В программируемых логических контроллерах (ПЛК) и распределенных системах управления (РСУ) выбор между Hardwired I/O и Serial I/O становится особенно важным из-за реального времени этих систем и связанных с этим сложностей промышленных процессов.
Ниже я разберу характеристики каждого из них в этих конкретных системах.
Hardwired I/O
Основные моменты, которые мы должны обсудить относительно Hardwired I/O, перечислены ниже.
- Прямое подключение
- Отклик в реальном времени
- Сложность проводки
- Ограниченная гибкость
- Надежность
- Целостность сигнала
- Пригодность
- Критически важные для безопасности приложения
1. Прямое подключение
Hardwired I/O напрямую подключаются к ПЛК или РСУ. Каждое входное или выходное устройство имеет выделенную линию, идущую обратно к контроллеру.
2. Отклик в реальном времени
Эти входы/выходы, как правило, предназначены для задач управления в реальном времени. Они особенно используются в чувствительных ко времени приложениях, таких как управление процессами, блокировки и аварийные отключения, где требуются немедленные действия.
3. Сложность проводки
Для больших систем с большим количеством точек ввода-вывода решения с жестким подключением могут стать громоздкими, требуя обширной кабельной разводки и больших шкафов управления.
4. Ограниченная гибкость
Модификация или расширение системы с жестким подключением может быть трудоемким из-за необходимости физической переподключения.
5. Надежность
Жесткое подключение ввода-вывода часто считается более надежным для критических задач из-за его простой, двухточечной природы, что снижает риск сбоев связи.
6. Целостность сигнала
Целостность сигнала обычно лучше при жестком подключении, особенно в средах с большим количеством электромагнитных помех (ЭМП) по сравнению с последовательной связью.
7. Пригодность
Лучше всего подходит для небольших систем или в сценариях, где надежность и скорость имеют первостепенное значение.
8. Безопасность
Аппаратные вводы-выводы в основном используются в критически важных для безопасности приложениях, таких как приложения управления промышленными процессами, где контуры управления имеют решающее значение.
Последовательный ввод-вывод
Основные моменты, которые нам следует обсудить относительно последовательного ввода-вывода, перечислены ниже.
- Сериализация данных
- Связь на основе протоколов
- Масштабируемость
- Возможности работы в сети
- Обработка данных
- Расстояние
- Уязвимость
- Стоимость
- Безопасность
1. Сериализация данных
Последовательные вводы-выводы передают данные по одному биту за раз, обычно по одной линии данных. Это отличается от параллельных систем, которые отправляют несколько битов одновременно. У нас есть отдельные провода для каждого сигнала в аппаратных вводах-выводах, но последовательные вводы-выводы обычно имеют один кабель для передачи/приема всех данных.
2. Протокольная связь
Обычно они полагаются на устоявшиеся промышленные протоколы, такие как Modbus, PROFIBUS или Ethernet/IP для связи, которые стандартизируют обмен данными между устройствами.
3. Масштабируемость
Последовательные вводы-выводы, как правило, более масштабируемы. Добавление дополнительных точек ввода-вывода часто требует просто настройки существующей сети без необходимости в дополнительных кабелях обратно к контроллеру.
4. Сетевые возможности
Последовательные вводы-выводы можно легко объединить в сеть, и они часто имеют встроенную диагностику, что делает их более универсальными, но также добавляет сложности.
5. Обработка данных
Последовательные вводы-выводы более универсальны, когда дело касается обработки данных. Они могут передавать по сети более сложные типы данных, включая действительные числа и строки.
6. Расстояние
Они лучше подходят для приложений, где точки ввода-вывода расположены далеко от контроллера ПЛК или РСУ. В некоторых случаях нам могут понадобиться некоторые специальные устройства, такие как повторители, шлюзы и т. д.
7. Уязвимость
Поскольку они основаны на протоколах, последовательные вводы-выводы могут быть более уязвимы к таким проблемам, как конфликты данных, задержка и другие проблемы, связанные с сетью.
8. Стоимость
Хотя первоначальные затраты на настройку могут быть выше из-за сетевого оборудования, долгосрочные затраты могут быть ниже, особенно для систем, требующих частых изменений или масштабирования.
9. Безопасность
Последовательные вводы-выводы никогда не используются в критически важных для безопасности приложениях, поскольку повреждение основного кабеля может привести к полному отказу данных.
Выбор между аппаратным и последовательным вводом-выводом
Выбор между ними часто зависит от различных факторов, таких как размер системы, требуемая скорость работы, безопасность, сложность данных и соображения стоимости. Инженеры обычно проводят подробный анализ, иногда даже используя оба типа в разных разделах одной системы ПЛК или РСУ, чтобы использовать преимущества каждого. Например, аппаратный ввод-вывод может использоваться для критически важных для безопасности приложений, в то время как последовательный ввод-вывод может использоваться для задач сбора и мониторинга данных.
Сравнение между аппаратным вводом/выводом и последовательным вводом/выводом
В таблице ниже показаны различия между аппаратным вводом/выводом и последовательным вводом/выводом.
| Параметр | Аппаратный ввод-вывод | Последовательный ввод-вывод |
| Тип соединения | Прямое, соединение точка-точка | На основе протокола, обычно сетевое |
| Скорость передачи данных | Обычно более быстрая, обработка в реальном времени | Может быть медленнее из-за сериализации (в зависимости от протокола) |
| Сложность | Может быть медленнее из-за сериализации (в зависимости от протокола) | Более управляемая сложность |
| Масштабируемость | Сложно и дорого масштабировать | Проще и дешевле масштабировать |
| Надежность | Выше из-за меньшего количества точек отказа | Может иметь больше точек отказа |
| Проводка | Требуется обширная кабельная разводка | Меньше кабелей, часто всего одна линия данных |
| Целостность сигнала | Лучше в средах с высоким уровнем электромагнитных помех | Может быть восприимчив к электромагнитным помехам |
| Поддерживаемые типы данных | Обычно аналоговые сигналы 4-20 мА, 24 В постоянного тока для цифровых сигналов. | Может быть выше из-за сетевого оборудования |
| Расстояние | Подходит для более коротких расстояний | Может обрабатывать более длинные расстояния |
| Стоимость (начальная) | Ниже для небольших систем и выше для более крупных систем | Высокая (зависит от протокола) |
| Стоимость (обслуживание) | Выше из-за сложности устранения неполадок | Обычно ниже |
| Гибкость | Ограниченная; сложно модифицировать | Очень гибкая; легко модифицировать |
| Избыточность | Сложно и дорого внедрять | Проще и дешевле внедрять |
| Приложения безопасности | Часто используется для критически важных для безопасности | задач Реже используется для критически важных для безопасности задач |
| Диагностика сети | Ограниченная или отсутствует | Часто встроенная |
Когда речь идет о безопасности в системах ПЛК и РСУ, аппаратные вводы-выводы и последовательные вводы-выводы имеют разные характеристики, которые могут либо повысить, либо потенциально поставить под угрозу безопасность промышленного процесса.
Ниже приведена сравнительная таблица, сосредоточенная исключительно на аспекте безопасности этих двух типов систем ввода-вывода.
| Аспект безопасности | Аппаратные вводы/выводы | Последовательные вводы/выводы |
| Надежность | Как правило, более высокая надежность за счет прямых соединений и меньшего количества точек отказа. | Протокол и сетевые, что приводит к большему количеству точек потенциального отказа. |
| Реагирование в реальном времени | Отлично подходит для реагирования в реальном времени, часто используется при аварийных отключениях и защитных блокировках. | Может испытывать задержку из-за перегрузки сети или ограничений протокола, что делает их менее подходящими для немедленного действия. |
| Сложность системы | Более низкая сложность, как правило, облегчает выявление и решение проблем безопасности. | Сложность сетей и протоколов может усложнить определение первопричины проблем безопасности. |
| Целостность сигнала | Менее восприимчив к электромагнитным помехам (ЭМП), что повышает качество и надежность сигнала. | Потенциально более восприимчив к ЭМП и ухудшению сигнала, что может поставить под угрозу безопасность. |
| Целостность данных | Поскольку это, как правило, точка-точка, повреждение данных менее вероятно. | Более подвержен проблемам целостности данных из-за сетей, что увеличивает риск сбоев, связанных с безопасностью. |
| Человеческая ошибка | Менее подвержен ошибкам конфигурации, влияющим на безопасность, из-за своей простоты. | Большая вероятность человеческих ошибок во время настройки или обслуживания, влияющих на безопасность системы. |
| Аварийные ситуации | Часто предпочтительный выбор для критически важных для безопасности систем, таких как аварийное отключение, из-за быстрого времени реагирования. | Обычно не используется для задач немедленного действия из-за возможной задержки и других проблем, связанных с сетью. |
| Безопасность | Меньше подверженность кибератакам, так как они, как правило, не подключены к сети. | Более уязвимы для киберугроз, которые могут поставить под угрозу безопасность, из-за сетевых возможностей. |
| Встроенные функции безопасности | Функции безопасности часто жестко запрограммированы и несложны, что делает их надежными. | Могут иметь встроенные протоколы безопасности, но они могут быть скомпрометированы проблемами сети. |
| Сертификации | Проще сертифицировать для критически важных для безопасности приложений из-за меньшей сложности и более высокой надежности. | Может потребоваться более обширное тестирование и сертификация из-за сложности сетей и протоколов. |
Выбор между Hardwired и Serial I/O с точки зрения безопасности часто склоняется в пользу Hardwired I/O для критически важных приложений безопасности из-за их внутренней надежности и возможностей немедленного реагирования. Однако общая безопасность системы определяется не только типом используемого I/O; на нее также влияют такие факторы, как конструкция, методы обслуживания и компетентность эксплуатационного персонала.