随着围绕工业物联网 (IIoT) 的新原则不断被采用，自动化行业正在迅速引入并简化许多与数字化转型概念匹配的生产系统，包括利用信息和通信技术的智能化、网络化的生产系统和组件。
数字化转型的持续深入改善了人们的观念。 例如，气动技术是一种成熟的，已长时期应用于多个行业领域的制造技术，已经“过时”，甚至“过气”。但事实并非如此，控制阀等气动技术仍在持续发展并开始整合传感器、工业网络接口、无线技术和复杂的数字控制功能等，以适应新兴工业物联网驱动的生产系统。
阀控制技术的演变
气动阀门的控制和气缸位置传感器的监测最初通过离散布线实现：每个可编程逻辑控制器 (PLC) 输出分别连接到一个电磁阀线圈并单独触发，气缸上的位置传感器则连接到PLC的输入卡（该步骤费用昂贵且耗时耗力）。
插装阀和阀组的应用更是让气动阀演变成一种更实用的解决方案，即所有电磁阀与PLC输入/输出 (I/O) 卡的连接通过多针插头端接，只需一根电缆就能完成。现在，只需一根电缆就能轻松替换几十根单独的电缆，显著降低了气动阀控制的布线成本。
尽管这些插装阀有助于减少每个电磁线圈单独布线所需的组件和人力，但并未包含诊断反馈或其它实用的操作信息。获取这些额外信息需要连接至PLC I/O卡的独立传感器来测量和验证正确，其中包括气缸位置、阀芯位置、压力、流量及其他有用信息。
随着自动化系统日趋复杂化，以现场总线（工业网络）为主的通信连接变得更加普遍。该方案采用多种不同的工业网络协议，如Profibus、Sercos和各种基于以太网的现场总线技术，能节省额外成本。另外，PLC不仅可以控制阀门，还可通过一根低成本通信电缆监测传感器和用于交换I/O数据的设备，无需本地I/O卡。气动阀组可通过与现场总线接口和I/O性能结合成为功能齐全的气动阀体，进而轻松地与更智能化、更复杂的自动化平台集成。
阀组上通信组件的集成，以及全新轻量级高分子结构材料和防尘、防水等防护等级的引进，使得阀组更接近所控制的系统或执行机构安装，且无需配备外壳。机器制造商能更轻松地将阀门安装在末端执行器、机械臂和其他作业组件上，从而更接近气动控制装置。这样能带来多项优势，不仅能减少连接驱动设备的阀门和气缸所需的管道长度，也能优化气动系统，还能快速响应并提高运动序列的吞吐量。
艾默生的AVENTICS™ 先进AV03/AV05阀（上）与工业物联网集成，连接至智能气动监测“集线器”（下），用于收集和整理气动性能数据，然后通过独立、平行的路径将其传送给工厂管理系统（独立于过程控制架构），以确保提供警报以及系统级和设备级的性能数据。(图片由艾默生Emerson™ 提供)
集成电控气动调压控制系统
在阀组中成功集成电动气动控制功能后，阀门技术、性能和多功能方面都实现了大跨步发展。基础气动阀就是一个简单的方向控制阀：发送电信号以移动阀芯，从一个端口或另一个端口导出空气。相反，电动气动调压阀，也称为电动气动转换器或E/P转换器，不仅能实现方向控制，还能提供设备从PLC模拟输出卡所接收到信号的模拟电压或电流成比例的压力范围。
与阀组一样，比例调压阀也取得了巨大进步。新技术允许使用数字信号以精确控制这些设备，也可以实现与现场总线连接的集成。也就是说，设备的PLC可以轻松、准确地发送参数以动态控制阀门和气缸压力、优化生产系统的作用力和压力要求。
这种先进的气动控制系统通过智能化结合方向和压力控制，提高了气动装置的价值和多功能性，广泛用于各种自动化应用。该系统能在制造过程实现更大、更精确和更优化的控制，并确保优异的最终精度和可重复性。
例如，艾默生的AVENTICS™电动气动控制系统用于发动机启动器自动化制造的焊接系统。该应用中通过工件托盘输送预安装电枢，经对齐后进行位置检测，然后使用夹具将其精确放置在焊接位置。焊接后，再使用夹具将电枢运回至工件托盘，送至下一工序。
采用AVENTICS™智能气动监测系统、G3现场总线、500系列阀组、气缸和传感器的简化集成式工业物联网解决方案（包装机上高亮显示）可帮助监测传统机器和新式机器上设备的健康状况，例如实时远程监测气缸、空气消耗、真空系统和主要振动参数。定制系统监测仪表板可让技术人员快速、轻松地分析退化零件，进行预防性维护，以延长系统的正常运行时间并提高整体设备效率。(图片由艾默生Emerson™ 提供)
电动气动调压阀集成现场总线通信的先进阀组，可提供针对应用定制的精确动态压力控制，助力优化焊接工艺。与此同时，还能实现内置阀组监测和所有阀门功能记录的智能化，从而精确控制抓手以提升质量控制和过程跟踪的水平。使用数字E/P的另一大优势在于，可根据特定任务需求按需提供压力（而非对所有任务都使用最高压力），进而优化能源效率。例如，在某些应用中，可能需要将气缸压力提升至80 psi，但为了节约能源，可将返回压力控制在30psi。使用数字E/P，机器制造商可以将这些参数编程到系统中。
改善过程监测和控制
制造业数字化转型的关键目标之一是收集可操作信息，以便优化控制生产过程中的各个工序。例如，汽车零部件制造公司想要精确知道驱动执行器（用于将轴承放入设备）的气缸的作用力、压力和位置等，然后将序列信息记录下来，这样即使在制造50,000个零部件后，仍能确保一致的精度。
如果气动装置在运行时生成的数字点存在偏差，则表明实际设备出现问题或存在供气系统压力损失、所安装轴承制造不当或由于组件老化并缺乏维护导致的执行机构与轴承进给装置不同步等问题。
智能化内置气动阀系统为这种监测和控制流程提供了新方法。若阀门的额定使用寿命是1.2亿次循环，当达到1亿次时，设计精良的预测性维护系统可捕获并利用这些数据进行检查和维护，或在设备出现实际故障前为更换设备执行自动采购请求。
通过在阀组内实现数字化转型，系统能无缝地为不同工装位置和序列提供不同压力，包括为实时压力变化和工装位置快速产品变更提供支持，进而增加灵活性。
随着气动技术越来越智能化，它们在整个生产系统中会产生更多的数据点，其中包括诊断、使用情况统计和使用寿命数据等。这些数据可带来超高价值，可用于提高生产系统管理效率、控制能耗和最大限度延长正常运行时间等。
然而，所有这些来自智能设备和子系统的数据都可能破坏机器控制网络进而影响控制性能。艾默生等部分气动元件制造商提供智能气动监测“网关”或“集线器”来收集和整理气动性能数据，并通过独立、平行的路径将其传送给工厂管理系统，从而保证控制网络不受影响。这些集线器独立于采用OPC统一架构、MQTT、HTTP或电子邮件路径的过程控制架构，能发送警报以及系统级和设备级性能数据。
智能气动监测集线器用于收集和整理气动性能数据，通过独立、平行的路径将其传送给工厂管理系统，独立于过程控制架构，可确保实时提供警报以及系统级和设备级的性能数据。(图片由艾默生Emerson™ 提供)
随着无线通信技术的发展，艾默生等厂商还可提供可获取的设备级分析数据以及通过Wi-Fi传输的警报。但安装于设备内部或高处的气动阀系统通常难以发挥其提供重要诊断信息或主要调试功能的优势。对于这类应用，艾默生推出的AVENTICS™无线自动恢复模块 (ARM)，可通过移动网站轻松访问AVENTICS™系列G3现场总线平台的诊断和调试功能。该网站在配备Wi-Fi功能的手机、平板电脑和笔记本电脑上均可使用，且无需安装应用程序。
艾默生全新无线自动恢复模块 (ARM) 可保护AVENTICS™ G3现场总线阀组的配置信息，包括所有可设置的节点及随附I/O模块参数，避免出现重大故障。该设备可通过内部Wi-Fi接入点和移动网站，以轻松访问AVENTICS™ G3 现场总线平台的诊断和调试功能，进而以更低的成本和更高的灵活性实现硬连线人机界面（HMI）的视觉优势。(图片由艾默生Emerson™ 提供)
专为数字化转型而设计的气动阀系统通过整合功能和技术，极大地提高了气动执行机构及其应用的控制精度。由于阀门系统控制模块中采用了更先进的电子元件，设计人员能将比例－积分－微分（PID）控制器整合入气动定位应用，实现控制功能自动精准响应及校正。
若食品和饮料罐装应用中的气动系统出现泄漏，会造成巨大的能量损失且难以识别，进而影响效率和产量。整合AVENTICS™AV系列阀门系统、气源处理系统（带流量和压力变送器）和气缸（带位置传感器）的解决方案可用于监测压缩空气能量消耗、漏气和气缸循环时间。这一工业物联网解决方案实现了预测性维护，提高了过程整体质量和吞吐量，并减少了技术人员的工作量。(图片由艾默生Emerson™ 提供)
这些先进的气动性能不仅能与PLC结合，从而提升系统端点运动的精度，还能从位置控制实时切换到力控制并微调运行序列，以实现超高的自动化水平、产品产量、可靠性和可重复性。
智能化气动阀门，迎接数字化转型时代
气动阀的稳步发展使得OEM厂商和最终用户能在自动化系统中充分利用气动技术。此外，许多气动技术供应商已全面升级其在线配置和订购工具，使其能轻松、高效满足零部件制造商的需求。
这些工具一度简化了之前耗时的元件订购流程，涵盖底座、安装件和电子元件以及阀门等多种元件，方便客户能一次性购买全套组件。现在，这些在线配置器可通过选择现场总线接口、集成I/O模块和其他功能轻松订购阀门组件，并将CAD图纸作为软件包的一部分，而无需知道零部件编号或系统差别。这些工具使OEM厂商和最终用户都能在一个简单、可靠的订购流程中获得完整配置。
利用电子和模块化尖端技术，气动阀作为完整智能气动运动和控制平台的一部分，为自动化和制造应用的各种数字化转型提供了一种经过验证的、具有成本效益的通用技术选择。
致力于不断投资改进技术的气动元件供应商可用其洞察力帮助机器制造商充分利用气动技术带来的潜力，让OEM厂商和最终用户深信自身复杂的多功能系统能够满足当前和未来的制造要求。
本文作者：罗鼎 艾默生自动化解决方案机器自动化亚太区产品经理
欲了解更多艾默生数字化转型解决方案，可前往艾默生官网获取详情
https://www.emerson.cn/zh-cn/automation/fluid-control-pneumatics/digital-transformation
也可点击下方链接，前往艾默生IIoT直播间获取更多数字化转型解决方案
https://live.gotoasco.com/watch/2384428
