作者簡介：魏毅，現任中國寰球工程有限公司北京分公司電控室副主任。長期從事石油化工自動化工程設計工作，先後參與和負責了多個國家級大型石化煤化工專案的儀表自動化工程設計建造工作，獲得多項國家省部級工程設計獎項以及儀表控制系統相關專利。

開始之前，先讓我們看兩張DCS IO硬體部分包括：現場儀表4-20mA/開關訊號、銅電纜、接線櫃、IO卡件。

1990年代控制系統廠商開發了現場匯流排技術，試圖替代傳統模擬技術，用匯流排電纜和數字網路訊號代替銅線模擬訊號。

現場通用IO技術設計思路

控制系統廠商開發了現場通用IO技術。

該技術的思路是：既然使用者仍然選擇4-20mA/開關訊號為主的模擬訊號，那就把位於IO系統櫃裡面的IO卡件和通訊模組搬到現場接線箱裡，首先實現現場接線箱到機櫃室的數字化傳輸。為了增強靈活性，現場通用IO技術把IO卡件設計成適應大部分訊號的通用IO卡件。

在現場儀表側，儀表仍然輸出模擬電流訊號。儀表訊號進入接線箱內的通用IO卡件。通用IO卡件將模擬訊號轉換為數字訊號，然後透過光纖或者網線，將數字訊號送到控制室。

現場通用IO技術優點

現場通用IO技術把IO卡件前移到現場，替代了傳統方案機櫃室內的接線櫃、安全柵繼電器機櫃和IO系統櫃。

現場通用IO技術並沒有消滅安全柵繼電器和IO卡件，而只是將這些功能元件分散到了現場接線箱。該技術真正替代的是接線櫃，所以最早開發此技術的艾默生公司給該技術取名叫電子佈線技術。現場通用IO技術使得機櫃室面積大幅度減少。

現場通用IO技術方案用光纖替代了傳統的主電纜。

傳統主電纜是多對銅芯對絞電纜，平均每根電纜都有幾百米，是模擬訊號傳輸方案材料和安裝成本的大頭。現場通用IO技術用廉價大容量的光纖替代了銅芯主電纜，提高了訊號傳輸效率，節省了大量的材料和安裝費用。初步測算，現場通用IO技術讓儀表控制系統裝置材料總投資降低30%。

現場通用IO技術大大增強了工程設計、裝置供貨和施工的靈活性。

由於通用IO卡件可以適應各種現場儀表訊號，工程師不必再費盡心思考慮各種現場訊號如何分類彙總，而只要給現場儀表訊號找一個接線箱即可。現場通用IO接線箱無需定製，可以成為貨架商品，其供貨週期歸零。這個特性縮短了工程設計、裝置供貨和安裝的週期，節省了大量工程建造成本。

現場通用IO技術有著很大效能優勢，控制系統廠商陸續推出自己的技術解決方案。

不同廠商解決方案

艾默生公司CHARM技術方案

艾默生公司的創新能力在儀表控制系統領域一直有口皆碑。2011年左右，EMERSON公司首先提出來電子佈線（也稱CHARM）技術方案。

該方案的主要裝置是位於現場的單通道特性模組箱（以下簡稱CHARM箱）。CHARM箱中主要包括一對冗餘CHARM IO卡件(CIOC)和96個（或者48個）CHARM單卡。每個CHARM單卡獨立安裝可插拔底板上，一個底板可容納12個單卡，每個CHARM最大可安裝8個底板。任一底座通道可以配置任何型別的CHARM單卡，因此總體看來任何訊號都可以進入CHARM箱，這樣就提供了極大的靈活性。

CHARM箱提供了冗餘乙太網口，透過網線或者光纖，將現場儀表訊號接入交換機，從而實現CHARM IO卡件與控制器的通訊。

CHARM技術具備雲IO特性，一個CHARM箱中的任一CHARM IO訊號可以分配到多達4對控制器，一對控制器可連線多達16個CHARM箱。這個技術方案實現了現場儀表訊號和控制器之間的靈活配置。

CHARM技術，尤其是分散式CHARM技術用乙太網網線或者光纖取代了傳統的主電纜。CHARM技術為儀表現場接線提供了靈活性。CHARM技術降低了裝置和安裝成本，減少了工程設計和安裝工作量，是一個非常優秀的創新方案。

截止到2018年底，全球已有超過162萬點的CHARM裝置成功安裝執行。煙臺萬華年產百萬噸乙烯綜合裝置DCS全部採用了現場CHARM技術方案，系統總容量超過9萬點。該廠已於2020年11月份成功開車，控制系統執行良好。

和利時自動化公司光纖匯流排智慧IO技術方案

和利時自動化公司推出了光纖匯流排智慧IO技術解決方案。該方案由現場智慧IO接線箱和光纖網路組成。

現場智慧IO接線箱由16通道多功能IO模組和光纖通訊模組組成。

16通道多功能IO模組可以用同一套硬體接收處理各種IO型別的訊號，並且為現場儀表供電。16通道多功能IO模組採用了軟體定義的辦法處理不同的現場IO訊號，同時在IO卡件前面增加了訊號調理板預處理更多種類訊號。

除了傳統模擬訊號外，多功能IO模組還可以接收包括PROFIBUS DP/PA， MODUBUS RTU等匯流排訊號，從而提高了現場多功能IO模組的適用性。

光纖網路提供了高可靠性的冗餘數字訊號傳輸路徑。位於現場的光纖接線盒可以彙總最多32路光纖。從光纖接線盒出來的光纖進入機櫃室。在機櫃室側，冗餘光纖透過光電模組接入控制器。

光纖匯流排智慧IO技術解決方案具備現場通用IO的優點，同時使用了光纖網路，降低網路硬體成本，提高了傳輸的可靠性，是一種高效能解決方案。

目前已經有多個裝置選用了光纖匯流排智慧IO技術解決方案，裝置執行情況良好，業主反饋積極正面。

霍尼韋爾公司UPC/UIO技術方案

霍尼韋爾公司的技術方案叫做UPC(UNIVERSAL PROCESS CABINET). UPC是放置在現場的接線櫃，其中包括最多6個32點通用IO卡件（簡稱UIO卡件）和冗餘光纖通訊模組。UIO卡件與其他IO卡件一樣，透過冗餘的io-link與控制器通訊，與一般IO卡件不同的是UIO 的io-link的物理層使用了光纖。

UIO卡件並沒有可拆卸的單卡模件適應各種訊號，而是採取了軟體組態的辦法定義IO通道型別。這種方式同樣實現了通用IO訊號的接入。

軟體組態定義IO通道型別的優點是硬體完全一致，不必為不同訊號準備不同的模件。軟體定義IO型別方式增加了部分硬體複雜度，為了提高硬體適應性，廠商專門為溫度訊號設計了128 LLAI溫度專用機櫃。

正在設計中的中國南方某石化專案使用霍尼韋爾公司的UIO技術方案。

上面介紹了三家公司有代表性的現場通用IO技術方案。其他公司如日本橫河公司、ABB公司和浙江中控公司也已經或者將要推出類似產品，這裡就不贅述。感興趣的讀者可以到網上搜索。

現場通用IO技術將IO卡件帶到了工業現場，並且用光纖代替了銅主電纜，大大節省了工程建設成本。該技術提高了工程設計和安裝的靈活性，縮短了控制系統設計供貨安裝週期。在工廠執行階段，該技術具有低維護量的特點。