工业自动化系统的分布式IO系统

1. 基本定义

分布式 I/O 系统（Distributed I/O，简称 DIO）：

在工业自动化系统中，把原本集中放在控制柜内的输入/输出模块分散安装到生产现场，通过工业网络与 PLC/DCS 主站通信，从而实现对分布在整个生产线的传感器、执行器的采集和控制。

换句话说：不再把所有信号线都拉回控制柜，而是把 I/O 模块“搬”到设备附近，再用一根工业总线或工业以太网把它们连接到控制器。

2. 为什么需要分布式 I/O？

痛点

• 布线复杂：传统集中式 I/O，现场几十、上百个传感器/执行器的信号线都要拉回控制室，电缆数量巨大、接线复杂。
• 成本高：大量电缆、线槽、接线端子，施工和维护成本高。
• 扩展困难：后期新增点位，要重新布线。

分布式 I/O 的优势

• 大幅减少布线：现场只需短线接到就近的 I/O 站，再用一根总线或网线传回主控。
• 模块化、扩展方便：新增 I/O 只要加模块即可，不需要大改控制柜。
• 更快调试和维护：模块上有指示灯，可就地诊断；支持热插拔。
• 可靠性提高：减少线缆接头和中间接线盒，降低故障点。

3. 系统架构

典型分布式 I/O 系统由以下组成：

4. 关键组成部分

1) 主站接口模块

• 安装在 PLC/DCS 机架里，负责与现场远程 I/O 通讯。
• 通过总线协议（PROFIBUS、Modbus、EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP 等）管理所有 I/O 站。

2) 远程 I/O 站（Remote I/O Station）

• 包含 底座/背板 + I/O 模块 + 电源模块。
• 常见模块类型：
  • DI（Digital Input）：采集开关量。
  • DO（Digital Output）：控制开关量。
  • AI（Analog Input）：采集模拟量（电压、电流、温度等）。
  • AO（Analog Output）：输出模拟量。
  • 特殊模块：脉冲计数、运动控制、安全 I/O、通信网关。

3) 工业通信网络

• 总线型：PROFIBUS-DP、Modbus-RTU、CANopen
• 工业以太网：PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT
• 无线/现场总线新技术：IO-Link、无线HART，用于接近开关、阀岛通信。

5. 工作原理

1. 扫描周期：PLC 周期性扫描远程 I/O，读取输入寄存器、写入输出寄存器。
2. 数据映射：远程 I/O 模块的数据会映射到 PLC 的过程映像区，就像本地 I/O 一样使用。
3. 同步与时间确定性：
   • 总线需要满足实时性（ms 级循环）。
   • 高端系统（EtherCAT、PROFINET IRT）支持同步采样、确定性控制。

6. 通信协议对比

7. 设计与选型要点

• 环境适应性：防护等级（IP20/67）、抗振动、温度范围。
• 总线带宽：根据 I/O 数量和扫描周期，计算网络负载。
• 模块通道数：根据点数优化成本，避免浪费。
• 电源容量与冗余：24VDC 电源，考虑浪涌、冗余供电。
• 诊断功能：通道级诊断、LED、远程报警。
• 维护便利性：支持热插拔、模块化更换。
• 安全功能：若需安全回路，选用符合 SIL/PL 级别的安全 I/O。

8. 工程实践与维护

• 布线：就近安装 I/O 站，减少电缆长度；使用预装配电缆提高效率。
• 地线与屏蔽：防止电磁干扰（EMC），保证模拟信号质量。
• 地址分配与文档化：规划好模块地址，保持与 PLC 程序一致。
• 冗余设计：对于关键装置，双总线冗余、双主站、双电源。
• 诊断工具：现场总线分析仪、网络抓包，用于排查通信问题。

9. 优缺点总结

优点

• 大幅减少布线和控制柜空间。
• 易扩展、易维护。
• 现场诊断能力强，减少停机时间。
• 适合分散式、跨区域的装置。

缺点/挑战

• 依赖网络通信：总线中断可能影响整条线。
• 抗干扰要求高：需良好接地和屏蔽。
• 成本：模块单价比集中式高，但整体成本通常下降。
• 程序调试需要理解通信周期、延迟。

10. 应用实例

• 汽车生产线：每个工位一个远程 I/O 节点，接传感器、气缸阀岛。
• 过程工业（化工、石化）：分散的罐区、泵区布置远程 I/O 箱，通过光纤连接 DCS。
• 食品包装线：高速包装机用 EtherCAT 实现毫秒级同步控制。