智能設備的日益普及使工業自動化應用受益匪淺。這些智能組件，也被稱為工業物聯網（IIoT）設備，其功能和尺寸涵蓋的范圍從小型、獨立的傳感器到大型、封裝的控制系統不等。它們有一個共同特點，那就是能夠通過數字通信鏈路傳遞大量信息。

基于IIoT的相關討論可能會給人一種印象，就是這些智能設備全部都是無線的。但實際上，在很多應用場景仍然需要傳統的有線輸入和輸出（I/O）來繼續提供基本的自動化服務。許多設備，例如繼電器、電磁設備、開關和變送器，對于舊系統的改造應用尤其如此，但它也適用于新安裝。作為具有簡單功能的基本組件仍然有意義。這尤其適用于舊系統的改造情況，但也適用于新安裝的系統。

在自動化I/O系統整合基本信號，使許多現有的硬接線I/O點看起來有點像IIoT設備時，它們就具有了新的重要性。從控制IIoT產生的數據量，以及在IIoT應用的現代網絡架構中使用經典的有線信號來講，整合也至關重要。企業可以使用這些新的I/O系統來實現其數字化轉型和部署實施IIoT的目標。整合對于控制IIoT在現代網絡架構中為IIoT應用程序生成和使用經典有線信號的數據量至關重要。組織可以使用這些I/O系統來實現其數字轉換和IIoT目標。

I/O系統的基礎

傳統的有線I/O連接是一項可追溯至數十年前的成熟技術。不管它們是自動化控制器的輸入，還是控制器指令的輸出，I/O點通常被稱為離散量（開/關信號）或模擬量（信號在一定范圍內變化）。術語離散輸入（DI）、離散輸出（DO）、模擬輸入（AI）和模擬輸出（AO），構成了傳統的I/O概念。

早期，一個I/O模塊只包含一個輸入或輸出通道，并且可以在一個機架上安裝幾個單通道輸入或輸出。后來，制造商提高了I/O模塊的密度。一個模塊最多可包含32個通道（圖1）。

圖1：Opto 22公司的最新I/O模塊可用軟件配置I/O點類型和擴展的數據連接選項。 圖片來源：Opto 22

I/O系統模塊上的每個通道，都具有一定的電壓和電流特性。模塊可以是分布式的或獨立的、可擴展的或基于機架的。傳統上，現場布線連接，通過螺絲刀緊固端子。為了簡化接線以及提高抗振性，許多用戶開始使用彈簧端子。大多數I/O模塊必須安裝在受保護的環境中。有些定制的連接類型，主要用于特定或者其它要求比較嚴格的區域。

靈活性與混合匹配

用戶可以從眾多選項中選擇，通常將其混合并匹配不同的I/O類型，以實現對不同應用的最佳適配。一些特定功能，使用戶可以更輕松地連接、配置I/O系統并為其供電。

外形尺寸：從物理角度來看，具有緊湊外形尺寸的I/O，更易容易被集成到系統中。可以通過提高I/O密度或設計窄型模塊，來達到緊湊的外形要求。但是，由于尺寸減小會限制接線儀表的數量，并且可能會使診斷變得更加困難，因此需要在兩者之間做平衡。諸如可移除端子塊和接線臂系統之類的功能，可以實現更快地組裝和更換模塊（圖2）。

圖2：現場空間總是非常寶貴，因此設計人員和安裝人員會喜歡緊湊型I/O系統。

信號選項：大多數I/O系統，可為離散信號提供24 VDC或120 VAC供電，為模擬信號提供4-20 mA或0-10 VDC供電。繼電器連接離散輸出也很常見。熱電偶、電阻溫度檢測器和集成電路溫度檢測器可被視為特殊類型的模擬輸入模塊。它們通常提供較高的輸入密度，以避免使用單獨的溫度變送器。一些制造商提供更專業的I/O模塊，包括頻率、電阻或毫伏信號。

混合和多功能I/O：通常情況下，一個模塊中的所有通道類型都是相同的，不管是離散輸入還是模擬輸出模塊。某些較新的系統提供的模塊，同時包含離散輸入和離散輸出，或所有四種基本類型的組合。過去，各種典型的信號電平要求設計人員規劃I/O的分配，以匹配現場儀器，但是由于只有在項目后期才可以確定現場設備設計細節，因此匹配就變得很困難。

為了解決此問題，許多I/O系統供應商提供了多功能I/O模塊，使用基于軟件的配置，為每個終端配置特定屬性，從而可以在同一終端上接收相關類型的信號。這些模塊可能價格更高，但是它們簡化了初始設計，并為將來的變更提供了靈活性。

功率分配：與I/O信號電平相關的，是如何為這些信號供電。通常，回路電源要么是從I/O位置獲得的，要么是從現場接入。設計人員需要評估I/O模塊的隔離特性，以確保在為不同位置的I/O點進行布線時沒有任何限制。許多I/O系統使用開放的以太網協議，而不是傳統的專有工業現場總線。這意味著某些I/O系統，可以利用以太網供電（PoE）技術來運行遠程I/O和電源回路。盡管可用功率有限，但是在某些應用程序中，以太網供電使在無需專用電源的情況下安裝I/O系統成為可能。

基于軟件的配置：I/O系統的最后一項關鍵功能，是對模塊和I/O點進行基于軟件的配置。該屬性使用戶可以調整、查看和記錄I/O量程和功能。精心設計的用戶界面，還可以提供有用的診斷信息。如果配置了基于網頁的界面，那么甚至可以在用戶的計算機或移動設備上訪問此信息。

讓連接更進一步

確定從I/O模塊到控制系統的通信鏈接也同樣重要。有時需要通信適配器，才能使I/O模塊與監控系統通信。

有兩個概念很重要。首先是了解本地和遠程I/O之間的區別；其次是了解每個I/O通道可能的通訊范圍。本地I/O通常直接使用專有總線或串行連接，與控制器直接連接，或者與此非常接近。相反，遠程I/O可以位于與系統其余部分相關的任何位置，并且可以從眾多互聯網或現場總線技術中選擇一種來連接。

最早期的I/O系統，由I/O適配器和模塊組成，這些I/O適配器和模塊只能與控制它們的控制器（或計算機）連接，不管它們是本地的還是遠程的。

標準以太網網絡最早于1990年代末被引入到工業I/O，現在應用非常普遍。與傳統的工業I/O現場總線相比在傳輸距離上有一定的限制，但是使用工業通信協議（例如Modbus/TCP，EtherNet/IP或Profinet）的以太網，可以提供強大而可靠的I/O通信。現代網絡技術和解決方案也為I/O帶來了其它好處。以太網是一種易于理解的高速標準。它也是企業計算機系統的基礎，促進了互操作性。以太網上的I/O適配器，還可以充當點對點通信節點，將數據發布到任意數量的設備上。

升級后的I/O系統

可以使用標準以太網將現代I/O系統聯網，而不再局限于主-從通信。新的架構可以連接傳統的有線和智能無線以及I/O和IIoT系統。在大、中型項目中，現場布線的成本很高，尤其是在無法使用無線網絡的情況下，更是如此。最新的遠程I/O系統可在控制器和遠程節點之間使用一根以太網電纜通訊，從而大大降低集成遠程設備的成本（圖3）。

圖3：最新一代的遠程I/O系統，可通過以太網連接來代替昂貴的室內布線。

這些系統還將I/O控制與嵌入式IT技術結合使用，以將遠程從站轉換為分布式數據節點。遠程I/O模塊獨立于主機，可以與消息隊列遙測傳輸（MQTT）代理進行通信，以實現現場的點對點連接。這種配對意味著可以將現場數據發送到云服務或數據庫，從而將網絡集成到IIoT系統中。（作者：Josh Eastburn）
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