Понимание традиционных модулей ввода-вывода и их ограничений

Традиционные системы управления используют специализированные карты ввода-вывода (IO) для промышленной автоматизации. Каждый обычный модуль обрабатывает только один тип сигнала, например дискретный вход (DI), дискретный выход (DO), аналоговый вход (AI) или аналоговый выход (AO). Стандартная 16-канальная карта поддерживает только один определённый тип каналов на всех портах. Такая негибкая аппаратная конструкция часто создаёт серьёзные инженерные узкие места при реализации проекта. Инженерам нередко приходится устанавливать совершенно новые карты, чтобы подключить всего один дополнительный датчик. Поэтому изменения в проекте на поздних этапах увеличивают требования к пространству в шкафу управления и повышают стоимость проекта.

Что такое гибкие модули ввода-вывода

Гибкие модули ввода-вывода (FIOM) представляют собой значительный прогресс в архитектуре распределённых систем управления (DCS) и программируемых логических контроллеров (PLC). Эти универсальные карты каналов позволяют инженерам настраивать отдельные каналы программно или аппаратно как AI, AO, DI или DO. Командам по автоматизации больше не нужно заранее, на этапе проектирования, точно рассчитывать количество каждого отдельного типа сигнала. Проектировщики просто выбирают общую требуемую ёмкость каналов для шкафа. Такая универсальность сокращает запасы запасных частей, а также упрощает монтаж полевой проводки и интеграцию системы.

Крупные производители систем автоматизации и их архитектурные подходы

Ведущие производители систем автоматизации предлагают уникальные аппаратные и программные реализации универсальной настройки каналов:

• Honeywell (Universal IO - UIO): обеспечивает полностью программную настройку без физических изменений модуля.
• Emerson (DeltaV CHARMs): использует модули характеризации для определения типов сигналов на уровне отдельных клеммных блоков.
• Yokogawa (N-IO): сочетает программную конфигурируемость с адаптерами сигналов на базовой плате для различных вариантов обработки сигналов.
• Rockwell Automation (FLEX 5000 IO): предлагает настраиваемые варианты каналов для оптимизации архитектуры заводской автоматизации.
• ABB (Select I/O): использует одноканальные модули обработки сигналов для адаптации подключений полевого оборудования.

Если Honeywell предлагает каналы, полностью определяемые программно, то такие производители, как Emerson и Yokogawa, используют модульные аппаратные адаптеры. За 15 лет работы в инженерной сфере я убедился, что аппаратные адаптеры, такие как DeltaV CHARMs, обеспечивают лучшую электрическую изоляцию между каналами. В то же время каналы, полностью настраиваемые программно, полностью исключают необходимость физической замены модулей при модернизации на объекте.

Ключевые преимущества FIOM в заводской автоматизации

Внедрение гибкой технологии IO обеспечивает значительные эксплуатационные и финансовые преимущества на протяжении всего жизненного цикла предприятия:

• Сокращение сроков реализации: инженеры завершают сборку шкафов до окончательного утверждения перечней приборов.
• Сокращение запасов запасных частей: технические службы хранят один универсальный тип карт вместо четырёх отдельных модулей.
• Снижение капитальных затрат: компактная конструкция модулей значительно уменьшает занимаемую шкафами площадь в операторной.
• Ускоренный ввод объекта в эксплуатацию: инженеры на объекте мгновенно перенастраивают типы каналов программными средствами во время проверки контуров.

Практический сценарий применения: расширение нефтехимического предприятия

Рассмотрим расширение действующего нефтеперерабатывающего завода, включающее позднее добавление датчиков температуры и концевых выключателей клапанов. При традиционном проектировании DCS добавление двух дополнительных сигналов AI и одного сигнала DO требует трёх отдельных типов карт. Если свободные каналы отсутствуют, инженерам приходится устанавливать новые стойки и прокладывать дополнительные полевые кабели.

При использовании гибкой архитектуры IO инженер на объекте просто переназначает три свободных канала на существующем универсальном модуле. Инженер обновляет программную конфигурацию, чтобы принимать сигналы 4-20mA от преобразователей и напряжение 24V DC от клапанов. Такая бесшовная модификация позволяет избежать задержек с закупкой оборудования, сохранить место в шкафу и выполнить проект в срок.

Об авторе

Zhang Wei — ведущий эксперт по промышленной автоматизации с более чем 15-летним практическим опытом работы с системами PLC, DCS, TSI и защиты электроэнергетических систем. Он руководил крупными проектами по автоматизации в нефтехимической, энергетической и производственной отраслях. Zhang Wei специализируется на проектировании архитектуры систем управления, интеграции полевых шин и модернизации устаревших систем управления на промышленных объектах по всему миру.