【通往工业4.0之路】机电一体化技术对于工业4.0 的意义
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2017年3月刊，原标题为：机电一体化对于工业4.0 的意义
灵活和可扩展的机电一体化技术是实现工业4.0 的基础。将复杂的运动控制和自动化转化为便于使用的驱动解决方案是工业4.0在运动控制中实施的关键。
与工业4.0相关技术的迅速发展，提高了内置智能机器的效率、性能、以及可访问性，因此被某些人称为下一次工业革命。 机电一体化机器设计和工程为工业4.0项目的成功实施提供了基本的构建模块。
通向工业4.0之路
第一次工业革命，使纺织行业和其它行业诞生了第一批工厂，推动这些行业向基于煤和蒸汽动力设备为基础的机械化生产的转变。第二次工业革命以电力和内燃机的广泛使用为标志，规模化生产带来了更新、更快的发展。第三次工业革命以数字制造技术、互联网技术和再生性能源技术的重大创新、融合与运用为代表，半导体、计算机以及能源技术的快速发展，大大提高了制造业和过程工业的生产和能源利用效率。被称为第四次工业革命的工业4.0，则充分利用了数字化和自动化技术。物联网（IoT）技术的引入，使模块化组件和数字控制通信成为可能。物联网为工业4.0提供有可能让系统更快、更可靠、更灵活、更具扩展性的一个潜在的巨大平台。让工业4.0如此强大的是几乎在世界任何地方、以近乎实时的方式进行最低层级的数据通讯和分析的能力。
随着更多的传感器、机器和运营连接到互联网和云平台上，工业4.0已经获得指数级的增长。企业将是物联网解决方案的最高层的应用，可以降低运营成本，提高生产力，扩大新市场或开发新产品。
根据最近进行的一项业内调查结果，超过一半的企业高管已经接受基于物联网的系统或计划这样做。超过80%的人认为，物联网技术的应用，对于未来的成功至关重要。嵌入式智能和无线传感器已经应用到工业车间和运营管理。数据分析公司Lux Research在一份物联网产业报告中预测，截止 2020 年，全球工业物联网产值将达到 1510 亿美元。
运动控制的新挑战
在自动化与机器人领域，连接技术的发展进步，促进了对基于机器的、机器对机器（M2M）、和机器对网络（M2N）技术的需求。机电一体化机器的发展，推动了工业4.0实施的进程。相互连接的电机驱动自动化和基于控制的生产线和应用，推动了对关键设备的监控和资产管理策略的应用，从而进一步改善性能、增加正常运行时间、以及延长自动化设备和机器人的使用寿命。
基于云的应用程序，使得执行复杂控制功能、数据聚合、监测、以及机械设备的诊断成为可能，而以前这些只能在工厂和企业层面访问。
新供应链模型和更短生产周期的要求，需要具有一定的灵活性，只有这样才能减少机器开发时间和交钥匙系统的集成。随着工业过程越来越多的相互连接在一起，机器设备制造商和运营商需要更大的灵活性和更短的交货时间，来实现智能机器的设计和调试。
了解机电一体化运动控制的角色，对工业4.0项目的成功实施十分关键。在制造、包装、物流和物料处理中，自动化和数字技术必须从提高运营效率和性能可扩展性方面满足多个目标。
具有高效率减速机和智能电机的分布式驱动解决方案，可以确保用户在不同的应用场合实现更大的生产能力和可靠性。
管理复杂性，是机电一体化机器设计的核心，实施物联网计划需要大量复杂的工程功能。高效的生产制造和装配，始于高效的运动控制。运动通过驱动轴、齿轮和电机、变频器或伺服驱动器逐一传递。自动化是一把双刃剑——在改善生产力的同时，也增加了系统复杂性，比如运动规划、控制系统、以及与网络的集成（无论是基于互联网还是基于云的平台）都要变得更复杂。
更复杂的是，大多数工厂的运营，仍要使用某些在线运行时间可能超过十年或更长时间的老旧系统。电机驱动器、可编程逻辑控制器（PLC）和其它老旧设备，必须对其通讯协议是否能与最新的物联网技术通信的兼容性方面做出评估。
机电一体化使系统简化
工业4.0受益于多学科交叉的机电一体化技术，来降低不断融合的信息技术（IT）和运营技术（OT）的复杂性。通过简化设计、调试和运行，机电一体化工程可以开发出更好的机器设备。通过让机器设备制造商来调试、编程和连接设备，机器的自我优化、选型适当的先进电机和变频器系统可以使生产制造和供应链自动化更灵活、更快、效率更高。
例如，具有先进功能的变频器，可以支持最新和传统的机器连接。基于参数化编程技术、智能电机驱动技术的制造，可以加速机器运动编程从概念到部署的各个阶段。参数化编程使其比传统编程更易于调试。将智能驱动器上线，不再需要特殊培训。同样的原则适用于调试过程中变频器的参数化。在某些情况下，只需要Wi-Fi和可插拔内存模块就可以在一分钟内复制和调试所需要的参数。
减少变量的数量，简化了机器和运动控制。将电子元件和软件集成到驱动机构中形成一个集成单元，当它与智能软件结合时，就能以恒定扭矩变速运行，从而获得广泛应用。通过调整不必要和不同的变频器系统变量，电机旋转速度可自由调整，并可以通过移动设备进行远程控制。
智能电机现在可以将速度控制驱动技术的传统领域与工业4.0相结合，通过将线电压驱动电机的简单性与电子驱动控制单元的优点相结合，为移动用户提供对电机控制的最佳远程访问。 将电机和变速箱与可变电机速度相结合的高效模块化驱动解决方案，通常也可以实现与电机和变频器相同或更好的性能。
机器软件也已经模块化。应用模板是实用的工程工具，使精密和复杂的运动控制更容易获取，更容易理解。模块化的软件模板，更容易实现参数化驱动。不论是集中式、基于控制器的系统，还是分布式、基于驱动的平台，模块化控制系统都可以使用基于EtherCAT、PLCopen和其它工业标准的自动化拓扑结构。
越来越多的互联网协议（IP）、传输控制协议（TCP / IP）、开放系统架构正在向工业领域发展，有些在新装置中的应用甚至超过了专用的现场总线网络。电机驱动连接，可以提供不同形式的无线和现场总线通信，包括以太网，多输入/输出（I/O）接口，以及键盘、USB或无线局域网（LAN）模块等插件选项。可用的接口选项，简化了调试、参数设置和连接。无线、I/O、和即插即用选项，使实时数据传输到网络和基于云的控制和分析成为可能。
开放标准编程，赋予操作员在过程级别上的控制能力，还可以使用同一控制器集成上、下游驱动控制任务。开放标准环境增加了网络接入点，这是一把双刃剑。需要对工业连接和控制进行评估，以便识别潜在的网络风险，采取相应的预防措施。具有内部控制、PLC安全检测系统，并配备了用户权限管理的控制平台，能够支持多层网络安全协议。美国国家标准与技术研究所（NIST）的网络安全框架，提供了工业网络和物联网连接设备安全控制的具体实施指南。
打好工业4.0的地基
工业4.0的未来愿景是希望在世界任何地方，获得身份认证的用户都可以访问数据分析、控制生产、并执行预防性维护，从而可以提高生产能力，改善盈利水平。机电一体化运动控制系统是实现这一切的基础。
有了合适的工具，就可以在更短的时间间隔内推出智能机器。能源效率植根于现代驱动技术。编程易用性和控制访问，意味着运行人员可以受益于更高的生产率，易于维护和减少停机时间。以运动为中心的自动化解决方案，纳入了人体工程学操作理念、用户友好、多点触摸、人机界面的操作系统，以便实现过程可视化，更易于集成，从而达到支持网络和与工业物联网（IIoT）设备的连接和控制。
显然，在工业4.0时代，机电一体化比以往的关联度更高。灵活和可扩展的驱动技术，可以提供更高效的数据流、可视性和控制，并可将机器数据安全的发送给（或接收）网络或云，以便实现实时的决策、诊断、维护和预测分析。将复杂的运动控制和自动化转化为便于使用的驱动解决方案是工业4.0在运动控制中实施的关键。