對機器製造廠而言不斷的被要求著要如何提高機器的生產力與製造彈性，但仍可維持獲利。但在使用最有效的技術以及縮緊預算之間，很難找到平衡點。採用分散式輸出入系統連接至工業網路，讓輸出入資料跨越機器和外部機櫃連接，此分散式輸出入技術的新發展，不但可降低每個控制點的設計成本、減少總構件數量與系統硬體成本、也減少了整合時間。
本白皮書的目的是為了讓從事機器製造的控制工程師瞭解工業網路“分散式模組化I/O”的優點，及如何在製造設備時選擇最佳的機櫃外部控制方案。
網路式輸出入裝置市場簡介
當工程師開始將感測器與促動器(actuator)安裝於機器上時，分離式輸入及輸出訊號裝置就已經成為工業自動化的要角。現在，市場上的需求都期望從每個生產程序中獲得更多的資訊，目前的感測器技術與控制裝置已經可以提供這個層級的細節資訊的擷取。然而，每個工程師的挑戰是這些控制解決方案必須同時達到成本最佳化及容易執行的需求。
對工業網路有興趣的人逐年在增加中，大多數人最主要的焦點是工業用乙太網路的解決方案。預期在2009至2014年之間，在美國安裝乙太網路節點數量的成長速度將會超過60％。52.5％的已經聯網節點或還在評估的工業網路皆與輸出入有關。但許多人也發現在全球化的經濟狀況下，使用工業網路尚有些重大的障礙。VDC 的研究中，有超過43％的設備商指出，執行的高成本及缺少內部資源是他們配置工業網路時遭遇到的最大阻礙。這意味著終端用戶因多種理由希望採用乙太網路，包含I/O，但由於想找到更為省錢的方案，使他們躊躇而猶豫不決。
從圖1中可見，當問起投資工業網路方案的最大動機時，有77.6％的回答者指出，他們最感興趣的是即時資料的擷取，期望從工廠現場得到更多的資訊是刺激工業網路市場的需求最大的原動力。67.2％的回答者表示提昇設備的生產力是主要的考量。這報告的結論是，改良資料的存取能力及提昇機器的產能，是可以有效的提高成功率及機器設計的整體價值。
然而，所有的一切還是要回歸到成本考量。在controlseng.com影片“製造帝國” (The state of manufacturing)中，Bernie Anger分享指出，他的客戶所面臨最大的挑戰是如何改善風險管理、資金效率及運作彈性。“我們要怎麼確訂公司可以有能力維持在更高效率之下正常運作？”在全球化且充滿競爭的商業環境裡，對於所採用的技術都得仔細評估其所能回收的每一分利益。
低廉的控制設計 執行一個不熟悉的技術很容易造成工程師心理上的負擔。每個終端用戶的需求皆不相同，今天的工程師們都在尋找如何能容易的滿足終端用戶所期望的功能升級或各種功能選項等客製化的需求（即使在機器安裝後也要很容易達到）。如何以成本有限下提昇機器設計的最主要挑戰有下列三項：提高產量與正常運作時間以創造價值、降低機器總成本、及如何讓機器在諸多競爭者中能與眾不同。
我們的機器已經達到速度的極限 雖然大部分的機器都已經是有很高的產能，但永遠有無止境的需求期望能達到更高的產量。當機器上的機械零件或控制已經達到其能力的極限時，則可靠度及正常運轉時間就成了終端用戶最擔心的事。對所有製造商而言，正常運轉時間即等同於賺錢金額，而此種價值絕對不可輕忽。如何讓維修團隊及作業員能根據清晰的診錯訊息，簡單的找出故障零件，在短時間內讓機器恢復運轉，並減少維修期間的爭論。藉由降低機器維護循環也能夠明顯的提昇機器產量。
總機器成本不斷攀升 工業商品及材料價錢不斷上漲，但最終用戶卻不願為此成長中的全球經濟付出更多鈔票；所有機器製造商不得不接受降低工程成本、零件成本、及機器結構成本的任務。在工程運作中，報價過程總是耗費時日且令人沮喪，快速報價雖十分重要，但更重要的是要有精準的報價。若不管選用PLC或工業網路，每次都可以指定相同組件，那就是美事一樁。 在產品開發與機器安裝中，製造商的勞力成本、機器拆解及在終端用戶的現場安裝費用都有可能將專案利潤吃光。所以該怎麼降低控制箱成本呢？又該怎麼降低安裝的勞力成本呢？
我該怎麼讓我的公司與機器能夠更傑出? 設備商之所以會對工業網路感興趣的兩個主要推力是即時資料的存取與生產力的提昇；另外讓設備商感興趣的事是容易升級與品質控制。因此除了需提昇產能，著重在更多資料輸出是能讓機器與眾不同的主要因素。此外，機器必須能根據個別終端用戶的需求來隨時擴充或很容易的修改。但我要怎麼從我的設備中得到更多回饋、偵錯資訊、與資料？我要怎麼在我的機器上增加彈性使它較其他公司產品更加傑出？又，人們過去是怎麼解決這些問題？ 分散式輸出入的演化過程 PLC控制器從1970年代開始流行，使用越來越廣泛。數十年來，在自動化過程中，蒐集input及output訊號開始有分散式控制的需求。在過去四十多年，我們可以清晰地看到現場裝備與I/O連接的明顯演化過程。
靠導線連接的I/O 與接線盒 傳統上，就像圖2所示，連接的I/O裝置的每條導線都分別的拉到控制箱。每個感測器都有一條電纜穿過線槽，接到控制箱；愈多感測器或輸出點就表示需要愈大的控制箱。這種靠導線連接I/O意味著會特大號的線槽，不然就是電纜線塞爆管道。如圖3的接線盒範例，多少解決了這方面的部分問題，但控制箱的問題仍然存在。現階段依然有很多工程環境還在使用這兩種方法，但最近因簡化安裝步驟、安裝的人力成本、及環保因素的需求而需要重新檢視此方法。
工業化網路
在1990年代初期，工業現場匯流排( fieldbus)開始獲得青睞，這對控制系統引導出一個方向，工業網路可以聰明的在多種裝置間蒐集比以往更多的資訊，使得半數以上的設備商認定其產業的未來需要建在工業網路上。如圖4所示，這項技術將許多I/O端點簡化至一條網路電纜，不但縮小控制箱、簡化硬體安裝手續，而且直接就安裝在機器上。輸出入資料在控制箱外蒐集，藉著一條工業網路，獲取處理程序的資料與機器的健康狀況。
下一個演化
工業網路和PLC品牌有很強的連結性，只有某些PLC可以和某些網路相互溝通。心中要切記著某個控制裝置需選擇某唯一的工業網路及控制器來減少系統組合的力氣。機器上的各種組件需要有許多不同種類的資料，如分離式的輸出入點、類比通道、閥門控制、識別用的資訊、偵錯的資訊等。這個技術允許控制設備接受任何裝置，而不管最終用戶選擇那種工業網路或控制器，機器製造商都能在設計及開銷上更具彈性且節省成本。
答案揭曉: 分散式模組化I/O
許多工程師欲使用最有效的技術來創造更低廉的機器時，想到的答案通常都會自限在控制裝置上。但時代的趨勢已經轉向分散式模組化I/O這條路上，不但改善產能、提昇彈性，又能降低控制設計費用及製造成本。使用分散式模組化I/O方案，從網路通訊中分離出一個個的I/O，將這些分散式的I/O直接安裝在機器上。
有別於群體式I/O方案，分散式模組化I/O對於可以收集的資料形式更富彈性。兩種方案的共通點都是屬於分散的形式；群體式I/O方案在於其節點係僅限於使用某一特定的資料形式:如，分散式I/O點、多樣閥門、識別資訊、或是智慧式感測器配置。每種資料形式都需要一個節點或IP位址，安裝時需要更進一步的網路設備及輔助的電源佈線。網路利用單獨的分離式I/O會將網路佈線暴露在嚴苛的環境中，聯網會由於設備的損壞而失敗。分散式模組化I/O則在製造環境十分嚴苛的狀態下還能讓網路能正常運作。
在集中式的I/O或傳統的遙控式I/O方案中，都需有大量的電纜線集中到中央位置，大量的纜線引入大型機殼中。體積龐大且安裝費時，集中式的I/O需要很多安裝及開發時間。 分散式模組化I/O方案使用標準連接器與熟悉的裝置，讓安裝人員可以迅速安置及測試I/O硬體；更進一步，分散式模組化I/O還可以讓使用者在機器上按照輸入/輸出裝置的確實需求，精確的放置在機器上需要的位置上，減少拉到控制櫃的配線數量。
分散式模組化I/O從以往的I/O裝置上選用最好的組件，組成有彈性且節省成本的I/O方案。適當的分散式模組化I/O方案保護等級可達IP67(可放於控制箱外)，且可分散多種I/O資料。分散式的I/O, 從簡單的接點到自動視覺判讀，可以把類比式的I/O訊號放在機器上的任何地方，再以合於工業標準的快速連接器來蒐集其訊號，控制器內再也不需要裝一片類比卡或使用長長的隔離電纜從設備穿過接到控制箱。它還可以連接閥門開關，或與智慧型感測器及RFID處理器溝通，分散式模組化I/O將所有資訊蒐集至1個IP或節點位置，再透過工業網路與控制器溝通。
五大使用分散式模組化I/O方案的理由 於控制設計中導入分散式模組化I/O系統能明顯感受到下列幾個優點:
1.簡化控制報價流程
無論是選擇品牌PLC或工業網路，I/O都使用一樣的組件。機器到機器間控制裝置的價格皆為標準化，計算簡單。
2.裝配團隊可支援額外的專案
建置控制機組為技術性的工作，裝配團隊的時間大多花在組裝與配線與測試。具有IP 67保護等級的分散式I/O方案可直接在機器旁快速安裝且不需花費太多勞力。每種產品都能直接使用標準工業連接器配線，安裝快速。如此，使裝配團隊的組裝線每年能支援更多專案。
3. 備用價值的最佳化
在設計之初即包含一些備用的I/O點，供未來的發展或修改之用。不管是客戶需要再加入一些感測器或加上一個類比訊號到機器上，本來備用或額外的設計都會需要額外再花一筆支出；但使用這個方案，備用的連接點可成為未來的任何額外的I/O需求之用，不需再額外加大控制機櫃的空間。
4.保護網路完整性
在任何機器設計中，如何減少機器上的工業網路電纜佈線裸露的機會是極重要的考量。使用分散式模組化I/O方案，網路電纜佈線可避免拉到易受損傷的地方，僅讓個別的I/O裝置配線暴露在險惡的環境下。
5.降低每個節點的總成本
為閥門開關平行佈線或為一組分離式感測器拉線是相當耗費人力的。有類比設備時，需要採用隔離式電纜與4通道的類比輸出卡，當只要一個類比通道時，成本更顯得非常昂貴。分散式模組化I/O不但降低了硬體組裝的工時，且容易客製化以減少I / O硬體成本。
分離式模組化I/O是如何工作？
試想一個模組式的I/O方案，傳統應用上，通訊端和電源供應組皆在左手邊，然後沿著控制背板插槽，再往右邊就是各種I/O裝置。通常控制背板插槽數量有限，用以插入一片片的控制組件(如，分離式24V輸入卡或0-10V類比卡等)。同理，分散式模組化I/O系統的配置也大致相同，有一個負責與工業網路聯繫的通訊端在左邊，右邊則像個主控器(master)來蒐集資料。取代了控制背板的是，每個副機(slave)皆使用簡易的3線式感測器電纜連接至工業標準M12連接埠。可將副機安裝在主控器20米半徑內的任何方向的機器上，離所接的感測器或驅動器都很近。
I/O Link是一種開放式的點對點技術，其分散式模組化I/O系統不附屬於任何一種現場匯流排(fieldbus)之下，既容易配置且供應商中立，處理中的資料在控制器中以批次的位元組(packet of bytes)顯示，容易整合，不需要以手動方式到每個裝置去配置，重新配置或擷取其資源的管理資訊。事實上，假如沒有IO-Link的話，你可能根本就無法存取資源的管理資訊，因此，由於有已經參數化的資料，讓我們可以使用簡單的讀寫命令來進行快速配置。最棒的是，再也不用為附屬匯流排(sub-bus)傷腦筋，也不用學習新的通訊協定。
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