遠(yuǎn)程 I/O 器件可優(yōu)化自動(dòng)化控制系統(tǒng)

作者： Art Pini

工廠和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)必須通過通信鏈路將操作人員、機(jī)械、計(jì)算機(jī)和傳感器可靠地連接起來。這一過程通常從原材料開始，經(jīng)過一系列工作崗位，在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的控制下完成產(chǎn)品成型、測(cè)量、校準(zhǔn)、檢驗(yàn)、包裝和運(yùn)輸。

這些系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng) (SCADA) 架構(gòu)開始，由計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行高級(jí)監(jiān)督和控制。SCADA 系統(tǒng)通常距離實(shí)際生產(chǎn)設(shè)施較遠(yuǎn)，而遠(yuǎn)程操作通常需要利用云數(shù)據(jù)服務(wù) (CDS) 來完成，該服務(wù)用于提供數(shù)據(jù)鏈路和群組互操作性。

SCADA 系統(tǒng)通過本地可編程邏輯控制器 (PLC) 控制機(jī)器，并通過指導(dǎo)機(jī)器工作的聯(lián)網(wǎng)傳感器接收反饋，以此來管理和監(jiān)控工廠的運(yùn)營(yíng)。PLC 與加工廠或機(jī)械設(shè)備連接。遠(yuǎn)程輸入/輸出 (I/O) 組件是自動(dòng)化工廠的通信主干，如圖 1 所示。

圖 1：遠(yuǎn)程 I/O 組件構(gòu)成了現(xiàn)代自動(dòng)化工廠的神經(jīng)系統(tǒng)。（圖片來源：Banner Engineering）

分立式傳感器和執(zhí)行器用于監(jiān)測(cè)和控制本地操作。這些器件的信號(hào)使用合適的集線器鏈接起來，并發(fā)送到主機(jī)進(jìn)行本地處理，然后再發(fā)送到 SCADA 系統(tǒng)。

工業(yè)數(shù)據(jù)總線

自動(dòng)化機(jī)器可以使用許多傳感器或執(zhí)行器，但它們直接連接到控制室需要鋪設(shè)大量昂貴的電纜。為了避免這種情況，設(shè)計(jì)人員開發(fā)了多種傳感器總線來整合此類連接。Modbus 和 IO-Link 是兩種廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)（圖 2）。

圖 2：IO-Link 和 Modbus 網(wǎng)絡(luò)可減少自動(dòng)化機(jī)器中使用的線纜數(shù)量，并且支持使用標(biāo)準(zhǔn)化電纜組件。（圖片來源：Banner Engineering）

這些網(wǎng)絡(luò)可減少通過集線器和控制器連接到控制室的線纜數(shù)量。還支持使用標(biāo)準(zhǔn)化電纜組件，從而降低布線和維護(hù)成本。

[Banner Engineering] 設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程 I/O 塊可幫助自動(dòng)化機(jī)器設(shè)計(jì)人員增強(qiáng)其控制系統(tǒng)架構(gòu)。他們提供的產(chǎn)品通過將多種信號(hào)組合成一個(gè)集成數(shù)據(jù)流來降低布線復(fù)雜性，從而降低了安裝、集成和診斷成本。

遠(yuǎn)程 I/O 塊示例

Banner Engineering 的 [DXMR90-X1]可編程控制器（圖 3）有七個(gè) I/O 端口，可組合多個(gè)來源的數(shù)據(jù)，同時(shí)還能在數(shù)據(jù)發(fā)送到 SCADA 系統(tǒng)之前進(jìn)行本地處理。此控制器可收集來自各種傳感器的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為符合標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議要求。七個(gè)端口包括四個(gè)獨(dú)立的 Modbus 主機(jī)，支持最多四個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)。它還可將 Modbus 從機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)部署到 EtherNet/IP、Modbus TCP 或 PROFINET 網(wǎng)絡(luò)。該控制器由 12 V 至 30 V 直流電源供電，12 V 時(shí)功耗為 120 mA，并利用 LED 指示燈報(bào)告其狀態(tài)。

圖 3：DXMR90-X1 控制器有七個(gè) I/O 端口。（圖片來源：Banner Engineering）

此控制器的外殼緊湊，侵入防護(hù) (IP) 等級(jí)為 IP67，這意味著它能夠防塵，并且短時(shí)間浸入水中不會(huì)進(jìn)水。其額定工作溫度范圍為 -40 至 +70°C。

DXMR90-X1 采用標(biāo)準(zhǔn) M12 連接器，其中單個(gè)公 M12 端口（端口 0）用于電源和 Modbus RS-485 連接，單個(gè)母 M12 端口用于菊花鏈連接端口 0 連接。另外還有四個(gè)用于 Modbus 主機(jī)連接的母 M12 端口和一個(gè)母 M12 D 編碼以太網(wǎng)連接器。

該控制器通過集線器耦合至遠(yuǎn)程傳感器。Banner Engineering [R95C-8B21-KQ]是一個(gè)八端口 IO-Link 集線器（圖 4），可輕松將非 IO-Link 器件連接到 IO-Link 系統(tǒng)。此集線器可將兩個(gè)分立通道連接到八個(gè)四針 M12 連接器端口，而這些端口則可配置為 16 個(gè)輸入或 8 個(gè)輸入和 8 個(gè)輸出。來自通道的數(shù)據(jù)連接到 IO-Link 主機(jī)。

圖 4：R95C-8B21-KQ 八端口集線器支持 NPN 和 PNP 輸出。LED 指示燈用于報(bào)告端口活動(dòng)和 IO-Link 狀態(tài)。（圖片來源：Banner Engineering）

每個(gè)端口的兩個(gè)可配置 I/O 引腳支持 PNP（源型）或 NPN（漏型）輸出。每一側(cè)都有指示端口活動(dòng)的 LED，因此安裝靈活。此集線器還支持主機(jī)鏡像，其中選定的端口輸入或輸出離散信號(hào)可以路由到 PLC 或主機(jī)連接。

集線器的額定工作電壓為 18 V 至 30 VDC，最大電流消耗為 400 mA。它可以為每個(gè)端口提供高達(dá) 500 mA 的直通電流，并且具有反極性和功率瞬變保護(hù)功能。

此集線器采用堅(jiān)固的鍍鎳黃銅和 PVC 機(jī)身，防護(hù)等級(jí)可達(dá) IP65、IP67 和 IP68，適合室內(nèi)使用。

模擬信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間早于自動(dòng)化，但由于許多傳感器仍將其作為輸出，因此需要按照 Modbus 或 IO-Link 協(xié)議對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。Banner Engineering [R45C-2K-MQ]2 端口轉(zhuǎn)換器可讀取電壓或電流兩個(gè)模擬信號(hào)，然后按 Modbus 協(xié)議輸出。模擬輸入通過兩個(gè) M12 母頭連接器輸入，而輸出則通過一個(gè)五針 M12 公頭連接器輸出。LED 用于指示輸入和輸出狀態(tài)。R45C-2K-MQ 由 18 至 30 VDC 電源供電，24 V 時(shí)最大電流消耗為 4 A。該轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍為 -40 至 70°C，環(huán)境防護(hù)等級(jí)為 IP65、IP67 和 IP68，僅適合室內(nèi)使用。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器還可接收主控制器發(fā)出的數(shù)字命令，并為氣動(dòng)執(zhí)行器、電磁閥或電機(jī)起動(dòng)器等設(shè)備輸出模擬電壓。該轉(zhuǎn)換器可以位于受控設(shè)備附近，以最大限度減少模擬信號(hào)損失和電磁干擾。Banner Engineering [R45C-K-UQ] 轉(zhuǎn)換器（圖 5）可讓自動(dòng)化設(shè)計(jì)人員通過從 IO-Link 主機(jī)發(fā)送數(shù)值模擬值來輸出電壓或電流模擬值。此轉(zhuǎn)換器的輸出電壓范圍為 0 V 至 11 V，輸出電流范圍為 0 mA 至 24 mA。

圖 5：IO-Link 轉(zhuǎn)模擬輸出轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生由 IO-Link 主機(jī)控制的電流或電壓輸出。（圖片來源：Banner Engineering）

與其他 Banner Engineering 遠(yuǎn)程 I/O 器件一樣，其環(huán)境防護(hù)等級(jí)為 IP65、IP67 和 IP68，工作溫度范圍為 -40 至 70°C。該器件可由 18 至 30 VDC 電源供電，僅消耗 50 mA 電流，并且可傳輸高達(dá) 4 A 的最大電流。它通過傳統(tǒng)的四針 M12 公連接器連接到 IO-Link 主機(jī)。模擬輸出采用四針母 M12 連接器。

結(jié)語(yǔ)

Banner Engineering 遠(yuǎn)程 I/O 塊可幫助自動(dòng)化設(shè)計(jì)人員優(yōu)化控制系統(tǒng)的部署。多協(xié)議支持可減少線纜數(shù)量并降低安裝成本，而板載可編程性則可提供設(shè)計(jì)靈活性并簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成。

審核編輯 黃宇