在可编程逻辑控制器 (PLC) 和分布式控制系统 (DCS) 中，由于这些系统的实时性以及工业过程的相关复杂性，硬连线 I/O 和串行 I/O 之间的选择变得尤为重要。
下面，我将详细分析这些特定系统中每个系统的特征。
硬连线输入/输出
下面列出了我们必须讨论的有关硬连线 I/O 的要点。
- 直接连接
- 实时响应
- 接线复杂性
- 灵活性有限
- 可靠性
- 信号完整性
- 适应性
- 安全关键应用
1. 直连
硬连线 I/O 直接连接到 PLC 或 DCS。每个输入或输出设备都有一条返回控制器的专用线路。
2. 实时响应
这些 I/O 通常设计用于实时控制任务。它们特别适用于需要立即采取行动的时间敏感型应用，例如过程控制、联锁和紧急关闭。
3. 接线复杂性
对于具有大量 I/O 点的大型系统，硬连线解决方案可能会变得很麻烦，需要大量布线和更大的控制柜。
4. 灵活性有限
由于需要物理重新布线，修改或扩展硬连线系统可能是劳动密集型的。
5、可靠性
硬连线 I/O 通常被认为对于关键任务来说更可靠，因为它们具有直接、点对点的性质，可以降低通信故障的风险。
6. 信号完整性
与串行通信相比，硬连线连接的信号完整性通常更好，尤其是在电磁干扰 (EMI) 较多的环境中。
7. 适用性
最适合较小的系统或可靠性和速度至关重要的场景。
8. 安全
硬连线 I/O 主要用于安全关键型应用，例如控制回路至关重要的工业过程控制应用。
串行输入/输出
下面列出了我们要讨论的有关串行 I/O 的要点。
- 数据序列化
- 基于协议的通信
- 可扩展性
- 联网能力
- 数据处理
- 距离
- 漏洞
- 成本
- 安全
1. 数据序列化
串行 I/O 通常通过一条数据线一次传输一位数据。这与同时发送多个位的并行系统形成对比。硬连线 I/O 中的每个信号都有单独的电线，但串行 I/O 通常只有一根电缆用于传输/接收所有数据。
2. 基于协议的通信
它们通常依靠已建立的工业协议（如 Modbus、PROFIBUS 或以太网/IP）进行通信，这些协议标准化了设备之间的数据交换。
3. 可扩展性
串行 I/O 通常更具可扩展性。添加更多 I/O 点通常只需要配置现有网络，无需额外布线回控制器。
4. 联网能力
串行 I/O 可以轻松联网，并且通常具有内置诊断功能，这使得它们更加通用，但也增加了复杂性。
5. 数据处理
串行 I/O 在数据处理方面更加通用。它们可以通过网络传输更复杂的数据类型，包括实数和字符串。
6. 距离
它们更适合 I/O 点远离 PLC 或 DCS 控制器的应用。在某些情况下，我们可能需要一些特殊设备，例如中继器、网关等。
7. 漏洞
由于串行 I/O 是基于协议的，因此更容易出现数据冲突、延迟和其他网络相关问题等问题。
8. 成本
虽然由于网络硬件的原因，初始设置成本可能较高，但长期成本可能较低，特别是对于需要频繁修改或扩展的系统。
9. 安全
串行 I/O 绝不会用于安全关键型应用，因为主电缆损坏可能会导致数据完全故障。
在硬连线和串行 I/O 之间进行选择
两者之间的选择通常取决于各种因素，例如系统规模、所需的操作速度、安全性、数据复杂性和成本考虑。工程师通常会进行详细分析，有时甚至在单个 PLC 或 DCS 系统的不同部分中使用这两种类型，以充分利用每种类型的优点。例如，硬连线 I/O 可用于安全关键型应用，而串行 I/O 可用于数据收集和监控任务。
硬连线 I/O 和串行 I/O 之间的比较
下表显示了硬连线 I/O 和串行 I/O 之间的差异。
| 参数 | 硬连线输入/输出 | 串行输入/输出 |
| 连接类型 | 直接、点对点连接 | 基于协议，通常是联网 |
| 数据传输速度 | 通常更快，实时处理 | 由于序列化可能会更慢（取决于协议） |
| 复杂性 | 由于序列化可能会变慢（取决于协议） | 更易于管理的复杂性 |
| 可扩展性 | 扩展困难且昂贵 | 扩展更容易且成本更低 |
| 可靠性 | 故障点较少，可靠性更高 | 故障点较多 |
| 布线 | 需要大量布线 | 布线较少，通常只需一根数据线 |
| 信号完整性 | 在高 EMI 环境中更好 | 可能容易受到 EMI 影响 |
| 支持的数据类型 | 一般为 4-20 mA 模拟信号，24 V DC 数字信号 | 由于网络硬件的原因，这可能会更高 |
| 距离 | 适合较短距离 | 可以处理较长距离 |
| 成本（初始） | 小型系统较低，大型系统较高 | 高（取决于协议） |
| 成本（维护） | 由于故障排除的复杂性而较高 | 通常较低 |
| 灵活性 | 有限，难以修改 | 高度灵活，易于修改 |
| 冗余 | 实施起来困难且昂贵 | 实施起来更容易且成本更低 |
| 安全应用 | 通常用于安全关键任务 | 不太常用于安全关键任务 |
| 网络诊断 | 有限或无 | 通常内置 |
当谈到 PLC 和 DCS 系统的安全性时，硬连线 I/O 和串行 I/O 具有不同的特性，这些特性可以增强或可能损害工业过程的安全性。
下面的比较表仅关注这两类 I/O 系统的安全方面。
| 安全方面 | 硬连线输入/输出 | 串行输入/输出 |
| 可靠性 | 由于直接连接和故障点较少，可靠性通常更高 | 基于协议和网络，引入更多潜在故障点 |
| 实时响应 | 非常适合实时响应，通常用于紧急关闭和安全联锁 | 由于网络拥塞或协议限制，可能会出现延迟，这使得它们不太适合立即采取行动 |
| 系统复杂性 | 较低的复杂性通常更容易识别和解决安全问题 | 网络和协议的复杂性使得确定安全问题的根本原因变得具有挑战性 |
| 信号完整性 | 不易受到电磁干扰 (EMI)，从而提高信号质量和可靠性 | 可能更容易受到 EMI 和信号衰减的影响，从而危及安全 |
| 数据完整性 | 由于通常是点对点的，因此数据损坏的可能性较小 | 由于网络而更容易出现数据完整性问题，从而增加了安全相关故障的风险 |
| 人为错误 | 由于其简单性，不太容易出现影响安全的配置错误 | 配置或维护过程中出现人为错误的可能性更大，影响系统安全 |
| 紧急情况 | 由于响应时间快，通常是紧急关闭等安全关键系统的首选 | 由于可能存在延迟和其他网络相关问题，通常不用于立即操作任务 |
| 安全 | 较低的网络攻击敏感性，因为它们通常不联网 | 由于网络的原因，更容易受到可能危及安全的网络威胁 |
| 内置安全功能 | 安全功能通常是硬连线且不复杂，因此非常坚固 | 可能有内置的安全协议，但这些协议可能会受到网络问题的影响 |
| 认证 | 由于复杂性更低、可靠性更高，安全关键型应用的认证变得更加容易 | 由于网络和协议的复杂性，可能需要更广泛的测试和认证 |
从安全角度来看，硬连线 I/O 和串行 I/O 之间的选择通常倾向于关键安全应用的硬连线 I/O，因为它们具有固有的可靠性和即时响应能力。然而，系统的整体安全性并不仅仅取决于所使用的 I/O 类型；它还受到设计、维护实践和操作人员能力等因素的影响。