工礦企業油液智能在線監控系統的設計

顏江明，吳昭鵬，王 軍，徐東華，蘇一丹，李聚保

(1.中山市天乙能源有限公司，廣東 中山 528400； 2.廣州航海學院，廣州 510725)

現代工礦企業的設備向多功能、數字化和智能化方向發展，為滿足各工礦企業數字化建設和精細化管理的需要，設備供應商必須不斷提高各自產品的自動化水平，鞏固和加強各自品牌在產業鏈條上的競爭力。獨立的設備僅僅是信息孤島，任何設備都應積極融入網絡化綜合監控信息系統中。

工礦企業有很多大型和重型設備，長期穩定運行要采用不同品質的潤滑油，故此潤滑油液實時監測系統已成為工礦企業設備監控和管理系統中有效的技術方案組成，是工程化應用的重要產品。設計采用合理的技術方案，長期實時監測潤滑油的狀態參數，如黏度、溫度、含水率和磨損顆粒度等數據，通過人工智能算法等不同策略分析，預測和監測設備故障，這將對保證工礦企業重要設備的正常運行具有重要意義。其不僅能改善設備的保養周期，減少故障次數和停機檢修時長，延長設備壽命周期，還可以減少財產損失。掌握和控制潤滑油的清潔度、按需去除系統中油液的污染物、合理進行換油補油操作是工礦設備油液檢測的主要目的之一。

1 油液的幾個重要性能指標

運動黏度表示流體的動力黏度與同溫度下該流體密度ρ之比。該數值是潤滑油最重要的物理性質指標之一，是潤滑油內部摩擦阻力的具體量度，能直接反映油液流動性好壞和承載能力。運動黏度高的潤滑油有較好的保護作用，在壓力下形成的油膜會比較厚，能有效減少機械摩擦。不同的工礦設備要針對性地選用足夠黏度的潤滑油，保證其在各種運行工況下油膜能夠足夠良好地形成，防止內零件間的接觸磨損。同時黏度不應過大，防止低溫起動困難，阻力過大，加重接觸面磨損等。高黏度能加大承載能力，低黏度有利于循環，必須在兩者之間取得合適的平衡。實際使用中，工作環境中水污染、溫度、煙塵、添加劑、熱和氧化副產物、老化副產物等因素都會影響潤滑油黏度。

含水量表示油中含水量的數值。滑油儲運和使用中的許多因素都會造成水分混入，至油液氧化形成沉淀物，降低滑油冷卻能力，會引起濾器堵塞，過濾效果嚴重降低。水分在一定狀態下會形成氣泡，破裂后形成氣蝕磨損。乳化液會降低潤滑油的運動黏度，流動效果降低，影響油膜的形成和效果，加速磨損進而減少設備的使用壽命。水分也會促使設備零部件產生電化學腐蝕，損傷機械設備的接觸面。油液中的添加劑性能在水分作用下也會嚴重降低。

污染度表示固體顆粒污染物在單位體積潤滑油液中的濃度。工礦企業設備對滑油的清潔度要求越來越高。滑油的污染使得潤滑系統產生的故障和壽命降低非常嚴重。工礦設備運行過程中，設備內部器件沖蝕掉落保護層物，金屬和密封橡膠等接觸部件磨損會產生固體顆粒，滑油本身在壽命期內因氧化而生成油泥，檢修保養過程中，從周圍環境帶入各種異物。液壓油污染程度是根據液壓油的污染度等級標準來評定和描述的，目前國際上采用的等級標準主要是IS0 4406和NAS 1638污染度等級。我國工礦企業采用國家標準《GB/T14039-1993 液壓系統工作介質固體顆粒污染等級代號》，等同采用ISO4406污染度等級標準。等級代碼用來綜合表示油液的污染度，這是根據滑油中>4 um/>6 um/>14 um/>21 um 4種尺寸的顆粒濃度計數值來區分的。

2 在線監測系統的主要功能

工礦企業油液智能在線監控系統是在設備運行過程中由固定或可移動檢測設備實時在線收集潤滑油狀態數據，實時或回看顯示，可修改報警閾值設定值，可能使用已有或接入第三方智能算法模塊進行性能分析等。在線檢測設備是對人力監控的延伸，是車間自動化管理系統的組成部分。潤滑油是工礦企業設備或系統的血液，對它的性能數據分析有利于反映和診斷設備的工作狀態，為合理換油提供準確依據，避免過早或過晚換油。

在線系統各個細節要考慮標準化和通用化，主要功能有如下幾點：一是采用快速響應傳感器，數據刷新速度及時，能高精度測量溫度、水活性、含水量、密度、黏度、污染度(ISO/NAS)等數據，有工業級現場抗干擾性。二是有遠程監控端和就地控制端，能多地點控制在線監測裝置的工作。三是多個性能數據實時顯示和查詢功能，建立數據庫服務器，滿足設備配置數據、使用記錄、性能數據實時記錄、隨時調用、打印輸出等需求。四是污染度能同時給出相應的ISO和NAS油液清潔度等級。五是系統模塊化設計，方便以后的維護升級。六是設備留有多個標準通用的物理接口，留有第三方數據訪問和開發接口。七是對每個監控點考慮增設多個傳感器的需要，監控軟件和物理端口都保留余量。

3 在線監測系統主要硬件

3.1 德國HYDAC傳感器MCS1000

德國賀德克HYDAC專業生產用于油液控制和監測、電子測量技術等方面的元件和裝置，是此領域內世界著名的制造商，產品檢測精度高，產品穩定性能好，適用于多種工作領域。

金屬污染傳感器MCS1000是用來檢測和計數潤滑油液中的金屬固體顆粒污染。該傳感器內置特制的線圈裝置，是核心測量元件，滑油經過傳感線圈會引起線圈內磁導率的變化，無需直接接觸油液，感應測量即可準確完成工作。在線連續地監測設備中潤滑油含有的金屬顆粒(鐵磁性和非鐵磁性顆粒)的尺寸范圍和數量，并針對某些異常情況及時發出報警信號。適合監測>70 um鐵磁性和非鐵磁性金屬顆粒，可在-40℃～+70℃環境溫度下穩定工作，能不停機長時間連續工作，接口豐富，方便接入不同的監測系統，已通過多個工業級認證。

圖1 德國HYDAC傳感器MCS1000Fig.1 Sensor MCS 1000 produced by HYDAC in Germany

3.2 貝克曼庫爾特HIACTM ROC遠程在線顆粒計數器

貝克曼庫爾特HIAC ROC 顆粒計數器是基于光學法工作的，采用激光二極管做為光源，是一種用于檢測流動液體中不同大小固體顆粒分布和粒度的電子裝置，以此來判斷機械設備的磨損情況。相對于其他品牌，貝克曼庫爾特的傳感器擅長在惡劣復雜環境下工作，如高壓和高溫等，能本地顯示也能通過通信端口提供準確的ISO/NAS/SAE三種油液等級數據。該傳感器是一款智能化和微型化傳感器，能夠進行信號處理、數據融合、自校準、自診斷等功能，將標準穩定信號通過信號中繼器傳輸到在線監測系統中。

圖2 貝克曼庫爾特HIACTM ROC遠程在線顆粒計數器Fig.2 HIACTM ROC long-distance online particle counter produced by Beckman Coulter

3.3 DAVIS密度與黏度在線監測傳感器

DAVIS密度與黏度在線監測傳感器放棄了傳統的石英諧振器組件，是基于主流技術的壓電諧振MEMS元器件，控制振子部件工作在諧振狀態。MEMS振蕩器是采用硅基解決方案，克服了傳統方式的缺陷，選材上能削弱環境因素的影響，具有優勢。工作時只需設置基本參數，其他都通過傳感器內部集成電路自動完成設定檢測工作，將其安裝在管路上即可，高精度信號自動采樣，結合先進的算法自動信息處理，可以實時自動檢測液體密度、黏度和溫度三項指標。

3.4 工業智能網關

工業智能網關是常規工業網關的智能化升級產品，是不同網絡之間連接的轉換和連接設備。支持協議轉換、數據挖掘收集、邊緣計算、無線數據和有線數據傳輸、接入工業云平臺。支持接入主流的各種設備，如帶標準接口的各種電子控制器、PLC、數據傳感器和電子儀器儀表，能分布在不同層次網絡的中，作為智能數據接入節點，用以接入大規模的分布式設備。該設備通過了多種工業級標準，能滿足大部分工業用戶需求，廣泛應用于智能工廠、智能車聯網、智能家居、智能交通等領域。

本項目中工業智能網關能接入北京昆侖通態MCGS HMI產品，能接入西門子的S7-1200 PLC，能連接數據服務器MYSQL SERVER，能連接數據采集單元，能直接連接有Modbus協議通信的傳感器，起到網絡中樞作用。

4 在線監測系統工作原理

在線監測系統由監控模塊和泵組模塊構成。監控模塊是由工業級觸摸屏、PLC、服務器、智能網關、數據采集模塊、各種傳感器(水分、溫度、密度、黏度、污染度)組成。泵組模塊主要是由取樣油泵、繼電器控制模塊和電磁閥組等組成。

圖3 在線監測系統原理圖Fig.3 Schematic of online monitoring system

簡單工作流程如下：

在泵組進油口處裝設油液過濾器，經過粗濾作用，防止體積大的污染物進入系統。出油口處安裝溫度傳感器。當油液溫度過低時，控制切換電磁閥，使得油液仍導回到油箱，不進入系統；當油液溫度過高時，PLC通過繼電器模塊停止泵組，整個裝置停機，監控系統高溫聲光報警。

泵組延時啟動一段時間，在此期間內，如系統監測油液溫度一直在正常范圍內，PLC自動控制切換電磁閥，使得油液進入系統，經過各種傳感器(水分、溫度、密度、黏度、污染度)。數字式傳感器輸出的數據直接接入智能網關。模擬式傳感器輸出的數據進入數據采集模塊進行轉換，再接入智能網關。

油液狀態數據進入PLC，PLC內的邏輯控制程序控制電磁閥組和繼電器模塊工作。觸摸屏和PLC數據同步，顯示油液的實時狀態數值，進行實時監控。各種數據會存儲到服務器方便分析和查詢，系統控制操作過程和油液實時數值都會在數據服務器內保存記錄。

操作者可以修改閾值，油液的實時數值到達報警值時發出聲光報警。可開啟系統內的智能分析模塊，進行故障預測和診斷。

5 結語

基于新型智能網關構建的網絡通信結構，能保證各個子模塊之間數據傳輸安全快速，極大地優化了整個系統的控制結構。整個系統模塊化設計，后期升級只用更改相應模塊的內部結構，避免了整體大量修改。模塊化提高了系統的響應速度，相對傳統的集中型控制系統，該系統具有無法媲美的靈活性和快速準確性。