智能氣動技術(shù)將標(biāo)準(zhǔn)化與靈活性相結(jié)合，推動氣動技術(shù)進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代。智能氣動技術(shù)將傳統(tǒng)氣動技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與受控和復(fù)雜的電動運(yùn)動控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來。盡管簡單，但它集成了比常規(guī)技術(shù)更多的功能。隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)需求的不斷提高，自動化正朝著網(wǎng)絡(luò)化、分散化、智能化和功能集成化的方向發(fā)展。

　　在工業(yè)4.0時(shí)代，對諸如解釋環(huán)境信息之類的附加功能的需求也在不斷增長。通訊功能，包括使各個(gè)組件相互通訊的能力，正在開拓新的領(lǐng)域。這樣可以進(jìn)行更具體的預(yù)防性維護(hù)，并為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的自主生產(chǎn)掃清障礙。

　　機(jī)電一體化的現(xiàn)狀

　　常規(guī)機(jī)電系統(tǒng)將機(jī)械系統(tǒng)、電子設(shè)備、控制技術(shù)和信息技術(shù)結(jié)合在一起，使它們能夠在實(shí)際的自動化應(yīng)用中進(jìn)行交互。它們是確保將氣動裝置集成到機(jī)電應(yīng)用中的唯一方法，并且對氣動驅(qū)動器的精確定位至關(guān)重要。

　　模塊化的機(jī)電一體化系統(tǒng)有助于廣泛的功能集成，如提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和標(biāo)準(zhǔn)化程度。這將導(dǎo)致整個(gè)價(jià)值鏈的系統(tǒng)改進(jìn)和優(yōu)化，因?yàn)樾枰x擇、采購、組裝和連接的組件更少。數(shù)字通信還具有其它好處，例如減少電磁兼容性（EMC）對模擬值的影響，有助于排除系統(tǒng)故障。

　　缺乏靈活性

　　盡管模塊化機(jī)電一體化系統(tǒng)有很多好處，但靈活性仍有提升的空間。只有在進(jìn)行昂貴且費(fèi)時(shí)的升級改造后，才能在設(shè)計(jì)和工程流程中進(jìn)行系統(tǒng)適配改造，或者在運(yùn)行期間進(jìn)行更改格式所需的參數(shù)變更。

　　模塊化設(shè)計(jì)提供了一定的靈活性，但僅在特定模塊范圍內(nèi)。一般規(guī)則是，在設(shè)計(jì)階段必須考慮任何可能的參數(shù)變更。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的“10倍規(guī)則”，后續(xù)調(diào)整的成本可能將會增加10倍。不管是需要更改大小以適應(yīng)負(fù)載變化，或是添加最終客戶需求的新功能，都沒有什么區(qū)別。

　　Festo智能閥門配置了工業(yè)以太網(wǎng)、通過應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)靈活功能的控制器、帶有用于閉環(huán)控制的傳感器、模擬和數(shù)字輸入以及集成壓力和溫度傳感器的閥門。圖片來源：Festo

　　信息物理系統(tǒng)

　　盡管信息物理系統(tǒng)（CPS）存在許多定義，但并沒有公認(rèn)的定義。但可以肯定的是，CPS將在工業(yè)4.0應(yīng)用中扮演關(guān)鍵角色。

　　就基本結(jié)構(gòu)而言，CPS是機(jī)電系統(tǒng)，但它還集成了智能傳感器和更強(qiáng)大的軟件智能。通過CPS可以使用內(nèi)部記錄的數(shù)據(jù)來預(yù)先確定外部影響，而無需額外的傳感器，然后通過合適的通信接口與其它系統(tǒng)，在內(nèi)部和外部共享此信息。

　　這種系統(tǒng)可以在不需要新的或附加硬件的情況下進(jìn)行自適應(yīng)，因?yàn)楣δ茏赃m應(yīng)可以使用軟件和應(yīng)用程序執(zhí)行，或者系統(tǒng)自動調(diào)整，或者通過控制系統(tǒng)指令執(zhí)行的。

　　工業(yè)4.0的實(shí)施要求（例如系統(tǒng)范圍的數(shù)據(jù)應(yīng)用）取決于系統(tǒng)和產(chǎn)品，因此應(yīng)用可能會受到限制。原因很簡單：由于沒有數(shù)據(jù)接口，傳感器記錄在設(shè)備中的數(shù)據(jù)無法與其它工作站共享。例如，比例閥中測得的溫度數(shù)據(jù)，僅在對閥本身的處理中應(yīng)用。即使可以提供確定諸如控制柜中風(fēng)扇是否有故障的手段，也不會執(zhí)行其它診斷功能。

　　未來的制造業(yè)工廠需要能夠集成傳感器和工業(yè)4.0接口的產(chǎn)品。這個(gè)接口必須符合數(shù)據(jù)管理和通信的國際標(biāo)準(zhǔn)。作為IEC62541系列標(biāo)準(zhǔn)的一部分發(fā)布的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)OPC統(tǒng)一架構(gòu)（OPC-UA）就是一個(gè)很好的例子。

　　柔性技術(shù)和工業(yè)4.0

　　在氣動部件中，執(zhí)行器以橋式電路形式連接，這也是推動工業(yè)4.0向前發(fā)展的新技術(shù)之一。帶有集成智能傳感器的4個(gè)2/2壓電式先導(dǎo)閥和隔膜提升閥，提供了極大的靈活性。與傳統(tǒng)的機(jī)電一體化系統(tǒng)相比，這些智能傳感器直接嵌入在智能閥島中。這意味著，不再需要通過配置器來選擇單獨(dú)的壓力測量傳感器模塊。由于壓力測量傳感器可用于諸如診斷功能之類的任務(wù)，因此也擴(kuò)展了功能范圍。

　　4個(gè)2/2隔膜提升閥串聯(lián)連接以形成全橋。

　　每個(gè)隔膜提升閥（灰色）均由2個(gè)壓電閥（藍(lán)色）按比例控制。

　　數(shù)字控制活塞可以承擔(dān)在常見的方向控制中廣泛應(yīng)用的機(jī)械控制活塞的功能。

　　智能閥島技術(shù)

　　得益于可下載的運(yùn)動控制應(yīng)用程序，智能閥島可將傳統(tǒng)的2/2通、3/2通、4/2通或4/3通閥功能，以及比例技術(shù)和伺服氣動功能整合到一個(gè)設(shè)備。所有這些功能都可以使用運(yùn)動控制應(yīng)用程序在CPS中實(shí)現(xiàn)。這很特別，因?yàn)樗羞@些都可以用同一種類型的閥完成。

　　該閥結(jié)合了氣動和電氣自動化技術(shù)的優(yōu)勢。智能氣動閥將復(fù)雜的運(yùn)動、可變的位置、狀態(tài)監(jiān)視和其它功能集成到一個(gè)組件中，同時(shí)消耗更少的能量。

　　與“硬連線”的常規(guī)系統(tǒng)相比，智能閥島在靈活性、實(shí)現(xiàn)速度和總體經(jīng)濟(jì)效益方面要高得多。由于更改系統(tǒng)中的參數(shù)，并不一定意味著需要修改硬件，因此“10倍規(guī)則”不再適用。即使在設(shè)計(jì)階段之后的某個(gè)階段需要進(jìn)行變更，其成本也較低。

　　由于可以通過軟件應(yīng)用程序快速激活新功能，因此機(jī)器開發(fā)人員可以創(chuàng)建基本的機(jī)器類型，然后根據(jù)選擇的應(yīng)用程序，為其配備不同的功能和特性。

　　自動化的新維度

　　數(shù)字化將對制造業(yè)產(chǎn)生了重大影響。CPS首次啟用了將機(jī)械系統(tǒng)、電子設(shè)備和軟件結(jié)合在一起的解決方案，并使系統(tǒng)為包括氣動在內(nèi)的工業(yè)4.0應(yīng)用做好了準(zhǔn)備。與模塊化機(jī)電一體化系統(tǒng)相比，它們將高度的標(biāo)準(zhǔn)化和靈活性結(jié)合在一起，這令人印象深刻。由于智能氣動閥將氣動功能與機(jī)械硬件分離開來，并通過應(yīng)用程序使它們可用，因此就可以使用一種閥執(zhí)行多種氣動運(yùn)動任務(wù)。這為整個(gè)價(jià)值鏈帶來了很多可衡量的收益。

　　CPS解決方案可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動控制，例如緩慢回撤到最終位置，以及各種速度曲線或定位任務(wù)，這些之前只能通過伺服氣動或電氣自動化來實(shí)現(xiàn)。它們還使實(shí)現(xiàn)各種功能、狀態(tài)監(jiān)視、預(yù)防性維護(hù)變得更容易，并且降低了能耗。實(shí)施CPS可以簡化流程，提高生產(chǎn)率和流程可靠性，從長期看來，為購買CPS而付出的任何更高的成本，OEM廠商和最終客戶都會得到回報(bào)。