以遠端 I/O 元件最佳化自動化控制系統

工廠和工業自動化系統必須透過通訊鏈路，才能將操作人員、機械、電腦和感測器可靠連接。此流程通常是從原物料在一連串工作站間流轉開始，產品會在工廠自動化系統的全程控制下，經歷成形、測量、校正、檢查、包裝和出貨。

這些系統基於監控與數據採集 (SCADA) 架構，並使用電腦和連網通訊系統，對生產過程進行高階監控。SCADA 系統往往遠離實際的生產設施，通常透過負責提供資料鏈路和群組間互操作性的雲端資料服務 (CDS) 進行遠端操作。

SCADA 系統透過本機可編程邏輯控制器 (PLC) 控制機器，並以引導其工作的連網感測器接收回饋，對工廠效能進行管理和監測。這些 PLC 會與加工設施或機械進行介接。如圖 1 所示，遠端輸入／輸出 (I/O) 元件構成自動化工廠的通訊骨幹。

圖 1：遠端 I/O 元件構成現代自動化工廠的神經系統。(圖片來源：Banner Engineering)

離散感測器和致動器負責監測和控制本機操作。其訊號會透過相關集線器進行傳輸，並在傳送至 SCADA 系統之前，先送至主控元件進行本機處理。

工業資料匯流排

自動化機器可以使用眾多的感測器或致動器，但若將這些機器直接連接至控制室，則會需要大量成本昂貴的纜線。為了避免這種情況，設計人員開發多種感測器匯流排，整合這些連線。Modbus 和 IO-Link 是其中兩種使用非常廣泛的網路 (圖 2)。

圖 2：IO-Link 和 Modbus 網路減少自動化機器所用的電線量，並允許使用標準化纜線組件。(圖片來源：Banner Engineering)

這些網路不僅減少從集線器和控制器到控制室的電線量，還允許使用標準化纜線組件，進而降低佈線和維護成本。

Banner Engineering 開發出多款遠端 I/O 區塊，有助於自動化機器設計人員強化其控制系統架構。這些產品可將多個訊號合併到整合的資料流，能夠減少佈線複雜性，進而降低安裝、整合和診斷成本。

遠端 I/O 區塊範例

Banner Engineering 的 DXMR90-X1 可編程控制器 (圖 3) 配有七個 I/O 連接埠，並可合併來自多個來源的資料，能夠先在本機處理資料後，再將其傳送至 SCADA 系統。此控制器可以從各種感測器收集資料，並將其轉換成標準的乙太網路協定。這七個連接埠中有四個獨立的 Modbus 主控元件，可支援多達四個獨立網路。其可將 Modbus 從屬元件資料部署至乙太網路/IP、Modbus TCP 或 PROFINET 網路。此控制器由 12 至 30 VDC 電源供電，在 12 V 下的功耗為 120 mA，並透過 LED 指示燈來顯示其狀態。

圖 3：DXMR90-X1 控制器配有七個 I/O 連接埠。(圖片來源：Banner Engineering)

此控制器封裝於一個緊湊的外殼內，侵入防護 (IP) 等級為 IP67，具有防塵和短期防水功能。其額定工作溫度範圍為 -40 至 +70°C。

DXMR90-X1 採用標準 M12 連接器，配有一個用於電源和 Modbus RS-485 連接的公端 M12 連接埠 (連接埠 0)，以及一個用於連接埠 0 菊鏈連接的母端 M12 連接埠。此外，還有四個用於 Modbus 主控元件連接的母端 M12 連接埠，以及一個母端 M12 D-Code 乙太網路連接器。

此控制器透過集線器耦合到遠端感測器。Banner Engineering R95C-8B21-KQ 是一款八埠式 IO-Link 集線器 (圖 4)，可輕鬆將非 IO-Link 元件連接至 IO-Link 系統。此集線器可將兩個離散通道連接到八個四引腳式 M12 連接器埠，可配置成 16 個輸入，或 8 個輸入和 8 個輸出。來自通道的資料則會連接到 IO-Link 主控元件。

圖 4：R95C-8B21-KQ 八埠式集線器可支援 NPN 和 PNP 輸出。LED 指示燈可顯示連接埠活動和 IO-Link 狀態。(圖片來源：Banner Engineering)

每個連接埠都設有兩個可設定的 I/O 引腳，可支援 PNP (流出) 或 NPN (流入) 輸出。集線器的兩側均設有 LED 指示燈，用於顯示連接埠活動狀態，便於靈活地進行安裝。此外，此集線器還支援主機鏡像，可將選定的連接埠輸入或輸出離散訊號路由至 PLC 或所連接的主機。

此集線器的額定工作電壓為 18 至 30 VDC，最大電流消耗為 400 mA，可為每個連接埠提供高達 500 mA 的直通電流，並可提供反轉極性和功率暫態防護。

此集線器採用堅固耐用的鍍鎳黃銅和 PVC 主體封裝，防護等級可達 IP65、IP67 和 IP68，但僅限室內使用。

雖然類比訊號在自動化時代之前就已經出現，但由於許多感測器仍將其作為輸出，因此需要將其轉換為與 Modbus 或 IO-Link 協定相容的訊號。Banner Engineering 的 R45C-2K-MQ 雙埠式轉換器可讀取兩個電壓或電流形式的類比訊號，並將其輸出為與 Modbus 協定相容的輸出。其類比輸入是透過兩個 M12 連接器母座達成，而輸出則是透過五引腳式 M12 連接器公座達成。其 LED 指示燈可顯示輸入和輸出狀態。R45C-2K-MQ 由 18 至 30 VDC 電源供電，且在 24 V 下的最大消耗電流為 4 A。此轉換器的工作溫度範圍為 -40 至 +70°C，環境防護等級為 IP65、IP67 和 IP68，但僅限於室內使用。

除此之外，數據轉換器還可以從主控元件接收數位命令，並輸出氣動致動器、螺線管或馬達起動器等元件所需的類比電壓。這些轉換器可裝於受控元件附近，以最大程度減少類比訊號損失和電磁干擾。Banner Engineering 的 R45C-K-UQ 轉換器 (圖 5) 允許自動化設計人員將來自 IO-Link 主控元件的數值化類比值輸出為電壓或電流類比值。此轉換器的輸出電壓範圍為 0 至 11 V，輸出電流範圍為 0 至 24 mA。

圖 5：「IO-Link 到類比輸出」型轉換器，可以產生由 IO‐Link 主控元件控制的電流或電壓輸出。(圖片來源：Banner Engineering)

與 Banner Engineering 的其他遠端 I/O 元件一樣，這款轉換器的環境防護等級為 IP65、IP67 和 IP68，工作溫度範圍為 -40 至 +70°C。此元件由 18 至 30 VDC 電源供電，僅需要消耗 50 mA 電流，並能夠傳輸最大電流高達 4 A 的電力。其可透過傳統的四引腳式 M12 連接器公座與 IO-Link 主控元件進行連接。類比輸出則可使用四引腳式母端 M12 連接器實現。

結論

Banner Engineering 遠端 I/O 區塊可幫助自動化設計人員最佳化控制系統的部署。這些元件支援多種協定，能夠減少電線數量和安裝成本，而板載的可編程特性則可提升設計的靈活性並簡化系統的整合過程。