靈活和可擴展的機電一體化技術是實現工業4.0 的基礎。將複雜的運動控制和自動化轉化為便於使用的驅動解決方案是工業4.0在運動控制中實施的關鍵。

與工業4.0相關技術的迅速發展，提高了內置智能機器的效率、性能、以及可訪問性，因此被某些人稱為下一次工業革命。 機電一體化機器設計和工程為工業4.0項目的成功實施提供了基本的構建模塊。

通向工業4.0之路

第一次工業革命，使紡織行業和其它行業誕生了第一批工廠，推動這些行業向基於煤和蒸汽動力設備為基礎的機械化生產的轉變。第二次工業革命以電力和內燃機的廣泛使用為標誌，規模化生產帶來了更新、更快的發展。第三次工業革命以數字製造技術、互聯網技術和再生性能源技術的重大創新、融合與運用為代表，半導體、計算機以及能源技術的快速發展，大大提高了製造業和過程工業的生產和能源利用效率。被稱為第四次工業革命的工業4.0，則充分利用了數字化和自動化技術。物聯網（IoT）技術的引入，使模塊化組件和數字控制通信成為可能。物聯網為工業4.0提供有可能讓系統更快、更可靠、更靈活、更具擴展性的一個潛在的巨大平臺。讓工業4.0如此強大的是幾乎在世界任何地方、以近乎實時的方式進行最低層級的數據通訊和分析的能力。

隨著更多的傳感器、機器和運營連接到互聯網和雲平臺上，工業4.0已經獲得指數級的增長。企業將是物聯網解決方案的最高層的應用，可以降低運營成本，提高生產力，擴大新市場或開發新產品。

根據最近進行的一項業內調查結果，超過一半的企業高管已經接受基於物聯網的系統或計劃這樣做。超過80%的人認為，物聯網技術的應用，對於未來的成功至關重要。嵌入式智能和無線傳感器已經應用到工業車間和運營管理。數據分析公司Lux Research在一份物聯網產業報告中預測，截止 2020 年，全球工業物聯網產值將達到 1510 億美元。

運動控制的新挑戰

在自動化與機器人領域，連接技術的發展進步，促進了對基於機器的、機器對機器（M2M）、和機器對網絡（M2N）技術的需求。機電一體化機器的發展，推動了工業4.0實施的進程。相互連接的電機驅動自動化和基於控制的生產線和應用，推動了對關鍵設備的監控和資產管理策略的應用，從而進一步改善性能、增加正常運行時間、以及延長自動化設備和機器人的使用壽命。

基於雲的應用程序，使得執行復雜控制功能、數據聚合、監測、以及機械設備的診斷成為可能，而以前這些只能在工廠和企業層面訪問。

新供應鏈模型和更短生產週期的要求，需要具有一定的靈活性，只有這樣才能減少機器開發時間和交鑰匙系統的集成。隨著工業過程越來越多的相互連接在一起，機器設備製造商和運營商需要更大的靈活性和更短的交貨時間，來實現智能機器的設計和調試。

瞭解機電一體化運動控制的角色，對工業4.0項目的成功實施十分關鍵。在製造、包裝、物流和物料處理中，自動化和數字技術必須從提高運營效率和性能可擴展性方面滿足多個目標。

具有高效率減速機和智能電機的分佈式驅動解決方案，可以確保用戶在不同的應用場合實現更大的生產能力和可靠性。

管理複雜性，是機電一體化機器設計的核心，實施物聯網計劃需要大量複雜的工程功能。高效的生產製造和裝配，始於高效的運動控制。運動通過驅動軸、齒輪和電機、變頻器或伺服驅動器逐一傳遞。自動化是一把雙刃劍——在改善生產力的同時，也增加了系統複雜性，比如運動規劃、控制系統、以及與網絡的集成（無論是基於互聯網還是基於雲的平臺）都要變得更復雜。

更復雜的是，大多數工廠的運營，仍要使用某些在線運行時間可能超過十年或更長時間的老舊系統。電機驅動器、可編程邏輯控制器（PLC）和其它老舊設備，必須對其通訊協議是否能與最新的物聯網技術通信的兼容性方面做出評估。

機電一體化使系統簡化

工業4.0受益於多學科交叉的機電一體化技術，來降低不斷融合的信息技術（IT）和運營技術（OT）的複雜性。通過簡化設計、調試和運行，機電一體化工程可以開發出更好的機器設備。通過讓機器設備製造商來調試、編程和連接設備，機器的自我優化、選型適當的先進電機和變頻器系統可以使生產製造和供應鏈自動化更靈活、更快、效率更高。

例如，具有先進功能的變頻器，可以支持最新和傳統的機器連接。基於參數化編程技術、智能電機驅動技術的製造，可以加速機器運動編程從概念到部署的各個階段。參數化編程使其比傳統編程更易於調試。將智能驅動器上線，不再需要特殊培訓。同樣的原則適用於調試過程中變頻器的參數化。在某些情況下，只需要Wi-Fi和可插拔內存模塊就可以在一分鐘內複製和調試所需要的參數。

減少變量的數量，簡化了機器和運動控制。將電子元件和軟件集成到驅動機構中形成一個集成單元，當它與智能軟件結合時，就能以恆定扭矩變速運行，從而獲得廣泛應用。通過調整不必要和不同的變頻器系統變量，電機旋轉速度可自由調整，並可以通過移動設備進行遠程控制。

智能電機現在可以將速度控制驅動技術的傳統領域與工業4.0相結合，通過將線電壓驅動電機的簡單性與電子驅動控制單元的優點相結合，為移動用戶提供對電機控制的最佳遠程訪問。 將電機和變速箱與可變電機速度相結合的高效模塊化驅動解決方案，通常也可以實現與電機和變頻器相同或更好的性能。

機器軟件也已經模塊化。應用模板是實用的工程工具，使精密和複雜的運動控制更容易獲取，更容易理解。模塊化的軟件模板，更容易實現參數化驅動。不論是集中式、基於控制器的系統，還是分佈式、基於驅動的平臺，模塊化控制系統都可以使用基於EtherCAT、PLCopen和其它工業標準的自動化拓撲結構。

越來越多的互聯網協議（IP）、傳輸控制協議（TCP / IP）、開放系統架構正在向工業領域發展，有些在新裝置中的應用甚至超過了專用的現場總線網絡。電機驅動連接，可以提供不同形式的無線和現場總線通信，包括以太網，多輸入/輸出（I/O）接口，以及鍵盤、USB或無線局域網（LAN）模塊等插件選項。可用的接口選項，簡化了調試、參數設置和連接。無線、I/O、和即插即用選項，使實時數據傳輸到網絡和基於雲的控制和分析成為可能。

開放標準編程，賦予操作員在過程級別上的控制能力，還可以使用同一控制器集成上、下游驅動控制任務。開放標準環境增加了網絡接入點，這是一把雙刃劍。需要對工業連接和控制進行評估，以便識別潛在的網絡風險，採取相應的預防措施。具有內部控制、PLC安全檢測系統，並配備了用戶權限管理的控制平臺，能夠支持多層網絡安全協議。美國國家標準與技術研究所（NIST）的網絡安全框架，提供了工業網絡和物聯網連接設備安全控制的具體實施指南。

打好工業4.0的地基

工業4.0的未來願景是希望在世界任何地方，獲得身份認證的用戶都可以訪問數據分析、控制生產、並執行預防性維護，從而可以提高生產能力，改善盈利水平。機電一體化運動控制系統是實現這一切的基礎。

有了合適的工具，就可以在更短的時間間隔內推出智能機器。能源效率植根於現代驅動技術。編程易用性和控制訪問，意味著運行人員可以受益於更高的生產率，易於維護和減少停機時間。以運動為中心的自動化解決方案，納入了人體工程學操作理念、用戶友好、多點觸摸、人機界面的操作系統，以便實現過程可視化，更易於集成，從而達到支持網絡和與工業物聯網（IIoT）設備的連接和控制。

顯然，在工業4.0時代，機電一體化比以往的關聯度更高。靈活和可擴展的驅動技術，可以提供更高效的數據流、可視性和控制，並可將機器數據安全的發送給（或接收）網絡或雲，以便實現實時的決策、診斷、維護和預測分析。將複雜的運動控制和自動化轉化為便於使用的驅動解決方案是工業4.0在運動控制中實施的關鍵。

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