工業(yè)I/O加上軟件可配置，解決控制網(wǎng)絡(luò)升級(jí)陣痛

在工業(yè)領(lǐng)域，隨著定制產(chǎn)品需求的增長(zhǎng)與供應(yīng)鏈的變革，工業(yè)配套設(shè)施的靈活性一再被強(qiáng)調(diào)。頻繁地重新更換各種功能模塊配置，不論從成本還是效率上看都是極為不妥的。傳統(tǒng)的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)，一般采用一組復(fù)雜的通信模塊、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器以及單獨(dú)的輸入/輸出進(jìn)行針對(duì)某一類過(guò)程控制的手動(dòng)配置。

這種傳統(tǒng)的配置模式已經(jīng)匹配不了工業(yè)4.0升級(jí)下的靈活性與高效率。SWIO，Software Configurable I/O，軟件可配置IO，是一種增強(qiáng)工業(yè)自動(dòng)化靈活性的I/O升級(jí)，SWIO支持通過(guò)任意引腳訪問(wèn)任意工業(yè)I/O功能，且允許在任意時(shí)間配置通道。

控制網(wǎng)絡(luò)如何在演進(jìn)？

起初是采用4至20mA標(biāo)準(zhǔn)以及4至20mA標(biāo)準(zhǔn)加上現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，眾所周知現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用了很多年，很穩(wěn)定很簡(jiǎn)單。但從傳感器和執(zhí)行器角度來(lái)說(shuō)，這種控制網(wǎng)絡(luò)獲得的信息速率極低，大概在1.2kbps，而能傳遞給該傳感器的最大功率約為30至40mw。這是不足以支撐工業(yè)4.0升級(jí)下的工廠運(yùn)作的。低數(shù)據(jù)帶寬以及將其集成到計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的有限范圍，阻礙了這些傳統(tǒng)端點(diǎn)的應(yīng)用分析。4 mA至20 mA的模式還限制了可供應(yīng)給端點(diǎn)的電量和遠(yuǎn)程操作設(shè)備的范圍。

（控制網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，ADI）

而10BASE-T1L，作為一種工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以完全替代PLC和DCS的傳統(tǒng)功能。10BASE-T1L最先解決的是數(shù)據(jù)速率和功率輸出的問(wèn)題，大數(shù)據(jù)速率10 Mbps，端點(diǎn)高達(dá)500 mW功率，非本質(zhì)安全應(yīng)用高達(dá)60 W功率是很明顯的一個(gè)提升。10BASE-T1L下每個(gè)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址將聯(lián)網(wǎng)功能擴(kuò)展到工廠網(wǎng)絡(luò)邊緣，通過(guò)IP地址，不僅可監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，還可遠(yuǎn)程管理節(jié)點(diǎn)。

這么看來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)已經(jīng)解決了工業(yè)4.0的控制網(wǎng)絡(luò)需求不是嗎？答案是否定的。雖然工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)解決了很多原有控制網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，但是它需要在控制系統(tǒng)中使用全新的儀器儀表和全新的架構(gòu)，這意味著大量前期投入的損失。在演進(jìn)的過(guò)程中，SWIO的出現(xiàn)，大大提高了傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)向T1L過(guò)渡的靈活性，提供傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和新工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之間的合理分界點(diǎn)。

SWIO，控制網(wǎng)絡(luò)升級(jí)轉(zhuǎn)換中的橋梁

在過(guò)程控制或工廠自動(dòng)化中，常用的是工業(yè)可編程邏輯控制器（PLC）或分布式控制系統(tǒng)（DCS），根據(jù)工廠場(chǎng)景的不同，對(duì)模擬通道和數(shù)字通道的需要不一樣，SWIO可以快速地進(jìn)行模塊的重新配置，將整個(gè)系統(tǒng)迅速串聯(lián)起來(lái)。SWIO簡(jiǎn)化了終端客戶向智能、邊緣連接設(shè)備的過(guò)渡，促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)儀器在將工廠過(guò)渡到連接的基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)的持續(xù)使用，實(shí)現(xiàn)向其他工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)渡。

（SWIO多通道可配置性，ADI）

SWIO的使用帶來(lái)的改變是很直接的，傳統(tǒng)PLC或DCS依賴于帶多個(gè)I/O模塊的控制柜，同時(shí)每一個(gè)通道類型所采用步線的系統(tǒng)是不一樣的。SWIO會(huì)直接節(jié)省掉此步驟，通過(guò)任意引腳訪問(wèn)任意工業(yè)I/O功能，且允許在任意時(shí)間配置通道，硬件的需求隨之減少。SWIO組件不僅支持其通道作為輸入或輸出編程，而且支持作為模擬或數(shù)字編程。這對(duì)于整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)靈敏性，肉眼可見(jiàn)的提升了幾個(gè)檔次。此外，如果對(duì)SWIO接口進(jìn)行高效設(shè)置，還能夠?qū)⑵溆糜谧x取2線或3線RTD與熱電偶。

在基于工業(yè)以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)里，SWIO能作為控制網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁用于以太網(wǎng)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換裝置，通過(guò)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)I/O單元，在原本只支持傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的傳感和執(zhí)行器中與工業(yè)以太網(wǎng)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種軟件可配置的I/O無(wú)疑需要在轉(zhuǎn)換性能上足夠突出。

實(shí)現(xiàn)SWIO功能必不可少的核心器件

多通道配置、轉(zhuǎn)換性能優(yōu)異，這個(gè)核心器件很明顯了，就是ADC與DAC。SWIO的可配置通道數(shù)取決于DAC的可配置通道數(shù)。這種集成式專用轉(zhuǎn)換器，會(huì)將ADC與DAC，以及配套的診斷功能集成在一起，包含用于模擬輸出、模擬輸入、數(shù)字輸入和電阻溫度檢測(cè)器（RTD）測(cè)量的功能。這些功能集成在一個(gè)單芯片SWIO解決方案中，并具有與串行端口接口（SPI）兼容的接口。

這種集成式的專用轉(zhuǎn)換器在過(guò)程控制應(yīng)用中極為常見(jiàn)，此類器件必須要有可靠的架構(gòu)，需要在IEC標(biāo)準(zhǔn)在±1 kV電壓下對(duì)具有非屏蔽電纜的輸入/輸出端子進(jìn)行浪涌測(cè)試。目前在SWIO應(yīng)用多會(huì)選擇具有可選50Hz和60Hz抑制性能的內(nèi)部16位Σ-?ADC和單調(diào)的13位DAC，這種級(jí)別的轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)速率不必?fù)?dān)心，肯定是足夠的。

小結(jié)

作為工業(yè)過(guò)程控制里充滿靈活性的I/O方案，SWIO的可配置性解決了傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)在向工業(yè)以太網(wǎng)過(guò)渡時(shí)的陣痛。對(duì)于很多處于工業(yè)自動(dòng)化升級(jí)過(guò)程中的廠商來(lái)說(shuō)，SWIO帶來(lái)的便利可能遠(yuǎn)不止器件的高速率和可配置性帶來(lái)的靈活性，在成本端、設(shè)計(jì)時(shí)間上其意義也許會(huì)更加重大。