随着远程I/O进入数字时代

数字化已经在流程工业留下了自己的烙印——或者，至少从过去几个月的出版物、市场信息和展会来看是这样，这在过去几年甚至几十年里都很少有像现在这样多的技术趋势。有些人对APL、OPC、NOA、FDI、MTP等这些不同的首字母缩写感到茫然，这毫不奇怪，但最终的落脚点是：只在新系统中使用这种技术才有意义，还是也可以在现有系统中使用数字化技术？是否应该等到像Ethernet-APL这样的新技术市场成熟并且有足够数量的设备时才可用？这正是远程I/O技术能提供解决方案的地方，它提供了成熟却又全新的思路，以便在系统升级时避免陷入数字化的“死胡同”。

远程I/O——先进的技术

远程I/O是一种在实践中经过验证的解决方案，它非常适合将传统的现场设备安装基础连接到以太网网络。早在 20 世纪 80 年代末，系统集成商和用户就开始使用远程 I/O 系统。其基本理念始终如一：将 PLC 和控制系统的输入/输出层从控制室移到现场，这样就无需在传感器和执行器之间单独布线。在危险区域使用时，由于远程 I/O 模块已经集成了本安隔离电路，因此不再需要本安隔离栅及其机柜。根据系统规模，总成本可节省 25% 以上。

毫无疑问，2023年的当代远程I/O系统远远优于早期产品，并且现在也更加普及。除了上述成本节约之外，现代 I/O 系统还可用于使用传统 4 至 20 mA 技术的现有系统的数字化。越来越多的远程 I/O 制造商已经在其产品系列中提供了通过 PROFINET、EtherNet/IP 或 Modbus TCP 通信连接以太网网络的解决方案。这些远程 I/O 具有灵活的连接方式–对于较短的距离，可使用经济实用的 CAT 电缆；对于较长的距离和可能存在较强干扰源及其他电磁影响的环境，则可使用光纤电缆。现代I/O系统能支持所有典型的 I/O 信号，如带有 HART 的 4 至 20 mA 信号，以及简单的二进制设备，包括触点、接近开关和电磁阀。

安装于防爆1区或2区的远程I/O有多个供应商，例如R. STAHL。现场仪表连接通常具有 “本质安全（Ex i）”类型的保护，这意味着该技术可以非常灵活地用于现场安装以及维护和现代化工作。R. STAHL 用于 1 区的远程 I/O IS1+ 系统通过本安网络和铜缆进行以太网通信，这使用了另一种新的 Ex i 解决方案（类似于 Ethernet-APL）–100 BASE-TX-IS 是一种本安型四线以太网，可通过 100 米电缆以 100 MBit/s 的速度传输数据。另一种选择是使用光缆来组成这些网络。十多年来，R. STAHL 一直采用 “op is”（光学本质安全）保护技术来实现这一目的。因此，远程 I/O 是将传统工艺系统带入数字化时代的理想选择。

远程I/O的新发展

远程I/O技术不断发展，以满足用户当前的需求，从而实现新的数字化概念。例如，基于广泛使用的HART协议实现需求。现在，远程I/O系统可以通过HART-IP协议将4到20mA现场设备的HART信息传输到以太网中，从而可以轻松地集成到相应的工厂资产管理系统中。I/O模块包含HART多路复用器功能和本安隔离。HART信息通过处理流程通信的同一个以太网络传输，无需另行布线。在 IS1+ 系统中，HART 协议通过 Softing 的 smartLink SW-HART 驱动程序在 HART-IP 中实现。这样，现有的 IS1+ 装置就可以升级到 HART-IP，而无需额外的硬件。

与 HART 相比，OPC UA 更像是过程自动化领域的新生力量。OPC UA 非常适合新概念，如 NAMUR 开放式架构 (NOA)。通过 OPC UA 的 “第二通道”，用户可以访问监控和优化（M+O）数据。OPC UA 是一种 ” PC友好型 “的通信标准，可将远程 I/O 解决方案的诊断数据轻松集成到 PC 网络、数据服务器、汇集服务器和云系统中。未来，远程 I/O 还将支持相关的过程自动化设备信息模型（缩写为 “PA-DIM”）。

近年来，FDI（现场仪表集成）为集成过程自动化中的所有设备提供了一种通用解决方案。许多现场仪表和一些 FDI 主机已经面世，远程 I/O 在不久的将来也将支持 FDI。2021 年末，”FDI for RIO “工作组成立。该机构目前正在制定规范，以便通过远程 I/O 和 PROFINET（使用 “嵌套通信”）将 HART 设备集成到 FDI 主机中。 这也使项目规划以及远程 I/O 系统的状态和诊断信息得以体现。最初的样机已经成功地展示了与 PROFINET 有关的新的可能性。这些产品预计将于 2023 年底面市。

2022 年底，PROFINET 的 “过程自动化远程 I/O（RIO for PA）”配置文件发布。这使得通过 PROFINET 通信将不同制造商的远程 I/O 系统集成到控制系统中变得就像使用 PA 配置文件集成现场设备一样简单。特别是，这个 RIO for PA 配置文件将诊断和状态信息标准化，使不同的系统能以几乎相同的方式进行规划和集成。这样，设计人员和用户在处理不同的远程 I/O 系统时就容易得多。不过，要让远程 I/O 系统和主机制造商充分支持 RIO for PA 配置文件，还需要一段时间。用户可从 PI 网站下载该配置文件规范。

重要时刻即将到来——远程I/O和ETHERNET-APL

远程I/O和以太网构成了将“传统”模拟量现场仪表为主的现有系统集成到以太网为基础的数字化自动化系统的完美组合。Ethernet-APL和远程I/O共同实现了这一点。毫无疑问，如果已经使用ETHERNET-APL与数字通信的现场设备，则ETHERNET-APL是一个不错的选择。尽管如此，来自R. STAHL的新型APL现场交换机也可以将现有的PROFIBUS PA仪表集成到PROFINET网络中。在这种情况下，现场交换机充当PA代理，并将PA信息“翻译”为PROFINET。

目前仍有大量采用 4 至 20 mA 技术的传统现场仪表、HART 仪表以及基本的开关量传感器和执行器。即使在未来几年内，带有 APL 接口的设备会越来越多地投放市场，但对于触点、接近传感器和电磁阀等基本设备而言，这往往无法以经济有效的方式加以利用。此外，为 4 至 20 mA 的各种系列产品带上APL接口也需要时间。这时，远程 I/O 又可以发挥作用，因为它可以很容易地与Ethernet-APL现场交换机集成，形成一个上位控制网络，例如通过 PROFINET。 这样就很容易决定是使用远程 I/O 还是Ethernet-APL，最好的解决方案当然是将两者结合起来使用。