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(xué)院，廣州 510725)

現(xiàn)代工礦企業(yè)的設(shè)備向多功能、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，為滿足各工礦企業(yè)數(shù)字化建設(shè)和精細(xì)化管理的需要，設(shè)備供應(yīng)商必須不斷提高各自產(chǎn)品的自動化水平，鞏固和加強(qiáng)各自品牌在產(chǎn)業(yè)鏈條上的競爭力。獨(dú)立的設(shè)備僅僅是信息孤島，任何設(shè)備都應(yīng)積極融入網(wǎng)絡(luò)化綜合監(jiān)控信息系統(tǒng)中。

工礦企業(yè)有很多大型和重型設(shè)備，長期穩(wěn)定運(yùn)行要采用不同品質(zhì)的潤滑油，故此潤滑油液實時監(jiān)測系統(tǒng)已成為工礦企業(yè)設(shè)備監(jiān)控和管理系統(tǒng)中有效的技術(shù)方案組成，是工程化應(yīng)用的重要產(chǎn)品。設(shè)計采用合理的技術(shù)方案，長期實時監(jiān)測潤滑油的狀態(tài)參數(shù)，如黏度、溫度、含水率和磨損顆粒度等數(shù)據(jù)，通過人工智能算法等不同策略分析，預(yù)測和監(jiān)測設(shè)備故障，這將對保證工礦企業(yè)重要設(shè)備的正常運(yùn)行具有重要意義。其不僅能改善設(shè)備的保養(yǎng)周期，減少故障次數(shù)和停機(jī)檢修時長，延長設(shè)備壽命周期，還可以減少財產(chǎn)損失。掌握和控制潤滑油的清潔度、按需去除系統(tǒng)中油液的污染物、合理進(jìn)行換油補(bǔ)油操作是工礦設(shè)備油液檢測的主要目的之一。

1 油液的幾個重要性能指標(biāo)

運(yùn)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(shù)值是潤滑油最重要的物理性質(zhì)指標(biāo)之一，是潤滑油內(nèi)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(yùn)動黏度高的潤滑油有較好的保護(hù)作用，在壓力下形成的油膜會比較厚，能有效減少機(jī)械摩擦。不同的工礦設(shè)備要針對性地選用足夠黏度的潤滑油，保證其在各種運(yùn)行工況下油膜能夠足夠良好地形成，防止內(nèi)零件間的接觸磨損。同時黏度不應(yīng)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(huán)，必須在兩者之間取得合適的平衡。實際使用中，工作環(huán)境中水污染、溫度、煙塵、添加劑、熱和氧化副產(chǎn)物、老化副產(chǎn)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(shù)值?；蛢\(yùn)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(yán)重降低。水分在一定狀態(tài)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(yùn)動黏度，流動效果降低，影響油膜的形成和效果，加速磨損進(jìn)而減少設(shè)備的使用壽命。水分也會促使設(shè)備零部件產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，損傷機(jī)械設(shè)備的接觸面。油液中的添加劑性能在水分作用下也會嚴(yán)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(yè)設(shè)備對滑油的清潔度要求越來越高?；偷奈廴臼沟脻櫥到y(tǒng)產(chǎn)生的故障和壽命降低非常嚴(yán)重。工礦設(shè)備運(yùn)行過程中，設(shè)備內(nèi)部器件沖蝕掉落保護(hù)層物，金屬和密封橡膠等接觸部件磨損會產(chǎn)生固體顆粒，滑油本身在壽命期內(nèi)因氧化而生成油泥，檢修保養(yǎng)過程中，從周圍環(huán)境帶入各種異物。液壓油污染程度是根據(jù)液壓油的污染度等級標(biāo)準(zhǔn)來評定和描述的，目前國際上采用的等級標(biāo)準(zhǔn)主要是IS0 4406和NAS 1638污染度等級。我國工礦企業(yè)采用國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T14039-1993 液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)固體顆粒污染等級代號》，等同采用ISO4406污染度等級標(biāo)準(zhǔn)。等級代碼用來綜合表示油液的污染度，這是根據(jù)滑油中>4 um/>6 um/>14 um/>21 um 4種尺寸的顆粒濃度計數(shù)值來區(qū)分的。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能

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

在線系統(tǒng)各個細(xì)節(jié)要考慮標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，主要功能有如下幾點：一是采用快速響應(yīng)傳感器，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，有工業(yè)級現(xiàn)場抗干擾性。二是有遠(yuǎn)程監(jiān)控端和就地控制端，能多地點控制在線監(jiān)測裝置的工作。三是多個性能數(shù)據(jù)實時顯示和查詢功能，建立數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，滿足設(shè)備配置數(shù)據(jù)、使用記錄、性能數(shù)據(jù)實時記錄、隨時調(diào)用、打印輸出等需求。四是污染度能同時給出相應(yīng)的ISO和NAS油液清潔度等級。五是系統(tǒng)模塊化設(shè)計，方便以后的維護(hù)升級。六是設(shè)備留有多個標(biāo)準(zhǔn)通用的物理接口，留有第三方數(shù)據(jù)訪問和開發(fā)接口。七是對每個監(jiān)控點考慮增設(shè)多個傳感器的需要，監(jiān)控軟件和物理端口都保留余量。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)主要硬件

3.1 德國HYDAC傳感器MCS1000

德國賀德克HYDAC專業(yè)生產(chǎn)用于油液控制和監(jiān)測、電子測量技術(shù)等方面的元件和裝置，是此領(lǐng)域內(nèi)世界著名的制造商，產(chǎn)品檢測精度高，產(chǎn)品穩(wěn)定性能好，適用于多種工作領(lǐng)域。

金屬污染傳感器MCS1000是用來檢測和計數(shù)潤滑油液中的金屬固體顆粒污染。該傳感器內(nèi)置特制的線圈裝置，是核心測量元件，滑油經(jīng)過傳感線圈會引起線圈內(nèi)磁導(dǎo)率的變化，無需直接接觸油液，感應(yīng)測量即可準(zhǔn)確完成工作。在線連續(xù)地監(jiān)測設(shè)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(shù)量，并針對某些異常情況及時發(fā)出報警信號。適合監(jiān)測>70 um鐵磁性和非鐵磁性金屬顆粒，可在-40℃～+70℃環(huán)境溫度下穩(wěn)定工作，能不停機(jī)長時間連續(xù)工作，接口豐富，方便接入不同的監(jiān)測系統(tǒng)，已通過多個工業(yè)級認(rèn)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(yuǎn)程在線顆粒計數(shù)器

貝克曼庫爾特HIAC ROC 顆粒計數(shù)器是基于光學(xué)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(jī)械設(shè)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(fù)雜環(huán)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(zhǔn)確的ISO/NAS/SAE三種油液等級數(shù)據(jù)。該傳感器是一款智能化和微型化傳感器，能夠進(jìn)行信號處理、數(shù)據(jù)融合、自校準(zhǔn)、自診斷等功能，將標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定信號通過信號中繼器傳輸?shù)皆诰€監(jiān)測系統(tǒng)中。

圖2 貝克曼庫爾特HIACTM ROC遠(yuǎn)程在線顆粒計數(shù)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(jiān)測傳感器

DAVIS密度與黏度在線監(jiān)測傳感器放棄了傳統(tǒng)的石英諧振器組件，是基于主流技術(shù)的壓電諧振MEMS元器件，控制振子部件工作在諧振狀態(tài)。MEMS振蕩器是采用硅基解決方案，克服了傳統(tǒng)方式的缺陷，選材上能削弱環(huán)境因素的影響，具有優(yōu)勢。工作時只需設(shè)置基本參數(shù)，其他都通過傳感器內(nèi)部集成電路自動完成設(shè)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(jié)合先進(jìn)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(biāo)。

3.4 工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)

工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)是常規(guī)工業(yè)網(wǎng)關(guān)的智能化升級產(chǎn)品，是不同網(wǎng)絡(luò)之間連接的轉(zhuǎn)換和連接設(shè)備。支持協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)挖掘收集、邊緣計算、無線數(shù)據(jù)和有線數(shù)據(jù)傳輸、接入工業(yè)云平臺。支持接入主流的各種設(shè)備，如帶標(biāo)準(zhǔn)接口的各種電子控制器、PLC、數(shù)據(jù)傳感器和電子儀器儀表，能分布在不同層次網(wǎng)絡(luò)的中，作為智能數(shù)據(jù)接入節(jié)點，用以接入大規(guī)模的分布式設(shè)備。該設(shè)備通過了多種工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，能滿足大部分工業(yè)用戶需求，廣泛應(yīng)用于智能工廠、智能車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智能交通等領(lǐng)域。

本項目中工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)能接入北京昆侖通態(tài)MCGS HMI產(chǎn)品，能接入西門子的S7-1200 PLC，能連接數(shù)據(jù)服務(wù)器MYSQL SERVER，能連接數(shù)據(jù)采集單元，能直接連接有Modbus協(xié)議通信的傳感器，起到網(wǎng)絡(luò)中樞作用。

4 在線監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

在線監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)控模塊和泵組模塊構(gòu)成。監(jiān)控模塊是由工業(yè)級觸摸屏、PLC、服務(wù)器、智能網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic of online monitoring system

簡單工作流程如下：

在泵組進(jìn)油口處裝設(shè)油液過濾器，經(jīng)過粗濾作用，防止體積大的污染物進(jìn)入系統(tǒng)。出油口處安裝溫度傳感器。當(dāng)油液溫度過低時，控制切換電磁閥，使得油液仍導(dǎo)回到油箱，不進(jìn)入系統(tǒng)；當(dāng)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(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)高溫聲光報警。

泵組延時啟動一段時間，在此期間內(nèi)，如系統(tǒng)監(jiān)測油液溫度一直在正常范圍內(nèi)，PLC自動控制切換電磁閥，使得油液進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過各種傳感器(水分、溫度、密度、黏度、污染度)。數(shù)字式傳感器輸出的數(shù)據(jù)直接接入智能網(wǎng)關(guān)。模擬式傳感器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再接入智能網(wǎng)關(guān)。

油液狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)入PLC，PLC內(nèi)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(shù)據(jù)同步，顯示油液的實時狀態(tài)數(shù)值，進(jìn)行實時監(jiān)控。各種數(shù)據(jù)會存儲到服務(wù)器方便分析和查詢，系統(tǒng)控制操作過程和油液實時數(shù)值都會在數(shù)據(jù)服務(wù)器內(nèi)保存記錄。

操作者可以修改閾值，油液的實時數(shù)值到達(dá)報警值時發(fā)出聲光報警?？砷_啟系統(tǒng)內(nèi)的智能分析模塊，進(jìn)行故障預(yù)測和診斷。

5 結(jié)語

基于新型智能網(wǎng)關(guān)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)，能保證各個子模塊之間數(shù)據(jù)傳輸安全快速，極大地優(yōu)化了整個系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)模塊化設(shè)計，后期升級只用更改相應(yīng)模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免了整體大量修改。模塊化提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，相對傳統(tǒng)的集中型控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有無法媲美的靈活性和快速準(zhǔn)確性。