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优化远程 I/O，提高效率、可维护性和适应性

作者： Kenton Williston 2024-03-21

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工程

电路保护

诊断

对于远程输入/输出 (I/O) 系统来说，效率就是一切。远程 I/O 的概念最初是出于工业运营需要一种更有效的方式将可编程逻辑控制器 (PLC) 连接到设备而提出的。远程 I/O 机柜将这些连接整合到设备附近，通过共享的厂级网络将所有数据传送到 PLC，而不是将长长的电线连接到每个传感器和执行器。

如今，对更高效率的需求已经增加。设计人员需要在更小的空间内容纳更多的 I/O，以提高竞争效率。他们正在寻找简化 I/O 系统设计、安装和维护的方法，并寻求能够适应其需求变化的解决方案。

您可以从 Weidmüller 的 IP20 u-remote I/O 系统的发展历程中追踪到这些需求的演变（图 1）。u-remote 于 2013 年首次推出，从任何意义上讲都将效率放在首位，其 I/O 模块的宽度仅为 11.5 毫米 (mm)。这种超窄的模块最大限度地减少了远程 I/O 系统所需的机柜空间。

图 1：IP20 u-remote I/O 系统模块非常窄，可将占用空间降至最低。（图片来源：Weidmüller）

易于部署和维护的模块

该模块还能提高工人的工作效率。只需将每个可插拔模块插到位，即可将其与 I/O 系统的其他部分连接起来。无需背板或外部接线，所有电源和数据都通过模块内置的连接器进行连接（图 2）。

图 2：IP20 u-remote I/O 系统模块采用可插拔设计，无需背板即可直接连接。（图片来源：Weidmüller）

可插拔设计还能简化维护和升级。模块可随时添加或拆除，以便进行维修或系统功能改造。事实上，因为模块有三部分组成，许多维护工作无需拆卸模块即可完成：

连接条：用于传感器和执行器电线的物理连接
电子模块：其中的电路负责处理来自连接设备的信号
底座：可安装在 DIN 导轨上，并为模块提供电气连接

这种模块化设计允许热插拔更换电子元件，而不会中断其他模块的功能，也不会在维护时干扰模块的接线。电子模块自带拆卸杆可让这一切成为可能，而无需任何工具（图 3）。

图 3：该 I/O 模块由连接条、电子模块和底座模块组成。（图片来源：Weidmüller）

2014 年，Weidmüller 推出了高密度模块，将每个模块的导体数量增加了一倍，达到 32 个。例如，紧凑型 UR20-PG0.35 连接插头允许每个模块最多连接 8 个四线传感器输入端。

此后，该公司又推出了多种模块。一个典型的例子是 2015 年推出的安全模块 UR20-PF-O-2DI-DELAY-SIL。该模块符合 SIL 3 标准，具有紧急停止电路和短路检测功能。其他类型的模块包括：

UR20-4AI-UI-12，具有四个模拟传感器输入和 0.1% 的全量程精度 (FSR)
UR20-4AO-UI-16，配有四个模拟输出，最多可控制四个执行器，精度为测量范围终值的 0.05%
UR20-16DI-P，最多 16 个数字输入，最大频率 1 千赫兹 (kHz)
UR20-8DO-P，最多可驱动 8 个数字输出通道，每个通道的最大输出电流为 500 毫安 (mA)

专用 I/O 选择包括具有两个独立 32 位 100 kHz 计数器的 UR20-2CNT-100 和能以最高 40 kHz 驱动两个脉宽调制 (PWM) 输出的 UR20-2PWM-PN-0.5A。

现场总线连接和软件智能化

除了 I/O 集成之外，远程 I/O 系统的一个基本功能就是与工厂网络连接。使用 u-remote 可以通过现场总线耦合器实现这种连接。这些耦合器适用于大多数流行的现场总线协议。如 UR20-FBC-PN-ECO 支持 PROFINET RT，而 UR20-FBC-EC 则提供以太网和 EtherCAT 网络。

每个现场总线耦合器还提供一个集成网络服务器。该集成服务器可通过纯文本诊断快速识别错误，从而加快启动速度并缩短停机时间。该服务器还能让操作人员对其进行全生命周期监控和维护。例如，网络服务器可以模拟输入和输出。这一功能在测试时非常方便，用户无需与所连接的设备进行实际交互，就能验证工作站的行为。

与模块一样，Weidmüller 多年来一直在扩大现场总线耦合器的阵容。目前该产品已支持 11 种最流行的协议。

结语

随着工业运营要求的效率越来越高，远程 I/O 系统也必须与之相适应。Weidmüller IP20 u-remote 系统就是这种演变的典范。该系统一开始以超薄 I/O 模块为基础，多年来功能不断扩展，增加了对新 I/O 和现场总线选择的支持。其模块化设计只需最少的工具即可完成安装，为远程 I/O 系统的设计、部署、维护和升级带来了效率提升。