作者：Michael Jackson、Brian Condell和Konrad Scheuer

在宣扬工业4.0新成果和未来可能性的文章和视频中，智能传感器常能成为大家关注的焦点。传感器是工厂车间的“耳目”，让可编程逻辑控制器(PLC)洞察一切，而执行器（图1）就像幕后的无名英雄，赋予指令以“筋肉”，帮助完成所有任务。对传感器的过分关注可能是因为，许多人没有意识到，让执行器实现“智能化”可以为工厂管理人员带来丰厚回报。这篇博文首先探讨智能执行器的一些优势，然后介绍一个参考设计，演示利用IO-Link实现实用智能工厂执行器与PLC通信的优势。

图1.工厂车间的无名英雄——执行器，正在变得更加智能

从机械控制到电气控制再到微电子控制

传统上，执行器通过机械原理（气动、液压）来打开和关闭阀门，但在许多应用中，电控电机已取代这些机械装置。尽管如此，执行器总会有活动部件。这些活动部件会产生摩擦，需要持续监控和维护，以防止发生可能导致生产意外停止的故障。加入低压电子元件可以让工厂操作员更加巧妙地完成任务。微电子技术为执行器带来的一些优势包括：

• 低功耗开关：以前，电动执行器依赖于能效低且不可靠的继电器，但如今，板载电子器件实现了H桥式开关，使执行器更易于使用低电平电源信号进行控制，同时还能降低触电风险，提高安全性。板载电子器件还支持使用额定功率更低的控制元件，有助于简化设计。此外，使用板载电子器件来管理电源可以减少开关或触点上的电流，从而实现效率更高、成本更低的系统设计。

• 位置反馈：集成电子器件的一大优势在于，可以准确了解执行器在工作周期中每一时间点的位置。使用编码器的高级位置控制可实现各种运动曲线。如果需要，其中的任何变化都可能触发调整和警报，或触发系统自动关闭，防止造成不可挽回的损害。

• 状态监控：通过监控自身状态（状况），智能执行器为操作员提供了一张额外的安全防护网，防止造成代价昂贵的损坏以及相关的更换或维修。例如，执行器可以监控温度（对于活动部件至关重要的指标）、电压和电流水平，并采取相应措施来消除隐患，或者在必要时采取保护措施。执行器还收集有关已执行工作周期数的数据，并在需要维护时发送自动提醒。越来越多的执行器集成了智能算法来监测振动和噪声，这些是判断机械部件是否过度磨损的潜在指标。

• 实时通信：位置反馈、状态监控和其他诊断提供的信息只有转化为可执行的方案，才能真正发挥作用。此类信息必须通过工业网络与PLC共享。现场总线协议和工业以太网版本众多，智能执行器设计人员必须要慎重决定使用哪种协议和版本。

借助经过验证的智能执行器参考设计快速上手

ADI公司和TMG TE合作设计了MAXREFDES278# 8通道电磁阀执行器参考设计（图2），该设计基于MAX22200 1A八通道集成串行控制电磁阀驱动器IC（集成了FET）和MAX22514 IO-Link收发器（集成了保护功能）。MAXREFDES278#采用工业85mm x 42mm外形尺寸设计，每个电磁阀通道都包含一个专用双向端子块，并使用行业标准M12连接器，支持使用4线IO-Link电缆将其连接到IO-Link主站收发器（如MAX14819）。

图2.MAXREFDES278# IO-Link 8通道电磁阀执行器参考设计

该参考设计可以通过两种方式供电。例如直接通过IO-Link主站供电（支持高达800mA的总负载），或使用外部电源提供更高的电流。参考设计使用MAX17608限流器，具有过压(OV)、欠压(UV)和反向保护功能，确保IO-Link部分始终通电，从而避免电流回流至IO-Link主站。使用IO-Link进行数据通信的优势在于，它支持四种不同类型的传输——过程数据、诊断、配置和事件，这些信息可以指示执行器是否故障，以便快速执行相关操作。IO-Link的另一个优势在于可使执行器“与网络无关”，也就是执行器可以在任何工业网络上工作，工程师无需担心执行器设计选择哪种协议。