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发表于 2016/2/2 16:47:09

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标签: I/O模块 处理器 通讯 电源 继电器 仿真

如何更换I/O模块

        如果你的设施需要新型处理器的特性和功能,那么你首先需要决定是否需要更换I/O模块。很多品牌的处理器都可以与老I/O系统通讯,并且支持全部或大多数的现代控制平台的功能。所以,更换处理器品牌并不会带来问题。

        假设有更换I/O系统的必要,那么有几个因素需要考虑在先。首先也是最重要的就是确保升级不会影响设施的正常运转。升级需要利用何种形式的停机时间窗口?在新系统安装的同时是否需要保留一部分老I/O系统?现场布线是否完好,还是也需更换?升级是否包括对处理器的重新编程?
        一次更换多少个I/O
        停机时间窗口限制了一次可以更换多少个I/O。如果有足够的时间,一次将全部的I/O外壳都更换掉是最省力的方法,有几个方法能够减少新I/O系统的交割时间。
        如果现场布线仍旧完好,可以预先将控制面板上的子面板组装好并且与端子排连接好,一旦停机时间窗口出现,将原来的子面板与现场端子断开,将旧的子面板完全移除,安装新的子面板,将新的子面板的现场布线端连接好。这种方法可能需要在现有机箱上安装新的子面板安装柱。



上图:以前的控制面板的查错和维护十分困难和耗时,而且会带来停机和额外的安全问题。下图:老面板被新面板所取代,包括以太网联网的气动电磁阀和基于以太网的分布式I/O模块。图片来源:TriCore公司。

        如果不能采用子面板方案,那么必须确保新的I/O平台的物理尺寸与以前的子面板相匹配(这就是为什么随着时间的推移,I/O系统的尺寸趋于小型化),然后移除以前的子面板,安装新子面板,将子面板上连线接好。这种情况下,需要确保端子排的现场端完好。为了节省时间,你可以考虑将I/O模块提前连好线并在摇臂上做好标识(如果你的I/O模块支持这种方法)。
        节省更换I/O的时间
        如果现场连线需要更换,那么挑战会稍微大一点,但是仍有办法应对。可以将接线两端(现场设备端和新面板端)预先拨好,做好标识并且卷成线轴,以实现快速更换。
        在更换一部分I/O系统的同时保持其他部分I/O系统仍旧可用是最大的挑战。大多数情况下这要求额外的布线并且要求新旧系统能够并行工作。对于使用共用电源的连线清晰的设备,如果可能的话,尽可能保持它们在一个系统中不变动,这能够简化你的作业。
        如果独立仪表的输入信号需要在两个系统中共用,此时有两个选择。从布线的角度来讲,使新旧系统联网以互通数据是最简单的解决方案,而且不会带来信号失真,但是需要专用的通讯模块。对于某些关键或者高速的参数,这种方法就无法胜任了,那么你就需要让一个系统完成控制和测量工作,另一个系统提出数据请求并监控这些测量结果。
        双系统控制
        对于那些需要由两个系统同时控制的输出设备,更换方法取决于设备的类型。
        新老设备之间的联网是一种普遍的方法。老系统在物理上控制设备,另一系统能对此设备发出开启和关闭要求。这是最安全的方法,也是在切换期间最简单的查错方法。对于数字设备和模拟设备这种方法都行之有效。
        如果不使用联网这种方法,可以使用具有双触点的插入式继电器来实现两个系统同时控制一台数字输出设备,但是采用这种方法必须多加小心。如果一个系统对设备发出请求,那么除非采用其他方法进行锁定,否则设备会被无条件使能。如果连线和设计合理,一旦更换完毕,老系统就可以与继电器断开了,继电器线圈(一个故障点)也无需再使用了,继电器基座仅仅作为新系统中I/O模块和现场设备之间的端子模块使用。


NI CompactRIO具有超过50个模块、先进的处理器和多种通讯选项,能为I/O系统升级提供很大帮助。
图片来源:National Instruments公司。

        模拟输出设备的问题较多,考虑到潜在的信号失真问题,不能轻易地采用这种方法。如果你必须使用两个系统控制一台模拟设备,而这两个系统又不能联网,那么应该将控制功能由一个系统管理(如果必要,相关的测量功能也该如此),并在彼此之间通过硬接线传递设定点或者输出信号(包含相关的冗余量)。较成熟的技术通常在两端使用二进制编码的十进制(BCD)模块来完成此要求,当然也有一些其他的方法可以胜任。


使用机器安装 IP67 I/O的初始成本要高于IP20。然而,从长期来看,其安装的便捷性以及对机柜数量需求的降低则节省了成本。图片来源:Phoenix Contact公司。

图示为FreeWave Technologies公司的 FGR2-IO-IOE和扩展I/O为六口井服务。图片来源:FreeWave Technologies公司。

Allen-Bradley 898型分线盒集成了内部连线,可以直接与可编程控制器连接,其插拔式的接线方法简化了安装作业。
图片来源:Rockwell Automation公司。

        对于气动数字设备,可以使用气动开关,虽然它并不十分普及。
        虽然升级I/O会带来很多挑战,但是这种升级是无法避免的,也是值得一试的,对于老旧系统来说尤其如此。经过恰当的准备和对细节的关注,这些升级能够顺利进行,给工厂带来的影响也可以降至最低。


        开始I/O工程?询问你的供应商!
        在开始采购和安装所有新硬件以及为所有硬件重新布线,并投入可以想见的时间和人力成本之前,首先询问你的自动化硬件供应商,是否他们能够提供升级老式I/O和控制系统的方法。如果有简单的方法可循,例如更换一块处理器或者网络耦合器,就能够使项目获得与更换所有老式I/O一样的功能和特性,例如以太网联通性、多协议支持、将现有固件迁移到更快速的网络以获得更优秀的性能和更新更好的通讯选择,那又何乐而不为呢。
        例如,Opto 22公司提供了一种由其公司老式的单通道串行I/O系统升级到更强大的以太网Snap PAC系统的方法。直接替换老系统,维持以太网连接,同时增加对多种同步协议的支持,包括EtherNet/IP和Modbus/TCP,避免大规模的I/O更换。
        ——Ben Orchard,Opto 22公司的应用工程师。

        
I/O更换工程要点和建议
        以下为业界专家对I/O更换工程的建议和要点。
        ■ 文档,控制器编程和接地:Beckhoff Automation公司的I/O系统产品专家Kurt Wadowick说道:“工程师们应该仔细评估现有文档,判断设备状况是否良好以及电气图是否准确。”


Beckhoff公司的CX1010 EP Boxes包含I/O和嵌入式控制器和EtherCAT以太网连接。图片来源:Beckhoff公司。

        Wadowick还建议对控制器也要仔细核查。“带有所有注释和文档的源代码是否能在你的编程软件中打开?你是否在使用软件的最新版本?从设备上运行的软件着手。程序文件在你当前版本的编程软件中是否能够打开?新版本的编程软件是否允许从老版本软件中导入所有的注释和文档?”
        将不同信号线隔离开来,Wadowick说道:“不要将关键的现场总线网络电缆(例如EtherCAT、Profibus或者DeviceNet),与变速驱动电机走线、三相电源线或者其他高能量电路或者开关电路交叉或者并行布线。”
        ■ 核查屏蔽和电磁噪声:Dataforth公司的工程部经理John Lehman说道:“当更换输入/输出连接时,主要需要考虑接地、屏蔽、双绞线、电缆间距、信号线和电源线的隔离布线、合适线径、绝缘等级、合理的走线技术、是否经过危险区域以及对系统电磁干扰的影响。”
        “现代传感器允许用户监控更多的过程变量,提升了过程效率和稳定性,实现了更好的设备健康度统计。”还有更少的停机时间和事故。信号调制技术实现了更好的信号缩放、滤波、线性化和隔离。微处理器、小型化电子器件以及有线和无线网络允许进行更多的离散控制。他说,最容易被忽视的就是接地、屏蔽、接地回路、电容和电感耦合噪音以及电磁干扰。
        ■ 无线I/O提升数据量、减少工作量:据FreeWave Technologies公司产品经理Andrejs Rozitis称,新型I/O产品只需花费较少的精力,就能为过程优化和设备状况监控提供更多测量和控制功能。
        Rozitis说道:“在独立的过程行业中,越来越少地看到某一过程需要依靠人工决策和手工干预了。”多变性降低了服务或者产品的品质认知度,并对收入增长、成本控制和保持服务质量方面带来了巨大的挑战。
        “无线I/O能够在100英尺到100英里的范围内实现最具性价比的过程监控和优化方法,由于无需使用电缆和接头,也省去挖沟和施工人员以及许可证,成本得到了降低。快速地查错,通过无线更改配置和升级,以及不用对电缆进行管理,也同样使成本降低。此外,无需额外的安装硬件就可以扩展模块,每一位置可以轻松扩展至200个I/O。”
        ■ 无需中断现场布线就可以完成I/O更换:Invensys Operations Management公司DCS和迁移解决方案产品市场专家Amanda Smith说道,“为了减少潜在停机时间,可以通过不改动布线,仅仅更换I/O模块的方法来完成DCS的I/O升级。I/O更换的挑战包括:相关的费用、风险以及重新现场布线的潜在停机时间。由于现场布线的使用寿命是DCS系统寿命的1-3倍,所以选择一种能够重复使用的现场布线,同时借助新型I/O解决方案带来的优势,能够为公司带来很大好处。”例如在Foxboro Plug-in Migration解决方案中,Invensys公司为其生产了新型I/O模块,尺寸与大多数其他厂家的I/O模块一致。Smith补充道:“新型板卡是标准I/A系列的一对一I/O模块,可以与大多数其他厂家的老式I/O板卡互换。”
        ■ 考虑老旧的I/O连接、以太网、点对点(Peer-to-Peer):Moxa 公司数据采集和控制商业开发经理Daniel Liu说道,假设不能使用远程I/O产品,那么所有的I/O触点都需要布线到控制器所在的位置。随着以太网的持续扩张,Liu说道:“新型I/O安装方式或将需要与老旧系统整合,仍旧采用串行远程I/O技术或者在I/O触点和I/O控制器之间使用硬接线。一种技术是采用TCP/IP,操作人员可以在两个远程I/O连接之间建立点对点通讯,在基于IP的网络上复制信号。例如,Moxa公司的ioLogik E1200系列模块可以用作远程I/O和电缆替代解决方案。”
        ■ 审视I/O的物理位置、测量和处理上的需求:National Instruments公司嵌入式I/O高级产品经理Brett Burger说道:“机械设计会影响产品精度,会带来1%到10%之间的失效率差异。不是所有的系统都被设计适用于所有环境。”他指出:NI CompactRIO嵌入式I/O系统经受住了50g/5g的作业撞击/振动,并能够在-40 ℃ to 70 ℃的温度区间内保证最大精度。
        也要考虑所有可用的I/O种类。你现在和未来需要何种类型的测量和应用?Burger说道,环境的变化会对I/O系统的能力和部署时间产生巨大的影响。
        Burger说道:“梯形图逻辑是针对数字/继电器形式的逻辑而设计的,并不适用于更加先进的控制算法。NI CompactRIO和LabVIEW能够通过使用图形编码帮助简化编程或者实现先进的控制体系,随后这种图形编码可以被应用于基于处理器的实时对象或者FPGA。”
        ■ 考虑协议、控制器和应用:Phoenix Contact公司的I/O产品市场开发专家Jason Haldeman指出,选择所需的总线网络取决于现有的PC/PLC。Haldeman说道:“大多数人坚持使用他们熟练的编程方式,忠于他们正在使用的I/O网络。大多数新型应用正在向以太网协议发展,提供更大的灵活性和选项,例如冗余措施和无线功能。”此应用能够帮助决定到底是在机柜中安装具有IP20外壳防护等级的I/O,还是直接在设备上安装具有IP67外壳防护等级的I/O。“具有IP67外壳防护等级的I/O的初始成本较高,但是由于无需那么多的机柜,而且便于安装,所以还是能节省不少成本。”
        ■ 新老之间的桥梁 —— Rockwell Automation公司逻辑器件的全球产品经理Jeff Kilburn说道,使用Rockwell Automation公司的Bulletin 1492 I/O布线转换系统将Allen-Bradley Bulletin 1771 I/O系统与新型1756 I/O模块相连接。Kilburn建议道:“转换系统能够极大地帮助减少劳动力和由接线错误所导致的停机时间。最近一段时间的研究显示使用1492 I/O布线转换系统能够在6分钟内将传统8槽端子转换完成,而使用传统的方法计划要花费2.5小时。如果控制系统需要对编程做进一步改动,那么有了这种设计就可以快速完成I/O升级。”
        ■ 模块化的I/O将布线时间削减了20%:Rockwell Automation 公司OEM业务市场开发经理Sandy Holden说道,RRR Development公司将设备布线时间降低了20%,帮助轮胎制造商降低了维护的难度。RRR Development公司的副总裁Robert D. Irwin说道,轮胎生产设备成功的关键就在于快速布线。
        Irwin说道:“我们确实希望将这个简单的接线盒所牵涉到的时间和人力减低。”工程师通常都是分别设计设备和其控制机柜,然后使用大量的布线和时间将两者连接在一起。通过使用机载布线技术,RRR Development公司将布线步骤由17步减少到简单的6步,使设备搭建时间几乎减少了1周。Irwin说道:“这等于年销售额增加了250万美元。”
        ——由Control Engineering主编Mark T. Hoske编辑整理。

        
使用智能编组减少I/O作业和维护成本
        要想减少过程工业的初始成本,很少有从集线柜着手,但是有了新型智能编组(Intelligent Marshalling)选项,情况就有所不同了。集线柜用于收集整理整个厂区设备的现场布线。一旦连接好,这些现场布线就于DCS的终端相连了,集线柜用于确保将DCS布线和现场布线安全地隔离开来。


Invensys 247 FBM可以安装到其I/A系列DCS的标准基座上,并且可以使用软件编程,管理大多数的标准I/O组合。图片来源:Invensys Operations Management公司。

        它们的效率很高,但是对于信号的改变就需要重新布线了,比方说从模拟到数字输入。最近的设计允许对过程所需的每一种信号组合进行交换。无需集线柜,新型Invensys 247 FBM可以安装到其I/A系列DCS的标准基座上,并且可以使用软件编程,管理大多数的标准I/O组合。在联网的I/A系列工作站下,过程工程师能够配置模块,使其适用于HART、模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出以及任何组合,好处颇多。通过减少所需引脚数量和改善I/O密度,智能编组能够降低设备成本。它也能节省现场人工成本和库存。
        ——Thad Frost,Invensys Operations Management公司研发和工程部经理。


        国内知名的学术专家和企业代表就上述内容结合中国实际发表了各自的观点:
  王广野 罗克韦尔自动化
  中国区集成架构与冗余I/O产品经理
  本文介绍在有限的时间窗口实现I/O替换。文章分为两部分,一部分介绍替换方法,如保持现场接线端子不变但更换背板,保持现场接线端子不变也不更换背板,新老I/O并行运行。另一部份是介绍需要注意的问题,如接线图是否完备,软件是否可读,布线是否规范,接地等电磁兼容性问题。
 徐赟 美国国家仪器
 中国市场部经理
 毫无疑问,模块化已经成为构建自动化测控系统的一个主流趋势,其带来的最大益处就在于系统的灵活性、易于升级和长期可维护性。一个规范的模块化平台必须确保其模块之间的互操作性。以PXI平台为例,目前已有70多家厂商提供超过1500种产品,PXI系统联盟管理和维护的PXI标准,确保了不同厂商产品之间的兼容性。
  周耀纲 德国倍福自动化有限公司
  技术支持部经理
  Beckhoff 总线端子是一种独立于现场总线的开放式I/O系统,由电子端子排组成。电子端子排的核心是带现场总线接口的总线耦合器。总线耦合器可用于多种总线系统:EtherCAT, PROFIBUS DP/FMS , CANopen, DeviceNet等。
       采用 Beckhoff 总线端子后,可把控制柜和安装端子的端子盒设计得更加经济。通过采用 4 线制端子系统,各种信号的传感器和执行机构都可以直接连接,而无需其它连接系统。现场设备无需像以往那样在控制柜(或端子盒)与控制器之间作点对点的连接,这样可大大减少控制器的设计成本,节约空间、材料、工程量和资金。
       现场设备可以通过 Beckhoff 总线端子系统在产生信号的现场进行连接,因此对 Beckhoff 总线端子的安装和布线就像标准端子排那样简易和紧凑。总线端子与控制器之间通过一个现场总线耦合器连接。
  彭愷翔 摩莎国际贸易(上海)有限公司
  以太网I/O产品经理

  主动式以太网络I/O开拓一个全新的视野 – 传统的以太网络I/O承袭了RS485的观念,采用Polling的机制,国内许多的I/O就还停留在传统的架构,然而这样子的设计,并没有完全体现TCP/IP网络的价值。此外,Moxa推出具有菊花链布线的以太网络I/O,有效降低布线成本,提高通讯速率。
       当在面对I/O升级改造的项目,Moxa的主动式OPC Server提供无缝连接SCADA软件, 客户自订I/O端的Modbus address更让客户无须更动SCADA软件的配置, Peer-to-peer的功能减少传统大量布线的需求,让I/O改造项目不再是一件令人望而生畏的苦差事。
  张守廷 研华(中国)公司
  产品经理
  近几年工业测控客户不断提出新的需求,将原有以单片机为主的测控测试仪器升级为具有复杂运算能力和强大的网络功能的智能仪器,例如电力变压器在线监测系统、局部放电在线监测、医用超声波测试仪器、发动机测试设备等;而数据采集(DAQ)技术也向嵌入式、网络化、高速同步采集技术发展,在操作系统也向实时和嵌入式发展。
       二者的融合必将催生极大的市场商机。研华是最早致力于DAQ产品开发的厂商之一,目前拥有多种系列的完整DAQ产品线并支持Windows,WindowsCE,Linux,Vxworks等操作系统,用于电力、交通、军工等众多领域,并独家推出嵌入式DAQ一体机,将数据采集产品与CPU合并在一起,适用于需要低功耗和抵抗高振动的场合。
  俞涛 美国Opto 22公司上海代表处
  首席代表 
  自动化控制架构中,控制器,网络、软件不断发展,而IO部分总体成熟。因此,用户如果能够在设计初选择具备长期稳定和软硬件兼容性的IO,往往能在未来取得很好的回报。我曾见过不少Opto 22的 石油,水泥等行业客户,仅通过更新主控制,在保留IO及其它架构的基础上,完成对运行十数载的系统升级,满足了新兴的集成化软件应用需求,即节约投资,又使该过程更平稳可靠。

系统分类: PLC与PAC   |   用户分类: 无分类   |   来源: 原创

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