图1 系统解决方案，用于生产设备的自动化

用单个阀，还是用阀岛来控制气控自动化过程阀？这两种方案各有哪些技术和经济上的优势？两种方案在调试方面有哪些差异？想要找到这些问题的答案请阅读本文。

系统解决方案

Festo完整的自动化或系统方案包括实现对生产设备（从过程阀所在位置一直到现场总线接口，图1）控制所必需的所有元件，这些元件包括:

气缸，带位置反馈或位置控制器；

气管和接头；

气源处理装置（包括用于监控耗气量和正确工作的传感器）；

图2 设备实例，用于作为阀岛和单个阀比较的基础

带现场总线接口的模块化阀岛或完整的控制箱方案。

这个系统方案中阀岛是核心元件，可简化分散式自动化解决方案的装配工作。图1中所示的CPX/MPA阀岛是完全模块化的产品，可控制多达64个电磁阀线圈，并处理用于通过现场总线与高位自动化系统进行通信的数字量和模拟量电信号。

阀岛也可配备控制器，这样可独立于中央处理管理系统之外实现对生产设备的各个部分进行控制。通过这些元件，可创造出符合自身特定需要的自动化应用（从过程阀所在位置一直到主控器层）。

为 确保控制链的各个部分能以最佳效率进行工作，所有元件都应精确匹配，这是非常重要的。在许多情况中，一些细枝末节的地方会造成各种各样的问题：例如，气管 和接头过大或过小或材质不适合用于当前的应用场合，这些都会造成信号传输的延迟。虽然投资成本相差不多，但是如果在调试后必须替换气管和接头，那么这样的 后续成本会变得非常高昂。

图3 使用单个阀的自动化方案的结构

用于Festo与过程阀的制造商紧密合作，该系统方案对于阀岛和现场总线的连接仅有一种明确定义的标准接口，即Profibus DP，无论是技术上还是价格上都具有吸引力。 因此，分散式自动化技术的系统方案具有如下优势：

现场总线带来了灵活性，集成和扩展都很方便；

各模块的工程设计平行进行，节省时间；

各个模块预先经过独立测试，保证可靠性；

降低安装成本；

借助系统诊断功能，可实现最大程度的设备使用率。

图4 采用阀岛技术的自动化方案的结构

与单个阀的方案相比，系统方案可以节省下相当可观的成本。系统方案尤其适用于安装多个相互毗邻过程阀的生产设备，例如生物技术/制药工业中的设备、食品生产设备、过滤设备或公共污水处理厂的发酵罐。

对于化工或石油化工行业中的大型设备而言，情况有所不同，过程阀之间的距离通常都比较远。通过成本比较就可揭示阀岛技术和单个阀结构之间的差异。

用于大型设备时，阀岛和单个阀之间的成本比较

图 2中是真实设备的图片，用于作为比较的基础。该设备占地面积约（20×20） m，高度为15m，用于生产护肤品和清洁剂。该设备由约100个阀进行控制，主要是球阀、提动阀和闸阀，公称通径在25~200 mm之间。该设备可配备多个单个阀和限位开关盒（安装于驱动器上）或可配备一个带有多个终端位置检测器和一个集成电磁阀的箱子。成本比较只考虑开/关阀。 以设备中出现的控制箱为基础进行计算。

图5 第一层详细电路-气路图（单个阀）

图3中为设备自动化中的单个阀方案，而图4是阀岛技术方案。单个阀通过NAMUR接口直接安装在阀驱动器上。单个阀和终端位置开关通过远程I/O与现场总线相连。这种结构与阀岛方案相似：现场总线节点、远程I/O和电磁阀构成一个单元，作为分散式控制层。

当使用阀岛技术而不是单个阀时，就不需要远程I/O上的数字量输出控制单个阀，也不需要相关配线和安装工作等。把阀岛安装在设备中就是为了满足过程处理对于过程阀开/关时间的要求。

图6 第一层详细电路图（阀岛），图中没有显示气路

此外，出于计算的需要进行以下假设：

假设“带远程I/O的单个阀”和“CPX/MPA阀岛的安装/连接成本相同”。

在单个阀解决方案中，需要使用多芯电缆连接电磁阀和传感器盒。而采用阀岛技术时，相对而言只是减少了电缆的芯数。这里的成本差异可以忽略不计。也不考虑用两根电缆连接单个阀的方法。

成本计算是以Festo产品和其他供应商（电磁阀、气管、电缆等）产品的面价为基础。这些成本包括元件成本、适当长度管线的安装成本和连接成本。 安装和连接成本由系统操作人员提供。

为了确定用于平面图中包括的所有电磁阀的电缆和气路的精确位置，做了一次详细的实地调查。该平面图用于确定电缆和线路的长度。图5和图6是第一层设备分别采用单个阀方案和阀岛方案的详细线路图。对于上一层的生产设备也可采用相类似的方法。

图7 单个阀（EV）方案和阀岛技术（VI）方案成本比较的结果

对四个区域进行了成本计算：

室内，非防爆区域；

室内，防爆2区；

室外，防爆2区；

室外，防爆1区。

图7中的比较结果显示，阀岛技术在各个方面都具有非常大的成本优势。就产品和安装成本而言，阀岛技术可节省的成本在14%~42%之间。该数学模型也可用于其他规格的生产设备。

图8 水厂的管道地下室

用于模型计算的生产设备的气源在每一层都是由带气源分配装置的环形气路组成。如果无需用到环形气路和分配装置，阀岛方案则可进一步节省约21000欧元。

以上的成本比较只是涵盖了投资成本。并没有考虑阀岛技术在整个产品生命周期内可进一步节省的成本。例如，可用诊断技术避免因故障而引发的停机维修时间，以及通过故障快速定位可大大减少各种停机维修时间。

图9 污水处理厂发酵罐的管道地下室

调试

在 设计阶段，调试往往会被忽视。图8中是水处理过滤系统典型的管道装置。对单个阀方案进行干调试时，需连接好系统中所有的电缆和气管。随后接通气源，通过电 磁阀上的手控装置激活电磁阀，以便检查电磁阀是否连接正确。图片所示的设备中，许多过程阀的位置往往需要借助梯子才可达到，这样就无法在现场检查配置清 单。

图9中的情形也相类似，图中是两个发酵罐的管道地下室，用于处理公共污水处理厂的污泥。许多管道和相关的过程阀都在天花板上。

图10 带阀岛的控制箱

在 这个应用中，在本应是单个阀的位置上，安装了带有阀岛的控制箱（图10）。对于水厂操作人员来讲，控制箱操作更方便。这就意味着，可大大减少调试时所需的 步行距离。此外，带阀岛的控制箱可方便地采用系统性方法进行调试。限位开关提供反馈信号，以显示过程阀的位置。这些信号反馈给阀岛左手边的I/O模块。每 个输入和输出信号（例如，电磁阀上的输入和输出信号）可以直接通过LED显示出来。

如果现场总线也处于工作状态，那么编程人员可通过设备编 码号直接检查信号配置情况。采用阀岛技术还有一个额外的优势：可以将功能模块或设备各部分组合在一起，并映射到阀岛上。这样，即使再复杂的设备也可在模块 化的基础上实现自动化，从而使得设备操作人员就能获得更好的操作透明度。

图11 制药设备的中试车间

在一个工人要求操作多个设备并且这些设备采用了数千个过程阀的情况下（例如，制药工业中），操作透明度就变得尤为重要。图11是制药设备的中试车间。

此类设备通常都有超过10 000个过程阀或介质接触阀，这些阀都配备了单作用气缸。直接安装电磁阀就变得不现实。所以，这里要实现经济型自动化，阀岛是必不可少的。

如果一个设备有多家供应商（通常如此复杂程度的设备都会有多个供应商），推荐的方法是将控制箱和阀岛标准化，以便为操作人员创造透明度，并且可在设备的生命周期内产生多方面的成本优势，包括备件库存和维护人员培训等。