智能气动技术——自动化的新维度

图片来源：Festo

作者 | Sandro Quintero

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智能气动技术为工业4.0提供了灵活性。信息物理系统（CPS）可以帮助阀门实现更大的连通性和智能性。

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智能气动技术将标准化与灵活性相结合，推动气动技术进入工业4.0 时代。智能气动技术将传统气动技术的优点与受控和复杂的电动运动控制的优点结合起来。尽管简单，但它集成了比常规技术更多的功能。随着技术和经济需求的不断提高，自动化正朝着网络化、分散化、智能化和功能集成化的方向发展。

在工业4.0时代，对诸如解释环境信息之类的附加功能的需求也在不断增长。通讯功能，包括使各个组件相互通讯的能力，正在开拓新的领域。这样可以进行更具体的预防性维护，并为自动调节系统的自主生产扫清障碍。

 机电一体化的现状 

常规机电系统将机械系统、电子设备、控制技术和信息技术结合在一起，使它们能够在实际的自动化应用中进行交互。它们是确保将气动装置集成到机电应用中的唯一方法，并且对气动驱动器的精确定位至关重要。

模块化的机电一体化系统有助于广泛的功能集成，如提高系统的适应性和标准化程度。这将导致整个价值链的系统改进和优化，因为需要选择、采购、组装和连接的组件更少。数字通信还具有其它好处，例如减少电磁兼容性（EMC）对模拟值的影响，有助于排除系统故障。

▎Festo 智能阀门配置了工业以太网、通过应用程序实现灵活功能的控制器、带有用于闭环控制的传感器、模拟和数字输入以及集成压力和温度传感器的阀门。

 缺乏灵活性 

尽管模块化机电一体化系统有很多好处，但灵活性仍有提升的空间。只有在进行昂贵且费时的升级改造后，才能在设计和工程流程中进行系统适配改造，或者在运行期间进行更改格式所需的参数变更。

模块化设计提供了一定的灵活性，但仅在特定模块范围内。一般规则是，在设计阶段必须考虑任何可能的参数变更。根据以往经验总结出来的“10倍规则”，后续调整的成本可能将会增加10倍。不管是需要更改大小以适应负载变化，或是添加最终客户需求的新功能，都没有什么区别。

 信息物理系统 

尽管信息物理系统（CPS）存在许多定义，但并没有公认的定义。但可以肯定的是，CPS将在工业4.0应用中扮演关键角色。

就基本结构而言，CPS是机电系统，但它还集成了智能传感器和更强大的软件智能。通过CPS可以使用内部记录的数据来预先确定外部影响，而无需额外的传感器，然后通过合适的通信接口与其它系统，在内部和外部共享此信息。

这种系统可以在不需要新的或附加硬件的情况下进行自适应，因为功能自适应可以使用软件和应用程序执行，或者系统自动调整，或者通过控制系统指令执行的。

工业4.0的实施要求（例如系统范围的数据应用）取决于系统和产品，因此应用可能会受到限制。原因很简单：由于没有数据接口，传感器记录在设备中的数据无法与其它工作站共享。例如，比例阀中测得的温度数据，仅在对阀本身的处理中应用。即使可以提供确定诸如控制柜中风扇是否有故障的手段，也不会执行其它诊断功能。

未来的制造业工厂需要能够集成传感器和工业4.0接口的产品。这个接口必须符合数据管理和通信的国际标准。作为IEC62541系列标准的一部分发布的软件接口标准OPC统一架构（OPC-UA）就是一个很好的例子。

▎由于可以通过软件应用程序快速激活新功能，因此机器开发人员可以创建基本的机器类型，然后根据选择的应用程序，为其配备不同的功能和特性。

 柔性技术和工业4.0 

在气动部件中，执行器以桥式电路形式连接，这也是推动工业4.0向前发展的新技术之一。带有集成智能传感器的4个2/2压电式先导阀和隔膜提升阀，提供了极大的灵活性。与传统的机电一体化系统相比，这些智能传感器直接嵌入在智能阀岛中。这意味着，不再需要通过配置器来选择单独的压力测量传感器模块。由于压力测量传感器可用于诸如诊断功能之类的任务，因此也扩展了功能范围。

· 4 个2/2 隔膜提升阀串联连接以形成全桥。

· 每个隔膜提升阀（ 灰色）均由2 个压电阀（蓝色）按比例控制。

· 数字控制活塞可以承担在常见的方向控制中广泛应用的机械控制活塞的功能。

 智能阀岛技术 

得益于可下载的运动控制应用程序，智能阀岛可将传统的2/2通、3/2 通、4/2 通或4/3 通阀功能，以及比例技术和伺服气动功能整合到一个设备。所有这些功能都可以使用运动控制应用程序在CPS中实现。这很特别，因为所有这些都可以用同一种类型的阀完成。

该阀结合了气动和电气自动化技术的优势。智能气动阀将复杂的运动、可变的位置、状态监视和其它功能集成到一个组件中，同时消耗更少的能量。

与“硬连线”的常规系统相比，智能阀岛在灵活性、实现速度和总体经济效益方面要高得多。由于更改系统中的参数，并不一定意味着需要修改硬件，因此“10倍规则”不再适用。即使在设计阶段之后的某个阶段需要进行变更，其成本也较低。

 自动化的新维度 

数字化将对制造业产生了重大影响。CPS首次启用了将机械系统、电子设备和软件结合在一起的解决方案，并使系统为包括气动在内的工业4.0应用做好了准备。与模块化机电一体化系统相比，它们将高度的标准化和灵活性结合在一起，这令人印象深刻。由于智能气动阀将气动功能与机械硬件分离开来，并通过应用程序使它们可用，因此就可以使用一种阀执行多种气动运动任务。这为整个价值链带来了很多可衡量的收益。

CPS解决方案可实现复杂的运动控制，例如缓慢回撤到最终位置，以及各种速度曲线或定位任务，这些之前只能通过伺服气动或电气自动化来实现。它们还使实现各种功能、状态监视、预防性维护变得更容易，并且降低了能耗。实施CPS可以简化流程，提高生产率和流程可靠性，从长期看来，为购买CPS而付出的任何更高的成本，OEM厂商和最终客户都会得到回报。

关键概念： 

■ 智能气动技术集成了标准化与灵活性，将气动技术推到了工业4.0 时代。

■ 信息物理系统有助于将气动阀连接到其它应用程序，以提高连接性。

■ 智能阀岛技术只需要一种阀，即可执行多种气动任务。

思考一下： 

您的工厂可以从更智能的气动阀中获得哪些好处？