物聯網技術在伺服閥控制與監測中的應用研究

蔡博文，饒彬，張燕枝，郭磊，闞凱，楊佳，李鴻向，李宗雯

（江蘇金陵智造研究院有限公司，江蘇南京，210006）

0 引言

伺服閥是電液伺服控制系統中的核心部件，可以將電信號轉化為調制的流量和壓力輸出，是連接電氣和液壓領域的中間橋梁。由于其動態響應快、控制精度高、運行平穩、功率密度大等特點[1]，被廣泛應用于航空、航天、艦船、制造、機械等領域的伺服控制系統中。

隨著電子技術的發展，對于伺服閥的控制需求不僅僅局限于特定的靜動態指標，還對伺服閥的運行狀態、控制策略提出了更高的要求。對于研發人員來講，最優控制策略往往需結合實際工況在實驗中得以驗證，傳統的模擬控制方式在此驗證過程中帶來巨大不便；對于用戶來講，伺服閥作為伺服控制系統中關鍵元件，其運行狀態的監測至關重要，能夠實時掌握伺服閥運行狀態信息、故障判斷、健康管理、可視化將會成為新的需求；及時掌握伺服閥故障運行信息、遠程調試與維修，對于技術人員排故和產品升級具有重要意義，大大減少排故時間，提高工作效率[2]。

伴隨工業4.0的浪潮，基于物聯網技術的智能液壓生態系統是我國未來液壓技術發展的新方向。數字化和智能化將成為新型電液伺服技術發展的總體趨勢。

1 伺服閥技術發展現狀

電液伺服控制技術與電動伺服控制原理類似，二者都是基于偏差值的閉環控制方式。目前電液伺服控制系統中控制策略的應用仍以經典控制理論中的PID控制及其超前滯后補償等方式為主，而基于神經網絡、自適應控制等現代控制技術研究尚不成熟，對于器件的要求也比較高，投入成本較高。因此，電液伺服閥的研究方向主要集中在新材料的應用、新結構的創新和加工工藝等方面。

對于伺服閥控制器的應用，目前主要還是以傳統的模擬電路搭建為主[3]。隨著電子技術的飛速發展，模擬控制引起的零漂和不穩定性等弊端不斷暴露出來，伺服閥的數字化控制也成為新的研究方向。此外，隨著云計算、大數據、人工智能等技術的融合，數字化轉型也已成為企業的競爭優勢。

2 物聯網技術

隨著射頻識別、傳感器、網絡通訊等技術的不斷發展，物聯網技術應運而生。物聯網是在互聯網基礎上，通過信息傳感技術將終端設備的參數信息按約定的協議上傳至云端，實現對物理和虛擬世界的信息傳輸、處理并進行控制的智能服務系統。

物聯網系統在體系結構上可分為三個層面，分別是感知層、網絡層和應用層，其基本框架如下圖1所示。

圖1 物聯網系統基本框架

感知層在物聯網體系結構中屬于最底層，主要是各種各樣的傳感元件和通信設備構成，常見的如溫濕度傳感器、振動傳感器、RFID標簽、攝像頭等。傳感元件對物理設備各種信號的感知并采集，通過有線或無線傳輸至網關，由網關統一負責傳輸至網絡層等待下一步傳輸[4]，或根據上層服務器傳輸的命令執行相應的終端控制。

網絡層主要由網絡通信技術、網絡管理系統、云計算平臺、資源存儲與管理等組成，負責完成對感知層獲取信息的傳遞、處理和存儲等業務，并為上層應用層提供應用服務接口。

應用層作為物聯網的最頂層，是物聯網為用戶提供數據可視化的人機交互層，負責物聯網和用戶（包括人、系統）的人機接口，針對不同行業、不同用戶的需要進行對接，提供對應的終端應用平臺，實現物聯網的智能應用。

物聯網技術作為新一代信息技術高度集成下的產物，是數字化轉型的關鍵節點，對促進企業的數字化轉型發揮重要作用。通過采集產品各項指標參數、用戶習慣等信息，利用網絡媒介與云端穩定互聯，進行數據挖掘，助力產品優化升級，提高產品實用滿意度，為企業提升競爭力。

3 應用前景

上世紀90年代，物聯網的概念被首次提出。2012年，美國通用提出了“工業物聯網”的概念。次年，德國在漢諾威工業博覽會上正式提出了以信息數據化、網絡化、智慧化為核心的“工業4.0”布局，標志著基于信息物理融合系統的第四次工業革命的到來[5]。

近年來，我國對物聯網的重視與扶持政策也不斷加碼。2010年，物聯網被首次寫入政府工作報告。2013年，我國首次引發《物聯網發展專項行動計劃》。2015年，我國首次提出以制造產業鏈數字化、網絡化為核心的“中國智造2025”的概念，標志著中國版的“工業4.0”規劃正式部署，傳統制造業將從自動化向物聯網、云計算、大數據等信息技術融合的智能化方向轉變。2020年《關于深入推進移動物聯網全滿發展的通知》的下發，更是表明中國將進入“萬物智聯”的新時代。

在工業4.0的背景下，實際生產中的液壓物理技術與虛擬的數字信息技術相互融合將成為必然趨勢，這不僅能夠發揮液壓領域的物理優勢，并且能夠兼顧信息技術的實時性和智能性。

針對伺服閥當前所存在的問題，可從三個層面考慮：針對研發人員，伺服閥的最優控制策略需結合實際工況和實驗結果得到，這就需要傳統伺服閥具備工況識別和智能調節的功能；針對用戶，健康管理是復雜電液伺服閥發展的技術瓶頸，這就需要傳統伺服閥具備故障判斷、自我診斷、應急措施和故障預警等功能；針對企業，產品的維護和升級是不可缺少的服務，遠程的維護維修與調試功能無論是在工作效率還是競爭優勢方面都具有相當大的幫助。

而物聯網技術的應用，將為伺服閥在上述三個層面所存在的問題提出很好的解決思維和路徑，其技術框架如下圖2所示。

圖2 智能伺服閥技術框架

基于物聯網技術，傳統伺服閥向智能化伺服閥的轉型也將分為三個方面：傳感元件、智能控制器和大數據。終端可配備搭載用于環境識別的傳感元件，例如壓力（壓差）、溫（濕）度、振動、加速度（位移）傳感器；智能控制器主要包含用于實現針對參數采集信息自動調整的智能控制軟件，并能夠根據參數采集信息和大數據計算做出故障判斷和應急措施，實現自我診斷；大數據用于接收存儲伺服閥的運行狀態信息和使用習慣，為后臺技術人員的開發和控制提供信息保障。

4 智能控制器架構

在物聯網系統中，感知層是連接物理世界和數字世界的中間橋梁，智能控制器作為感知層的關鍵部分，是物聯網設備實現智能控制的“神經中樞”，負責參數信息采集處理、智能控制和通信等工作。在工業4.0的背景下，伺服閥的智能化轉型核心就在于智能控制器的裝配。與傳統電液伺服閥相比，裝配智能控制器的伺服閥是一個集控制、驅動、執行、傳感、通信、診斷以及智能軟件為一體的新型智能液壓元件，是“電液智機一體化”的產物[6]。

本文從物聯網技術在伺服閥控制與監測的功能角度出發，提出一種基于物聯網的伺服閥智能控制器硬件架構，其總體框架如下圖3所示。

圖3 智能控制器硬件框架

從上圖所示的總體框架中可以看出，智能控制器硬件在功能上可以分為以下模塊：STM32模塊、FPGA模塊、AD采樣模塊、感知模塊、驅動模塊、通信模塊和其他電路。

4.1 STM32和FPGA模塊

伺服閥智能控制器的特點之一在于處理數據的實時性和復雜性，基于STM32+FPGA的高速數據采集處理方案可以很好的完成復雜信號的采樣和數據處理任務[7]。

智能控制器對于主控芯片的功能要求主要體現在傳感器的數據處理、邏輯控制、通信、復雜控制算法以及健康診斷等。STM32采用ARM內核，面對物聯網市場推出小體積、低功耗、多外設、高性能、強通信、更安全的MCU，非常適合用于物聯網智能控制器的開發。

底層傳感器輸出信號具有復雜多樣的特點，可分為模擬信號、數字信號、差分信號。根據不同的產品需求，智能控制器通常需要同時驅動多種傳感器。模擬信號經過ADC進行采樣輸入，其傳輸方式又分為串行、并行和串并混和等方式。為滿足上述信號的實時獲取，采用FPGA實現數據的采集、處理及緩沖,充分利用FPGA多路并行處理的高速優勢。

將FPGA作為從設備進行設計，采用STM32的可變靜態存儲控制器并行總線接口（FSMC）與FOGA之間實現數據傳輸，由STM32向FPGA發送控制命令，通過FPGA內部的地址譯碼、邏輯控制和數據緩沖實現采集、控制和傳輸。

4.2 通信模塊

在智能化工業生產中，通信方式可分為有線和無線兩種方式。常見有線通信有CAN通信、RS485和以太網等，其主要弊端在于需要鋪設線纜、不便維護，對于復雜的工業生產現場來講，有線通信方式往往不適合移動設備。而無線通信的通信方式更加符合未來智能工業生產的發展趨勢，常見的無線通信方式又分為蜂窩模組和非蜂窩模組，其中蜂窩模組包括2G/3G/4G/5G、NB-IoT、eMTC等[8]，非蜂窩模組包括WiFi、藍牙、Zigbee、Sigfox、LoRa等。這些通信方式都有對應的通信芯片和模組供開發者使用，開發者可以根據產品需要和客戶需求，將伺服閥的流量信息、壓力信息、電流信息、位置信息、故障信息等按照對應的傳輸協議上傳至云端進行存儲和應用。

4.3 感知模塊

感知模塊是由大量的傳感器及其調理電路組成。從控制角度來說，通常需要壓力（壓差）傳感器、電壓電流傳感器、溫度傳感器、加速度（位移）傳感器等，通過傳感器采集控制回路的參數信息并傳輸至MCU參與智能控制。

從監測角度來說，通常需要壓力（壓差）、溫（濕）度、振動傳感器，通過傳感器將物理量轉化為對應的油液壓力信息、現場環境信息等，供用戶監測，完善MCU的智能控制。

感知模塊作為實現伺服閥智能控制的關鍵元件，其類型選擇十分重要，需要感知出電路實際所需的功能狀態信息和機械元件運行狀態信息，根據這些信息進行優化控制算法，實現伺服閥的智能控制、健康診斷。

4.4 驅動模塊

驅動模塊是實現執行機構按指令要求做出相應動作的功率電路，在伺服閥控制應用中通常為橋式電路或組件。MCU根據當前指令信息、反饋信息、環境信息、狀態信息，經過智能控制算法計算出正確的占空比，經總線傳輸至FPGA進行驅動信號轉換。根據所需驅動信號數量的不同，FPGA輸出對應數量的控制信號至驅動模塊輸入端，經隔離后，傳輸至橋式電路，完成負載驅動。

5 結論

通過分析傳統伺服閥應用所存在的問題和數字技術發展現狀，提出將物聯網技術與液壓控制技術相結合的智能液壓控制新思路。物聯網技術的應用，從用研發、用戶和企業三個層面解決了傳統伺服閥控制與監測所存在的問題，是今后液壓智能元件的發展趨勢。智能控制器作為液壓智能控制的關鍵，其設計實現對于突破傳統液壓技術發展瓶頸具有重大意義。