工業(yè)4.0是現(xiàn)代化工廠環(huán)境一個(gè)新的代名詞，由數(shù)十臺(tái)網(wǎng)絡(luò)控制器組成，這些網(wǎng)絡(luò)控制器連續(xù)監(jiān)測(cè)成百上千傳感器的輸入，例如開(kāi)關(guān)和位準(zhǔn)檢測(cè)器。同時(shí)將信號(hào)送到相應(yīng)數(shù)量的輸出設(shè)備，例如閥門(mén)、電磁閥或電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

本設(shè)計(jì)方案中，我們討論電子配線架，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)線組與控制器連接的過(guò)程。然后介紹一種將電子配線架靈活性提升到新高度的創(chuàng)新方案。

在此之前，將現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備連接到可編程邏輯控制器(PLC)的標(biāo)準(zhǔn)方式如(圖1)所示。通過(guò)多芯電纜將工廠車(chē)間的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到配線板(通常位于I/O控制室)的接線端子排。在配線板上，線纜交叉連接，將每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到相應(yīng)控制器通道的I/O卡。

圖1.傳統(tǒng)配線架

這種方法存在故障隱患。例如，交叉連線時(shí)，難以跟蹤哪根線是進(jìn)線，哪根線是出線，如果連接不正確甚至根本沒(méi)有連接，就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。對(duì)于技術(shù)人員或工程師來(lái)說(shuō)，調(diào)試和測(cè)試每個(gè)連線非常耗時(shí)，造成過(guò)程調(diào)試延期，代價(jià)不菲。

理論上說(shuō)，一旦完成調(diào)試，系統(tǒng)就應(yīng)正確運(yùn)行；但如果系統(tǒng)中發(fā)生未能預(yù)見(jiàn)的故障，就會(huì)產(chǎn)生附加問(wèn)題。偶爾增加新的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在所難免。例如，如果將某個(gè)溫度開(kāi)關(guān)改為溫度變送器，那么就需要將數(shù)字輸入改為模擬輸入。

更糟糕的是，如果系統(tǒng)增加新的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，但配線板沒(méi)有支持新設(shè)備要求的相應(yīng)類(lèi)型的連接。這種情況下，就需要更換控制器，增加成本、造成項(xiàng)目延期。

傳統(tǒng)的接線板已經(jīng)逐漸被電子化接線板替代，后者是過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域信號(hào)連接的新方法(圖2)。

圖2.電子接線架

開(kāi)發(fā)該技術(shù)的目的是防止手動(dòng)接線造成的人為錯(cuò)誤，也是在配線板上將I/O設(shè)備交叉連接在一起。與接線編組一樣，技術(shù)人員將來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的多芯電纜連接到配線柜(位于工廠車(chē)間)接線端子的右側(cè)。然而，在I/O控制室，不再需要手動(dòng)將每個(gè)接線端子連接到對(duì)應(yīng)的控制器I/O通道，而由系統(tǒng)本身通過(guò)電子方式實(shí)現(xiàn)。

電子配線的明顯優(yōu)勢(shì)是，無(wú)需更改物理接線，I/O設(shè)備可根據(jù)需要隨時(shí)連接到特定的控制器。如果在項(xiàng)目后期，I/O類(lèi)型發(fā)生變化，或者需要增加設(shè)備，無(wú)需更改已有接線或配線柜。此外，能夠根據(jù)需要為配線柜增加額外的I/O容量，然后通過(guò)電子配線連接到控制器。

電子配線的核心是便攜式主機(jī)和可更換模塊或板卡。將相應(yīng)類(lèi)型的板卡插入現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備需要連接的插槽。例如，數(shù)字(DI)卡插入到支持溫度開(kāi)關(guān)的插槽。然后將板卡連接到控制器的相應(yīng)通道。各個(gè)控制器通道的功能取決于每個(gè)插槽板卡類(lèi)型(例如DI或DO)。

MAX14914的其它重要特性包括低RON (圖3) 和低傳輸延遲，在DI模式下小于2μs (圖4) 。雖然電子配線的靈活性顯而易見(jiàn)，但也存在一定的固有問(wèn)題。傳統(tǒng)上，工業(yè)和過(guò)程控制工程師使用術(shù)語(yǔ)“數(shù)字IO”指代PLC發(fā)送和接收的數(shù)字信號(hào)。然而，這個(gè)術(shù)語(yǔ)本身不太恰當(dāng)。PLC上并沒(méi)有“數(shù)字IO”通道這樣的東西，有的只是“數(shù)字輸入”通道或“數(shù)字輸出”通道。所以，如果需要將某個(gè)控制器通道從DI改為DO，或者相反，就必須更換通道的物理板卡。此外，DI和DO通道的總數(shù)量取決于主機(jī)每種類(lèi)型板卡的數(shù)量。這就限定了主機(jī)DI通道和DO通道的數(shù)量，限制了電子配線的靈活性。

圖3. MAX14914導(dǎo)通電阻與負(fù)載關(guān)系曲線

圖4. MAX14914在DI模式下的傳輸延遲

更理想的情況是每個(gè)通道可根據(jù)需要配置作為DI或DO?，F(xiàn)在，使用帶有數(shù)字輸入配置的MAX14914高邊開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)以上目的。使用MAX14914，PLC可將每個(gè)板卡配置作為DI或DO。如果通道的功能發(fā)生變化，不需要插拔板卡和重新配置。控制通道可真正設(shè)計(jì)為“數(shù)字IO”，不限制每種通道的數(shù)量。唯一的限制是PLC本身能夠處理的通道數(shù)量。

本設(shè)計(jì)方案中，我們回顧了過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)的傳統(tǒng)信號(hào)連接方法，即連接編組。討論了如何通過(guò)電子編組方法解決與傳統(tǒng)方法相關(guān)的問(wèn)題。電子編組方法表面上實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)大的改進(jìn)，但并不是沒(méi)有局限性。MAX14914等具有數(shù)字輸入配置的高邊開(kāi)關(guān)，將電子編組的靈活性提升到了一個(gè)新高度。通過(guò)電子方式將各個(gè)控制器通道配置為數(shù)字輸入或輸出，無(wú)需更改硬件且不限制可使用的板卡類(lèi)型，大大提高了設(shè)計(jì)靈活性，降低項(xiàng)目調(diào)試過(guò)程中可能發(fā)生改變所引起的成本。