说说通用I/O(三):控制系统的通用I/O技术(留言赠书)

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控制系统的通用I/O技术

控制系统的通用I/O技术是指I/O模块的通用性好，同一个I/O点可以配置成AI、AO、DI、DO，甚至更多的信号类型。对控制系统的通用I/O技术来说，与上面介绍的显示仪万能输入技术相比，“万能”的对象由仅限“输入”扩展到“输出”，与IMP远程测控终端相比，通用的对象从模拟量仅有输入、开关量同时有“输入”、“输出”扩展到模拟量、开关量均有“输入”、“输出”。
现在说到控制系统的通用I/O技术时，通常认为是从艾默生过程管理2009年推出电子布线开始的。三五年甚至更长时间之后，国外的霍尼韦尔、横河、ABB、施耐德福克斯波罗、倍加福、伊顿、菲尼克斯、Computrols都推出了通用I/O技术，国内的和利时公司、浙江中控近年来也推出了应用这一技术的产品。

艾默生的电子布线

爱默生过程管理公司2009年在DeltaV DCS V11版本的系统中推出采用了电子布线（Electronic Marshalling）技术S系列产品，原有的传统布线技术的产品为M系列，S系列产品对传统布线方式作了重大改进，它综合应用了现场总线技术、远程I/O技术及I/O on Demand（按需配置I/O）技术，且将其令名为电子布线技术，为用户在采用传统布线技术的场合显著简化了设计和安装工作。
图1为集中式电子布线的组件，图中所示机柜尺寸为800mm×2000mm（宽×高）。每一面竖向布置三排，每一排最上面是两个作为DeltaV S控制系统I/O节点的CHARM I/O卡，冗余配置，往下是8块底板，每块底板上可以插入12个CHARM模块，CHARM模块是一个可以单独插入或取出的单通道I/O，每个CHARM模块的I/O类型可选，如：AI 4~20mA HART、热电偶/mV、热电阻、AI 0~10V 隔离、AO 4~20mA HART、DI NAMUR（用于接近开关等）、DI 24VDC干接点、DI 24VDC隔离、DI 120VAC隔离、DI 230VAC隔离、DO 100mA能量限制、DO 24VDC High Side、DO 24VDC隔离、DO 120/230VAC隔离等。

图1  艾默生集中式电子布线的组件每排96个CHARM通过底板上的数字总线将现场设备的信息传送到CHARM I/O卡，CHARM I/O卡再通过冗余的光纤以太网连接到Delta V的I/O网络上。因此，机柜只看到进CHARM的现场设备布线，而其余的布线因采用了现场总线技术，所以我们看不到杂乱无章的交叉布线。CHARM底板上在每个CHARM插入位置上有个可以设定的“锁”位置，对应不同I/O信号，“锁”的位置不同，当发生故障的CHARM拔出后，可插入同样I/O信号类型的CHARM，而其他类型I/O的CHARM因“锁”位置不合，无法插入，由此保证了更换模块的正确性。当该CHARM模块确实需要更改I/O类型时，应首先重新设定“锁”的位置，然后才能插入更改I/O类型后的CHARM模块。万一CHARM损坏，也只影响一个点的信息，更换时也只更换一个CHARM，因此可以说是在单通道级别实现信号回路的独立性和灵活性。后期电子配线技术有了新的发展，如：将CHARM节点推广到DeltaV SIS控制系统及M系列DeltaV老产品中；开发了ASCO电磁阀、气动阀组专用CHARM节点；除数百点CHARM集中安装的仪表柜外，推出就地安装CHARM的小型现场仪表箱；在DeltaV区域控制网络（ACN）上，可采用支持电子配线的DeltaV智能交换机完成通信连接。最早CHARM电子配线技术是用于Delta V S系列产品，先是扩展到DeltaV SIS安全系统（见图2，设备颜色呈黄色表示是用于SIS安全仪表系统）。

图2  DeltaV SIS电子配线的分布式CHARM架构2018年的DeltaV 14.3引入了一项新功能，允许将CHARM I/O卡（CIOC）分配给M系列控制器。本来推出CHARM电子配线技术的S系列产品就是为了取代DeltaV M系列老产品，谁知老产品一直用得挺火的，于是又给M系列增添了电子配线技术的选项。这不仅可使CHARM电子配线技术用于M系列产品的工艺过程改扩建，还可提升M系列产品的档次。为了使ASCO电磁阀、气动阀组能方便集成到DeltaV控制系统中，开发了ASCO Numatics 580CHARM节点，可不再依赖Profibus-DP等专用网络，实现电磁阀、气动阀组的电源连接和冗余通信，可减少网络设备，使调试过程简化。无锡艾迅公司采用基于ASCO Numatics 580CHARM的技术，为上海某生物制药公司定制一套阀岛箱控制系统（见图3）。

图3  基于580CHARM技术的阀岛箱控制系统最早介绍的电子配线技术CHARM节点安装是采用集中安装的配线柜，单、双面容量为288/576个CHARM节点，现在推出可就地安装更靠近现场设备的分布式小型现场仪表箱，如内部安装12个CHARM节点的仪表箱，以方便现场布线及替换原有现场仪表箱（见图4）。

图4  安装12个CHARM节点的仪表箱CHARM电子配线技术中，原来的CHARM I/O是直接连接到Delta V的控制器上，为满足高速冗余通信的要求，艾默生发布了支持电子配线技术的系列DeltaV智能交换机产品，即CHARM I/O卡通过DeltaV智能交换机后，连接到DeltaV区域控制网络（ACN）上。

方原柏

2023年11月

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作者简介

方原柏：湖北黄冈人，昆明有色冶金设计研究院电气自动化分院教授级高级工程师，衡器、自动化仪表、冶金自动化、仪器仪表用户、仪器仪表与自动化等杂志编委，昆明仪器仪表学会理事长，中国衡器协会技术专家委员会顾问，主要从事仪器仪表、控制系统的应用研究，曾出版“电子皮带秤的原理及应用”（1994年，冶金工业出版社）、“电子皮带秤”（2007年，冶金工业出版社）“流程行业无线通信技术及应用”（2015年化学工业出版社）、“有色金属生产过程自动化”（2015年，人民邮电出版社）四本专著，“检重秤”（中国质量标准出版社，2020年），“金属探测器”（中国化工出版社，2023年）。发表论文370篇。

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