THOMSON電動(dòng)推桿滿足對更高連接性、應(yīng)用靈活性和成本效率日益 增長的需求

智能執(zhí)行器滿足對更高連接性、應(yīng)用靈活性和成本效率日益 增長的需求 

執(zhí)行器始終處于自動(dòng)化的前沿，提供了擴(kuò)展人類能力的“推拉”動(dòng)作，從而能夠 操作從精細(xì)作業(yè)、機(jī)器人、拾取放置應(yīng)用，直到 10 噸農(nóng)業(yè)聯(lián)合收割機(jī)的各種應(yīng) 用。現(xiàn)在，隨著工業(yè)界日益數(shù)字化和互聯(lián)化，新一代執(zhí)行器在克服越來越嚴(yán)峻的 環(huán)境條件的同時(shí)，正在變得更智能、更簡單和更經(jīng)濟(jì)。 

智能驅(qū)動(dòng)簡史

 從機(jī)械驅(qū)動(dòng)向電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的演變始于 50 年前的信息時(shí)代初期，當(dāng)時(shí)的執(zhí)行器設(shè)計(jì) 師開始通過添加外部設(shè)備（例如繼電器和位置監(jiān)測裝置）來滿足對機(jī)械操作更多 信息的需求。早期的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍然需要一些人工干預(yù)，但是由于對更方便的操作、 更高的性價(jià)比和環(huán)境保全的市場需求推動(dòng)了執(zhí)行器設(shè)計(jì)創(chuàng)新，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在上世紀(jì) 七十年代開始出現(xiàn)變化。 最關(guān)鍵的創(chuàng)新是將微電腦芯片內(nèi)嵌到執(zhí)行器中。這一創(chuàng)新始于上世紀(jì)九十年代并 且在新世紀(jì)大放異彩，它使得以前的外部功能（如開關(guān)、位置反饋和系統(tǒng)診斷） 能夠集成到執(zhí)行器中。在 2013 年，Thomson Industries 公司推出了第一種帶嵌 入式標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡的執(zhí)行器，簡化了網(wǎng)絡(luò)間參與。智能驅(qū)動(dòng)正式成熟。 現(xiàn)在，由于執(zhí)行器用戶仍在為其操作尋求更好的易用性、連接性和可視性，更智 能的執(zhí)行器正在不斷推出。這些執(zhí)行器配備完善，可提供更好的控制和可靠反饋， 同時(shí)支持在十年前幾乎無法想象的應(yīng)用開發(fā)。 智能執(zhí)行器將電子元件集成在執(zhí)行器外殼內(nèi)，能夠根據(jù)來自常見外部源（如可編 程邏輯控制器（PLC））的信號自動(dòng)控制開關(guān)、同步和聯(lián)網(wǎng)。 

集成電子元件的優(yōu)點(diǎn) 

通過在執(zhí)行器外殼內(nèi)集成電子元件，智能執(zhí)行器能夠根據(jù)來自常見外部源（如可 編程邏輯控制器（PLC）或者其他控制單元）的信號自動(dòng)控制開關(guān)、同步和聯(lián)網(wǎng)。 參與更復(fù)雜的自動(dòng)化方便變得可行，同時(shí)更緊湊的系統(tǒng)空間簡化了操作并且降低 了擁有成本。 智能驅(qū)動(dòng)被用于許多結(jié)構(gòu)自動(dòng)化應(yīng)用，例如這個(gè)戶外露臺，它使用機(jī)電直線執(zhí)行 器來打開和關(guān)閉百葉窗 實(shí)現(xiàn)這種集成的關(guān)鍵嵌入式功能包括： ?低電平電源開關(guān)。傳統(tǒng)執(zhí)行器通常依靠大型低能效繼電器或獨(dú)立控制器來伸出、 縮回或停止伸縮管。通過使用板載電子元件來控制電源，開關(guān)或觸點(diǎn)的電流可以 從 20A 降低到小于 22mA，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更簡單、成本更低的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。執(zhí)行器 可以編程為使用低電流信號伸出、縮回或停止伸縮管，提供更平穩(wěn)的啟動(dòng)。這可 以降低觸電危險(xiǎn)，從而提高安全性，通過允許使用更低額定值的控制部件來簡化 設(shè)計(jì)，并且降低對系統(tǒng)電池和充電系統(tǒng)的壓力。 低電平電源開關(guān)還通過動(dòng)態(tài)制動(dòng)改善了位置控制。一旦切斷執(zhí)行器的電源，根據(jù) 執(zhí)行器的安裝方式，它可以在 5 到 10 mm 的慣性滑動(dòng)后達(dá)到完全停止。電動(dòng)執(zhí) 行器能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)制動(dòng)功能，通過電子方式強(qiáng)制執(zhí)行器內(nèi)的電機(jī)引線短路，可以 將慣性滑動(dòng)減少到大約 0.5 毫米。這可以提高重復(fù)精度和定位能力。 ?行程末端指示。出于安全和性能原因，知道執(zhí)行器什么時(shí)候到達(dá)行程末端是非 常重要的。如果執(zhí)行器被用于將設(shè)備鎖定到位，則由輸出觸發(fā)的簡單 LED 燈可 以確認(rèn)其已鎖定并保護(hù)操作人員免遭不安全條件。該功能還可以配置為通知最終 用戶到達(dá)行程末端，提供安全聯(lián)鎖的同時(shí)還延長了執(zhí)行器的工作壽命。 ?總線操作。集成電子元件使得執(zhí)行器能夠應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，例如美國汽車工程師 學(xué)會推薦用于重載車輛控制器局域網(wǎng)（CAN）總線的 J1939 標(biāo)準(zhǔn)。J1939 是一種 高級通訊協(xié)議，為電子控制單元（ECU）控制的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間通訊提供了標(biāo)準(zhǔn)報(bào) 文結(jié)構(gòu)。代表一個(gè) J1939 總線節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行器模塊上的每條消息都帶有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)識符，指示了消息優(yōu)先級、數(shù)據(jù)和 ECU 源。這能夠?qū)崿F(xiàn)共享相同網(wǎng)絡(luò)并且符 合報(bào)文結(jié)構(gòu)的支持設(shè)備的即插即用互換。 圖 1. 采用 CAN 總線的系統(tǒng)。 圖 1 顯示了一個(gè)典型的 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，四個(gè)帶內(nèi)置 CAN 總線兼容智能并且直 接連接到電池和控制源的執(zhí)行器。綠色方框代表可能連接到網(wǎng)絡(luò)的傳動(dòng)裝置、傳 感器或其他部件。橙線代表傳輸系統(tǒng)所需低壓電的兩線總線，藍(lán)線代表用于信息 交換的電線。 雖然 J1939 是一種非公路車輛應(yīng)用中十分常用的通訊協(xié)議，集成電子元件正越 來越多地用于工廠車間、物料搬運(yùn)和其他應(yīng)用。帶集成電子元件的執(zhí)行器現(xiàn)在可 以編程加入涉及工業(yè)通訊協(xié)議（如 HART）和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如以太網(wǎng)）的網(wǎng)絡(luò)和系 統(tǒng)。 ?這種高級位置控制和開關(guān)使得驅(qū)動(dòng)器可以編程執(zhí)行無限數(shù)量的運(yùn)動(dòng)配置文件和 自定義運(yùn)動(dòng)策略。例如，用戶可以編程執(zhí)行器向前移動(dòng)幾毫米，或者進(jìn)行一組前 后運(yùn)動(dòng)來到達(dá)所需位置。由于系統(tǒng)知道應(yīng)該做什么并且可實(shí)時(shí)監(jiān)控性能，它可以 標(biāo)記潛在差異并觸發(fā)高級算法來控制進(jìn)一步的報(bào)警、更正或關(guān)閉。 在機(jī)器中使用智能執(zhí)行器的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)工廠可以通過增強(qiáng)的控制功能和更好的設(shè) 計(jì)靈活性，從降低的維護(hù)和停機(jī)時(shí)間中獲益 ?同步。通過集成電子元件和網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)開發(fā)者將能夠更好地同步多個(gè)執(zhí)行器的 操作。智能執(zhí)行器的用戶將能夠配置啟動(dòng)和停止指令，并且執(zhí)行器電子元件可以 處理同步。 

可靠反饋 

機(jī)電執(zhí)行器通過提供絕對位置反饋（傳統(tǒng)上通過外部電位計(jì)、編碼器、限位開關(guān) 和控制器實(shí)現(xiàn)），在重載、精密應(yīng)用中表現(xiàn)出對液壓驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的優(yōu)勢。將電子 部件集成到執(zhí)行器中提供了可在行程中任意一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)模擬或數(shù)字絕對位置反饋 的額外優(yōu)點(diǎn)。 為了提供模擬位置反饋，內(nèi)部電子器件中模擬的電位計(jì)將發(fā)送電壓信號，向用戶 提供從行程起點(diǎn)到末端的模擬絕對位置、速度和驅(qū)動(dòng)方向。它們還可以記錄位置， 因此如果出現(xiàn)斷電，無需返回到零位并重置執(zhí)行器。由于許多非公路機(jī)動(dòng)（MOH） 車輛都是按季運(yùn)行的，可能會閑置 8 到 9 個(gè)月，因此斷開電池防止其耗竭有時(shí)是 很有用的。如果出廠時(shí)沒有設(shè)置絕對位置功能，則用戶必須在重新連接電池時(shí)重 新校準(zhǔn)。 數(shù)字位置讀數(shù)可以來自一個(gè)集成的霍爾效應(yīng)編碼器，它提供單脈沖數(shù)字信號來指 示增量位置和速度。這可以通過指示實(shí)際位置變化和速度來改善控制。 

更智能的監(jiān)測、診斷和維護(hù)

 除了返回實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)給用戶之外，網(wǎng)絡(luò)還可以返回溫度、電流、速度、電壓和 其他變量的持續(xù)監(jiān)控結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)高級狀態(tài)監(jiān)控、診斷和錯(cuò)誤處理。由于執(zhí)行 器不斷自測，反饋速率可達(dá)每秒 10 次。例如，如果執(zhí)行器檢測到問題（如超出 溫度閾值），執(zhí)行器可以行程中停止或完成其編程運(yùn)動(dòng)（完全縮回或伸出），并 發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)記到計(jì)算機(jī) - 全部在幾分之一秒內(nèi)完成。以下是現(xiàn)在可以空前效率 監(jiān)測的一些變量： ? 電流。電流監(jiān)測是一項(xiàng)重要的安全功能，可在超載時(shí)關(guān)閉執(zhí)行器并且無需傳統(tǒng)的機(jī) 械離合器。 ? 電壓。如果電壓連續(xù)監(jiān)測檢測到執(zhí)行器在可接受范圍以外的環(huán)境中運(yùn)行，則可以通 過防止運(yùn)動(dòng)來保護(hù)執(zhí)行器。 ? 溫度。監(jiān)測執(zhí)行器的內(nèi)部溫度，如果超出可接受的溫度范圍，則執(zhí)行器將在伸出或 回縮行程后關(guān)閉。內(nèi)置溫度補(bǔ)償功能使得執(zhí)行器能夠在低溫下推動(dòng)額定負(fù)載，而不 會出現(xiàn)誤跳脫。 ? 負(fù)載。跳脫點(diǎn)可以在組裝時(shí)校準(zhǔn)，以確?？芍貜?fù)的過載跳脫點(diǎn)，不受部件和裝配變 化影響。這不僅可以確保性能穩(wěn)定性，而且還可以滿足用戶的現(xiàn)場重新校準(zhǔn)需求。 通過集成電子元件，所有這些功能都可以立即提供給最終用戶，并且可以通過網(wǎng) 絡(luò)在外部故障排除中共享。一旦問題被識別，集成標(biāo)準(zhǔn)的即插即用能力可以簡化 維修和更換。如果更換有問題的液壓執(zhí)行器，那么可能需要來自制造商的服務(wù)電 話、數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的拆卸、重新組裝、系統(tǒng)排放和測試，而智能執(zhí)行器則可在 不到 20 分鐘內(nèi)完成更換。 

環(huán)境抗性

 自監(jiān)測能力使得智能執(zhí)行器更易于操作和維護(hù)，而且復(fù)雜的電子器件還可能存在 一定程度的漏洞，也使得這種監(jiān)測必不可少。為了確保可靠運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)可滿 足最嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行器，以防止固體和液體進(jìn)入、承受極端溫度、運(yùn)行振 動(dòng)、沖擊、腐蝕、電壓變化和電磁干擾。 并非所有執(zhí)行器都必須防護(hù)全部環(huán)境沖擊，每個(gè) OEM 制造商都需要自己的標(biāo)準(zhǔn)。 同樣，供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)了自己的一套程序來滿足這些標(biāo)準(zhǔn)。嵌入先前外部裝置的 執(zhí)行器的主要優(yōu)點(diǎn)是出廠時(shí)已經(jīng)符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)一旦安裝就無需重復(fù)。 

智能執(zhí)行器應(yīng)用

 智能執(zhí)行器正在進(jìn)入眾多行業(yè)。MOH 車輛市場是第一個(gè)采用智能執(zhí)行器的市場， 部分原因是擁有現(xiàn)場控制和自動(dòng)化功能可以獲得巨大的成本和性能優(yōu)勢。然而， 所有應(yīng)用都是可考慮的備選市場。以下是已經(jīng)開始“智能化”的一些市場案例： ? 工廠自動(dòng)化。為紡織行業(yè)提供定制工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的供應(yīng)商采用了低電平開關(guān)功能 來替代昂貴的外部繼電器。這使得該供應(yīng)商更易于為客戶提供更緊湊的自動(dòng)化系統(tǒng)。 內(nèi)置電位計(jì)還為他們提供了關(guān)鍵的位置信息。 ? 機(jī)器人。如果沒有智能執(zhí)行器，自動(dòng)代客泊車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員很有可能無法完成他 們的設(shè)計(jì)方案?？蛻粲盟麄兊氖謾C(jī)發(fā)出取車信號，然后執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人裝置會 將車輛交付給客戶。 ? 物料搬運(yùn)。物流掛車的制造商使用執(zhí)行器來幫助提高負(fù)載能力、調(diào)節(jié)運(yùn)行和減少維 護(hù)。低電平開關(guān)、驗(yàn)證定位和行程末端關(guān)閉是物料搬運(yùn)中最常用的功能。 智能執(zhí)行器為物流掛車和自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）提供了精確控制和可靠反饋 一旦智能驅(qū)動(dòng)被引入到設(shè)施的自動(dòng)化過程中，獲益是直接和指數(shù)性的。更好的靈 活性和即插即用功能簡化了機(jī)器設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了控制功能并且降低了能耗 ? 建筑和農(nóng)業(yè)設(shè)備。一家初創(chuàng)的聯(lián)合收割機(jī)制造商使用了 J1939 聯(lián)網(wǎng)功能，以通過具 有吸引力的產(chǎn)品進(jìn)入市場。它能夠提供 5 個(gè)軸上的執(zhí)行器集成控制，包括除石器門、 門閂、梯子、糧箱和螺旋鉆。 ? 太陽能。為了最大限度地儲存能量，許多太陽能電池板必須同步移動(dòng)以跟隨太陽。 一家太陽能電池板制造商通過智能執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)了追日，并且充分利用了內(nèi)嵌的 J1939 CAN 總線兼容性。 非公路機(jī)動(dòng)車輛是一個(gè)主要使用 CAN 總線版 J1939 協(xié)議的市場 ? 廢物處理。一家垃圾處理系統(tǒng)制造商依靠低電平開關(guān)來替代昂貴的繼電器，并使用 集成的行程末端信號來消除外部限位開關(guān)的成本和復(fù)雜性。集成電子器件以及連接 電纜到普通插頭還消除了對 5 米長的外部電纜和專門捆扎線束容納該電纜的需求。 下一代智能執(zhí)行器 鑒于其計(jì)算和通信能力，不難想象擴(kuò)大智能執(zhí)行器的通訊范圍，以實(shí)現(xiàn)與其他類 似增強(qiáng)型傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置和生產(chǎn)設(shè)備、以及其他執(zhí)行器的集成。因此，如 今智能執(zhí)行器已經(jīng)準(zhǔn)備好加入新興的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT），在該網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備 不僅具有智能和組網(wǎng)能力，而且還帶有互聯(lián)網(wǎng)地址以及共享和訂閱信息源的能 力。而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）是更廣泛的工業(yè)革命的一部分，其中計(jì)算、通信和物 理區(qū)域?qū)⒃跊]有人類指令的情況下越來越多地相互作用。這也被稱為物聯(lián)信息系 統(tǒng)，或者工業(yè) 4.0，將實(shí)現(xiàn)全新水平的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)性和安全性。智能執(zhí)行器 已準(zhǔn)備好繼續(xù)發(fā)展，以滿足未來應(yīng)用要求的連通性和信息透明度需求。