远程I/O安装的新方法

当今时代，不论何种行业，如果某一种技术能够用“功能先进、安装简便”来形容，那么这种技术绝对会被推崇，对于项目快速完工和工厂迅速搭建的需求日渐增长，生产制造领域对这样的技术渴求不止。几年之前，数字化工厂为操作人员提供的诸多功能仍像未来之物，很多生产企业以前从未有过，项目快速完工和工厂迅速搭建远非普及，仍有很长的路要走。
为了解决这个问题，最近的一项进步在现场布线的信号集线柜领域踏出了坚实的一步。多年来，信号集线柜一直都是用来将数以千计的现场设备与控制系统相连接的一种合理且可靠的方法。这种方法尤为实用，特别在根据I/O类型将信号编组时，但是这种方法很耗时，项目周期被一再压缩，用户不得不寻求将现场信号与控制系统相连接的其他方法。
在现场安装远程I/O将为信号集线柜解决方案带来很多改变。其中的一个改变就是是通用信道技术和通用机柜，由于可以允许加载任何信号类型（模拟或者数字信号、输入或者输出信号），所以无需编组，通过软件可以完成端子分配和配置。
第一眼就能看出，这种方法具备了先进且简便的特征，能够简化现场-控制室架构，将项目周期缩短几个星期甚至几个月，同时维持所需的先进功能。

对于传统的机柜设计，通常要等待所有的设备选定之后才能够确定最终的架构，这会延误项目的进展。图片来源：Honeywell Process Solutions

信号编组概念
将现场信号与过程控制信号相连接的方法需要遵循一些通用的规则：现场信号走线首先引至现场接线盒，随后置入更加大型的中央接线盒，然后信号线编入多芯电缆，后者具有一些通用的特征，例如电压的高低，模拟信号还是离散信号。然后这些多芯电缆被引入信号集线柜，然后采用各种各样的方法将信号集线柜的输出与控制系统相连接。这种架构的目的就是将所有仪表有序地、可维护地以及结实地与控制系统相连接，从安装和生命周期成本的角度来看，这种方法的性价比还是不错的。信号编组通常采用三种方法：半编组（half-knit）、扇出编组（fan-out）和交叉编组（crosswire）。

传统的布线方法将I/O 模块临近DCS 安装，这意味着I/O 模块选择了与每一个独立现场设备之间的最长通路。

将I/O 模块布置于现场，临近过程仪表安装，就可以不使用多芯电缆和集线柜，极大地简化了现场到控制室的布线架构。

半编组
半编组在系统端为不规则编组。现场电缆在编组模块上采用线对排列，非常高效且易于维护。这种类型的编组方法适用于很多场合：
■ 交叉布线在远程仪表外壳（RIE）中完成或者在现场完成。这种情况下，编组模块和I/O端子之间的不规则编组走线完全置于RIE之内。
■ 信号编组和I/O端子在同一个系统机柜中。与上述的RIE例子类似，编组模块和I/O端子之间的不规则编组走线完全置于机柜之内。
■ 信号编组和I/O端子位于不同的系统机柜中，但是机柜永久性地连接在一起。

半编组方法在系统端为不规则编组。

当机柜在测试时需要连线而在运输时需要拆解时，扇出编组方法是最佳的选择。

交叉布线编组将半编组和扇出编组结合在了一起。

当信号编组和I/O端子位于安装在不同位置的独立的机柜中时，或者在进行工厂验收测试（FAT）时需要将两者相连，而发货到现场时需要将两者拆解运输，在抵达现场之后，信号编组和I/O端子之间的连线必须重做。这样的情况下半编组方式就不太合适了。
扇出编组
当集线柜和系统机柜在系统搭建和FAT时需要连接起来，但是需要拆解开来单独发货时，就需要采用扇出编组方式。按照建设时间表，集线柜和系统机柜的发货日期很有可能不同，通常要求集线柜的发货日期比系统机柜的发货日期早几个月。
在这种布置下，现场布线不按照线对排序，每个电缆都需要使用用户终端。任何闲置的线对都会被置于保护管中，增加了以后工厂运作过程中使用这些限制芯线的风险。
在FAT之后，电缆从系统机柜上拆除下来，然后在集线柜底部盘成捆。到达现场之后，这些电缆再次与系统机柜相连，还要注意保护连接器，因为在建设现场有可能会被损坏。在制造的时候必须知道电缆的长度，这点必须在项目的早期完成。
交叉编组
对于要求较高的应用场合，交叉编组将半编组和扇出编组架构结合起来。交叉将现场电缆按照线对排序，对于分断器、熔丝或者终端器件则采用不规则编组方法。在分断器和系统机柜之间采用常见的预制电缆。
当使用独立的集线柜和系统机柜时这种解决方案比较合适。由于预制电缆的长度不同，所以在项目的较后期才能知道最终的房间布局。而且，熔丝、继电器或者隔离装置可以安装在现场信号线和I/O端子之间。
这种编组方法的优点使便于维护，还能够减少现场安装时间，因为所需完成的任务仅仅是在两端之间插好预制电缆即可。其较为明显的缺点就是需要额外的机柜空间。
比较
这三种传统的编组方法各具优缺点。半编组方法适用于改造项目和使用RIE的项目，当编组在机柜的一端完成而I/O端子位于另外一端时，这种该方法也适用。然而，如果使用独立的编组和系统机柜然后进行异地FAT，那么半编组就不是最好的选择。
当系统电缆或者独立编组以及系统机柜已经定型时，扇出编组就比较有效，要求在系统机柜就位之前编组机柜就必须在现场就位，或者在设计过程中无法明确现场电缆的细节。这种类型的编组方法更加灵活，相比于半编组方法减少了现场建设耗时，但是从整个项目周期的角度来看会面临挑战。
交叉编组方法提供更加灵活的时间计划、运输和FAT的选择，还能够减少计划风险。相比于半编组方法和扇出编组方法，它还具有更多的好处，不过项目初始成本有所增加。
采用通用信道技术的远程I/O
正如之前所述，上面所列的所有编组方式都有同样的最终目的：将现场设备与控制系统相连接。它们都开始于同样的基本假设：仪表位于现场，现场布线汇聚与接线盒处，然后引入编组机柜，内部电缆与中央安装着I/O模块的机柜相连接。它们唯一的区别在于多芯电缆编组机柜中是如何处理的以及它们如何与控制系统相连。
越来越多的远程I/O对这种假设或者对I/O模块一定要安装在同一个位置的要求提出了挑战。将I/O模块布置于现场，临近过程仪表安装，就可以不使用多芯电缆和集线柜，极大地简化了现场到控制室的布线架构。使用远程I/O方法有诸多好处，包括降低成本、加速项目周期以及降低如下风险：
■ 可以配置的远程I/O能够降低或者免除编组的需要。由于现场信号能够直接加载到I/O端子上，所以就无需进行编组了。这种方法的优点很多，包括降低材料成本，例如机柜、导管、内部链接电缆、电缆托盘和其他支撑物。它还能够降低装机重量（这对于浮式采油设备非常重要）、项目人工成本、调试成本和备案成本。
■ 由于I/O被置于过程现场，所以控制室中的系统体积得以缩小，现在引入中央控制室的唯一的一条电缆就是I/O通讯电缆。
■ 整个系统的灵活性有所增强，因为闲置通道能够被更好地利用，可以对I/O进行更多的本地配置，而不是一定要返回中央站点。
■ 快速构建项目更加容易布置，因为可以在现场布局设计完成之前就对系统进行测试。
■ 由于供应链实现了标准化，所以项目的执行效率有所提高。
可配置通用信道技术也具有上述很多优点，这种技术允许在控制系统已经通过调试并且上线之后对其进行关键更改。这种方法改变了项目提交的时间表，因为系统工程能够与外部设计完全割离开来。
可配置通用信道技术将安全I/O、过程I/O和控制机柜从信道类型的束缚中释放出来。通用I/O模块在集成控制和安全系统（ICSS）上采用了通用的设计方法，既可以用于控制系统也可以用于安全系统。无需额外的硬件或者接口模块，就可以将任何信号类型与任何通道相连。由于无所谓不同类型的I/O，所以用户的硬件也无需选择特定类型的I/O。机柜可以标准化，因为任何标准的现场信号都能够与任何I/O通道连接。
由于这种方法能够接受任何类型的信号（模拟、数字、输入或者输出），在自动化项目中很常见的仪表改动就可以通过软件来实现，无需做硬件改动。在安全项目和过程项目上如果采用了通用I/O，项目团队就只需要考虑I/O数量和设备类型即可。
可配置信道的方法虽然不能简单地减少设置免除编组的需要，但是，最为重要的是，这种方法确保了远程配置的快速完成。从理论上讲，这种方法会在项目设计阶段简化工程和配置的复杂度，节约高达33%的安装成本。通过远程登录就可以完成后续的配置更改，无需派遣人员赴现场对硬件进行改动，所以只需几分钟就可以完成，而不是几天。
在车间中搭建，而不是现场
并不难想象，这种方法还能简化机柜的需求。通常，机柜的设计和构造文件资料都无法在项目的建设工期内按时完成，这意味着很多的机柜安装、测试和配置需要在现场完成，这样一来成本就更高，有效的文件资料就更难完成。
通用机柜就是简单的标准机柜，具有可配置输入能力。其灵活性能够轻松实现机柜更改和配件增加，而且无需重新连线就可以在任何时候完成变更。重新建造其他的机柜也很容易，因为机柜的容量和资源已经预先确定。由于并不采用编组机柜，所以项目的规模可以降低，安装成本降低，维护成本降低。验收测试的安排也能够改进，因为后续对I/O配置进行更改相当容易。此外，还有很多其他好处：
■ 通用机柜能够改进项目周期，因为用户工程和文件备案工作可以减少，无需对每一个机柜进行用户再设计。采用通用机柜就需要考虑I/O数量，而不是I/O类型，所以项目递交更加快速。
■ 除了改进的项目周期，通用机柜还能够保证更加快速以及更具性价比地检验。
■ 为其他的设备挪出空间非常容易。由于每一个I/O通道都可以通过软件配置成任何类型，所以后续的布线改动也很容易实现。无需对那些不一定会用到的I/O模块指定节点类型，因为可配置式I/O支持多种节点类型。
■ I/O硬件的总数量得以降低。例如，一个具有5000个I/O端口的项目，模块数量能够削减大约35%。即使小型项目也能够因此受益，因为使用传统方法，哪怕增添一台具有不同类型信号的设备都需要增加一个I/O模块。
■ 对于那些设备分布相对较远的工厂，例如炼油厂罐区，相比于远距离布线或者采用额外的RIE，配有通用I/O模块的通用机柜就是一种极具性价比的方案。
可配置信道技术在系统升级中也有用武之地，特别是在一些空间受限的控制室内。通用I/O模块能够减小装机空间，模块的灵活性使其能够匹配现有的现场布线，同时还能够增加信道信号。
即使不在现场安装远程通用I/O模块，仍旧有一些其他的好处。通用I/O模块能够用在RIE和设备室内，减少或者免除之前所论述的交叉布线编组的需要。
这些新型的I/O模块方法特别适用于高度分布式的过程或者高度模块化的过程。虽然如此，还是要牢记，每一种情况都有其独特性，不同的工厂需要评价各种好处，并自行核算实施每种方法的成本。最后，这些新型I/O技术为我们选择解决问题的方法扩宽了思路，我们可以使用不那么复杂的安装方案满足更高的功能需求。这就是最本质的进步。