生产过程控制：以太网I/O模块 - 文章

生产过程控制：以太网I/O模块

作者：摩尔工业国际公司 Patrick Tan

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本文从生产过程控制系统的开放性、融合性层面引出以太网I/O模块。简要描述了在恶劣条件下选择以太网 I/O模块所应考虑的必要因素：耐高温、低温、信号隔离、系统冗余、冗错、高精度、抗强干扰等。强调采用以太网I/O模块的重要性，并指出具有点对点通讯能力的独立I/O系统是未来通讯模块的发展方向之一。

在某个生产加工场合中工作半年后，人们不难发现从“某厂A”采购的停车系统很难与现存的从“某厂B”采购的控制系统通讯。有时候人们甚至怀疑：是否这些厂家之间达成了共识故意使得各自的产品很难于其他厂家的设备通讯。

在每本关于数字通讯的手册上都可以看到类似于“开放式连接”、“即插即用” 、“良好的鲁棒性” 以及“协同交互工作能力”等产品特点的介绍。然而，在某个公司产品的实际应用手册中，关于这方面的介绍却又往往含糊其词，一些常见的错误也显而易见。通常这样繁冗拖沓的介绍不仅是对人们时间的浪费，更是对精力的不必要消耗!

这样说并不意味着每个厂家都对通讯缺乏基本认识而任意选择某一通讯协议。但是通常当不同厂家选择不同的通讯方法时，同一厂家往往需要特别选择一些额外的物理通讯电缆，例如采用双绞线、不带屏蔽的双绞线以及终端电阻等。

在碰到了如此之多的繁琐问题之后，很多人禁不住开始思考：为什么不使用简单易行并且统一的通讯方式呢？以太网I/O 模块就是这样一种系统。

广泛应用的以太网

如今，以太网已遍布世界各地。几乎所有的企业都通过以太网实现各厂区、各制造设备以及各控制室之间的连接。随着UTP 和光纤在物理和数据链路层（OSI模型的第一和第二层）的使用，以太网已遍布工厂、商家，甚至走入了千家万户。

以太网低成本、易安装的优势，决定其成为企业上网的基本途径，仅需通过 RJ-45连接器、一小捆网线以及网卡即可实现。人们通常所担心的由于布线的不合理、机器设置的不当而影响使用的问题，只需合理地选择交换器、正确地划分域，或者使用光纤、中继器、甚至是无线系统即可以迅速解决。

I/O系统快速传递信息

及时地获取、吸收信息并依此作出相应的正确决策是制造业了解用户需求、满足用户需要的唯一途径。当前， ERP (企业资源计划) 已经被许多公司投入使用，目的只有一个——汇总数据以便检查和做出决策。初始，这些决策报告都是预先的报告，而今，这些报告能够在实际成果出来之后15分钟立刻得到汇总。这些数据一般都是通过MES(制造执行系统)包而得到，这个数据包可以通过一个SCADA系统经由PLC 或者其他远程I/O设备而获得。

通讯树的较低部分是最困难的部分，数据需要从组织的最底部获得从而传至上层。当以太网和这些上部系统绑定在一起时，许多分布的I/O通讯网络就可以使用自己的通讯协议。对于能够使用以太网的I/O而言，即可直接通过FTP、HTML以及OPC服务器来解决问题。

以太网融合多种传输协议

虽然理论上可以使用多种双绞线以及网络系统，但实际上，用户在使用过程中则不由自主的被局限于使用同一种协议。例如，如果用户在双绞线上使用的是Modbus/RTU，这时就不能在同一双绞线上使用其他协议，除非先将Modbus 驱动停止以允许使用其他协议。而使用以太网 I/O 模块，则不存在上述问题，用户可以同时使用几种协议对同一个以太网物理层进行操作。

图1 可靠的 I/O系统每个通道使用单独的 D/A 转换器和微处理器(mP)，
从而避免了单通道故障而造成整个模块都不能使用的缺点。

例如，假设用户既需要将数据送往相关数据库又需要通过浏览器访问这些数据、通过HMI上的历史曲线图显示数据趋势，那么如果是Modbus/RTU 的使用范例，用户必须配置一些网关或者使用多个OPC Server和HMI的组合才可以实现。

然而，如果使用基于Modbus/TCP协议的以太网远程I/O系统，用户可以使用内嵌的一个网页服务器和OPC服务器，这样可以在相同的UTP或者电缆介质上访问数据而无需使用附加的通讯网关。

总之，以太网使得各种协议同时并存于以太网上：TCP、IP、UDP、SNMP、Modbus/TCP、HTML、SMTP 以及OPC。这样有利于迅速诊断问题以及进行故障诊断。

I/O系统可不受通讯协议所制

以太网为广大用户提供了很多方便的服务，通过以太网用户可以方便地享用网络上的其他资源。以太网为物理连接的一些原则提供了一个框架。OSI模型中的第七层――应用层是所有层中比较重要的一层，因为在这一层中定义了协议。

一个都基于以太网通讯的I/O 系统和主机之间也许无法实现通讯，这是因为不同的系统卖主所选择的协议决定了系统之间互通性的难易程度，而往往不同厂家的产品所使用的协议都是不同的。而诸如Modbus/TCP、以太网/IP、HSE以及 OPC等协议却是众所周知的 “开放式”协议，几乎所有的HMI和控制系统支持其中一种或者多种开放式协议。

目前很多产品生产商不断地开发自己的专有的协议，那么当一个用户购买的不同厂家的产品出现不兼容时，用户才发现需要投入大量的时间和金钱去解决随之而来的问题。用户只有意识到这一点才能避免不必要的成本投资。在当今的社会中，“cost of entry”的理念已经取代了“cost of ownership”。很多项目的评估中，用户越来越重视各个产品最初的互通性、可访问性而不单单是开车运行之后产品维护费用。因此选择以太网I/O产品，用户可以避免专有协议所带来的不灵活性。

I/O 系统内嵌网页浏览器

很多以太网 I/O 系统有内嵌的FTP (文本传输协议)服务器以及 web (HTML) 服务器可以实时监测数据、访问历史数据并且对I/O系统组态。而大多数传统的PLC都是基于PLC组态软件或者用户HMI基础之上的。

很多情况下，用户只需要一套I/O 系统监测一两个很关键的点。这时，带内嵌web服务器的以太网I/O系统使得用户方便地使用IE或者类似的简易网页浏览软件访问企业内部局域网，从而方便地监测实时数据而无需额外配置HMI或者申请“现场访问许可权” 。当然，根据每个应用场合数据保密安全等级的需要，可以设置相应的安全编码以及配置相应的安全附件。

图2 传统的 I/O 多路转换器通过一个共同的A/C转换器和微处理器处理所有的输入和输出信号，
这样当一个通道出现故障时，所有的信号无法正常处理。

I/O模块的必要特性

在洁净、无危险的环境中安装以太网I/O系统基本上不会出现难题。但是即使I/O处于安全的环境中时，远距离的传输线路还是需要保护和隔离UTP和光纤等不受噪音、温度和振动的影响。

目前许多I/O系统安装于一些恶劣的环境中，这包括高温、低温、RFI/EMI干扰存在的地方。因此要根据实际项目的需要选择合适的以太网I/O 系统和附件。

确保所选择的以太网 I/O 具有以下几个特性：

* 耐高温或者低温： -40°C 到+85°C (-40°F to +185°F)；
* 提供通道到通道之间、现场到通道之间、通道到通讯面板之间的信号隔离；
* 每一个I/O通道都具有一个高精度的A/D转换器和一个微处理器（如图1所示），避免因为一个I/O通道故障而导致整个I/O模块不能使用的情况，这种情况经常出现在传统的I/O 系统（或者多路转换器）中，因为这类产品所有通道共同使用一个A/D转换器和一个微处理器（如图2所示）；
* 适用于精度要求高的应用场合，具有大于等于18 位 A/D 以及D/A 分辨率的高输入分辨率；
* 具有强抗RFI/EMI干扰的功能， >20V/m的抗干扰性能能够防止因为一些电磁或者无线射频造成的测量误差。值得注意的是，RFI/EMI能够穿透塑料封装的I/O模块对测量造成干扰，因此金属封装的仪表可以有效的防止测量值因为干扰而产生的漂移，保证测量精度。

图3 点对点分布式以太网I/O网络可以在现场和控制室之间经济地传输过程信号

I/O系统的控制、计算以及点对点通讯能力

随着现场控制功能的不断发展，用户都希望远程的I/O系统也具有内装控制程序和复杂算法的能力。一些远程I/O 产品生产商正通过提供RTOS (Real Time Operating System) 、RTC (Real Time Clock)以及 RTCE (Real Time Control Engine)在各自的平台上实现初步的控制功能设置；具有复杂算法处理的能力也使得许多远程以太网I/O系统趋于处理复杂的问题，而以往这些问题都是被昂贵的PLC进行处理的，例如作为流量计算机、远程终端系统(RTU) 以及高/低选择器。

点对点通讯能力以及独立的I/O系统也是今后一个发展方向，以太网和光纤的架构方式提供了一种方便和经济的信息传递方式，信号可以便捷地从工厂的一端传递到另一端（如图3所示）。当双绞线长度有限时，一些通道之间信息互相映射的通讯模式是非常行之有效的。

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文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/15/2005)


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