傳感器退居二線：執(zhí)行器正在步入智能工廠的舞臺

在宣揚(yáng)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(guān)注的焦點(diǎn)。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(wù)。對傳感器的過分關(guān)注可能是因?yàn)?，許多人沒有意識到，讓執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)“智能化”可以為工廠管理人員帶來豐厚回報(bào)。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(gè)參考設(shè)計(jì)，演示利用IO-Link實(shí)現(xiàn)實(shí)用智能工廠執(zhí)行器與PLC通信的優(yōu)勢。

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(jī)械控制到電氣控制再到微電子控制

傳統(tǒng)上，執(zhí)行器通過機(jī)械原理（氣動、液壓）來打開和關(guān)閉閥門，但在許多應(yīng)用中，電控電機(jī)已取代這些機(jī)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(chǎn)生摩擦，需要持續(xù)監(jiān)控和維護(hù)，以防止發(fā)生可能導(dǎo)致生產(chǎn)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(wù)。微電子技術(shù)為執(zhí)行器帶來的一些優(yōu)勢包括：

●   低功耗開關(guān)：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(shí)現(xiàn)了H橋式開關(guān)，使執(zhí)行器更易于使用低電平電源信號進(jìn)行控制，同時(shí)還能降低觸電風(fēng)險(xiǎn)，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(shè)計(jì)。此外，使用板載電子器件來管理電源可以減少開關(guān)或觸點(diǎn)上的電流，從而實(shí)現(xiàn)效率更高、成本更低的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

●   位置反饋：集成電子器件的一大優(yōu)勢在于，可以準(zhǔn)確了解執(zhí)行器在工作周期中每一時(shí)間點(diǎn)的位置。使用編碼器的高級位置控制可實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動曲線。如果需要，其中的任何變化都可能觸發(fā)調(diào)整和警報(bào)，或觸發(fā)系統(tǒng)自動關(guān)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(hù)網(wǎng)，防止造成代價(jià)昂貴的損壞以及相關(guān)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(guān)重要的指標(biāo)）、電壓和電流水平，并采取相應(yīng)措施來消除隱患，或者在必要時(shí)采取保護(hù)措施。執(zhí)行器還收集有關(guān)已執(zhí)行工作周期數(shù)的數(shù)據(jù)，并在需要維護(hù)時(shí)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(jī)械部件是否過度磨損的潛在指標(biāo)。

●   實(shí)時(shí)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(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)與PLC共享?，F(xiàn)場總線協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)版本眾多，智能執(zhí)行器設(shè)計(jì)人員必須要慎重決定使用哪種協(xié)議和版本。

借助經(jīng)過驗(yàn)證的智能執(zhí)行器參考設(shè)計(jì)快速上手

ADI公司和TMG TE合作設(shè)計(jì)了MAXREFDES278# 8通道電磁閥執(zhí)行器參考設(shè)計(jì)（圖2），該設(shè)計(jì)基于MAX22200 1A八通道集成串行控制電磁閥驅(qū)動器IC（集成了FET）和MAX22514 IO-Link收發(fā)器（集成了保護(hù)功能）。MAXREFDES278#采用工業(yè)85mm x 42mm外形尺寸設(shè)計(jì)，每個(gè)電磁閥通道都包含一個(gè)專用雙向端子塊，并使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)

該參考設(shè)計(jì)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(dá)800mA的總負(fù)載），或使用外部電源提供更高的電流。參考設(shè)計(jì)使用MAX17608限流器，具有過壓(OV)、欠壓(UV)和反向保護(hù)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信的優(yōu)勢在于，它支持四種不同類型的傳輸——過程數(shù)據(jù)、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(guān)操作。IO-Link的另一個(gè)優(yōu)勢在于可使執(zhí)行器“與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)”，也就是執(zhí)行器可以在任何工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上工作，工程師無需擔(dān)心執(zhí)行器設(shè)計(jì)選擇哪種協(xié)議。