一種在用汽輪機油油液狀態在線自動監測系統的製作方法

2023-12-06 06:34:01 4

專利名稱：一種在用汽輪機油油液狀態在線自動監測系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於機械設備運轉狀態監測技術領域，涉及一種在用汽輪機油油液狀態在線自動監測系統。
背景技術：
眾所周知，磨損和潤滑不良是導致機器設備損壞或發生故障的主要原因。近十幾年發展起來的油液監測技術能較好地解決這一問題，特別是近幾年，油液監測技術在各行業中得到了迅速的發展。最初的油液監測僅是油液汙染分析，主要是分析油品的理化指標，如粘度、水分、酸值、閃點、機械雜質等。通常採用石油產品性能指標測定方法對在用潤滑劑進行檢測，以評價其質量的變化。工業化生產的發展使機器越來越大型化、複雜化和連續化，對機器的維修要求也越來越高。因此，機器故障診斷技術應運而生，促使了人們積極開發基於油液監測的診斷方法。目前，機械設備潤滑油的更換方案主要是參考推薦換油期，實行按使用時間或運行時間的方式來決定。基於油液分析的機械狀態監測已成為多數現代工業維修活動中不可缺少的手段之一，並在設備狀態的監測及故障診斷、磨擦磨損機理的研究、判定潤滑系統的汙染狀況、制定正確的換油周期等幾個方面獲得了廣泛的應用。在設備運行過程中，潤滑油要經歷一系列物理或化學的複雜作用，油品的理化性能及內部的構成會發生變化，除了油品本身發生的變化，潤滑系統還會產生一些金屬顆粒或者非金屬磨損顆粒，另外運行環境中的汙染物也會混入油液中，如水分及其他汙染物等。而油液監測系統將通過現場全天候的實時動態數據採集，通過乙太網通信電纜傳送到上位機數據處理器，通過數據運算傳送至中央集中控制室以動態的形式顯示。
簡單地說，油液監測技術就是通過分析被監測機械設備在用潤滑油的性能變化和油中磨損顆粒的情況，獲得機械設備潤滑和磨損狀態的信息，從而評定機械設備的運行工況和對故障進行預測，並進一步確定故障原因的技術。使用這一技術需要綜合利用各種分析測試手段，如常規的理化分析儀、紅外光譜分析儀、順粒計數器、等離子發射光譜儀、鐵譜分析儀、差熱分析儀等，對設備進行潤滑監控，在設備潤滑管理中可以達到很好的效果。油液汙染在線監測與控制技術將自動控制技術引入到油液汙染控制領域，改變傳統的汙染控制模式，實現對油液汙染狀態的實時動態監測、控制和主動維護。通過對油液汙染度、含水量等各參數的在線監測信號的採集、識別、判斷，提出構造油液狀態在線監測網絡，對油液汙染狀態進行實時動態監測、診斷和控制，實現對潤滑油和液壓系統的主動維護，能提高系統各元器件的使用壽命，大大降低系統的故障率。以往設備油液檢測都是現場採集油樣，到實驗室去完成分析，分析完成後，數據再送給現場維修人員和設備技術負責人。由於需要大量時間傳遞油樣和數據，完成一個油樣分析往往少則需要幾個小時，多則長達幾天或數月。並據調查表明約有50%的離線分析油樣沒有發現問題，45%的油樣顯示失效即將發生，約有5%的油樣檢測出嚴重問題。這樣，不僅消耗了大量人力和物力，也很難保證數據的時效性，無法真正及時地診斷故障。為解決上述問題，近年來，西方發達國家利用電子技術和信號處理技術，研製了多種新型嵌入式油液分析傳感器，並在此基礎上，針對各種不同類型的設備，開發了一系列油液快速檢測儀。可攜式的油液測量儀器發展迅猛，很好地克服了實驗室離線分析方法成本高、操作複雜、測量結果滯後的不足，可以隨身攜帶，現場測量和現場出結果，可攜式油液測量儀器包括可攜式油液粘度儀、鐵譜儀、顆粒計數儀等，但是這些儀器在現實中並未做到真正意義上的在線監測。

發明內容
本發明的目的在於研製一種對在用汽輪機油的油品特性、含水量、顆粒汙染度等特性進行在線測量的油液監測系統。本發明的技術方案是一種在用汽輪機油油液狀態在線自動監測系統，包括取樣部分、信號採集控制部分、數據傳輸和管理部分；取樣部分將採集器的信號採集，通過電 纜輸入信號採集控制部分進行信號處理傳輸，數據傳輸和管理部分通過下位機和上位機之間的通訊及上位機軟體數據進行分析。所述取樣部分包括汽輪機油主輸油管，輸油齒輪泵，在線監測系統進油支管，緩衝油池，水分和溫度聯合傳感器，粘度、密度、介電常數、溫度四合一傳感器，在線顆粒汙染度傳感器；其中，監測系統所實時監測的汽輪機油通過在線監測系統進油支管和在線監測系統回油支管從汽輪機油主輸油管流入到在線監測系統中並流回。在在線監測系統中，汽輪機油被分為兩路，其中一路進入到緩衝油池，另外一路直接與在線顆粒汙染度傳感器相連；在緩衝油池中安裝有兩個油液特性的傳感器，一個是水分和溫度聯合傳感器，另一個是粘度、密度、介電常數、溫度四合一傳感器；水分和溫度聯合傳感器用於測量汽輪機油液中含水量的大小，粘度、密度、介電常數、溫度四合一傳感器用於測量汽輪機油的流體特性參數，主要用來監測汽輪機油的粘度、密度和介電常數等。所述信號採集控制部分包括ADC數據採集卡、齒輪泵、聲光報警裝置、硬碟和下位機；水分傳感器輸出的信號為模擬信號，通過ADC數據採集卡採集到下位機，粘度、密度、介電常數、溫度四合一傳感器通過CAN2. 0接口採集到下位機，顆粒汙染度傳感器的數據通過RS232串行接口輸入到下位機；下位機根據獲取傳感器信號的分析結果調整和控制齒輪泵的流量，以及根據監測的汽輪機油指標是否超過設定的閾值來決定聲光報警裝置是否執行報警動作。所述數據傳輸和管理部分，將下位機採集到的傳感器信號通過計算機網絡傳輸到上位機,並將其存入上位機的資料庫供分析使用，同時實時顯示各個傳感器對汽輪機油的監測數據的變化情況以及實時數據。在數據管理軟體部分，需要對當前採集到的數據進行判斷，判斷其是否超過了設備要求的使用指標。主要通過兩方面來判斷當前數據是否超過設備所要求的指標。一方面設定平均值閾值，另一方面設定實時數據峰值閾值。平均值閾值是判斷在多次測量過程中，數據變化的總體趨勢是否超過了被監測的汽輪機油的運行指標要求；實時數據峰值閾值反映的是當前測量出的數據變化幅度是否超過被監測的汽輪機油的運行指標要求，因為實時測量的數據會是一個波動的過程，實時數據峰值閾值能夠保證波動的峰值不超過運行指標的要求。另外，數據傳輸和管理部分還要對各個傳感器採集到的歷史數據進行分析，從歷史數據中分析出汽輪機油變化的發展趨勢，預測汽輪機油的使用狀態和換油時間。本發明採用上述技術方案後可達到如下的有益效果
(I)實現了對汽輪機油在用油特性的在線監測。克服了以往需要將汽輪機油油樣取回到實驗室進行離線化驗分析的複雜過程，直接從主油路旁路出一套監測支管，實現對汽輪機油在線監測。(2)通過緩衝油池實現汽輪機油油液特性傳感器的在線測量。緩衝油池有效地擴展了油液取樣支管的直徑和容積，能夠保證將水分、溫度和粘度、密度、介電常數、溫度四合一傳感器插入到緩衝池中與被測量的在用汽輪機油良好接觸，減小測量結果受外界環境以及汽輪機油在管道中流動特性的影響。
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(3)採用工業單板機作為下位機實現傳感器信號的採集、保存和傳輸。所採用的工業單板機穩定性適合全天候使用要求，提供多種硬體接口能夠將傳感器數據穩定採集並保存在硬碟中。(4)在下位機上保存一周的歷史數據。下位機採用的工業單板機工作穩定性非常高，而上位機採用普通PC機，相對容易出現故障，為防止上位機出現故障導致下位機上傳的數據丟失，近一周內的被下位機採集的傳感器信號都將備份在下位機的硬碟中，該數據緩衝區不斷刷新。(5)上位機軟體能夠對採集到的歷史數據進行分析處理，獲取汽輪機油油液在使用過程中各項指標變化的趨勢，並預測油品特性未來狀態發展的情況。


圖I為本發明一種在用汽輪機油油液狀態在線自動監測系統工作原理示意 圖2為本發明一種在用汽輪機油油液狀態在線自動監測系統取樣部分結構示意 圖3為本發明一種在用汽輪機油油液狀態在線自動監測系統的信號採集控制部分結構示意 圖4為本發明一種在用汽輪機油油液狀態在線自動監測系統數據傳輸和管理部分結構流程不意 圖5為本發明一種在用汽輪機油油液狀態在線自動監測系統上位機數據顯示軟體界面圖。
具體實施例方式本系統的設計思路是通過該系統能夠實時在線監測汽輪機油的粘度、含水率和顆粒汙染度等級的變化，當粘度指標、含水量指標或者顆粒汙染度指標超過設定的平均值閾值或峰值閾值時，及時做出聲光報警，提示現場工作人員對汽輪機潤滑油系統採取措施，防止因汽輪機潤滑油特性變化造成汽輪機運轉故障。本系統的優勢分析能在生產過程中實時對油液的常規理化指標進行監測，通過數據的趨勢變化來對油液的變化過程做出記錄和分析。油液監測項目全部以採集器方式採集，以數位訊號通過通信電纜進行傳輸，整個過程中無其它損耗。數據經過綜合運算處理後於中控室控制臺集中顯示，包含實時數據、趨勢圖、油液指標變化報警。對運行過程中油品出現的變化進行提醒及報警，並根據相應的變化做出處理建議。通過時間的積累和數據的分析對油液理化的變化做出預測，從而達到以質換油，並對設備早期出現的非正常摩擦現象做出預警。數據的積累也可以將油液所有指標之間的微變關係給記錄下來，通過數據的分析及數據鏈的解析，可以查找一些設備油品慢性非正常變化的根源。下面結合附圖進一步說明本發明的具體技術方案。發電廠等現場環境中汽輪機油的輸送管道一般直徑較粗，但是，現場不允許對現有油管進行開孔等加工處理。因此，要進行油液的在線監測必須要通過支管的方式將油管中的在用油引入到在線監測控制櫃中才能實現對在用汽輪機油的實時監測。圖I所示，為本發明一種在用汽輪機油油液狀態在線自動監測系統工作原理示意圖。取樣部分A將採集器的信號採集，通過電纜輸入信號採集控制部分B進行信號處理傳輸，數據傳輸和管理部分C通過下位機(14)和上位機(15)之間的通訊及上位機(15)軟體數據進行分析。
圖2所示，汽輪機油主輸油管I通過兩個三通管引出在線監測系統進油支管3和在線監測系統回油支管8。在汽輪機油主輸油管I的兩個三通管的輸出端都各有一個節流閥，用於關斷在線監測系統進油支管3流入到在線監測系統回油支管8的汽輪機油，便於在線監測系統在更換傳感器和檢修時的操作。在線監測系統進油支管3與輸油齒輪泵2相連，輸油齒輪泵2為汽輪機油在在線監測系統中流動並最終流回到在線監測系統回油支管8提供必要的壓力差。待測油液進入在線監測系統後被分為兩路，一路進入緩衝油池4，一路進入在線顆粒汙染度傳感器7。設置緩衝油池4的目的主要有兩方面考慮，第一，在線監測系統進油支管3中的油液流動速度較大，如果傳感器直接接入在線監測系統進油支管3會應為流過傳感器的液體的特性變化過快，而不能夠全面反映被測汽輪機油的特性變化情況，因而設置緩衝油池4能夠有效緩衝油液流動速度，使緩衝油池4中的傳感器的測量數據更為準確；第二，在線監測系統進油支管3管徑不能插入體積較大的傳感器，因而，通過緩衝油池4提供一個較大的儲油空間，能夠方便傳感器的布置以及與油液的良好接觸。本發明所述的在線監測系統的緩衝油池4中安裝有兩種油液傳感器，一個為水分和溫度聯合傳感器5，另一個為粘度、密度、介電常數、溫度四合一傳感器6。水分和溫度聯合傳感器5輸出的是模擬信號,其中水分信號是電壓信號輸出，測量範圍在O-IOOOppm ;溫度信號是利用負溫度係數的熱電阻反映，通過外接電路能夠將熱電阻變換轉化為電壓變化從而計算出熱電阻與溫度之間的關係。因此需要通過ADC數據採集卡9將傳感器的模擬信號採集到下位機，具體如圖3所示。粘度、密度、介電常數、溫度四合一傳感器6具有一個兼容CAN2. 0的數位訊號接口，所有的四個監測參數都通過CAN2. 0總線被下位機板卡讀取並存儲到下位機的硬碟中，其連接情況如圖3所示。通過在緩衝油池4上開孔並加工螺孔的方式，將這兩個傳感器擰入孔中固定到緩衝油池4上對緩衝油池4中的油液進行監測。所述的油液在線顆粒汙染度傳感器7是通過RS232串口將每個粒徑等級範圍內的顆粒數數據輸出，下位機14的RS232串口與在線顆粒汙染度傳感器7通信，將油液汙染度數據讀入到下位機14中存儲，然後再上傳至上位機15。同時，在線顆粒汙染度傳感器7面板上具備數顯功能，能夠實時顯示傳感器當前測量得到的油液汙染度等級信息。圖3中所顯示的為本發明的傳感器信號採集傳輸和控制結構示意圖。下位機14包含CPU、內存、硬碟12各一個，具有USB2. O接口六個，RS232串行接口十個，其中部分串行接口兼容RS485接口，下位機14上的CAN2. O接口通過一塊RS232轉CAN2. O的接口卡實現。ADC數據採集卡9與下位機14之間通過USB接口連接實現數據傳輸和控制功能。另外，下位機14用於控制兩個執行單元，一個是齒輪泵10，一個是聲光報警裝置11。其中，齒輪泵10的控制器通過RS232與下位機14連接，下位機14將對齒輪泵流速的設定數據通過RS232接口傳輸給齒輪泵控制器；當在線監測系統檢測到油液某些指標超過設定閾值後，下位機14驅動聲光報警裝置11發出聲光報警信號提示當前有油液指標超標，需要關注油液系統並採取一些措施。下位機14通過計算機網絡與上位機15通信。下位機14具有網絡接口，只需要將下位機14與上位機15共同組成區域網，或者通過網絡交換機13連接，就能夠實現對下位機數據的遠程訪問和數據的傳輸。本發明中採用通過上位機軟體獲取和訪問下位機數據的C/S (客戶端/伺服器)模式，同時本發明的系統結構所具備的性能特點也能夠實現在任何一臺聯網的上位機中通過瀏覽器訪問下位機的數據的B/S (瀏覽器/伺服器)模式。圖4是數據傳輸和管理部分數據流和結構流程圖。詳細反映了整個上位機軟體與下位機軟體通過網絡接口進行數據傳輸和控制的數據流動情況，同時說明了上位機軟體與下位機通信的工作流程。上位機軟體的具體功能描述如下
(I)、伺服器軟體與硬體傳感器數據通信機制採用心跳包，硬體傳感器(下位機14)固定時長通知伺服器(上位機15)自身在線狀態。上位機15響應成功後，下位機14發送傳感器數據。並返回下位機14所採集的原始數據，經伺服器端公式計算後的結果，用於下位機14屏顯。(2)、實時控制上位機15實時控制下位機14的工作狀態，下位機提供功能、機制由上位機15調用，控制下位機14工作狀態及異常報警。(3)、原始數據存儲將接收到的下位機14原始數據拆包後，直接存入資料庫，供日後查閱存根。(4)、公式代入讀取資料庫的原始數據後，經代入公式後顯示在前臺界面中。運算基本操作包括加減乘除四則運算，平方開方對數等，不同數據項算法不同。(5)、顯示方式顯示方式按照單日趨勢圖顯示，即反映實時數據又反映單日數據變化趨勢。(6)、異常報警每數據項欄位設置雙重報警臨界設置①數據上下限區間；②數據平均值範圍區間。具體範圍由用戶設置，當觸發其中任一項時報警。(7)、數據報表每項數據設趨勢圖報表，時間範圍區間由用戶選定。報表數據應是公式代入處理過的數據而非原始數據報表。( 8 )、原始數據加密原始數據由傳感器設備讀取後，按自定義格式加密存儲。(9)、原始數據導出設計數據導出權限模塊，按用戶設置權限，導出相應欄位。(10)、操作日誌上位機15記錄一般操作日誌，如開關設備操作員、時間、所做操作、數據異常等項目。
圖5為上位機數據顯示軟體界面。上位機軟體主要實現的功能為通過計算機網絡將下位機14採集的各個傳感器的數據傳輸到上位機15，將所有數據包括數據採集的時間日期等全部保存到上位機15的資料庫中，同時在上位機15界面上顯示汽輪機油的各項監測指標(粘度、密度、溫度、介電常數)的變化趨勢的曲線圖，如圖5所示。另外，對於水分和溫度聯合傳感器5和在線顆粒汙染度傳感器7監測到的水分含量和油液汙染度數據也能夠在軟體界面中利用曲線圖顯示其變化趨勢。所有的趨勢圖曲線都顯示當天從O點到24 點的變化趨勢圖，對於歷史數據，可以從資料庫中調取然後按日、按周或按月進行顯示。通過對歷史數據的分析能夠掌握汽輪機油特性隨時間變化的情況。
權利要求
1.一種在用汽輪機油油液狀態在線自動監測系統，包括取樣部分(A)、信號採集控制部分(B)、數據傳輸和管理部分(C);其特徵在於取樣部分(A)將採集器的信號採集，通過電纜輸入信號採集控制部分(B)進行信號處理傳輸，數據傳輸和管理部分(C)通過下位機(14)和上位機(15)之間的通訊及上位機(15)軟體數據進行分析。
2.根據權利要求I所述的一種在用汽輪機油油液狀態在線自動監測系統，其特徵在於取樣部分(A)包括汽輪機油主輸油管(1)，輸油齒輪泵(2)，在線監測系統進油支管(3)，緩衝油池(4)，水分和溫度聯合傳感器(5)，粘度、密度、介電常數、溫度四合一傳感器(6)，在線顆粒汙染度傳感器(7);其中，監測系統所實時 監測的汽輪機油通過在線監測系統進油支管(3)和在線監測系統回油支管(8)從汽輪機 油主輸油管流入到在線監測系統中並流回；在在線監測系統中，汽輪機油被分為兩路，其中一路進入到緩衝油池(4)，另外一路直接與在線顆粒汙染度傳感器(7)相連；在緩衝油池(4)中安裝有兩個油液特性的傳感器，一個是水分和溫度聯合傳感器(5)，另一個是粘度、密度、介電常數、溫度四合一傳感器(6)。
3.根據權利要求I所述的一種在用汽輪機油油液狀態在線自動監測系統，其特徵在於信號採集控制部分(B)包括ADC數據採集卡(9)、齒輪泵(10)、聲光報警裝置(11)、硬碟(12)和下位機(14);水分傳感器(5)輸出的信號為模擬信號，通過ADC數據採集卡(9)採集到下位機(14)，粘度、密度、介電常數、溫度四合一傳感器(6)通過CAN2. 0接口採集到下位機(14)，顆粒汙染度傳感器(7)的數據通過RS232串行接口輸入到下位機(14);下位機(14)根據獲取傳感器信號的分析結果調整和控制齒輪泵(10)的流量，以及根據監測的汽輪機油指標是否超過設定的閾值來決定聲光報警裝置(11)是否執行報警動作。
4.根據權利要求I所述的一種在用汽輪機油油液狀態在線自動監測系統，其特徵在於數據傳輸和管理部分(C)中，將下位機(14)採集到的傳感器信號通過計算機網絡傳輸到上位機(15)，並將其存入上位機(15)的資料庫供分析使用，同時實時顯示各個傳感器對汽輪機油的監測數據的變化情況以及實時數據。
全文摘要
一種在用汽輪機油油液狀態在線自動監測系統，包括取樣部分、信號採集控制部分、數據傳輸和管理部分；取樣部分將採集器的信號採集，通過電纜輸入信號採集控制部分進行信號處理傳輸，數據傳輸和管理部分通過下位機和上位機之間的通訊及上位機軟體數據進行分析。本系統的設計思路是通過該系統能夠實時在線監測汽輪機油的粘度、含水率和顆粒汙染度等級的變化，當粘度指標、含水量指標或者顆粒汙染度指標超過設定的平均值閾值或峰值閾值時，及時做出聲光報警，提示現場工作人員對汽輪機潤滑油系統採取措施，防止因汽輪機潤滑油特性變化造成汽輪機運轉故障。
文檔編號G01N35/00GK102721821SQ20121022177
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月1日 優先權日2012年7月1日
發明者張天虎, 張欣, 楊琨 申請人:洛陽大工檢測技術有限公司