作者:Michael Jackson、Brian Condell和Konrad Scheuer
在宣扬工业4.0新成果和未来可能性的文章和视频中,智能传感器常能成为大家关注的焦点。传感器是工厂车间的“耳目”,让可编程逻辑控制器(PLC)洞察一切,而执行器(图1)就像幕后的无名英雄,赋予指令以“筋肉”,帮助完成所有任务。对传感器的过分关注可能是因为,许多人没有意识到,让执行器实现“智能化”可以为工厂管理人员带来丰厚回报。这篇博文首先探讨智能执行器的一些优势,然后介绍一个参考设计,演示利用IO-Link实现实用智能工厂执行器与PLC通信的优势。点击这里阅读上一篇博文。
图1.工厂车间的无名英雄——执行器,正在变得更加智能
从机械控制到电气控制再到微电子控制
传统上,执行器通过机械原理(气动、液压)来打开和关闭阀门,但在许多应用中,电控电机已取代这些机械装置。尽管如此,执行器总会有活动部件。这些活动部件会产生摩擦,需要持续监控和维护,以防止发生可能导致生产意外停止的故障。加入低压电子元件可以让工厂操作员更加巧妙地完成任务。微电子技术为执行器带来的一些优势包括:
低功耗开关:以前,电动执行器依赖于能效低且不可靠的继电器,但如今,板载电子器件实现了H桥式开关,使执行器更易于使用低电平电源信号进行控制,同时还能降低触电风险,提高安全性。板载电子器件还支持使用额定功率更低的控制元件,有助于简化设计。此外,使用板载电子器件来管理电源可以减少开关或触点上的电流,从而实现效率更高、成本更低的系统设计。
位置反馈:集成电子器件的一大优势在于,可以准确了解执行器在工作周期中每一时间点的位置。使用编码器的高级位置控制可实现各种运动曲线。如果需要,其中的任何变化都可能触发调整和警报,或触发系统自动关闭,防止造成不可挽回的损害。
状态监控:通过监控自身状态(状况),智能执行器为操作员提供了一张额外的安全防护网,防止造成代价昂贵的损坏以及相关的更换或维修。例如,执行器可以监控温度(对于活动部件至关重要的指标)、电压和电流水平,并采取相应措施来消除隐患,或者在必要时采取保护措施。执行器还收集有关已执行工作周期数的数据,并在需要维护时发送自动提醒。越来越多的执行器集成了智能算法来监测振动和噪声,这些是判断机械部件是否过度磨损的潜在指标。
实时通信:位置反馈、状态监控和其他诊断提供的信息只有转化为可执行的方案,才能真正发挥作用。此类信息必须通过工业网络与PLC共享。现场总线协议和工业以太网版本众多,智能执行器设计人员必须要慎重决定使用哪种协议和版本。
借助经过验证的智能执行器参考设计快速上手
ADI公司和TMG TE合作设计了MAXREFDES278# 8通道电磁阀执行器参考设计(图2),该设计基于MAX22200 1A八通道集成串行控制电磁阀驱动器IC(集成了FET)和MAX22514 IO-Link收发器(集成了保护功能)。MAXREFDES278#采用工业85mm x 42mm外形尺寸设计,每个电磁阀通道都包含一个专用双向端子块,并使用行业标准M12连接器,支持使用4线IO-Link电缆将其连接到IO-Link主站收发器(如MAX14819)。
图2.MAXREFDES278# IO-Link 8通道电磁阀执行器参考设计
该参考设计可以通过两种方式供电。例如直接通过IO-Link主站供电(支持高达800mA的总负载),或使用外部电源提供更高的电流。参考设计使用MAX17608限流器,具有过压(OV)、欠压(UV)和反向保护功能,确保IO-Link部分始终通电,从而避免电流回流至IO-Link主站。使用IO-Link进行数据通信的优势在于,它支持四种不同类型的传输——过程数据、诊断、配置和事件,这些信息可以指示执行器是否故障,以便快速执行相关操作。IO-Link的另一个优势在于可使执行器“与网络无关”,也就是执行器可以在任何工业网络上工作,工程师无需担心执行器设计选择哪种协议。