現(xiàn)代工廠的迷宮性質(zhì)，隨著傳感器、執(zhí)行器、電機(jī)、螺線管和閥門數(shù)量的不斷增加，推動(dòng)了對(duì)具有更多通道的工業(yè)控制器的需求，以處理大量數(shù)據(jù)、做出決策，然后輸出響應(yīng)。集中式過(guò)程控制方法已成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，尤其是由于需要大量的布線才能使其工作。有必要開(kāi)發(fā)復(fù)雜的新技術(shù)，只是為了嘗試和保持對(duì)控制系統(tǒng)本身的一些物理控制。然而，方法正在發(fā)生變化，涉及將過(guò)程智能直接移動(dòng)到工廠車間的邊緣。在本文中，我們將回顧集中式過(guò)程控制的挑戰(zhàn)和演變。在討論創(chuàng)新IC的優(yōu)點(diǎn)之前，我們先解釋為什么會(huì)發(fā)生變化的原因，該IC將在這種新興范式所需的更小控制器上實(shí)現(xiàn)更靈活的IO接口。

有線編組

將現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備連接到可編程邏輯控制器（PLC）的標(biāo)準(zhǔn)方式一直是通過(guò)傳統(tǒng)的有線編組，如圖2所示。多芯電纜將電線從位于工廠車間的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到編組面板的接線端子，通常位于 I/O 室中。在這里，接線是交叉編組的，以便每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都連接到I/O卡，連接適當(dāng)?shù)目刂破魍ǖ馈?/p>

（圖 2 有線編組）

這種方法會(huì)導(dǎo)致許多問(wèn)題。例如，在交叉編組期間，很難跟蹤哪些電線來(lái)自和流向，如果電線連接不正確甚至完全未連接，則會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。對(duì)于技術(shù)人員和工程師來(lái)說(shuō)，調(diào)試和測(cè)試每個(gè)連接可能既耗時(shí)又費(fèi)力，并有可能延遲新過(guò)程的調(diào)試。從理論上講，調(diào)試完成后，系統(tǒng)應(yīng)該正常運(yùn)行，但如果在項(xiàng)目后期需要不可預(yù)見(jiàn)的更改，則可能會(huì)出現(xiàn)其他問(wèn)題。有時(shí)可能需要添加新的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。例如，如果將溫度開(kāi)關(guān)更改為溫度變送器，則需要將數(shù)字輸入更改為模擬輸入。如果將新的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備添加到系統(tǒng)中，但編組面板沒(méi)有足夠的所需類型的備用連接來(lái)容納它們，則會(huì)出現(xiàn)更糟糕的情況。在這種情況下，需要更換控制器，這可能會(huì)增加項(xiàng)目的額外成本和延遲。

電子編組

電子編組（圖3）是作為有線編組的改進(jìn)而開(kāi)發(fā)的。它旨在防止與有線編組的手動(dòng)元素相關(guān)的人為錯(cuò)誤，即編組面板上的 I/O 設(shè)備的交叉連接。與有線編組一樣，來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的多芯電纜由工廠車間的技術(shù)人員路由到編組柜中接線端子的右側(cè)。但是，在I/O室中，不再需要手動(dòng)將每個(gè)接線端子連接到相應(yīng)的控制器I/O通道，因?yàn)檫@是在系統(tǒng)本身內(nèi)以電子方式處理的。

（圖3 電子編組）

電子編組的明顯優(yōu)勢(shì)是，I/O設(shè)備可以在必要時(shí)連接到特定的控制器，而無(wú)需更改物理接線。如果在項(xiàng)目的后期階段，對(duì) I/O 類型進(jìn)行了更改，或者需要其他設(shè)備，則無(wú)需更改現(xiàn)有布線或機(jī)柜。此外，可以將額外的I/O容量添加到編組柜中，然后根據(jù)需要以電子方式編組到控制器。電子編組方法的核心是便攜式和可更換模塊或卡的機(jī)架。將適當(dāng)?shù)目愋筒迦?I/O 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接線所連接的插槽中。例如，數(shù)字輸入（DI）卡將放置在溫度開(kāi)關(guān)的插槽中。然后，該卡將連接到控制器的相應(yīng)通道。每個(gè)控制器通道的功能由放置在每個(gè)插槽中的卡類型（例如 DI 或 DO）定義。

雖然電子編組提供的靈活性是顯而易見(jiàn)的，但存在不那么明顯的固有不靈活性。如果需要將控制器通道的功能從 DI 更改為 DO，反之亦然，則必須更改通道的物理卡。此外，DI 和 DO 通道的總數(shù)由機(jī)架中每種類型的卡的數(shù)量定義。這限制了機(jī)架中DI通道和DO通道的數(shù)量，從而限制了電子編組系統(tǒng)的靈活性。

邊緣智能

顯然，上述兩種方法都涉及將多個(gè)輸入和輸出設(shè)備連接回集中式控制器，最終將承受IO機(jī)柜中龐大的規(guī)模和有限數(shù)量的通道類型的負(fù)擔(dān)。更多的 IO 設(shè)備意味著需要管理的電纜長(zhǎng)度越來(lái)越多，這進(jìn)一步增加了復(fù)雜性。這種方法的另一個(gè)問(wèn)題是，雖然傳感器提供了大量可以上傳到云端進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)，但TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的固有延遲使其不適合云處理和控制需要實(shí)時(shí)響應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)的工業(yè)過(guò)程。出于這個(gè)原因，有必要在工廠車間邊緣（“邊緣”）的控制設(shè)備旁邊放置多個(gè)較小的實(shí)時(shí)控制器，而不是使用大型集中式控制器。這些控制器具有計(jì)算能力和網(wǎng)絡(luò)速度，可以即時(shí)處理和響應(yīng)他們正在進(jìn)行的測(cè)量并將數(shù)據(jù)上傳到云（例如，使用 5G 或其他高速協(xié)議）。這還允許立即下載新的配置，一旦測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)基于云的算法進(jìn)行處理和分析，這些配置就可能變得可用。

遠(yuǎn)程 I/O

使用位于工廠車間邊緣的控制器的術(shù)語(yǔ)是“遠(yuǎn)程 I/O”。這些控制器必須小巧、靈活且堅(jiān)固耐用，具有足夠的數(shù)字IO通道，以將工業(yè)設(shè)備使用的多個(gè)高輸入和輸出電壓（標(biāo)稱值為24V）轉(zhuǎn)換為控制器使用的較低電壓（《5V）。圖4所示的IC非常適合此目的。它是一款符合 IEC 61131-2 標(biāo)準(zhǔn)、軟件可配置的 4 通道工業(yè)數(shù)字輸出數(shù)字輸入器件，可根據(jù)需要按通道配置為高邊 （HS） 開(kāi)關(guān)、推挽式 （PP） 驅(qū)動(dòng)器、1 型和 3 型或 2 型數(shù)字輸入。這意味著，如果受控過(guò)程需要重新配置，該單個(gè)IC可用于為控制器提供4個(gè)數(shù)字輸入或4個(gè)數(shù)字輸出（或兩者之間的任意組合），并可以靈活地更改通道方向（僅使用軟件）。該器件的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它具有SPI接口，允許將多個(gè)IC以菊花鏈方式連接在一起，為控制器提供更多的數(shù)字IO通道。該 IC 具有集成診斷功能，包括斷線檢測(cè)和數(shù)據(jù) CRC 錯(cuò)誤檢查，同時(shí)使用 SafeDemag唰唰??該功能允許它在用作DO時(shí)安全地釋放任何數(shù)量的感性負(fù)載。該器件的額定工作電壓高達(dá) 40V（但可承受高達(dá) 65V 的瞬變），以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的性能。雖然它非常適合用于小型工廠車間邊緣（4 通道或更多）控制器的設(shè)計(jì)，但它也適用于使用前面描述的控制柜布置的現(xiàn)有控制器。使用該 IC，無(wú)需在工業(yè)過(guò)程發(fā)生變化時(shí)手動(dòng)交換數(shù)字輸入 （DI） 和數(shù)字輸出 （DO） 卡，而是可以使用軟件對(duì)單個(gè)卡類型進(jìn)行編程，以用作 DI 或 DO - 從而節(jié)省空間、簡(jiǎn)化布線并減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間。

（圖4 MAX14906四通道DI/DO的典型應(yīng)用電路）

總結(jié)

在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們回顧了與管理工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的集中式方法相關(guān)的問(wèn)題。我們展示了電子編組的發(fā)展如何在一定程度上緩解了其中一些問(wèn)題。雖然這是一個(gè)相當(dāng)大的改進(jìn)，但它并不是處理位于工廠車間的不斷增加的IO設(shè)備的靈丹妙藥。我們還解釋說(shuō)，雖然云計(jì)算是分析工業(yè)傳感器產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的理想選擇，但它的速度不足以實(shí)時(shí)控制工業(yè)過(guò)程。由于這些原因，更小、更強(qiáng)大、適應(yīng)性更強(qiáng)的實(shí)時(shí)云連接控制器 （Remote IO） 正在被移動(dòng)到工廠車間的最邊緣，就在他們控制的流程旁邊，從而提高了響應(yīng)能力并允許更好的 Web 連接。最后，我們解釋了為什么強(qiáng)大的軟件可配置4通道數(shù)字IO IC非常適合用于新一代工業(yè)控制器，以及它如何提高集中式方法的靈活性。

審核編輯：郭婷