远程 I/O 器件可优化自动化控制系统

作者： Art Pini

工厂和工业自动化系统必须通过通信链路将操作人员、机械、计算机和传感器可靠地连接起来。这一过程通常从原材料开始，经过一系列工作岗位，在工厂自动化系统的控制下完成产品成型、测量、校准、检验、包装和运输。

这些系统从数据采集与监控系统 (SCADA) 架构开始，由计算机和网络通信系统对生产流程进行高级监督和控制。SCADA 系统通常距离实际生产设施较远，而远程操作通常需要利用云数据服务 (CDS) 来完成，该服务用于提供数据链路和群组互操作性。

SCADA 系统通过本地可编程逻辑控制器 (PLC) 控制机器，并通过指导机器工作的联网传感器接收反馈，以此来管理和监控工厂的运营。PLC 与加工厂或机械设备连接。远程输入/输出 (I/O) 组件是自动化工厂的通信主干，如图 1 所示。

图 1：远程 I/O 组件构成了现代自动化工厂的神经系统。（图片来源：Banner Engineering）

分立式传感器和执行器用于监测和控制本地操作。这些器件的信号使用合适的集线器链接起来，并发送到主机进行本地处理，然后再发送到 SCADA 系统。

工业数据总线

自动化机器可以使用许多传感器或执行器，但它们直接连接到控制室需要铺设大量昂贵的电缆。为了避免这种情况，设计人员开发了多种传感器总线来整合此类连接。Modbus 和 IO-Link 是两种广泛使用的网络（图 2）。

图 2：IO-Link 和 Modbus 网络可减少自动化机器中使用的线缆数量，并且支持使用标准化电缆组件。（图片来源：Banner Engineering）

这些网络可减少通过集线器和控制器连接到控制室的线缆数量。还支持使用标准化电缆组件，从而降低布线和维护成本。

[Banner Engineering] 设计的远程 I/O 块可帮助自动化机器设计人员增强其控制系统架构。他们提供的产品通过将多种信号组合成一个集成数据流来降低布线复杂性，从而降低了安装、集成和诊断成本。

远程 I/O 块示例

Banner Engineering 的 [DXMR90-X1]可编程控制器（图 3）有七个 I/O 端口，可组合多个来源的数据，同时还能在数据发送到 SCADA 系统之前进行本地处理。此控制器可收集来自各种传感器的数据并将其转换为符合标准以太网协议要求。七个端口包括四个独立的 Modbus 主机，支持最多四个独立网络。它还可将 Modbus 从机设备数据部署到 EtherNet/IP、Modbus TCP 或 PROFINET 网络。该控制器由 12 V 至 30 V 直流电源供电，12 V 时功耗为 120 mA，并利用 LED 指示灯报告其状态。

图 3：DXMR90-X1 控制器有七个 I/O 端口。（图片来源：Banner Engineering）

此控制器的外壳紧凑，侵入防护 (IP) 等级为 IP67，这意味着它能够防尘，并且短时间浸入水中不会进水。其额定工作温度范围为 -40 至 +70°C。

DXMR90-X1 采用标准 M12 连接器，其中单个公 M12 端口（端口 0）用于电源和 Modbus RS-485 连接，单个母 M12 端口用于菊花链连接端口 0 连接。另外还有四个用于 Modbus 主机连接的母 M12 端口和一个母 M12 D 编码以太网连接器。

该控制器通过集线器耦合至远程传感器。Banner Engineering [R95C-8B21-KQ]是一个八端口 IO-Link 集线器（图 4），可轻松将非 IO-Link 器件连接到 IO-Link 系统。此集线器可将两个分立通道连接到八个四针 M12 连接器端口，而这些端口则可配置为 16 个输入或 8 个输入和 8 个输出。来自通道的数据连接到 IO-Link 主机。

图 4：R95C-8B21-KQ 八端口集线器支持 NPN 和 PNP 输出。LED 指示灯用于报告端口活动和 IO-Link 状态。（图片来源：Banner Engineering）

每个端口的两个可配置 I/O 引脚支持 PNP（源型）或 NPN（漏型）输出。每一侧都有指示端口活动的 LED，因此安装灵活。此集线器还支持主机镜像，其中选定的端口输入或输出离散信号可以路由到 PLC 或主机连接。

集线器的额定工作电压为 18 V 至 30 VDC，最大电流消耗为 400 mA。它可以为每个端口提供高达 500 mA 的直通电流，并且具有反极性和功率瞬变保护功能。

此集线器采用坚固的镀镍黄铜和 PVC 机身，防护等级可达 IP65、IP67 和 IP68，适合室内使用。

模拟信号出现的时间早于自动化，但由于许多传感器仍将其作为输出，因此需要按照 Modbus 或 IO-Link 协议对模拟信号进行转换。Banner Engineering [R45C-2K-MQ]2 端口转换器可读取电压或电流两个模拟信号，然后按 Modbus 协议输出。模拟输入通过两个 M12 母头连接器输入，而输出则通过一个五针 M12 公头连接器输出。LED 用于指示输入和输出状态。R45C-2K-MQ 由 18 至 30 VDC 电源供电，24 V 时最大电流消耗为 4 A。该转换器的工作温度范围为 -40 至 70°C，环境防护等级为 IP65、IP67 和 IP68，仅适合室内使用。

数据转换器还可接收主控制器发出的数字命令，并为气动执行器、电磁阀或电机起动器等设备输出模拟电压。该转换器可以位于受控设备附近，以最大限度减少模拟信号损失和电磁干扰。Banner Engineering [R45C-K-UQ] 转换器（图 5）可让自动化设计人员通过从 IO-Link 主机发送数值模拟值来输出电压或电流模拟值。此转换器的输出电压范围为 0 V 至 11 V，输出电流范围为 0 mA 至 24 mA。

图 5：IO-Link 转模拟输出转换器可产生由 IO-Link 主机控制的电流或电压输出。（图片来源：Banner Engineering）

与其他 Banner Engineering 远程 I/O 器件一样，其环境防护等级为 IP65、IP67 和 IP68，工作温度范围为 -40 至 70°C。该器件可由 18 至 30 VDC 电源供电，仅消耗 50 mA 电流，并且可传输高达 4 A 的最大电流。它通过传统的四针 M12 公连接器连接到 IO-Link 主机。模拟输出采用四针母 M12 连接器。

结语

Banner Engineering 远程 I/O 块可帮助自动化设计人员优化控制系统的部署。多协议支持可减少线缆数量并降低安装成本，而板载可编程性则可提供设计灵活性并简化系统集成。

审核编辑 黄宇