使用可配置的数字IO为您的工业控制器提供优势
现代工厂的迷宫性质，随着传感器、执行器、电机、螺线管和阀门数量的不断增加，推动了对具有更多通道的工业控制器的需求，以处理大量数据、做出决策，然后输出响应。集中式过程控制方法已成为一项艰巨的任务，尤其是由于需要大量的布线才能使其工作。有必要开发复杂的新技术，只是为了尝试和保持对控制系统本身的一些物理控制。然而，方法正在发生变化，涉及将过程智能直接移动到工厂车间的边缘。在本文中，我们将回顾集中式过程控制的挑战和演变。在讨论创新ic的优点之前，我们先解释为什么会发生变化的原因，该ic将在这种新兴范式所需的更小控制器上实现更灵活的io接口。
有线编组
将现场i/o设备连接到可编程逻辑控制器（plc）的标准方式一直是通过传统的有线编组，如图2所示。多芯电缆将电线从位于工厂车间的现场设备连接到编组面板的接线端子，通常位于 i/o 室中。在这里，接线是交叉编组的，以便每个现场设备都连接到i/o卡，连接适当的控制器通道。
（图 2 有线编组）
这种方法会导致许多问题。例如，在交叉编组期间，很难跟踪哪些电线来自和流向，如果电线连接不正确甚至完全未连接，则会导致错误。对于技术人员和工程师来说，调试和测试每个连接可能既耗时又费力，并有可能延迟新过程的调试。从理论上讲，调试完成后，系统应该正常运行，但如果在项目后期需要不可预见的更改，则可能会出现其他问题。有时可能需要添加新的现场设备。例如，如果将温度开关更改为温度变送器，则需要将数字输入更改为模拟输入。如果将新的现场设备添加到系统中，但编组面板没有足够的所需类型的备用连接来容纳它们，则会出现更糟糕的情况。在这种情况下，需要更换控制器，这可能会增加项目的额外成本和延迟。
电子编组
电子编组（图3）是作为有线编组的改进而开发的。它旨在防止与有线编组的手动元素相关的人为错误，即编组面板上的 i/o 设备的交叉连接。与有线编组一样，来自现场的多芯电缆由工厂车间的技术人员路由到编组柜中接线端子的右侧。但是，在i/o室中，不再需要手动将每个接线端子连接到相应的控制器i/o通道，因为这是在系统本身内以电子方式处理的。
（图3 电子编组）
电子编组的明显优势是，i/o设备可以在必要时连接到特定的控制器，而无需更改物理接线。如果在项目的后期阶段，对 i/o 类型进行了更改，或者需要其他设备，则无需更改现有布线或机柜。此外，可以将额外的i/o容量添加到编组柜中，然后根据需要以电子方式编组到控制器。电子编组方法的核心是便携式和可更换模块或卡的机架。将适当的卡类型插入 i/o 现场设备接线所连接的插槽中。例如，数字输入（di）卡将放置在温度开关的插槽中。然后，该卡将连接到控制器的相应通道。每个控制器通道的功能由放置在每个插槽中的卡类型（例如 di 或 do）定义。
虽然电子编组提供的灵活性是显而易见的，但存在不那么明显的固有不灵活性。如果需要将控制器通道的功能从 di 更改为 do，反之亦然，则必须更改通道的物理卡。此外，di 和 do 通道的总数由机架中每种类型的卡的数量定义。这限制了机架中di通道和do通道的数量，从而限制了电子编组系统的灵活性。
边缘智能
显然，上述两种方法都涉及将多个输入和输出设备连接回集中式控制器，最终将承受io机柜中庞大的规模和有限数量的通道类型的负担。更多的 io 设备意味着需要管理的电缆长度越来越多，这进一步增加了复杂性。这种方法的另一个问题是，虽然传感器提供了大量可以上传到云端进行分析的数据，但tcp/ip网络的固有延迟使其不适合云处理和控制需要实时响应测量数据的工业过程。出于这个原因，有必要在工厂车间边缘（“边缘”）的控制设备旁边放置多个较小的实时控制器，而不是使用大型集中式控制器。这些控制器具有计算能力和网络速度，可以即时处理和响应他们正在进行的测量并将数据上传到云（例如，使用 5g 或其他高速协议）。这还允许立即下载新的配置，一旦测量数据通过基于云的算法进行处理和分析，这些配置就可能变得可用。
远程 i/o
使用位于工厂车间边缘的控制器的术语是“远程 i/o”。这些控制器必须小巧、灵活且坚固耐用，具有足够的数字io通道，以将工业设备使用的多个高输入和输出电压（标称值为24v）转换为控制器使用的较低电压（《5v）。图4所示的ic非常适合此目的。它是一款符合 iec 61131-2 标准、软件可配置的 4 通道工业数字输出数字输入器件，可根据需要按通道配置为高边 （hs） 开关、推挽式 （pp） 驱动器、1 型和 3 型或 2 型数字输入。这意味着，如果受控过程需要重新配置，该单个ic可用于为控制器提供4个数字输入或4个数字输出（或两者之间的任意组合），并可以灵活地更改通道方向（仅使用软件）。该器件的另一个优点是它具有spi接口，允许将多个ic以菊花链方式连接在一起，为控制器提供更多的数字io通道。该 ic 具有集成诊断功能，包括断线检测和数据 crc 错误检查，同时使用 safedemag唰唰��该功能允许它在用作do时安全地释放任何数量的感性负载。该器件的额定工作电压高达 40v（但可承受高达 65v 的瞬变），以实现稳健的性能。虽然它非常适合用于小型工厂车间边缘（4 通道或更多）控制器的设计，但它也适用于使用前面描述的控制柜布置的现有控制器。使用该 ic，无需在工业过程发生变化时手动交换数字输入 （di） 和数字输出 （do） 卡，而是可以使用软件对单个卡类型进行编程，以用作 di 或 do - 从而节省空间、简化布线并减少系统停机时间。
（图4 max14906四通道di/do的典型应用电路）
总结
在此设计解决方案中，我们回顾了与管理工厂自动化系统的集中式方法相关的问题。我们展示了电子编组的发展如何在一定程度上缓解了其中一些问题。虽然这是一个相当大的改进，但它并不是处理位于工厂车间的不断增加的io设备的灵丹妙药。我们还解释说，虽然云计算是分析工业传感器产生的大量数据的理想选择，但它的速度不足以实时控制工业过程。由于这些原因，更小、更强大、适应性更强的实时云连接控制器 （remote io） 正在被移动到工厂车间的最边缘，就在他们控制的流程旁边，从而提高了响应能力并允许更好的 web 连接。最后，我们解释了为什么强大的软件可配置4通道数字io ic非常适合用于新一代工业控制器，以及它如何提高集中式方法的灵活性。
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（图 2 有线编组）
这种方法会导致许多问题。例如，在交叉编组期间，很难跟踪哪些电线来自和流向，如果电线连接不正确甚至完全未连接，则会导致错误。对于技术人员和工程师来说，调试和测试每个连接可能既耗时又费力，并有可能延迟新过程的调试。从理论上讲，调试完成后，系统应该正常运行，但如果在项目后期需要不可预见的更改，则可能会出现其他问题。有时可能需要添加新的现场设备。例如，如果将温度开关更改为温度变送器，则需要将数字输入更改为模拟输入。如果将新的现场设备添加到系统中，但编组面板没有足够的所需类型的备用连接来容纳它们，则会出现更糟糕的情况。在这种情况下，需要更换控制器，这可能会增加项目的额外成本和延迟。
电子编组
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（图3 电子编组）
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虽然电子编组提供的灵活性是显而易见的，但存在不那么明显的固有不灵活性。如果需要将控制器通道的功能从 di 更改为 do，反之亦然，则必须更改通道的物理卡。此外，di 和 do 通道的总数由机架中每种类型的卡的数量定义。这限制了机架中di通道和do通道的数量，从而限制了电子编组系统的灵活性。
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显然，上述两种方法都涉及将多个输入和输出设备连接回集中式控制器，最终将承受io机柜中庞大的规模和有限数量的通道类型的负担。更多的 io 设备意味着需要管理的电缆长度越来越多，这进一步增加了复杂性。这种方法的另一个问题是，虽然传感器提供了大量可以上传到云端进行分析的数据，但tcp/ip网络的固有延迟使其不适合云处理和控制需要实时响应测量数据的工业过程。出于这个原因，有必要在工厂车间边缘（“边缘”）的控制设备旁边放置多个较小的实时控制器，而不是使用大型集中式控制器。这些控制器具有计算能力和网络速度，可以即时处理和响应他们正在进行的测量并将数据上传到云（例如，使用 5g 或其他高速协议）。这还允许立即下载新的配置，一旦测量数据通过基于云的算法进行处理和分析，这些配置就可能变得可用。
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