[西门子] 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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