物联网技术在伺服阀控制中的应用

伺服阀是电液伺服控制系统中的核心部件,可以将电信号转化为调制的流量和压力输出,是连接电气和液压领域的中间桥梁,由于其动态响应快,控制精度高,运行平稳,功率密度大等特点,被广泛应用于航空、航天、舰船、制造、机械等领域的伺服控制系统中。
智能控制
随着电子技术的发展,对于伺服阀的控制需求不仅仅局限于特定的静动态指标,还对伺服阀的运行状态、控制策略提出了更高的要求。对于研发人员来讲,最优控制策略往往需结合实际工况在实验中得以验证,传统的模拟控制方式在此验证过程中带来巨大不便;对于用户来讲,伺服阀作为伺服控制系统中关键元件,其运行状态的监测至关重要,能够实时掌握伺服阀运行状态、故障判断、健康管理、可视化将成为新的需求;及时掌握伺服阀故障运行信息、远程调试与维修,对于技术人员排故和产品升级具有重要意义,大大减少排故时间,提高工作效率。
伴随工业4.0的浪潮,基于物联网技术的智能液压生态系统是我国未来液压技术发展的新方向。数字化和智能化将成为新型电液伺服技术发展的总体趋势。

1、伺服阀技术发展现状

电液伺服控制技术与电动伺服控制原理类似,二者都是基于偏差值的闭环控制方式。目前电液伺服控制系统中控制策略的应用仍以经典控制理论中的PID控制及其超前滞后补偿等方式为主,而基于神经网络、自适用控制等现代控制技术研究尚不成熟,对于器件的要求也比较高,投入成本较高。因此,电液伺服阀的研究方向主要集中在新材料的应用、新结构的创新和加工工艺等方面。
对于伺服阀控制器的应用,目前主要还是以传统的模拟电路搭建为主。随着电子技术的飞速发展,模拟控制引起的零漂和不稳定性等弊端不断暴露出来,伺服阀的数字化控制也成为新的研究方向。此外,随着云计算、大数据、人工智能等技术的融合,数字化转型也已成为企业的竞争优势。

2、物联网技术

随着射频识别、传感器、网络通讯等技术的不断发展,物联网技术应运而生。物联网是在互联网基础上,通过信息传感技术将终端设备的参数信息按约定的协议上传至云端,实现对物理和虚拟世界的信息传输、处理并进行控制的智能服务系统。
物联网系统在体系结构上可分为三个层面,分别是感知层、网络层和应用层,其基本框架如图1所示。
图1物联网系统基本框架
感知层在物联网体系结构中属于最底层,主要是各种各样的传感元件和通信设备构成,常见的如温湿度传感器、振动传感器、PFID标签、摄像头等。传感器元件对物理设备各种信号的感知并采集,通过有线或无线传输至网关,由网关统一负责传输至网络层等待下一步传输,或根据上层服务器传输的命令执行相应的终端控制。
网络层主要由网络通信技术、网络管理系统、云计算平台、资源存储与管理等组成,负责完成对感知层获取信息的传递、处理和存储等业务,并为上层应用层提高应用服务接口。
应用层作为物联网的最顶层,是物联网为用户提供数据可视化的人机交互层,负责物联网的用户(包括人、系统)的人机接口,针对不同行业、不同用户的需要进行对接,提供对应的终端应用平台,实现物联网的智能应用。
物联网技术作为新一代信息技术高度集成下的产物,是数字化转型的关键节点,对促进企业的数字化转型发挥重要作用。通过采集产品各项指标参数、用户习惯等信息,利用网络媒介与云端稳定互联,进行数据挖掘,助力产品优化升级,提高产品实用满意度,为企业提升竞争力。

3 、应用前景

上世纪90年代,物联网的概念被首次提出。2012年,美国通用提出了“工业物联网”的概念。次年,德国在汉诺威工业博览会上正式提出了以信息数据化、网络化、智慧化为核心的“工业4.0”布局,标志着基于信息物理融合系统的第四次工业革命的到来。近年来,我国对物联网的重视与扶持政策也不断加码。2010年,物联网被首次写入政府工作报告。2013年,我国首次引发《物联网发展专项行动计划》。2015年,我国首次提出以制造产业链数字化、网络化为核心的“中国智造2025”的概念,标志着中国版的“工业4.0”规划正式部署,传统制造业将从自动化向物联网、云计算、大数据等信息技术融合的智能化方向转变。2020年《关于深入推进移动物联网全满发展的通知》的下发,更是表明中国将进入“万物智联”的新时代。
在工业4.0的背景下,实际生产中的液压物理技术与虚拟的数字信息技术相互融合将成为必然趋势,这不仅能够发挥液压领域的物理优势,并且能够兼顾信息技术的实时性和智能性。
针对伺服阀当前所存在的问题,可从三个层面考虑:针对研发人员,伺服阀的最优控制策略需结合实际工况和实验结果得到,这就需要传统伺服阀具备工况识别和智能调节的功能;针对用户,健康管理是复杂电液伺服阀发展的技术瓶颈,这就需要传统伺服阀具备故障判断、自我诊断、应急措施和故障预警等功能;针对企业,产品的维护和升级是不可缺少的服务,远程的维护维修与调试功能无论是在工作效率还是竞争优势方面都具有相当大的帮助。而物联网技术的应用,将为伺服阀在上述三个层面所存在的问题提出很好的解决思维和路径,其技术框架如下图2所示。
图2智能伺服阀技术框架
基于物联网技术,传统伺服阀向智能化伺服阀的转型也将分为三个方面:传感元件、智能控制器和大数据。终端可配备搭载用于环境识别的传感元件,例如压力(压差)、温(湿)度、振动、加速度(位移)传感器;智能控制器主要包含用于实现针对参数采集信息自动调整的智能控制软件,并能够根据参数采集信息和大数据计算做出故障判断和应急措施,实现自我诊断;大数据用于接收存储伺服阀的运行状态信息和使用习惯,为后台技术人员的开发和控制提供信息保障。

4、智能控制器架构

在物联网系统中,感知层是连接物理世界和数字世界的中间桥梁,智能控制器作为感知层的关键部分,是物联网设备实现智能控制的“神经中枢”,负责参数信息采集处理、智能控制和通信等工作。在工业4.0的背景下,伺服阀的智能化转型核心就在于智能控制器的装配。与传统电液伺服阀相比,装配智能控制器的伺服阀是一个集控制、驱动、执行、传感、通信、诊断以及智能软件为一体的新型智能液压元件,是“电液智机一体化”的产物。本文从物联网技术在伺服阀控制与监测的功能角度出发,提出一种基于物联网的伺服阀智能控制器硬件架构,其总体框架如下图3所示。
图3智能控制器硬件框架
从上图所示的总体框架中可以看出,智能控制器硬件在功能上可以分为以下模块:STM32模块、FPGA模块、AD采样模块、感知模块、驱动模块、通信模块和其他电路。

4.1 STM32和FPGA模块

伺服阀智能控制器的特点之一在于处理数据的实时性和复杂性,基于STM32+FPGA的高速数据采集处理方案可以很好的完成复杂信号的采样和数据处理任务。智能控制器对于主控芯片的功能要求主要体现在传感器的数据处理、逻辑控制、通信、复杂控制算法以及健康诊断等。STM32采用ARM内核,面对物联网市场推出小体积、低功耗、多外设、高性能、强通信、更安全的MCU,非常适合用于物联网智能控制器的开发。
底层传感器输出信号具有复杂多样的特点,可分为模拟信号、数字信号、差分信号。根据不同的产品需求,智能控制器通常需要同时驱动多种传感器。模拟信号经过ADC进行采样输入,其传输方式又分为串行、并行和串并混和等方式。为满足上述信号的实时获取,采用FPGA实现数据的采集、处理及缓冲,充分利用FPGA多路并行处理的高速优势。将FPGA作为从设备进行设计,采用STM32的可变静态存储控制器并行总线接口(FSMC)与FOGA之间实现数据传输,由STM32向FPGA发送控制命令,通过FPGA内部的地址译码、逻辑控制和数据缓冲实现采集、控制和传输。

4.2通信模块

在智能化工业生产中,通信方式可分为有线和无线两种方式。常见有线通信有CAN通信、RS485和以太网等,其主要弊端在于需要铺设线缆、不便维护,对于复杂的工业生产现场来讲,有线通信方式往往不适合移动设备。而无线通信的通信方式更加符合未来智能工业生产的发展趋势,常见的无线通信方式又分为蜂窝模组和非蜂窝模组,其中蜂窝模组包括2G/3G/4G/5G、NB-IoT、eMTC等[8],非蜂窝模组包括WiFi、蓝牙、Zigbee、Sigfox、LoRa等。这些通信方式都有对应的通信芯片和模组供开发者使用,开发者可以根据产品需要和客户需求,将伺服阀的流量信息、压力信息、电流信息、位置信息、故障信息等按照对应的传输协议上传至云端进行存储和应用。

4.3感知模块

感知模块是由大量的传感器及其调理电路组成。从控制角度来说,通常需要压力(压差)传感器、电压电流传感器、温度传感器、加速度(位移)传感器等,通过传感器采集控制回路的参数信息并传输至MCU参与智能控制。从监测角度来说,通常需要压力(压差)、温(湿)度、振动传感器,通过传感器将物理量转化为对应的油液压力信息、现场环境信息等,供用户监测,完善MCU的智能控制。感知模块作为实现伺服阀智能控制的关键元件,其类型选择十分重要,需要感知出电路实际所需的功能状态信息和机械元件运行状态信息,根据这些信息进行优化控制算法,实现伺服阀的智能控制、健康诊断。

4.4驱动模块

驱动模块是实现执行机构按指令要求做出相应动作的功率电路,在伺服阀控制应用中通常为桥式电路或组件。MCU根据当前指令信息、反馈信息、环境信息、状态信息,经过智能控制算法计算出正确的占空比,经总线传输至FPGA进行驱动信号转换。根据所需驱动信号数量的不同,FPGA输出对应数量的控制信号至驱动模块输入端,经隔离后,传输至桥式电路,完成负载驱动。

5、结论

通过分析传统伺服阀应用所存在的问题和数字技术发展现状,提出将物联网技术与液压控制技术相结合的智能液压控制新思路。物联网技术的应用,从用研发、用户和企业三个层面解决了传统伺服阀控制与监测所存在的问题,是今后液压智能元件的发展趋势。智能控制器作为液压智能控制的关键,其设计实现对于突破传统液压技术发展瓶颈具有重大意义。
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