傳感器退居二線：執(zhí)行器正在步入智能工廠的舞臺

作者：Michael Jackson、Brian Condell和Konrad Scheuer

在宣揚工業(yè)4.0新成果和未來可能性的文章和視頻中，智能傳感器常能成為大家關注的焦點。傳感器是工廠車間的“耳目”，讓可編程邏輯控制器(PLC)洞察一切，而執(zhí)行器（圖1）就像幕后的無名英雄，賦予指令以“筋肉”，幫助完成所有任務。對傳感器的過分關注可能是因為，許多人沒有意識到，讓執(zhí)行器實現“智能化”可以為工廠管理人員帶來豐厚回報。這篇博文首先探討智能執(zhí)行器的一些優(yōu)勢，然后介紹一個參考設計，演示利用IO-Link實現實用智能工廠執(zhí)行器與PLC通信的優(yōu)勢。點擊這里閱讀上一篇博文。

圖1.工廠車間的無名英雄——執(zhí)行器，正在變得更加智能

從機械控制到電氣控制再到微電子控制

傳統上，執(zhí)行器通過機械原理（氣動、液壓）來打開和關閉閥門，但在許多應用中，電控電機已取代這些機械裝置。盡管如此，執(zhí)行器總會有活動部件。這些活動部件會產生摩擦，需要持續(xù)監(jiān)控和維護，以防止發(fā)生可能導致生產意外停止的故障。加入低壓電子元件可以讓工廠操作員更加巧妙地完成任務。微電子技術為執(zhí)行器帶來的一些優(yōu)勢包括：

低功耗開關：以前，電動執(zhí)行器依賴于能效低且不可靠的繼電器，但如今，板載電子器件實現了H橋式開關，使執(zhí)行器更易于使用低電平電源信號進行控制，同時還能降低觸電風險，提高安全性。板載電子器件還支持使用額定功率更低的控制元件，有助于簡化設計。此外，使用板載電子器件來管理電源可以減少開關或觸點上的電流，從而實現效率更高、成本更低的系統設計。

位置反饋：集成電子器件的一大優(yōu)勢在于，可以準確了解執(zhí)行器在工作周期中每一時間點的位置。使用編碼器的高級位置控制可實現各種運動曲線。如果需要，其中的任何變化都可能觸發(fā)調整和警報，或觸發(fā)系統自動關閉，防止造成不可挽回的損害。

狀態(tài)監(jiān)控：通過監(jiān)控自身狀態(tài)（狀況），智能執(zhí)行器為操作員提供了一張額外的安全防護網，防止造成代價昂貴的損壞以及相關的更換或維修。例如，執(zhí)行器可以監(jiān)控溫度（對于活動部件至關重要的指標）、電壓和電流水平，并采取相應措施來消除隱患，或者在必要時采取保護措施。執(zhí)行器還收集有關已執(zhí)行工作周期數的數據，并在需要維護時發(fā)送自動提醒。越來越多的執(zhí)行器集成了智能算法來監(jiān)測振動和噪聲，這些是判斷機械部件是否過度磨損的潛在指標。

實時通信：位置反饋、狀態(tài)監(jiān)控和其他診斷提供的信息只有轉化為可執(zhí)行的方案，才能真正發(fā)揮作用。此類信息必須通過工業(yè)網絡與PLC共享。現場總線協議和工業(yè)以太網版本眾多，智能執(zhí)行器設計人員必須要慎重決定使用哪種協議和版本。

借助經過驗證的智能執(zhí)行器參考設計快速上手

ADI公司和TMG TE合作設計了MAXREFDES278# 8通道電磁閥執(zhí)行器參考設計（圖2），該設計基于MAX22200 1A八通道集成串行控制電磁閥驅動器IC（集成了FET）和MAX22514 IO-Link收發(fā)器（集成了保護功能）。MAXREFDES278#采用工業(yè)85mm x 42mm外形尺寸設計，每個電磁閥通道都包含一個專用雙向端子塊，并使用行業(yè)標準M12連接器，支持使用4線IO-Link電纜將其連接到IO-Link主站收發(fā)器（如MAX14819）。

圖2.MAXREFDES278# IO-Link 8通道電磁閥執(zhí)行器參考設計

該參考設計可以通過兩種方式供電。例如直接通過IO-Link主站供電（支持高達800mA的總負載），或使用外部電源提供更高的電流。參考設計使用MAX17608限流器，具有過壓(OV)、欠壓(UV)和反向保護功能，確保IO-Link部分始終通電，從而避免電流回流至IO-Link主站。使用IO-Link進行數據通信的優(yōu)勢在于，它支持四種不同類型的傳輸——過程數據、診斷、配置和事件，這些信息可以指示執(zhí)行器是否故障，以便快速執(zhí)行相關操作。IO-Link的另一個優(yōu)勢在于可使執(zhí)行器“與網絡無關”，也就是執(zhí)行器可以在任何工業(yè)網絡上工作，工程師無需擔心執(zhí)行器設計選擇哪種協議。