級和二級網絡連接，同時每個獨立的CHARM還配有冗余的電源和通信底板，因而保證了整個系統在I/O環節的可靠性。但是CHARM沒有冗余，這是由于CHARM故障只影響一個通道，且可在線更換不影響其他CHARM的工作。再如和利時的智能數據傳輸單元中，多功能IO模塊、電源模塊、光電轉換模塊、光總線連接單元、控制單元全都是冗余配置的，并都采用冗余光纜連接。
五、結束語
如同顯示儀的萬能輸入技術一問世就受到廣泛歡迎一樣，控制系統的通用I/O技術不僅實現了萬能輸入，還結合控制系統的特點添加了萬能輸出。與此同時，通用I/O技術還使現場配線柜與控制室的配線用廉價大容量的光纖替代了銅芯主電纜，提高了信號傳輸效率，節省了大量的材料和安裝費用。或許，通用I/O技術對控制系統的革新會成為控制系統發展的一種趨勢，形成一種潮流，因為它不僅僅讓用戶得到好處，同時也讓制造廠商受益。
作者：方原柏
相關閱讀
為什么使用遠程I/O模塊
