气动自动化技术的发展趋势（报告）
来源：液压气动与密封时间：2020-05-28发布人：奇夏小编辑
2019年10月23日～10月26日，“PTC ASIA 2019高新技术展区国际技术交流报告会”成功在上海新国际博览中心举办。本届报告会得到行业知名专家曾广商、王玉明二位中国工程院院士，国际同业组织VDMA金斯利先生和来自于中国、德国、日本、英国、美国的国际知名企业专家，国内知名院校和科研院所的大力支持。在此，我们深表荣幸并衷心感谢！报告会现场观众认真聆听、积极互动，良好的效果让我们倍感欣慰，这一切都激励着我们继续努力，为流体传动与控制技术进步添砖加瓦，为世界流体动力产业发展贡献新的力量！为了让更多的同仁了解本届技术报告会实况，我们应行业需求对专家的精彩报告进行编辑整理，陆续发表在2020年《液压气动与密封》杂志和微信平台上(公众号：chpsa-yqm)，供学习分享。敬请关注！
PTC ASIA 2019 高新技术展区现场技术报告（之十）
气动自动化技术的发展趋势
——据费斯托（中国）自动化制造有限公司专家周洪报告整理
非常高兴有机会跟各位嘉宾共享，我今天报告的主要议题是关于气动自动化技术的发展趋势。
当讲到气动自动化的发展趋势的时候，不妨先回顾一下。我们现在已经进入了工业4.0这么一个阶段，那么工业3.0与工业4.0到底有怎么样的区别？自动化对系统和元件提出一些什么样的要求呢？大家看到工业3.0的时候，我们处理的数据的量相对局限，与互联网的关联比较少。比如一个气缸，只有2个位置——即2个输入信号。元器件之间的交互几乎是没有的，没有物联网（IoT）这么一个概念。那么一旦进入到了工业4.0，首先是通过互联网有了一个大系统的概念，可能眼前的设备跟几千公里之外的设备之间会建立信息关联；其次处理的数据会越来越多。还是以一个气缸举例，不仅仅是2个位置，而是整个运行过程当中的一些信息，比如压力、速度信息都会进入中央控制器或者关联元件，能够进行大数据的分析并导出决策。这不仅仅局限在某一动作过程，还体现在设备的整个生命周期，比如维护、维修、更新等环节。此外，进入数字化时代用户与生产设备之间的沟通更为便利，更为广泛。用户可以根据自己的要求配置要购买的产品。生产设备的柔性度就必然越来越高。具体到我们的气的技术领域，完成一个动作的执行元件数量大幅增加。这样，我们对整个气动控制系统的要求会发生变化：第一是执行元件的数量会大幅度增加；第二被控对象的运行状态信号数量会有大幅度增加，对执行元件进行更多的状态监视和故障诊断；第三需要能够进行快速切换运动顺序。所以在我看来，工业4.0有这么一些变化：用户的要求从原来的单一、大批量转变到了能够进行客户化。对我们的气动自动化技术发展，主要关注这么几个方面：第一数字化，第二节能，第三有更多的个性化。
我们看一下数字化跟物流网（见图1），这个看起来跟一个金字塔一样，我们的气动、电动的执行机构或者它的传感器属于现场元器件，在最下层；向上是可编程控制器；再向上是数据采集、AI（人工智能）的一些算法；再向上是企业管理系统。
那么数字化主要是体现在这么两个方面：一个是物联网，通过物联网使得大量的现场数据与上级（不管是控制器、还是再高一层的、或者到整个企业管理系统）有一个非常便利的双向通信；第二个是智能化，就是把一些算法嵌入到现场的控制器里面。费斯托公司的气动控制系统数字化，一个比较有特点的表现就是Festo CPX自动化平台（见图2），我们看看它是怎样来实现数字化的两个方面：一个是Internet of Things（物联网），第二个是一些智能能够嵌入到控制化里面。
首先我们能够看到阀岛的整个发展历史。最早应该是1989年，费斯托公司推出了全球第一款阀岛，这个阀岛在当时主要解决几个问题：一个是把现场的气阀都集中在一起；后来发现只集中气阀还不够，因为每个控制单元都有它的反馈的信号输入，所以又有一个多针I/O模块出来；再发展以后，设备的规模越来越大，控制点、控制信号越来越多，如果一个信号一根电线的方式，电线数量会非常巨大，而且传输的距离有限制，所以就有了现场总线这么一个概念。再继续发展，就发展到了物联网阶段，规模不仅是在数量上大量的增加，而且空间扩充了。大家知道，不管是模拟信号还是数字信号，一个信号的传输距离是有限的，所以就先把一些信号传到了某个点上，各个点之间的距离可以非常远，通过I/O link这种方式可以连接起来。最近几年在CPX平台上面又出现了一些智能的、带可编程控制器、带特殊算法的元器件，比较典型的比如说是能够跟Codesys兼容的控制器，或者是数字控制终端。除了费斯托之外，气动其他一些企业包括SMC、佳尔灵、亿太诺也在做一些阀岛这类的产品。
下面讲到节能，我在这里展示两款能够实现气源智能监控与调节的产品：费斯托的MSE系列，或者SMC的VEX系列（见图3）。它们有几个特点：◆能够自动辨识一个子系统是处于运行状态还是休眠状态，假如说处于待机状态的时候，它就会自动切断气源，达到节能的目的。◆能够辨识气控系统有没有出现泄漏，元器件、管道是否出现泄漏。◆过程状态监控，自动识别异常状态。它可以向上一级（比如可编程控制器）发出整个循环过程的压力变动或者流量变动的情况，这样可以让上层的计算机辨识出目前这个子系统的工作是否正常，是否需要进行一些维护。◆带比例功能，可以实现输出气源压力的比例调节。根据动作顺序自动调节气压不仅仅可以达到执行元件的输出力、力矩的控制，还可以有效地节省气源消耗从而达到节能效果。
看一下费斯托MSE的视频，可以看出在正常的运行过程当中，一旦到了待机状态，它可以自动切断气源，如果到了下班、休息时间，或者是不需要动作的时候，它会自动就把电源给切断了。
做到气动自动化产品个性化，主要需要三个方面（见图4）。
第一，客户决定产品的功能结构、配置、参数。客户借助一些软件，根据自己的需要决定配置的产品。比如配置一个三维机械手，它是怎么样的结构，它的X、Y、Z的行程各是多少，它需要什么样的夹紧或者什么样的摆动状态，这些都由客户自己来选定。客户的配置结果在通过企业中央计算机各种合理性核算后，直接到达生产现场。这不仅仅节省了大量工程师结构设计、生产计划时间，从而缩短供货周期；而且节省了设计、计划费用，从而提供效率和产品竞争力。第二，产品设计策略——模块化。气源、控制器、执行机构都是模块化的，就像乐高的玩具一样，你完全可以按照自己的要求搭出来。比如气源有很多的模块，压力控制模块、自动切断模块、快速排气模块等等；控制器有阀的模块，二位五通、三位五通、二位三通等等，并都有不同的流量；控制信号，可以是数字信号输入、或者输出，也可以是模拟信号。这些模块都可以组合起来。第三，产品供应链策略——延迟策略。这里我们提出一个Design to Supply Chain（适应供应链的产品设计理念），要求产品在设计过程中就要考虑到供应链。比如说对一些可库存的零部件，你可以进行大批量、高效生产，但最终的配置要贴近市场，因为客户下订单之前你是没有办法进行最终装配的，所以必须要贴近市场才可以让客户快速、及时地得到他们需要的产品。就比如我们刚才说到的CPX智能阀岛平台，它不仅是不同的功能元器件是模块式的，同时在每个模块的组成（纵向）也是模块式的。比如无论是模拟模块还是数字模块，它的底座是一样的，可以通过不同的配置搭出模拟模块或者数字模块出来，所以我觉得这是一个比较成功的贯彻Design to Supply Chain设计理念的实例。看一下这个视频，客户可以通过软件按照自己的需求配置出产品来，然后根据软件产生的模块下订单。这是一个组装的过程，最后送到客户的手上。
最后介绍一下智能化的气动。智能化气动可以比较形象地描绘，它是由铝块+传感器（也就是电子元器件）+算法软件，这就形成了一个所谓智能化的产品。一个比较典型的例子就是费斯托的VTEM数字控制终端（见图5），你把它拆开，可以看到它是由这么一些元器件、零部件构成的，阀是左边这一块。从气动技术这个角度看，这里面最关键最核心的部分就是4个两位两通阀，这4个两位两通阀通过图右边这种方式结合。因为这4个阀是独立控制，没有联动的关系，所以不会象一个普通的伺服阀那样要想增加进气，就必须增加排气。它的进气排气是完全独立的，你完全可以让它进气多一点，但是排气少，或者反过来。可以像刚才同济大学訚耀保老师说的，进气最好是排气的一半通径，这样可以达到压力的匹配、速度的匹配，工作点的匹配。那么在理论上，这4个两位两通阀可以实现50种个不同的气、电元件的功能。比如说它可以非常便利地完成方向阀的功能，二位五通、三位五通的功能。其中三位五通在中位的时候，A端跟B端是贯通还是切断，都非常容易实现。还可以实现比例流量控制、比例压力控制等功能。当然我们需要一个软件来控制它。
VTEM数字控制终端还有二个很重要的特点（见图6）。首先它可以支持不同的总线方式，兼容基于OPC-UA工业4.0接口标准，可以实现设备与工业物联网之间的通信，让设备接入工业物联网。其次它的控制功能可以通过不同的APP来实现，有10种不同的APP可以下载。也就是说这个产品物理上已经到了客户手上，你还可以通过APP改变这个产品的功能。你只需根据你的需求下载不同的APP，就可以实现你需要的功能。而这些APP，有压力阀、有节能、甚至有端位软停止这么一些控制模式。
节能方面，VTEM数字控制终端在整个工作过程当中，可以控制压力。大家知道传统的控制方式中，气缸在很多时候会有浪费，浪费在哪里呢？就是你只用同一个气源压力。但VTEM数字控制终端就可以任意控制前进时的压力和返回时的压力，这样就可以达到节能的效果。再看一个视频，这里演示的就是在前进的时候需要6bar，回来的时候只需要2bar；这里演示的是可以下载不同的APP来实现不同的功能；它本身也是一个模块式结构，可以根据客户的需求，可以是一片阀控制一个缸，或者是N片阀控制N个缸。以上就是我跟大家共享的一些气动控制技术的发展趋势，谢谢大家。
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