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(dòng)化水平，鞏固和加強(qiáng)各自品牌在產(chǎn)業(yè)鏈條上的競(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行要采用不同品質(zhì)的潤(rùn)滑油，故此潤(rùn)滑油液實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jì)采用合理的技術(shù)方案，長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潤(rùn)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(guò)人工智能算法等不同策略分析，預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)設(shè)備故障，這將對(duì)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(shí)長(zhǎng)，延長(zhǎng)設(shè)備壽命周期，還可以減少財(cái)產(chǎn)損失。掌握和控制潤(rùn)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(cè)的主要目的之一。

1 油液的幾個(gè)重要性能指標(biāo)

運(yùn)動(dòng)黏度表示流體的動(dòng)力黏度與同溫度下該流體密度ρ之比。該數(shù)值是潤(rùn)滑油最重要的物理性質(zhì)指標(biāo)之一，是潤(rùn)滑油內(nèi)部摩擦阻力的具體量度，能直接反映油液流動(dòng)性好壞和承載能力。運(yùn)動(dòng)黏度高的潤(rùn)滑油有較好的保護(hù)作用，在壓力下形成的油膜會(huì)比較厚，能有效減少機(jī)械摩擦。不同的工礦設(shè)備要針對(duì)性地選用足夠黏度的潤(rùn)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(shí)黏度不應(yīng)過(guò)大，防止低溫起動(dòng)困難，阻力過(guò)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(shí)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(huì)影響潤(rùn)滑油黏度。

含水量表示油中含水量的數(shù)值?；蛢?chǔ)運(yùn)和使用中的許多因素都會(huì)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(huì)引起濾器堵塞，過(guò)濾效果嚴(yán)重降低。水分在一定狀態(tài)下會(huì)形成氣泡，破裂后形成氣蝕磨損。乳化液會(huì)降低潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)黏度，流動(dòng)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(huì)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(huì)嚴(yán)重降低。

污染度表示固體顆粒污染物在單位體積潤(rùn)滑油液中的濃度。工礦企業(yè)設(shè)備對(duì)滑油的清潔度要求越來(lái)越高?；偷奈廴臼沟脻?rùn)滑系統(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(guò)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(huì)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(guò)程中，從周?chē)h(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(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)定和描述的，目前國(guó)際上采用的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要是IS0 4406和NAS 1638污染度等級(jí)。我國(guó)工礦企業(yè)采用國(guó)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(jí)代號(hào)》，等同采用ISO4406污染度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。等級(jí)代碼用來(lái)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(jì)數(shù)值來(lái)區(qū)分的。

2 在線監(jiān)測(cè)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(guò)程中由固定或可移動(dòng)檢測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)在線收集潤(rùn)滑油狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)或回看顯示，可修改報(bào)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(cè)設(shè)備是對(duì)人力監(jiān)控的延伸，是車(chē)間自動(dòng)化管理系統(tǒng)的組成部分。潤(rùn)滑油是工礦企業(yè)設(shè)備或系統(tǒng)的血液，對(duì)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?yè)Q油提供準(zhǔn)確依據(jù)，避免過(guò)早或過(guò)晚?yè)Q油。

在線系統(tǒng)各個(gè)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(diǎn)：一是采用快速響應(yīng)傳感器，數(shù)據(jù)刷新速度及時(shí)，能高精度測(cè)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(jí)現(xiàn)場(chǎng)抗干擾性。二是有遠(yuǎn)程監(jiān)控端和就地控制端，能多地點(diǎn)控制在線監(jiān)測(cè)裝置的工作。三是多個(gè)性能數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和查詢功能，建立數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)時(shí)記錄、隨時(shí)調(diào)用、打印輸出等需求。四是污染度能同時(shí)給出相應(yīng)的ISO和NAS油液清潔度等級(jí)。五是系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，方便以后的維護(hù)升級(jí)。六是設(shè)備留有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通用的物理接口，留有第三方數(shù)據(jù)訪問(wèn)和開(kāi)發(fā)接口。七是對(duì)每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)考慮增設(shè)多個(gè)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(cè)系統(tǒng)主要硬件

3.1 德國(guó)HYDAC傳感器MCS1000

德國(guó)賀德克HYDAC專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)用于油液控制和監(jiān)測(cè)、電子測(cè)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(cè)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(lái)檢測(cè)和計(jì)數(shù)潤(rùn)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(cè)量元件，滑油經(jīng)過(guò)傳感線圈會(huì)引起線圈內(nèi)磁導(dǎo)率的變化，無(wú)需直接接觸油液，感應(yīng)測(cè)量即可準(zhǔn)確完成工作。在線連續(xù)地監(jiān)測(cè)設(shè)備中潤(rùn)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(duì)某些異常情況及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。適合監(jiān)測(cè)>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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，接口豐富，方便接入不同的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已通過(guò)多個(gè)工業(yè)級(jí)認(rèn)證。

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

3.2 貝克曼庫(kù)爾特HIACTM ROC遠(yuǎn)程在線顆粒計(jì)數(shù)器

貝克曼庫(kù)爾特HIAC ROC 顆粒計(jì)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(cè)流動(dòng)液體中不同大小固體顆粒分布和粒度的電子裝置，以此來(lái)判斷機(jī)械設(shè)備的磨損情況。相對(duì)于其他品牌，貝克曼庫(kù)爾特的傳感器擅長(zhǎng)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(guò)通信端口提供準(zhǔn)確的ISO/NAS/SAE三種油液等級(jí)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(hào)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(hào)通過(guò)信號(hào)中繼器傳輸?shù)皆诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

圖2 貝克曼庫(kù)爾特HIACTM ROC遠(yuǎn)程在線顆粒計(jì)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(cè)傳感器

DAVIS密度與黏度在線監(jiān)測(cè)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(shì)。工作時(shí)只需設(shè)置基本參數(shù)，其他都通過(guò)傳感器內(nèi)部集成電路自動(dòng)完成設(shè)定檢測(cè)工作，將其安裝在管路上即可，高精度信號(hào)自動(dòng)采樣，結(jié)合先進(jìn)的算法自動(dòng)信息處理，可以實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)液體密度、黏度和溫度三項(xiàng)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(jí)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(jì)算、無(wú)線數(shù)據(jù)和有線數(shù)據(jù)傳輸、接入工業(yè)云平臺(tái)。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(diǎn)，用以接入大規(guī)模的分布式設(shè)備。該設(shè)備通過(guò)了多種工業(yè)級(jí)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(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智能交通等領(lǐng)域。

本項(xiàng)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(mén)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(cè)系統(tǒng)工作原理

在線監(jiān)測(cè)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(jí)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(cè)系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic of online monitoring system

簡(jiǎn)單工作流程如下：

在泵組進(jìn)油口處裝設(shè)油液過(guò)濾器，經(jīng)過(guò)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(guò)低時(shí)，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(guò)高時(shí)，PLC通過(guò)繼電器模塊停止泵組，整個(gè)裝置停機(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)高溫聲光報(bào)警。

泵組延時(shí)啟動(dòng)一段時(shí)間，在此期間內(nèi)，如系統(tǒng)監(jiān)測(cè)油液溫度一直在正常范圍內(nèi)，PLC自動(dòng)控制切換電磁閥，使得油液進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)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(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)值，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。各種數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)到服務(wù)器方便分析和查詢，系統(tǒng)控制操作過(guò)程和油液實(shí)時(shí)數(shù)值都會(huì)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(shí)時(shí)數(shù)值到達(dá)報(bào)警值時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警?？砷_(kāi)啟系統(tǒng)內(nèi)的智能分析模塊，進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和診斷。

5 結(jié)語(yǔ)

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(gè)子模塊之間數(shù)據(jù)傳輸安全快速，極大地優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，后期升級(jí)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(duì)傳統(tǒng)的集中型控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有無(wú)法媲美的靈活性和快速準(zhǔn)確性。