機(jī)電一體化對(duì)工業(yè)4.0的影響

工業(yè)4.0相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，提高了內(nèi)置智能機(jī)器的效率、性能、以及可訪問性，因此被某些人稱為下一次工業(yè)革命。 機(jī)電一體化機(jī)器設(shè)計(jì)和工程為工業(yè)4．0項(xiàng)目的成功實(shí)施提供了基本的構(gòu)建模塊。

通向工業(yè)4．0之路

第一次工業(yè)革命，使紡織行業(yè)和其它行業(yè)誕生了第一批工廠，推動(dòng)這些行業(yè)向基于煤和蒸汽動(dòng)力設(shè)備為基礎(chǔ)的機(jī)械化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。第二次工業(yè)革命以電力和內(nèi)燃機(jī)的廣泛使用為標(biāo)志，規(guī)?；a(chǎn)帶來了更新、更快的發(fā)展。第三次工業(yè)革命以數(shù)字制造技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和再生性能源技術(shù)的重大創(chuàng)新、融合與運(yùn)用為代表，半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)以及能源技術(shù)的快速發(fā)展，大大提高了制造業(yè)和過程工業(yè)的生產(chǎn)和能源利用效率。被稱為第四次工業(yè)革命的工業(yè)4．0，則充分利用了數(shù)字化和自動(dòng)化技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的引入，使模塊化組件和數(shù)字控制通信成為可能。物聯(lián)網(wǎng)為工業(yè)4．0提供有可能讓系統(tǒng)更快、更可靠、更靈活、更具擴(kuò)展性的一個(gè)潛在的巨大平臺(tái)。讓工業(yè)4．0如此強(qiáng)大的是幾乎在世界任何地方、以近乎實(shí)時(shí)的方式進(jìn)行最低層級(jí)的數(shù)據(jù)通訊和分析的能力。

隨著更多的傳感器、機(jī)器和運(yùn)營(yíng)連接到互聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)上，工業(yè)4．0已經(jīng)獲得指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)。企業(yè)將是物聯(lián)網(wǎng)解決方案的最高層的應(yīng)用，可以降低運(yùn)營(yíng)成本，提高生產(chǎn)力，擴(kuò)大新市場(chǎng)或開發(fā)新產(chǎn)品。

根據(jù)最近進(jìn)行的一項(xiàng)業(yè)內(nèi)調(diào)查結(jié)果，超過一半的企業(yè)高管已經(jīng)接受基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)或計(jì)劃這樣做。超過80％的人認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于未來的成功至關(guān)重要。嵌入式智能和無線傳感器已經(jīng)應(yīng)用到工業(yè)車間和運(yùn)營(yíng)管理。數(shù)據(jù)分析公司Lux Research在一份物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)報(bào)告中預(yù)測(cè)，截止 2020 年，全球工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)值將達(dá)到 1510 億美元。

運(yùn)動(dòng)控制的新挑戰(zhàn)

在自動(dòng)化與機(jī)器人領(lǐng)域，連接技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，促進(jìn)了對(duì)基于機(jī)器的、機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）、和機(jī)器對(duì)網(wǎng)絡(luò)（M2N）技術(shù)的需求。機(jī)電一體化機(jī)器的發(fā)展，推動(dòng)了工業(yè)4.0實(shí)施的進(jìn)程。相互連接的電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化和基于控制的生產(chǎn)線和應(yīng)用，推動(dòng)了對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)控和資產(chǎn)管理策略的應(yīng)用，從而進(jìn)一步改善性能、增加正常運(yùn)行時(shí)間、以及延長(zhǎng)自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)器人的使用壽命。

基于云的應(yīng)用程序，使得執(zhí)行復(fù)雜控制功能、數(shù)據(jù)聚合、監(jiān)測(cè)、以及機(jī)械設(shè)備的診斷成為可能，而以前這些只能在工廠和企業(yè)層面訪問。新供應(yīng)鏈模型和更短生產(chǎn)周期的要求，需要具有一定的靈活性，只有這樣才能減少機(jī)器開發(fā)時(shí)間和交鑰匙系統(tǒng)的集成。隨著工業(yè)過程越來越多的相互連接在一起，機(jī)器設(shè)備制造商和運(yùn)營(yíng)商需要更大的靈活性和更短的交貨時(shí)間，來實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器的設(shè)計(jì)和調(diào)試。了解機(jī)電一體化運(yùn)動(dòng)控制的角色，對(duì)工業(yè)4．0項(xiàng)目的成功實(shí)施十分關(guān)鍵。在制造、包裝、物流和物料處理中，自動(dòng)化和數(shù)字技術(shù)必須從提高運(yùn)營(yíng)效率和性能可擴(kuò)展性方面滿足多個(gè)目標(biāo)。

具有高效率減速機(jī)和智能電機(jī)的分布式驅(qū)動(dòng)解決方案，可以確保用戶在不同的應(yīng)用場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)更大的生產(chǎn)能力和可靠性。

管理復(fù)雜性，是機(jī)電一體化機(jī)器設(shè)計(jì)的核心，實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃需要大量復(fù)雜的工程功能。高效的生產(chǎn)制造和裝配，始于高效的運(yùn)動(dòng)控制。運(yùn)動(dòng)通過驅(qū)動(dòng)軸、齒輪和電機(jī)、變頻器或伺服驅(qū)動(dòng)器逐一傳遞。自動(dòng)化是一把雙刃劍——在改善生產(chǎn)力的同時(shí)，也增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，比如運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、控制系統(tǒng)、以及與網(wǎng)絡(luò)的集成（無論是基于互聯(lián)網(wǎng)還是基于云的平臺(tái)）都要變得更復(fù)雜。

更復(fù)雜的是，大多數(shù)工廠的運(yùn)營(yíng)，仍要使用某些在線運(yùn)行時(shí)間可能超過十年或更長(zhǎng)時(shí)間的老舊系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、可編程邏輯控制器（PLC）和其它老舊設(shè)備，必須對(duì)其通訊協(xié)議是否能與最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通信的兼容性方面做出評(píng)估。

機(jī)電一體化使系統(tǒng)簡(jiǎn)化

工業(yè)4.0受益于多學(xué)科交叉的機(jī)電一體化技術(shù)，來降低不斷融合的信息技術(shù)（IT）和運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）的復(fù)雜性。通過簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行，機(jī)電一體化工程可以開發(fā)出更好的機(jī)器設(shè)備。通過讓機(jī)器設(shè)備制造商來調(diào)試、編程和連接設(shè)備，機(jī)器的自我優(yōu)化、選型適當(dāng)?shù)南冗M(jìn)電機(jī)和變頻器系統(tǒng)可以使生產(chǎn)制造和供應(yīng)鏈自動(dòng)化更靈活、更快、效率更高。

例如，具有先進(jìn)功能的變頻器，可以支持最新和傳統(tǒng)的機(jī)器連接?；趨?shù)化編程技術(shù)、智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的制造，可以加速機(jī)器運(yùn)動(dòng)編程從概念到部署的各個(gè)階段。參數(shù)化編程使其比傳統(tǒng)編程更易于調(diào)試。將智能驅(qū)動(dòng)器上線，不再需要特殊培訓(xùn)。同樣的原則適用于調(diào)試過程中變頻器的參數(shù)化。在某些情況下，只需要Wi－Fi和可插拔內(nèi)存模塊就可以在一分鐘內(nèi)復(fù)制和調(diào)試所需要的參數(shù)。

減少變量的數(shù)量，簡(jiǎn)化了機(jī)器和運(yùn)動(dòng)控制。將電子元件和軟件集成到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中形成一個(gè)集成單元，當(dāng)它與智能軟件結(jié)合時(shí)，就能以恒定扭矩變速運(yùn)行，從而獲得廣泛應(yīng)用。通過調(diào)整不必要和不同的變頻器系統(tǒng)變量，電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度可自由調(diào)整，并可以通過移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

智能電機(jī)現(xiàn)在可以將速度控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)的傳統(tǒng)領(lǐng)域與工業(yè)4．0相結(jié)合，通過將線電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)的簡(jiǎn)單性與電子驅(qū)動(dòng)控制單元的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，為移動(dòng)用戶提供對(duì)電機(jī)控制的最佳遠(yuǎn)程訪問。 將電機(jī)和變速箱與可變電機(jī)速度相結(jié)合的高效模塊化驅(qū)動(dòng)解決方案，通常也可以實(shí)現(xiàn)與電機(jī)和變頻器相同或更好的性能。

機(jī)器軟件也已經(jīng)模塊化。應(yīng)用模板是實(shí)用的工程工具，使精密和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制更容易獲取，更容易理解。模塊化的軟件模板，更容易實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)。不論是集中式、基于控制器的系統(tǒng)，還是分布式、基于驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)，模塊化控制系統(tǒng)都可以使用基于EtherCAT、PLCopen和其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

越來越多的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）、傳輸控制協(xié)議（TCP ／ IP）、開放系統(tǒng)架構(gòu)正在向工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展，有些在新裝置中的應(yīng)用甚至超過了專用的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)連接，可以提供不同形式的無線和現(xiàn)場(chǎng)總線通信，包括以太網(wǎng)，多輸入／輸出（I／O）接口，以及鍵盤、USB或無線局域網(wǎng)（LAN）模塊等插件選項(xiàng)?？捎玫慕涌谶x項(xiàng)，簡(jiǎn)化了調(diào)試、參數(shù)設(shè)置和連接。無線、I／O、和即插即用選項(xiàng)，使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)和基于云的控制和分析成為可能。

開放標(biāo)準(zhǔn)編程，賦予操作員在過程級(jí)別上的控制能力，還可以使用同一控制器集成上、下游驅(qū)動(dòng)控制任務(wù)。開放標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境增加了網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，這是一把雙刃劍。需要對(duì)工業(yè)連接和控制進(jìn)行評(píng)估，以便識(shí)別潛在的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，采取相應(yīng)的預(yù)防措施。具有內(nèi)部控制、PLC安全檢測(cè)系統(tǒng)，并配備了用戶權(quán)限管理的控制平臺(tái)，能夠支持多層網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的網(wǎng)絡(luò)安全框架，提供了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備安全控制的具體實(shí)施指南。

打好工業(yè)4.0的地基

工業(yè)4．0的未來愿景是希望在世界任何地方，獲得身份認(rèn)證的用戶都可以訪問數(shù)據(jù)分析、控制生產(chǎn)、并執(zhí)行預(yù)防性維護(hù)，從而可以提高生產(chǎn)能力，改善盈利水平。機(jī)電一體化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這一切的基礎(chǔ)。

有了合適的工具，就可以在更短的時(shí)間間隔內(nèi)推出智能機(jī)器。能源效率植根于現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)技術(shù)。編程易用性和控制訪問，意味著運(yùn)行人員可以受益于更高的生產(chǎn)率，易于維護(hù)和減少停機(jī)時(shí)間。以運(yùn)動(dòng)為中心的自動(dòng)化解決方案，納入了人體工程學(xué)操作理念、用戶友好、多點(diǎn)觸摸、人機(jī)界面的操作系統(tǒng)，以便實(shí)現(xiàn)過程可視化，更易于集成，從而達(dá)到支持網(wǎng)絡(luò)和與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）設(shè)備的連接和控制。

顯然，在工業(yè)4．0時(shí)代，機(jī)電一體化比以往的關(guān)聯(lián)度更高。靈活和可擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可以提供更高效的數(shù)據(jù)流、可視性和控制，并可將機(jī)器數(shù)據(jù)安全的發(fā)送給（或接收）網(wǎng)絡(luò)或云，以便實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的決策、診斷、維護(hù)和預(yù)測(cè)分析。將復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制和自動(dòng)化轉(zhuǎn)化為便于使用的驅(qū)動(dòng)解決方案是工業(yè)4．0在運(yùn)動(dòng)控制中實(shí)施的關(guān)鍵。