THOMSON電動推桿滿足對更高連接性、應用靈活性和成本效率日益 增長的需求

智能執行器滿足對更高連接性、應用靈活性和成本效率日益 增長的需求 

執行器始終處于自動化的前沿，提供了擴展人類能力的“推拉”動作，從而能夠 操作從精細作業、機器人、拾取放置應用，直到 10 噸農業聯合收割機的各種應 用。現在，隨著工業界日益數字化和互聯化，新一代執行器在克服越來越嚴峻的 環境條件的同時，正在變得更智能、更簡單和更經濟。 

智能驅動簡史

 從機械驅動向電動驅動的演變始于 50 年前的信息時代初期，當時的執行器設計 師開始通過添加外部設備（例如繼電器和位置監測裝置）來滿足對機械操作更多 信息的需求。早期的驅動系統仍然需要一些人工干預，但是由于對更方便的操作、 更高的性價比和環境保全的市場需求推動了執行器設計創新，驅動系統在上世紀 七十年代開始出現變化。 最關鍵的創新是將微電腦芯片內嵌到執行器中。這一創新始于上世紀九十年代并 且在新世紀大放異彩，它使得以前的外部功能（如開關、位置反饋和系統診斷） 能夠集成到執行器中。在 2013 年，Thomson Industries 公司推出了第一種帶嵌 入式標準網卡的執行器，簡化了網絡間參與。智能驅動正式成熟。 現在，由于執行器用戶仍在為其操作尋求更好的易用性、連接性和可視性，更智 能的執行器正在不斷推出。這些執行器配備完善，可提供更好的控制和可靠反饋， 同時支持在十年前幾乎無法想象的應用開發。 智能執行器將電子元件集成在執行器外殼內，能夠根據來自常見外部源（如可編 程邏輯控制器（PLC））的信號自動控制開關、同步和聯網。 

集成電子元件的優點 

通過在執行器外殼內集成電子元件，智能執行器能夠根據來自常見外部源（如可 編程邏輯控制器（PLC）或者其他控制單元）的信號自動控制開關、同步和聯網。 參與更復雜的自動化方便變得可行，同時更緊湊的系統空間簡化了操作并且降低 了擁有成本。 智能驅動被用于許多結構自動化應用，例如這個戶外露臺，它使用機電直線執行 器來打開和關閉百葉窗 實現這種集成的關鍵嵌入式功能包括： ?低電平電源開關。傳統執行器通常依靠大型低能效繼電器或獨立控制器來伸出、 縮回或停止伸縮管。通過使用板載電子元件來控制電源，開關或觸點的電流可以 從 20A 降低到小于 22mA，從而能夠實現更簡單、成本更低的系統設計。執行器 可以編程為使用低電流信號伸出、縮回或停止伸縮管，提供更平穩的啟動。這可 以降低觸電危險，從而提高安全性，通過允許使用更低額定值的控制部件來簡化 設計，并且降低對系統電池和充電系統的壓力。 低電平電源開關還通過動態制動改善了位置控制。一旦切斷執行器的電源，根據 執行器的安裝方式，它可以在 5 到 10 mm 的慣性滑動后達到完全停止。電動執 行器能夠實現動態制動功能，通過電子方式強制執行器內的電機引線短路，可以 將慣性滑動減少到大約 0.5 毫米。這可以提高重復精度和定位能力。 ?行程末端指示。出于安全和性能原因，知道執行器什么時候到達行程末端是非 常重要的。如果執行器被用于將設備鎖定到位，則由輸出觸發的簡單 LED 燈可 以確認其已鎖定并保護操作人員免遭不安全條件。該功能還可以配置為通知最終 用戶到達行程末端，提供安全聯鎖的同時還延長了執行器的工作壽命。 ?總線操作。集成電子元件使得執行器能夠應用網絡標準，例如美國汽車工程師 學會推薦用于重載車輛控制器局域網（CAN）總線的 J1939 標準。J1939 是一種 高級通訊協議，為電子控制單元（ECU）控制的網絡節點間通訊提供了標準報 文結構。代表一個 J1939 總線節點的執行器模塊上的每條消息都帶有一個標準 標識符，指示了消息優先級、數據和 ECU 源。這能夠實現共享相同網絡并且符 合報文結構的支持設備的即插即用互換。 圖 1. 采用 CAN 總線的系統。 圖 1 顯示了一個典型的 CAN 總線網絡，四個帶內置 CAN 總線兼容智能并且直 接連接到電池和控制源的執行器。綠色方框代表可能連接到網絡的傳動裝置、傳 感器或其他部件。橙線代表傳輸系統所需低壓電的兩線總線，藍線代表用于信息 交換的電線。 雖然 J1939 是一種非公路車輛應用中十分常用的通訊協議，集成電子元件正越 來越多地用于工廠車間、物料搬運和其他應用。帶集成電子元件的執行器現在可 以編程加入涉及工業通訊協議（如 HART）和網絡協議（如以太網）的網絡和系 統。 ?這種高級位置控制和開關使得驅動器可以編程執行無限數量的運動配置文件和 自定義運動策略。例如，用戶可以編程執行器向前移動幾毫米，或者進行一組前 后運動來到達所需位置。由于系統知道應該做什么并且可實時監控性能，它可以 標記潛在差異并觸發高級算法來控制進一步的報警、更正或關閉。 在機器中使用智能執行器的網絡互聯工廠可以通過增強的控制功能和更好的設 計靈活性，從降低的維護和停機時間中獲益 ?同步。通過集成電子元件和網絡，系統開發者將能夠更好地同步多個執行器的 操作。智能執行器的用戶將能夠配置啟動和停止指令，并且執行器電子元件可以 處理同步。 

可靠反饋 

機電執行器通過提供絕對位置反饋（傳統上通過外部電位計、編碼器、限位開關 和控制器實現），在重載、精密應用中表現出對液壓驅動執行器的優勢。將電子 部件集成到執行器中提供了可在行程中任意一點實現模擬或數字絕對位置反饋 的額外優點。 為了提供模擬位置反饋，內部電子器件中模擬的電位計將發送電壓信號，向用戶 提供從行程起點到末端的模擬絕對位置、速度和驅動方向。它們還可以記錄位置， 因此如果出現斷電，無需返回到零位并重置執行器。由于許多非公路機動（MOH） 車輛都是按季運行的，可能會閑置 8 到 9 個月，因此斷開電池防止其耗竭有時是 很有用的。如果出廠時沒有設置絕對位置功能，則用戶必須在重新連接電池時重 新校準。 數字位置讀數可以來自一個集成的霍爾效應編碼器，它提供單脈沖數字信號來指 示增量位置和速度。這可以通過指示實際位置變化和速度來改善控制。 

更智能的監測、診斷和維護

 除了返回實時位置數據給用戶之外，網絡還可以返回溫度、電流、速度、電壓和 其他變量的持續監控結果，從而實現高級狀態監控、診斷和錯誤處理。由于執行 器不斷自測，反饋速率可達每秒 10 次。例如，如果執行器檢測到問題（如超出 溫度閾值），執行器可以行程中停止或完成其編程運動（完全縮回或伸出），并 發送錯誤標記到計算機 - 全部在幾分之一秒內完成。以下是現在可以空前效率 監測的一些變量： ? 電流。電流監測是一項重要的安全功能，可在超載時關閉執行器并且無需傳統的機 械離合器。 ? 電壓。如果電壓連續監測檢測到執行器在可接受范圍以外的環境中運行，則可以通 過防止運動來保護執行器。 ? 溫度。監測執行器的內部溫度，如果超出可接受的溫度范圍，則執行器將在伸出或 回縮行程后關閉。內置溫度補償功能使得執行器能夠在低溫下推動額定負載，而不 會出現誤跳脫。 ? 負載。跳脫點可以在組裝時校準，以確保可重復的過載跳脫點，不受部件和裝配變 化影響。這不僅可以確保性能穩定性，而且還可以滿足用戶的現場重新校準需求。 通過集成電子元件，所有這些功能都可以立即提供給最終用戶，并且可以通過網 絡在外部故障排除中共享。一旦問題被識別，集成標準的即插即用能力可以簡化 維修和更換。如果更換有問題的液壓執行器，那么可能需要來自制造商的服務電 話、數小時甚至數天的拆卸、重新組裝、系統排放和測試，而智能執行器則可在 不到 20 分鐘內完成更換。 

環境抗性

 自監測能力使得智能執行器更易于操作和維護，而且復雜的電子器件還可能存在 一定程度的漏洞，也使得這種監測必不可少。為了確保可靠運行，需要設計可滿 足最嚴格的行業標準的執行器，以防止固體和液體進入、承受極端溫度、運行振 動、沖擊、腐蝕、電壓變化和電磁干擾。 并非所有執行器都必須防護全部環境沖擊，每個 OEM 制造商都需要自己的標準。 同樣，供應商已經開發了自己的一套程序來滿足這些標準。嵌入先前外部裝置的 執行器的主要優點是出廠時已經符合相應標準，系統一旦安裝就無需重復。 

智能執行器應用

 智能執行器正在進入眾多行業。MOH 車輛市場是第一個采用智能執行器的市場， 部分原因是擁有現場控制和自動化功能可以獲得巨大的成本和性能優勢。然而， 所有應用都是可考慮的備選市場。以下是已經開始“智能化”的一些市場案例： ? 工廠自動化。為紡織行業提供定制工業自動化系統的供應商采用了低電平開關功能 來替代昂貴的外部繼電器。這使得該供應商更易于為客戶提供更緊湊的自動化系統。 內置電位計還為他們提供了關鍵的位置信息。 ? 機器人。如果沒有智能執行器，自動代客泊車系統的設計人員很有可能無法完成他 們的設計方案。客戶用他們的手機發出取車信號，然后執行器驅動的機器人裝置會 將車輛交付給客戶。 ? 物料搬運。物流掛車的制造商使用執行器來幫助提高負載能力、調節運行和減少維 護。低電平開關、驗證定位和行程末端關閉是物料搬運中最常用的功能。 智能執行器為物流掛車和自動導引車（AGV）提供了精確控制和可靠反饋 一旦智能驅動被引入到設施的自動化過程中，獲益是直接和指數性的。更好的靈 活性和即插即用功能簡化了機器設計，增強了控制功能并且降低了能耗 ? 建筑和農業設備。一家初創的聯合收割機制造商使用了 J1939 聯網功能，以通過具 有吸引力的產品進入市場。它能夠提供 5 個軸上的執行器集成控制，包括除石器門、 門閂、梯子、糧箱和螺旋鉆。 ? 太陽能。為了最大限度地儲存能量，許多太陽能電池板必須同步移動以跟隨太陽。 一家太陽能電池板制造商通過智能執行器實現了追日，并且充分利用了內嵌的 J1939 CAN 總線兼容性。 非公路機動車輛是一個主要使用 CAN 總線版 J1939 協議的市場 ? 廢物處理。一家垃圾處理系統制造商依靠低電平開關來替代昂貴的繼電器，并使用 集成的行程末端信號來消除外部限位開關的成本和復雜性。集成電子器件以及連接 電纜到普通插頭還消除了對 5 米長的外部電纜和專門捆扎線束容納該電纜的需求。 下一代智能執行器 鑒于其計算和通信能力，不難想象擴大智能執行器的通訊范圍，以實現與其他類 似增強型傳感器、數據采集裝置和生產設備、以及其他執行器的集成。因此，如 今智能執行器已經準備好加入新興的工業物聯網（IIoT），在該網絡中每個設備 不僅具有智能和組網能力，而且還帶有互聯網地址以及共享和訂閱信息源的能 力。而工業物聯網（IIoT）是更廣泛的工業革命的一部分，其中計算、通信和物 理區域將在沒有人類指令的情況下越來越多地相互作用。這也被稱為物聯信息系 統，或者工業 4.0，將實現全新水平的生產效率、經濟性和安全性。智能執行器 已準備好繼續發展，以滿足未來應用要求的連通性和信息透明度需求。