0.前言
從1989年到2019年，慕然回首30年彈指一揮間，自動(dòng)化世界已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化，順應(yīng)著兩化融合、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造以及工業(yè)4.0數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì)，風(fēng)起云涌，英雄輩出。
作為領(lǐng)跑全球自動(dòng)化領(lǐng)域的龍頭與先鋒之一，費(fèi)斯托公司德國總部早在1989年就已經(jīng)發(fā)明了世界上第一款閥島產(chǎn)品。所以“閥島”一詞來源于德語，英文名為“Valve Terminal”。人們對(duì)于“閥島”最初的定義與認(rèn)識(shí)，是一種集成多個(gè)電控閥、信號(hào)輸入/輸出/控制以及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信功能的自動(dòng)化元器件，猶如一個(gè)控制島嶼。
如今30年過去了，現(xiàn)在的費(fèi)斯托閥島產(chǎn)品線已經(jīng)發(fā)展為一種模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化的氣電一體化控制終端解決方案，越來越廣泛地應(yīng)用在全球工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，在汽車制造、電子和輕型裝配、食品與包裝、過程工業(yè)、生命科學(xué)等國民經(jīng)濟(jì)主流行業(yè)以及仿生與智能研究等新興前沿科技領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。
費(fèi)斯托閥島產(chǎn)品線之所以如此靈活與強(qiáng)大，主要是因?yàn)樗粌H融合了先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)、氣驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、電驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)以及傳感器等技術(shù)，同時(shí)順應(yīng)市場(chǎng)變化，與物聯(lián)網(wǎng)/云計(jì)算/大數(shù)據(jù)/虛擬現(xiàn)實(shí)/人工智能/5G通訊等前沿技術(shù)協(xié)同發(fā)展，不斷創(chuàng)新，始終堅(jiān)持為用戶提高生產(chǎn)力創(chuàng)造價(jià)值，始終堅(jiān)持為實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0智能制造的偉大愿景而不懈努力。費(fèi)斯托閥島起源與發(fā)展所經(jīng)歷的非凡30年將在本文一一道來。
1.起源：1989年全球第一款閥島誕生的時(shí)代背景與研發(fā)歷程
在19世紀(jì)80年代的自動(dòng)化世界里，控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度越來越高，機(jī)器構(gòu)建的規(guī)模也越來越龐大，越來越多氣動(dòng)、電動(dòng)的控制元件被安裝到機(jī)器上，如果還沿用傳統(tǒng)方法進(jìn)行設(shè)備組裝，氣管與電纜的連接與布線會(huì)變得越來越復(fù)雜，這不僅增加了設(shè)備安裝的復(fù)雜性與系統(tǒng)運(yùn)行的不確定性，也導(dǎo)致自動(dòng)化項(xiàng)目構(gòu)建與運(yùn)營成本劇增，嚴(yán)重影響生產(chǎn)力。因此，當(dāng)時(shí)自動(dòng)化市場(chǎng)上的用戶急需一些創(chuàng)新的技術(shù)解決方案，用來簡(jiǎn)化自動(dòng)化元件的組裝，縮減機(jī)器空間，降低自動(dòng)化項(xiàng)目周期中各個(gè)環(huán)節(jié)中的成本。
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圖1 傳統(tǒng)氣動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)中使用大量電磁閥帶來大量電纜與氣管連接問題
1.1.時(shí)代背景：傳統(tǒng)方式的氣動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)在實(shí)際項(xiàng)目中面臨挑戰(zhàn)
如圖1所示，在一個(gè)氣動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)中，通常會(huì)采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(氣缸、氣爪、真空吸盤等)來實(shí)現(xiàn)送料、抓取等動(dòng)作，這些氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作由電磁閥來控制。采用傳統(tǒng)的獨(dú)立接線控制方式，需要對(duì)每一個(gè)電磁閥進(jìn)行電氣連接，也就是說每一個(gè)電磁線圈都要逐個(gè)連接到控制器輸出模塊通道上，此外還要安裝消音器，壓縮空氣源以及連接到氣缸的管接頭等配件。而即使采用了集裝閥形式，也需要幾十根甚至上百根的控制接線、氣管連接，這不僅使布線安裝困難，而且存在很多故障隱患。
由此可見，在傳統(tǒng)的自動(dòng)化項(xiàng)目周期中，機(jī)械氣動(dòng)控制系統(tǒng)與電動(dòng)通信控制系統(tǒng)之間需要進(jìn)行反復(fù)的溝通、協(xié)調(diào)與對(duì)接，導(dǎo)致實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施中產(chǎn)生海量的連線和管道，嚴(yán)重影響設(shè)備維護(hù)和管理效率。此外，這類系統(tǒng)的制造必須花費(fèi)大量的時(shí)間和人力，這使得整個(gè)設(shè)備的開發(fā)、制造周期延長，而且常常會(huì)因人為因素，出現(xiàn)設(shè)計(jì)溝通內(nèi)耗和制造商的錯(cuò)誤等問題。
1.2.研發(fā)歷程：1989年全世界第一款閥島是如何誕生的?
為了解決當(dāng)時(shí)自動(dòng)化用戶痛點(diǎn)，滿足市場(chǎng)新需求，費(fèi)斯托德國總部于19世紀(jì)80年代開始致力于研究創(chuàng)新型氣/電一體化控制單元，最初的想法是簡(jiǎn)化機(jī)器上大量電磁閥的組裝與電氣接線問題。通過不斷探索，費(fèi)斯托德國總部基于之前經(jīng)典老虎閥的設(shè)計(jì)，在PRS型氣路板(P-供氣口，R、S-排氣口，82、84-先導(dǎo)排氣口)實(shí)現(xiàn)氣路簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁線圈控制電路的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在1989年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)期間，正式推出了世界上第一款氣/電一體化控制單元，中文命名為“閥島”，英文名為“Valve Terminal”。這款世界上第一個(gè)閥島，在費(fèi)斯托閥島產(chǎn)品線中最初沒有數(shù)字類型的名稱，后來被稱為“01型閥島”，產(chǎn)品外觀與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖2所示。
![圖2 世界上第一款閥島（<a title=]()
Festo“01型閥島”）產(chǎn)品外觀與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)" src="https://img.vogel.com.cn/2019/09/04/5d6f156c25bb1.png"/>
圖2 世界上第一款閥島（Festo“01型閥島”）產(chǎn)品外觀與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
這款“01型閥島”產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想，是將電控部分也融合在氣路板內(nèi)部，當(dāng)裝配電磁閥片時(shí)，電磁線圈引腳只需要直接插在氣路板上即可，上位機(jī)電氣控制系統(tǒng)只需要通過幾個(gè)符合各種國際電氣規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的電接口(例如多針接口/現(xiàn)場(chǎng)總線接口/工業(yè)以太網(wǎng)接口)，就能方便地連接到氣路板并對(duì)其集成的電磁閥進(jìn)行控制。這樣的氣/電一體化控制單元，不再需要用戶對(duì)單個(gè)電磁閥獨(dú)立地引出信號(hào)控制線，在減小接線工作量的同時(shí)還提高了操作的準(zhǔn)確性，并使其防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP65及以上。廣泛采用這種氣/電一體化控制單元到機(jī)器設(shè)備中后，用戶能夠顯著降低氣/電/機(jī)安裝和連接的數(shù)量，使得系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、調(diào)試和維護(hù)方便，同時(shí)日后系統(tǒng)的更新和擴(kuò)展工作開展起來都非常靈活。
2.發(fā)展：閥島向氣/電一體控制終端方案的轉(zhuǎn)變過程
費(fèi)斯托閥島技術(shù)與產(chǎn)品線的發(fā)展，是伴隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)OT、信息技術(shù)IT以及通訊技術(shù)CT的發(fā)展而不斷與時(shí)俱進(jìn)推陳出新的。早在1989年上市的“01型閥島”產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域控制電磁閥的應(yīng)用。
2.1.產(chǎn)品圖譜：費(fèi)斯托閥島產(chǎn)品線1989年發(fā)展至今30年歷史上出現(xiàn)的主要產(chǎn)品成員
而在1989年之后的30年內(nèi)，費(fèi)斯托閥島產(chǎn)品線新品輩出，幾乎每一款都受到自動(dòng)化市場(chǎng)用戶的歡迎，并多次榮獲產(chǎn)品上市當(dāng)年的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)產(chǎn)品獎(jiǎng)項(xiàng)，如圖3所示。圖中包含了Festo公司的01/02/03/04/05/06型閥島、CPV閥島、CPA閥島、CP電連接系統(tǒng)、CDVI閥島、CPV-SC閥島、CPA-SC閥島、MPA閥島、VTSA閥島、CPX電氣控制系統(tǒng)、CPI電連接系統(tǒng)、VTUB閥島、MPA-L閥島、VTUG閥島、CTEU電氣通訊模塊、CTEL電連接系統(tǒng)以及MPA-C閥島等等。
圖3 費(fèi)斯托閥島產(chǎn)品線發(fā)展至今30年歷史上出現(xiàn)的主要產(chǎn)品成員
2.2.概要回顧：費(fèi)斯托閥島已經(jīng)進(jìn)化為面向工業(yè)4.0智能制造數(shù)字化的數(shù)字控制終端方案
這些每年不斷加入的新設(shè)計(jì)型號(hào)，不僅豐富了費(fèi)斯托閥島產(chǎn)品線，而且順應(yīng)時(shí)代潮流發(fā)展，賦予閥島產(chǎn)品更多樣化的結(jié)構(gòu)選擇與功能定義，滿足用戶不同層次與應(yīng)用場(chǎng)景的自動(dòng)化需求。
費(fèi)斯托閥島產(chǎn)品發(fā)展特點(diǎn)主要體現(xiàn)為：從緊湊型閥島(固定數(shù)量的閥片)發(fā)展為模塊型閥島(個(gè)性化氣控/電控模塊可逐漸擴(kuò)展);從通用型閥島(面向各行各業(yè)應(yīng)用)發(fā)展為更多專用型閥島(適合特定行業(yè)特定應(yīng)用場(chǎng)景);從帶多針接口的閥島發(fā)展為帶現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)通訊的閥島(這兩種形式是目前自動(dòng)化市場(chǎng)上使用最多的閥島)，并開發(fā)了內(nèi)部通信協(xié)議構(gòu)成連接相關(guān)產(chǎn)品的電連接平臺(tái)。如圖4所示，采用閥島技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，不僅使氣動(dòng)系統(tǒng)的布線更容易，而且還大大地簡(jiǎn)化了復(fù)雜系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、性能檢測(cè)和診斷以及維護(hù)工作，降低了自動(dòng)化項(xiàng)目的TCO總所有成本。(圖中包含了Festo公司的VUVG電磁閥、多針型VTUG閥島、IO-link/總線型VTUG閥島、CTEU電氣通訊模塊、具有CPX-CEC可編程功能的CPX/MPA閥島等等)
圖4 閥島技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合顯著降低了TCO總所有成本
費(fèi)斯托閥島產(chǎn)品線不僅借助現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)高性能的一體化信息系統(tǒng)，使氣動(dòng)、電氣特性與優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，還擁有領(lǐng)跑自動(dòng)化市場(chǎng)的帶可編程控制器可接入物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化閥島，以及最新實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)控制技術(shù)數(shù)字化，面向工業(yè)4.0智能制造的數(shù)字控制終端閥島。網(wǎng)絡(luò)化/智能化/數(shù)字化的閥島產(chǎn)品與方案，不僅是目前費(fèi)斯托公司的獨(dú)家方案，而且非常適合當(dāng)前中國智能制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的需要，順應(yīng)了工業(yè)3.0模式推廣以及工業(yè)4.0模式探索現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化升級(jí)的趨勢(shì)。大量現(xiàn)場(chǎng)的氣動(dòng)、電動(dòng)以及傳感器元件數(shù)據(jù)，可通過智能化閥島實(shí)現(xiàn)數(shù)字化無縫升級(jí)(數(shù)據(jù)上云監(jiān)控)接入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，或者通過數(shù)字控制終端實(shí)現(xiàn)一步到位(同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上云監(jiān)控與APP切換功能柔性敏捷制造)數(shù)字化升級(jí)接入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，如圖5所示。
圖5 費(fèi)斯托閥島已經(jīng)進(jìn)化為面向工業(yè)4.0智能制造數(shù)字化的數(shù)字控制終端方案
(圖中包含了Festo公司的CPX-IOT物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、CPX-E電氣控制系統(tǒng)、CMMT電驅(qū)動(dòng)控制器、MSE6-E2M氣能效模塊、CPX/MPA閥島、CPX/VTSA閥島、CPX/VTEM數(shù)字控制終端、人工智能AI方案等等)
如果繼續(xù)深入回顧費(fèi)斯托閥島產(chǎn)品線發(fā)展的這30年，下期將會(huì)更加深刻的介紹閥島產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思想，以及發(fā)展進(jìn)化為當(dāng)前智能數(shù)字化氣/電一體控制終端解決方案的歷程。根據(jù)幾種里程碑式的費(fèi)斯托閥島產(chǎn)品型號(hào)上市的時(shí)間點(diǎn)，可以進(jìn)一步展開為3個(gè)歷史階段進(jìn)行分析。
