0.前言
從1989年到2019年，慕然回首30年彈指一揮間，自動化世界已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化，順應著兩化融合、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，風起云涌，英雄輩出。
作為領(lǐng)跑全球自動化領(lǐng)域的龍頭與先鋒之一，費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”。人們對于“閥島”最初的定義與認識，是一種集成多個電控閥、信號輸入/輸出/控制以及工業(yè)網(wǎng)絡通信功能的自動化元器件，猶如一個控制島嶼。
如今30年過去了，現(xiàn)在的費斯托閥島產(chǎn)品線已經(jīng)發(fā)展為一種模塊化、網(wǎng)絡化、智能化、數(shù)字化的氣電一體化控制終端解決方案，越來越廣泛地應用在全球工業(yè)自動化領(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)、生命科學等國民經(jīng)濟主流行業(yè)以及仿生與智能研究等新興前沿科技領(lǐng)域中應用廣泛。
費斯托閥島產(chǎn)品線之所以如此靈活與強大，主要是因為它不僅融合了先進的自動化控制系統(tǒng)技術(shù)、現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)、氣驅(qū)動控制技術(shù)、電驅(qū)動控制技術(shù)以及傳感器等技術(shù)，同時順應市場變化，與物聯(lián)網(wǎng)/云計算/大數(shù)據(jù)/虛擬現(xiàn)實/人工智能/5G通訊等前沿技術(shù)協(xié)同發(fā)展，不斷創(chuàng)新，始終堅持為用戶提高生產(chǎn)力創(chuàng)造價值，始終堅持為實現(xiàn)工業(yè)4.0智能制造的偉大愿景而不懈努力。費斯托閥島起源與發(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代背景與研發(fā)歷程
在19世紀80年代的自動化世界里，控制系統(tǒng)的自動化程度越來越高，機器構(gòu)建的規(guī)模也越來越龐大，越來越多氣動、電動的控制元件被安裝到機器上，如果還沿用傳統(tǒng)方法進行設備組裝，氣管與電纜的連接與布線會變得越來越復雜，這不僅增加了設備安裝的復雜性與系統(tǒng)運行的不確定性，也導致自動化項目構(gòu)建與運營成本劇增，嚴重影響生產(chǎn)力。因此，當時自動化市場上的用戶急需一些創(chuàng)新的技術(shù)解決方案，用來簡化自動化元件的組裝，縮減機器空間，降低自動化項目周期中各個環(huán)節(jié)中的成本。
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電磁閥帶來大量電纜與氣管連接問題" src="https://img.vogel.com.cn/2019/09/04/5d6f1567d5660.png"/>
圖1 傳統(tǒng)氣動自動化系統(tǒng)中使用大量電磁閥帶來大量電纜與氣管連接問題
1.1.時代背景：傳統(tǒng)方式的氣動自動化控制系統(tǒng)在實際項目中面臨挑戰(zhàn)
如圖1所示，在一個氣動自動化系統(tǒng)中，通常會采用氣動執(zhí)行機構(gòu)(氣缸、氣爪、真空吸盤等)來實現(xiàn)送料、抓取等動作，這些氣動執(zhí)行機構(gòu)的動作由電磁閥來控制。采用傳統(tǒng)的獨立接線控制方式，需要對每一個電磁閥進行電氣連接，也就是說每一個電磁線圈都要逐個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)的自動化項目周期中，機械氣動控制系統(tǒng)與電動通信控制系統(tǒng)之間需要進行反復的溝通、協(xié)調(diào)與對接，導致實際項目實施中產(chǎn)生海量的連線和管道，嚴重影響設備維護和管理效率。此外，這類系統(tǒng)的制造必須花費大量的時間和人力，這使得整個設備的開發(fā)、制造周期延長，而且常常會因人為因素，出現(xiàn)設計溝通內(nèi)耗和制造商的錯誤等問題。
1.2.研發(fā)歷程：1989年全世界第一款閥島是如何誕生的?
為了解決當時自動化用戶痛點，滿足市場新需求，費斯托德國總部于19世紀80年代開始致力于研究創(chuàng)新型氣/電一體化控制單元，最初的想法是簡化機器上大量電磁閥的組裝與電氣接線問題。通過不斷探索，費斯托德國總部基于之前經(jīng)典老虎閥的設計，在PRS型氣路板(P-供氣口，R、S-排氣口，82、84-先導排氣口)實現(xiàn)氣路簡化的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)了對電磁線圈控制電路的創(chuàng)新設計，在1989年漢諾威工業(yè)博覽會期間，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”。這款世界上第一個閥島，在費斯托閥島產(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" 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
這款“01型閥島”產(chǎn)品的設計思想，是將電控部分也融合在氣路板內(nèi)部，當裝配電磁閥片時，電磁線圈引腳只需要直接插在氣路板上即可，上位機電氣控制系統(tǒng)只需要通過幾個符合各種國際電氣規(guī)范標準的電接口(例如多針接口/現(xiàn)場總線接口/工業(yè)以太網(wǎng)接口)，就能方便地連接到氣路板并對其集成的電磁閥進行控制。這樣的氣/電一體化控制單元，不再需要用戶對單個電磁閥獨立地引出信號控制線，在減小接線工作量的同時還提高了操作的準確性，并使其防護等級達到IP65及以上。廣泛采用這種氣/電一體化控制單元到機器設備中后，用戶能夠顯著降低氣/電/機安裝和連接的數(shù)量，使得系統(tǒng)簡潔、調(diào)試和維護方便，同時日后系統(tǒng)的更新和擴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)展而不斷與時俱進推陳出新的。早在1989年上市的“01型閥島”產(chǎn)品設計中，就已經(jīng)實現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域控制電磁閥的應用。
2.1.產(chǎn)品圖譜：費斯托閥島產(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)，費斯托閥島產(chǎn)品線新品輩出，幾乎每一款都受到自動化市場用戶的歡迎，并多次榮獲產(chǎn)品上市當年的漢諾威工業(yè)博覽會產(chǎn)品獎項，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：費斯托閥島已經(jīng)進化為面向工業(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計型號，不僅豐富了費斯托閥島產(chǎn)品線，而且順應時代潮流發(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用場景的自動化需求。
費斯托閥島產(chǎn)品發(fā)展特點主要體現(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(個性化氣控/電控模塊可逐漸擴展);從通用型閥島(面向各行各業(yè)應用)發(fā)展為更多專用型閥島(適合特定行業(yè)特定應用場景);從帶多針接口的閥島發(fā)展為帶現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)通訊的閥島(這兩種形式是目前自動化市場上使用最多的閥島)，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。如圖4所示，采用閥島技術(shù)與現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，不僅使氣動系統(tǒng)的布線更容易，而且還大大地簡化了復雜系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、性能檢測和診斷以及維護工作，降低了自動化項目的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
費斯托閥島產(chǎn)品線不僅借助現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)高性能的一體化信息系統(tǒng)，使氣動、電氣特性與優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，還擁有領(lǐng)跑自動化市場的帶可編程控制器可接入物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡化、智能化閥島，以及最新實現(xiàn)氣動控制技術(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)絡化/智能化/數(shù)字化的閥島產(chǎn)品與方案，不僅是目前費斯托公司的獨家方案，而且非常適合當前中國智能制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的需要，順應了工業(yè)3.0模式推廣以及工業(yè)4.0模式探索現(xiàn)場數(shù)字化升級的趨勢。大量現(xiàn)場的氣動、電動以及傳感器元件數(shù)據(jù)，可通過智能化閥島實現(xiàn)數(shù)字化無縫升級(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)字控制終端實現(xiàn)一步到位(同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)上云監(jiān)控與APP切換功能柔性敏捷制造)數(shù)字化升級接入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，如圖5所示。
圖5 費斯托閥島已經(jīng)進化為面向工業(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)深入回顧費斯托閥島產(chǎn)品線發(fā)展的這30年，下期將會更加深刻的介紹閥島產(chǎn)品創(chuàng)新設計的思想，以及發(fā)展進化為當前智能數(shù)字化氣/電一體控制終端解決方案的歷程。根據(jù)幾種里程碑式的費斯托閥島產(chǎn)品型號上市的時間點，可以進一步展開為3個歷史階段進行分析。
