费斯托阀岛30年: 起源与发展(一)

文章来源:MM《现代制造》 点击数:437 发布时间:2019-09-04
作为领跑全球自动化领域的龙头与先锋之一,费斯托公司德国总部早在1989年就已经发明了世界上第一款阀岛产品。所以“阀岛”一词来源于德语,英文名为“Valve Terminal”。人们对于“阀岛”最初的定义与认识,是一种集成多个电控阀、信号输入/输出/控制以及工业网络通信功能的自动化元器件,犹如一个控制岛屿。
费斯托阀岛30年: 起源与发展(一)

0.前言

从1989年到2019年,慕然回首30年弹指一挥间,自动化世界已经发生了天翻地覆的变化,顺应着两化融合、工业互联网、智能制造以及工业4.0数字化的发展趋势,风起云涌,英雄辈出。

作为领跑全球自动化领域的龙头与先锋之一,费斯托公司德国总部早在1989年就已经发明了世界上第一款阀岛产品。所以“阀岛”一词来源于德语,英文名为“Valve Terminal”。人们对于“阀岛”最初的定义与认识,是一种集成多个电控阀、信号输入/输出/控制以及工业网络通信功能的自动化元器件,犹如一个控制岛屿。

如今30年过去了,现在的费斯托阀岛产品线已经发展为一种模块化、网络化、智能化、数字化的气电一体化控制终端解决方案,越来越广泛地应用在全球工业自动化领域中,在汽车制造、电子和轻型装配、食品与包装、过程工业、生命科学等国民经济主流行业以及仿生与智能研究等新兴前沿科技领域中应用广泛。

费斯托阀岛产品线之所以如此灵活与强大,主要是因为它不仅融合了先进的自动化控制系统技术现场总线与工业以太网通讯技术、气驱动控制技术、电驱动控制技术以及传感器等技术,同时顺应市场变化,与物联网/云计算/大数据/虚拟现实/人工智能/5G通讯等前沿技术协同发展,不断创新,始终坚持为用户提高生产力创造价值,始终坚持为实现工业4.0智能制造的伟大愿景而不懈努力。费斯托阀岛起源与发展所经历的非凡30年将在本文一一道来。

1.起源:1989年全球第一款阀岛诞生的时代背景与研发历程

在19世纪80年代的自动化世界里,控制系统的自动化程度越来越高,机器构建的规模也越来越庞大,越来越多气动、电动的控制元件被安装到机器上,如果还沿用传统方法进行设备组装,气管与电缆的连接与布线会变得越来越复杂,这不仅增加了设备安装的复杂性与系统运行的不确定性,也导致自动化项目构建与运营成本剧增,严重影响生产力。因此,当时自动化市场上的用户急需一些创新的技术解决方案,用来简化自动化元件的组装,缩减机器空间,降低自动化项目周期中各个环节中的成本。

图1 传统气动自动化系统中使用大量电磁阀带来大量电缆与气管连接问题
图1 传统气动自动化系统中使用大量电磁阀带来大量电缆与气管连接问题

1.1.时代背景:传统方式的气动自动化控制系统在实际项目中面临挑战

如图1所示,在一个气动自动化系统中,通常会采用气动执行机构(气缸、气爪、真空吸盘等)来实现送料、抓取等动作,这些气动执行机构的动作由电磁阀来控制。采用传统的独立接线控制方式,需要对每一个电磁阀进行电气连接,也就是说每一个电磁线圈都要逐个连接到控制器输出模块通道上,此外还要安装消音器,压缩空气源以及连接到气缸的管接头等配件。而即使采用了集装阀形式,也需要几十根甚至上百根的控制接线、气管连接,这不仅使布线安装困难,而且存在很多故障隐患。

由此可见,在传统的自动化项目周期中,机械气动控制系统与电动通信控制系统之间需要进行反复的沟通、协调与对接,导致实际项目实施中产生海量的连线和管道,严重影响设备维护和管理效率。此外,这类系统的制造必须花费大量的时间和人力,这使得整个设备的开发、制造周期延长,而且常常会因人为因素,出现设计沟通内耗和制造商的错误等问题。

1.2.研发历程:1989年全世界第一款阀岛是如何诞生的?

为了解决当时自动化用户痛点,满足市场新需求,费斯托德国总部于19世纪80年代开始致力于研究创新型气/电一体化控制单元,最初的想法是简化机器上大量电磁阀的组装与电气接线问题。通过不断探索,费斯托德国总部基于之前经典老虎阀的设计,在PRS型气路板(P-供气口,R、S-排气口,82、84-先导排气口)实现气路简化的基础上,进一步实现了对电磁线圈控制电路的创新设计,在1989年汉诺威工业博览会期间,正式推出了世界上第一款气/电一体化控制单元,中文命名为“阀岛”,英文名为“Valve Terminal”。这款世界上第一个阀岛,在费斯托阀岛产品线中最初没有数字类型的名称,后来被称为“01型阀岛”,产品外观与结构特点如图2所示。

图2 世界上第一款阀岛(Festo“01型阀岛”)产品外观与结构特点
图2 世界上第一款阀岛(Festo“01型阀岛”)产品外观与结构特点

这款“01型阀岛”产品的设计思想,是将电控部分也融合在气路板内部,当装配电磁阀片时,电磁线圈引脚只需要直接插在气路板上即可,上位机电气控制系统只需要通过几个符合各种国际电气规范标准的电接口(例如多针接口/现场总线接口/工业以太网接口),就能方便地连接到气路板并对其集成的电磁阀进行控制。这样的气/电一体化控制单元,不再需要用户对单个电磁阀独立地引出信号控制线,在减小接线工作量的同时还提高了操作的准确性,并使其防护等级达到IP65及以上。广泛采用这种气/电一体化控制单元到机器设备中后,用户能够显著降低气/电/机安装和连接的数量,使得系统简洁、调试和维护方便,同时日后系统的更新和扩展工作开展起来都非常灵活。

2.发展:阀岛向气/电一体控制终端方案的转变过程

费斯托阀岛技术与产品线的发展,是伴随着工业自动化技术OT、信息技术IT以及通讯技术CT的发展而不断与时俱进推陈出新的。早在1989年上市的“01型阀岛”产品设计中,就已经实现了现场总线技术在工业自动化领域控制电磁阀的应用。

2.1.产品图谱:费斯托阀岛产品线1989年发展至今30年历史上出现的主要产品成员

而在1989年之后的30年内,费斯托阀岛产品线新品辈出,几乎每一款都受到自动化市场用户的欢迎,并多次荣获产品上市当年的汉诺威工业博览会产品奖项,如图3所示。图中包含了Festo公司的01/02/03/04/05/06型阀岛、CPV阀岛、CPA阀岛、CP电连接系统、CDVI阀岛、CPV-SC阀岛、CPA-SC阀岛、MPA阀岛、VTSA阀岛、CPX电气控制系统、CPI电连接系统、VTUB阀岛、MPA-L阀岛、VTUG阀岛、CTEU电气通讯模块、CTEL电连接系统以及MPA-C阀岛等等。

图3 费斯托阀岛产品线发展至今30年历史上出现的主要产品成员
图3 费斯托阀岛产品线发展至今30年历史上出现的主要产品成员

2.2.概要回顾:费斯托阀岛已经进化为面向工业4.0智能制造数字化的数字控制终端方案

这些每年不断加入的新设计型号,不仅丰富了费斯托阀岛产品线,而且顺应时代潮流发展,赋予阀岛产品更多样化的结构选择与功能定义,满足用户不同层次与应用场景的自动化需求。

费斯托阀岛产品发展特点主要体现为:从紧凑型阀岛(固定数量的阀片)发展为模块型阀岛(个性化气控/电控模块可逐渐扩展);从通用型阀岛(面向各行各业应用)发展为更多专用型阀岛(适合特定行业特定应用场景);从带多针接口的阀岛发展为带现场总线与工业以太网通讯的阀岛(这两种形式是目前自动化市场上使用最多的阀岛),并开发了内部通信协议构成连接相关产品的电连接平台。如图4所示,采用阀岛技术与现场总线、工业以太网技术相结合,不仅使气动系统的布线更容易,而且还大大地简化了复杂系统的安装、调试、性能检测和诊断以及维护工作,降低了自动化项目的TCO总所有成本。(图中包含了Festo公司的VUVG电磁阀、多针型VTUG阀岛、IO-Link/总线型VTUG阀岛、CTEU电气通讯模块、具有CPX-CEC可编程功能的CPX/MPA阀岛等等)

图4 阀岛技术与现场总线、工业以太网技术相结合显著降低了TCO总所有成本
图4 阀岛技术与现场总线、工业以太网技术相结合显著降低了TCO总所有成本

费斯托阀岛产品线不仅借助现场总线、工业以太网高性能的一体化信息系统,使气动、电气特性与优势得到充分发挥,还拥有领跑自动化市场的带可编程控制器可接入物联网的网络化、智能化阀岛,以及最新实现气动控制技术数字化,面向工业4.0智能制造的数字控制终端阀岛。网络化/智能化/数字化的阀岛产品与方案,不仅是目前费斯托公司的独家方案,而且非常适合当前中国智能制造产业转型升级的需要,顺应了工业3.0模式推广以及工业4.0模式探索现场数字化升级的趋势。大量现场的气动、电动以及传感器元件数据,可通过智能化阀岛实现数字化无缝升级(数据上云监控)接入工业物联网,或者通过数字控制终端实现一步到位(同时实现数据上云监控与APP切换功能柔性敏捷制造)数字化升级接入工业物联网,如图5所示。

图5 费斯托阀岛已经进化为面向工业4.0智能制造数字化的数字控制终端方案
图5 费斯托阀岛已经进化为面向工业4.0智能制造数字化的数字控制终端方案

(图中包含了Festo公司的CPX-IOT物联网网关、CPX-E电气控制系统、CMMT电驱动控制器、MSE6-E2M气能效模块、CPX/MPA阀岛、CPX/VTSA阀岛、CPX/VTEM数字控制终端、人工智能AI方案等等)

如果继续深入回顾费斯托阀岛产品线发展的这30年,下期将会更加深刻的介绍阀岛产品创新设计的思想,以及发展进化为当前智能数字化气/电一体控制终端解决方案的历程。根据几种里程碑式的费斯托阀岛产品型号上市的时间点,可以进一步展开为3个历史阶段进行分析。