流程工业控制系统是啥？通用I/O又是啥？

如果说，PLC为离散顺序控制而生，那么分散控制系统（DCS）就是为连续过程控制而诞生。与PLC作为单一装置不同，DCS以微机处理为基础，以分散的风险控制、集中的经营管理为特点，集新的计算机技术、通信技术、CRT技术和控制技术于一体，即4C技术，成为新的控制系统。DCS系统的概念是“分散控制”和“集中管理”，是一种自动化控制系统。

在流程工业控制系统中，DCS作为核心组成部分，已经走过了四十余年的发展历程。传统的DCS结构，特别是其底层的IO硬件部分，长期以来一直保持着相对稳定的状态，主要由现场仪表4-20mA/开关信号、铜电缆、接线柜、IO卡件组成。然而，随着工业自动化技术的不断进步，传统的IO技术逐渐显露出其局限性，尤其是在信号传输效率、系统灵活性和成本效益等方面。

为此，控制系统厂商不断探索新的技术路径，其中现场通用IO技术便是其中的佼佼者，为流程工业控制领域带来了革命性的变革。该技术的思路是：既然用户仍然选择4-20mA/开关信号为主的模拟信号，那就把位于IO系统柜里面的IO卡件和通信模块搬到现场接线箱里，首先实现现场接线箱到机柜室的数字化传输。为了增强灵活性，现场通用IO技术把IO卡件设计成适应大部分信号的通用IO卡件。

在现场仪表侧，仪表仍然输出模拟电流信号。仪表信号进入接线箱内的通用IO卡件。通用IO卡件将模拟信号转换为数字信号，然后通过光纤或者网线，将数字信号送到控制室。

现场通用IO优势

现场通用IO技术革新性地将IO卡件直接部署到现场，有效替代了传统方案中机柜室内的接线柜、安全栅继电器机柜和IO系统柜。这并非意味着安全栅继电器和IO卡件被取消，而是将它们的功能组件分散到了现场接线箱，实现了更为灵活和高效的控制。正是基于这种分散控制、集中管理的理念，该技术被称为电子布线技术，由EMERSON公司率先开发。这一技术显著减少了机柜室的占地面积，优化了空间利用。

艾默生的传统配线与电子配线

左：传统配线I/O模块容量为320个；右：电子配线方式后I/O模块容量为576个

一个大胆的创新，引入光纤作为现场通用IO的主要传输媒介，能够替代传统笨重且成本高昂的多对铜芯对绞电缆。这种廉价、大容量的光纤不仅提高了信号传输效率，还大幅降低了材料和安装成本，是模拟信号传输方案的一大革新。

此外，现场通用IO技术还显著增强了工程设计和施工的灵活性。由于通用IO卡件能够兼容多种现场仪表信号，工程师不再需要为信号分类汇总而烦恼，只需简单地为现场仪表信号配备一个接线箱即可。这一特点极大地缩短了工程设计和安装周期，为工程项目节省了可观的建造成本。

现场通用IO技术有着很大性能优势，控制系统厂商陆续推出自己的技术解决方案。下面将介绍一下主要控制系统厂商的解决方案。

艾默生公司CHARM技术方案

艾默生公司的创新能力在仪表控制系统领域一直有口皆碑。2011年左右，EMERSON公司首先提出来电子布线（也称CHARM）技术方案。

 艾默生电子布线的组件

该方案的主要设备是位于现场的单通道特性模块箱（以下简称CHARM箱）。CHARM箱中主要包括一对冗余CHARM IO卡件(CIOC)和96个（或者48个）CHARM单卡。每个CHARM单卡独立安装可插拔底板上，一个底板可容纳12个单卡，每个CHARM最大可安装8个底板。任一底座通道可以配置任何类型的CHARM单卡，因此总体看来任何信号都可以进入CHARM箱，这样就提供了极大的灵活性。

CHARM箱提供了冗余以太网口，通过网线或者光纤，将现场仪表信号接入交换机，从而实现CHARM IO卡件与控制器的通信。CHARM技术具备云IO特性，一个CHARM箱中的任一CHARM IO信号可以分配到多达4对控制器，一对控制器可连接多达16个CHARM箱。截止到2018年底，全球已有超过162万点的CHARM设备成功安装运行。

霍尼韦尔的通用I/O

霍尼韦尔提供了通用I/O技术，用于Experion PKS、安全管理器及本质安全应用。该技术将通用过程机柜（UPC）直接置于现场，每个UPC最多可集成六个32点位的ControlEdge 900通用I/O卡件（UIO卡件），并通过冗余光纤通信模块确保数据传输的可靠性。

霍尼韦尔的6×32点通用过程配线柜

与艾默生电子布线的组件CHARM不同的是，霍尼韦尔的UIO卡件是多点通用信号整体卡件，没有可拆卸的单点信号卡件。它通过软件组态定义I/O通道类型，每个模块有16个通用通道，可灵活配置为AI、AO、DI、DO或支持HART 7协议的AI/AO。此外，还设计了专用的温度配线柜以满足特定需求。

通过高速、容错以太网构建的I/O网络，结合霍尼韦尔的自动查询技术，任何控制器都能与I/O通道通信，大大简化了配置过程，提高了工作效率。

横河的智能可配置I/O

在横河公司ProSafe RS R4安全仪表系统中采用了与CENTUM VP R6相同的架构，控制器除了专用于特定信号类型的常规I/O模块（FIO模块）外，ProSafe RS R4还可以提供N-IO(Network I/O)模块，该模块在每个通道上都可以接受不同的信号类型。通常FIO模块安装在控制室的机柜里，而N-IO模块安装在现场的机箱里，并分别通过电缆、光纤与控制器通信，而N-IO模块通过光纤的传输距离可达50km。通过同时接收FIO、N-IO这两种类型的模块，ProSafe RS R4可以更灵活地处理客户的设计要求。

横河ProSafe RS R4安全仪表系统

在N-IO的每个模块内，都可以处理AI、AO、DI、DO信号，每个通道的I/O信号类型的改变是通过软件设定的。作为标准功能，接线板具有现场设备信号回路的断开功能。N-IO基板可用于本质安全栅，SIL3可以通过单个配置实现，冗余配置也是可选的。

总结

自从显示仪的万能输入技术问世以来，便迅速赢得了市场的热烈反响。而今，控制系统的通用I/O技术同样备受瞩目，它不仅实现了输入端的全面兼容，还结合控制系统的实际需求，增加了输出端的通用性。更为重要的是，通用I/O技术的引入，不仅显著提升了信号传输的效率，还大幅度节省了材料和安装成本。

或许，通用I/O技术在控制系统中的这一革新将引领整个行业朝着更高效、更经济的方向发展，形成一股不可逆转的潮流。这不仅是因为它为用户带来了诸多便利和实惠，同时也为制造厂商带来了更多的商业机会和利润增长点。