为什么需要通用的数字化 I/O 系统

Seaci1katqf2br 2017-09-04

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关于电驱传输技术的话题我们先暂告一个段落，接下来的几期，我们要再次回来谈一下之前讨论过的话题：I/O 通讯技术。

至于为什么说是之前讨论过的话题，一会儿后面会提到（相信看过之前节目的老观众已经猜到我接下来要说啥了）。

工业设备中会有大量不同类型的现场传感和执行机构，比如：各种传感器（温度、压力...等等）、限位、开关、阀门、气缸...。要将这些现场级元件接入设备（控制）系统，就必须使用与它们相匹配的输入输出模块（单元），这可能是电气自动化工作中一项最基本的工作了。

不过，这件貌似没啥难度的事情，做起来却并没有那么简单，因为各种现场元件所使用的信号接口种类实在太多了，数字量、模拟量、RTU、热电偶、热电阻...。

首先，在设备 I/O 系统设计选型时，我们需要花费不少精力和工作量，去充分考虑 I/O 接口模块与现场元件的适配。例如：当有数字量信号输入时，需要考虑是 24VDC 还是 110/220 VAC；对于数字量输出，还得考虑是否可以通过模块直接驱动输出，还是需要使用继电器输出；使用模拟量信号时，又需要考虑信号类型是 4 ~ 20mA 还是 0 ~ 10V 或 -10 ~ 10V...

而在应用实施过程中，大量非标的 I/O 接线和现场元件的参数调整，又要消耗掉大量安装和调试的人工和工时。例如：大部分传感器和执行器的 I/O 接线使用的都是飞线，并且接线端口样式和布局都各不相同；调试模拟量信号时，需要进行量程适配，如： 10V 应该对应的温度是多少度...

即使设备已经顺利投入使用，在日常运营维护时，复杂的 I/O 系统会继续影响设备的生产效率。大部分传统的 I/O 接口模块，仅仅实现了基本的数据传输，并没有办法对现场元件（如传感器或执行器）的工作状态进行监控和诊断，所以当这些现场元件发生错误或故障时，我们往往需要消耗大量工时去对故障现象进行识别和定位；另外，传统现场元件的应用参数，通常只能保存在元件本体，这样，每次更换这些元件时，都需要重新设定参数，加上前面说的复杂的 I/O 接线，设备停机时间因此而被延长。

所以，尽管单个传感元件和执行器，看上去都很小，应用起来也都相对简单，但由于他们在设备中的数量大、种类多，对于传统的设备 I/O 系统而言，其集成和使用的复杂程度还是不可小视的。

怎么破？

其实，从上面的一些分析举例不难看出，传统 I/O 系统应用场景中的各种梗，其根本原因是源于现场元件多变的数据信号接口。因为不同类型的现场元件有着不同的数据信号接口，这使得，在设备系统输入/输出端口的使用上，也不得不搭配与之相对应的选项，可是这些“灵活”的选项，在面对日渐庞大的 I/O 系统时，简直就可以说是制造系统的重负。

所以，要解决这个问题，我们需要有一种，通用的、不基于现场元件类型的数字化数据接口。也就是说，无论设备现场使用何种传感器和执行器，其与控制系统之间的数据信号接口都是一致的，不再区分什么数字量、模拟量、电压型、电流型.......。

基于这样的通用数字化接口，设备系统与现场元件之间传递的不再是面向端口的脉冲、电流和电压等电信号，而是与设备应用相关的面对应用对象的、有实际意义的数据值。例如：系统从现场传感器读取的，是已经经过现场解析处理过的、直接可用的数字化传感值，如：温度值、压力值...等；系统发给现场执行器的，是数字化的指令值，现场设备会根据此指令值自行完成相应的动作，如：位移、开关...等等。

可以想象，有了这种通用数字化接口，在设备 I/O 系统的选型和配置时，我们只需要专注于系统架构、考虑接入系统的元件分布和数量，而在 I/O 模块选择上基本无需考虑元件类型，尤其是不必为硬件端口类型而操心。这将极大缩短系统的设计周期。

接口的通用数字化，带来的 I/O 端口接线的标准化，将简化系统的安装接线；面对对象的数据处理方式，让元件应用参数能在设备系统中被集中配置和处理，这将缩短设备的调试周期。

另外，接口数字化后，可以在接口上传递的数据，除了元件的应用值，还可以有各种与元件应用相关的诊断数据，如工作状态、故障代码...，这将帮助我们在设备维护时快速识别和定位（潜在）问题点；借助这个数字化接口，还可以进行现场元件参数的备份和恢复，这样在更换这些元件时，我们就无需为重新设定参数而消耗设备停机时间了。

......

就是说，具备通用数字化接口的 I/O 系统，将能够在整个生命周期内，包括设备集成和制造、生产运营...等各个环节，帮助设备效率和效能的提升。