工業 4.0 是現代工廠環境的新代名詞。它包含聯網控制器，持續監控來自數百甚至數千個傳感器(如液位檢測器)的輸入。同時，信號被發送到類似數量的輸出設備，例如閥門、螺線管或電機驅動器。

在本文中，我們將展示電子編組如何簡化將這組擴展的現場接線連接回控制器的過程。我們還將介紹另一種解決方案，與電子編組方法相比，它帶來了新的靈活性。

有線編組

直到最近，將現場 I/O 設備連接到可編程邏輯控制器 (PLC) 的標準方式一直是通過傳統的有線編組方法，如圖 1 所示。多芯電纜將電線從位于工廠車間的現場設備連接到通常位于 I/O 室的編組面板的接線端子。

在這里，布線是交叉編組的，因此每個現場設備都連接到相應控制器通道的 I/O 卡。

圖 1：有線編組如何將現場 I/O 設備連接到 PLC 的視圖。

這種方法有可能導致問題。例如，在交叉編組期間，很難跟蹤來自和去往的電線，如果電線連接不正確甚至完全未連接，就會導致錯誤。對于技術人員和工程師來說，調試和測試每個連接可能既費時又費力，可能會給新流程的調試帶來代價高昂的延遲。

理論上，一旦調試完成，系統應該可以正常運行，但如果在項目后期發生不可預見的變化，可能會出現額外的問題。有時可能需要添加新的現場設備。例如，如果將溫度開關更改為溫度變送器，則需要將數字輸入更改為模擬輸入。

如果將新的現場設備添加到系統中，但編組面板沒有足夠的所需類型的備用連接來容納它們，則會出現更糟糕的情況。在這種情況下，需要更換控制器，這可能會增加項目的額外成本和延遲。

電子編組

有線編組已開始被電子編組取代，這是過程自動化中信號路由的一種新方法(圖 2)。

圖 2：這就是電子編組如何改進工業自動化設計中的信號路由。

開發此技術是為了防止與有線編組的手動元素相關的人為錯誤，即編組面板上 I/O 設備的交叉連接。與有線編組一樣，來自現場的多芯電纜由工廠車間的技術人員布線到編組柜中接線盒的右側。

但是，在 I/O 室中，不再需要手動將每個端子塊連接到適當的控制器 I/O 通道，因為這是在系統本身內以電子方式處理的。電子編組的明顯優勢是 I/O 設備可以在必要時連接到特定控制器，而無需更改物理接線。

如果在項目的后期，對 I/O 類型進行了更改，或者需要額外的設備，則不需要對現有的接線或機柜進行更改。此外，額外的 I/O 容量可以添加到編組機柜，然后根據需要以電子方式編組到控制器。

電子編組方法的核心是便攜式和可更換模塊或卡的機架。將合適的卡類型插入到連接 I/O 現場設備接線的插槽中。例如，數字輸入 (DI) 卡將放置在溫度開關的插槽中。

然后該卡將連接到控制器的適當通道。每個控制器通道的功能由放置在每個插槽中的卡類型定義。

一種新型數字

I/O 雖然電子編組提供的靈活性是顯而易見的，但其固有的不靈活性卻不那么明顯。傳統上，工業和過程控制工程師使用術語“數字 I/O”來指代 PLC 傳輸和接收的數字信號。然而，這個詞本身就有點用詞不當。PLC 上沒有“數字 I/O”通道這樣的東西。

存在數字輸入 (DI) 通道或數字輸出 (DO) 通道。因此，如果需要將控制器通道的功能從 DI 更改為 DO，反之亦然，則必須更改該通道的物理卡。此外，DI 和 DO 通道的總數由機架中每種類型的卡的數量定義。

通過固定機架中的 DI 通道和 DO 通道的數量，這限制了電子編組系統的靈活性。顯然，更理想的方案是根據需要將每個通道配置為 DI 或 DO。

現在可以使用同時用作工業 DO 和工業 DI 的高側推挽式驅動器。例如，使用 Maxim Integrated 的 MAX14914，PLC 可以將每個卡配置為 DI 或 DO。

如果通道的功能發生變化，則無需手動移除和重新配置卡。控制通道可以真正被指定為“數字I/O”通道，而不限制每種通道的數量。唯一的限制是 PLC 本身可以處理的通道數量。

圖 3：高端/推挽驅動器中高端導通電阻與負載電流的關系。

像 MAX14914 這樣的高邊開關的其他重要特性包括低 R ON (圖 3 ) 和在 DI 模式下小于 2 μs 的極低傳播延遲 (圖 4 )。

圖 4：DI 模式下的傳播延遲與溫度的關系。

結論

在本文中，我們回顧了過程自動化系統中信號路由的傳統方法，即有線編組。我們展示了與這種方法相關的問題如何通過向電子編組的遷移在很大程度上得到解決。

雖然這在其目前的外表下已經有了相當大的改進，但它并非沒有局限性。具有數字輸入配置的高邊開關，例如 MAX14914 芯片，為電子編組提供了新的靈活性。

能夠以電子方式將單個控制器通道配置為數字輸入或數字輸出，無需更改硬件且不受可用卡類型的限制，從而實現更大的設計靈活性并降低與項目期間可能發生的更改相關的成本調試過程。

審核編輯：湯梓紅