专利名称：一种在用汽轮机油油液状态在线自动监测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于机械设备运转状态监测技术领域，涉及一种在用汽轮机油油液状态在线自动监测系统。
背景技术：
众所周知，磨损和润滑不良是导致机器设备损坏或发生故障的主要原因。近十几年发展起来的油液监测技术能较好地解决这一问题，特别是近几年，油液监测技术在各行业中得到了迅速的发展。最初的油液监测仅是油液污染分析，主要是分析油品的理化指标，如粘度、水分、酸值、闪点、机械杂质等。通常采用石油产品性能指标测定方法对在用润滑剂进行检测，以评价其质量的变化。工业化生产的发展使机器越来越大型化、复杂化和连续化，对机器的维修要求也越来越高。因此，机器故障诊断技术应运而生，促使了人们积极开发基于油液监测的诊断方法。目前，机械设备润滑油的更换方案主要是参考推荐换油期，实行按使用时间或运行时间的方式来决定。基于油液分析的机械状态监测已成为多数现代工业维修活动中不可缺少的手段之一，并在设备状态的监测及故障诊断、磨擦磨损机理的研究、判定润滑系统的污染状况、制定正确的换油周期等几个方面获得了广泛的应用。在设备运行过程中，润滑油要经历一系列物理或化学的复杂作用，油品的理化性能及内部的构成会发生变化，除了油品本身发生的变化，润滑系统还会产生一些金属颗粒或者非金属磨损颗粒，另外运行环境中的污染物也会混入油液中，如水分及其他污染物等。而油液监测系统将通过现场全天候的实时动态数据采集，通过以太网通信电缆传送到上位机数据处理器，通过数据运算传送至中央集中控制室以动态的形式显示。
简单地说，油液监测技术就是通过分析被监测机械设备在用润滑油的性能变化和油中磨损颗粒的情况，获得机械设备润滑和磨损状态的信息，从而评定机械设备的运行工况和对故障进行预测，并进一步确定故障原因的技术。使用这一技术需要综合利用各种分析测试手段，如常规的理化分析仪、红外光谱分析仪、顺粒计数器、等离子发射光谱仪、铁谱分析仪、差热分析仪等，对设备进行润滑监控，在设备润滑管理中可以达到很好的效果。油液污染在线监测与控制技术将自动控制技术引入到油液污染控制领域，改变传统的污染控制模式，实现对油液污染状态的实时动态监测、控制和主动维护。通过对油液污染度、含水量等各参数的在线监测信号的采集、识别、判断，提出构造油液状态在线监测网络，对油液污染状态进行实时动态监测、诊断和控制，实现对润滑油和液压系统的主动维护，能提高系统各元器件的使用寿命，大大降低系统的故障率。以往设备油液检测都是现场采集油样，到实验室去完成分析，分析完成后，数据再送给现场维修人员和设备技术负责人。由于需要大量时间传递油样和数据，完成一个油样分析往往少则需要几个小时，多则长达几天或数月。并据调查表明约有50%的离线分析油样没有发现问题，45%的油样显示失效即将发生，约有5%的油样检测出严重问题。这样，不仅消耗了大量人力和物力，也很难保证数据的时效性，无法真正及时地诊断故障。为解决上述问题，近年来，西方发达国家利用电子技术和信号处理技术，研制了多种新型嵌入式油液分析传感器，并在此基础上，针对各种不同类型的设备，开发了一系列油液快速检测仪。便携式的油液测量仪器发展迅猛，很好地克服了实验室离线分析方法成本高、操作复杂、测量结果滞后的不足，可以随身携带，现场测量和现场出结果，便携式油液测量仪器包括便携式油液粘度仪、铁谱仪、颗粒计数仪等，但是这些仪器在现实中并未做到真正意义上的在线监测。

发明内容
本发明的目的在于研制一种对在用汽轮机油的油品特性、含水量、颗粒污染度等特性进行在线测量的油液监测系统。本发明的技术方案是一种在用汽轮机油油液状态在线自动监测系统，包括取样部分、信号采集控制部分、数据传输和管理部分；取样部分将采集器的信号采集，通过电 缆输入信号采集控制部分进行信号处理传输，数据传输和管理部分通过下位机和上位机之间的通讯及上位机软件数据进行分析。所述取样部分包括汽轮机油主输油管，输油齿轮泵，在线监测系统进油支管，缓冲油池，水分和温度联合传感器，粘度、密度、介电常数、温度四合一传感器，在线颗粒污染度传感器；其中，监测系统所实时监测的汽轮机油通过在线监测系统进油支管和在线监测系统回油支管从汽轮机油主输油管流入到在线监测系统中并流回。在在线监测系统中，汽轮机油被分为两路，其中一路进入到缓冲油池，另外一路直接与在线颗粒污染度传感器相连；在缓冲油池中安装有两个油液特性的传感器，一个是水分和温度联合传感器，另一个是粘度、密度、介电常数、温度四合一传感器；水分和温度联合传感器用于测量汽轮机油液中含水量的大小，粘度、密度、介电常数、温度四合一传感器用于测量汽轮机油的流体特性参数，主要用来监测汽轮机油的粘度、密度和介电常数等。所述信号采集控制部分包括ADC数据采集卡、齿轮泵、声光报警装置、硬盘和下位机；水分传感器输出的信号为模拟信号，通过ADC数据采集卡采集到下位机，粘度、密度、介电常数、温度四合一传感器通过CAN2. 0接口采集到下位机，颗粒污染度传感器的数据通过RS232串行接口输入到下位机；下位机根据获取传感器信号的分析结果调整和控制齿轮泵的流量，以及根据监测的汽轮机油指标是否超过设定的阈值来决定声光报警装置是否执行报警动作。所述数据传输和管理部分，将下位机采集到的传感器信号通过计算机网络传输到上位机,并将其存入上位机的数据库供分析使用，同时实时显示各个传感器对汽轮机油的监测数据的变化情况以及实时数据。在数据管理软件部分，需要对当前采集到的数据进行判断，判断其是否超过了设备要求的使用指标。主要通过两方面来判断当前数据是否超过设备所要求的指标。一方面设定平均值阈值，另一方面设定实时数据峰值阈值。平均值阈值是判断在多次测量过程中，数据变化的总体趋势是否超过了被监测的汽轮机油的运行指标要求；实时数据峰值阈值反映的是当前测量出的数据变化幅度是否超过被监测的汽轮机油的运行指标要求，因为实时测量的数据会是一个波动的过程，实时数据峰值阈值能够保证波动的峰值不超过运行指标的要求。另外，数据传输和管理部分还要对各个传感器采集到的历史数据进行分析，从历史数据中分析出汽轮机油变化的发展趋势，预测汽轮机油的使用状态和换油时间。本发明采用上述技术方案后可达到如下的有益效果
(I)实现了对汽轮机油在用油特性的在线监测。克服了以往需要将汽轮机油油样取回到实验室进行离线化验分析的复杂过程，直接从主油路旁路出一套监测支管，实现对汽轮机油在线监测。(2)通过缓冲油池实现汽轮机油油液特性传感器的在线测量。缓冲油池有效地扩展了油液取样支管的直径和容积，能够保证将水分、温度和粘度、密度、介电常数、温度四合一传感器插入到缓冲池中与被测量的在用汽轮机油良好接触，减小测量结果受外界环境以及汽轮机油在管道中流动特性的影响。
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(3)采用工业单板机作为下位机实现传感器信号的采集、保存和传输。所采用的工业单板机稳定性适合全天候使用要求，提供多种硬件接口能够将传感器数据稳定采集并保存在硬盘中。(4)在下位机上保存一周的历史数据。下位机采用的工业单板机工作稳定性非常高，而上位机采用普通PC机，相对容易出现故障，为防止上位机出现故障导致下位机上传的数据丢失，近一周内的被下位机采集的传感器信号都将备份在下位机的硬盘中，该数据缓冲区不断刷新。(5)上位机软件能够对采集到的历史数据进行分析处理，获取汽轮机油油液在使用过程中各项指标变化的趋势，并预测油品特性未来状态发展的情况。


图I为本发明一种在用汽轮机油油液状态在线自动监测系统工作原理示意 图2为本发明一种在用汽轮机油油液状态在线自动监测系统取样部分结构示意 图3为本发明一种在用汽轮机油油液状态在线自动监测系统的信号采集控制部分结构示意 图4为本发明一种在用汽轮机油油液状态在线自动监测系统数据传输和管理部分结构流程不意 图5为本发明一种在用汽轮机油油液状态在线自动监测系统上位机数据显示软件界面图。
具体实施例方式本系统的设计思路是通过该系统能够实时在线监测汽轮机油的粘度、含水率和颗粒污染度等级的变化，当粘度指标、含水量指标或者颗粒污染度指标超过设定的平均值阈值或峰值阈值时，及时做出声光报警，提示现场工作人员对汽轮机润滑油系统采取措施，防止因汽轮机润滑油特性变化造成汽轮机运转故障。本系统的优势分析能在生产过程中实时对油液的常规理化指标进行监测，通过数据的趋势变化来对油液的变化过程做出记录和分析。油液监测项目全部以采集器方式采集，以数字信号通过通信电缆进行传输，整个过程中无其它损耗。数据经过综合运算处理后于中控室控制台集中显示，包含实时数据、趋势图、油液指标变化报警。对运行过程中油品出现的变化进行提醒及报警，并根据相应的变化做出处理建议。通过时间的积累和数据的分析对油液理化的变化做出预测，从而达到以质换油，并对设备早期出现的非正常摩擦现象做出预警。数据的积累也可以将油液所有指标之间的微变关系给记录下来，通过数据的分析及数据链的解析，可以查找一些设备油品慢性非正常变化的根源。下面结合附图进一步说明本发明的具体技术方案。发电厂等现场环境中汽轮机油的输送管道一般直径较粗，但是，现场不允许对现有油管进行开孔等加工处理。因此，要进行油液的在线监测必须要通过支管的方式将油管中的在用油引入到在线监测控制柜中才能实现对在用汽轮机油的实时监测。图I所示，为本发明一种在用汽轮机油油液状态在线自动监测系统工作原理示意图。取样部分A将采集器的信号采集，通过电缆输入信号采集控制部分B进行信号处理传输，数据传输和管理部分C通过下位机(14)和上位机(15)之间的通讯及上位机(15)软件数据进行分析。
图2所示，汽轮机油主输油管I通过两个三通管引出在线监测系统进油支管3和在线监测系统回油支管8。在汽轮机油主输油管I的两个三通管的输出端都各有一个节流阀，用于关断在线监测系统进油支管3流入到在线监测系统回油支管8的汽轮机油，便于在线监测系统在更换传感器和检修时的操作。在线监测系统进油支管3与输油齿轮泵2相连，输油齿轮泵2为汽轮机油在在线监测系统中流动并最终流回到在线监测系统回油支管8提供必要的压力差。待测油液进入在线监测系统后被分为两路，一路进入缓冲油池4，一路进入在线颗粒污染度传感器7。设置缓冲油池4的目的主要有两方面考虑，第一，在线监测系统进油支管3中的油液流动速度较大，如果传感器直接接入在线监测系统进油支管3会应为流过传感器的液体的特性变化过快，而不能够全面反映被测汽轮机油的特性变化情况，因而设置缓冲油池4能够有效缓冲油液流动速度，使缓冲油池4中的传感器的测量数据更为准确；第二，在线监测系统进油支管3管径不能插入体积较大的传感器，因而，通过缓冲油池4提供一个较大的储油空间，能够方便传感器的布置以及与油液的良好接触。本发明所述的在线监测系统的缓冲油池4中安装有两种油液传感器，一个为水分和温度联合传感器5，另一个为粘度、密度、介电常数、温度四合一传感器6。水分和温度联合传感器5输出的是模拟信号,其中水分信号是电压信号输出，测量范围在O-IOOOppm ;温度信号是利用负温度系数的热电阻反映，通过外接电路能够将热电阻变换转化为电压变化从而计算出热电阻与温度之间的关系。因此需要通过ADC数据采集卡9将传感器的模拟信号采集到下位机，具体如图3所示。粘度、密度、介电常数、温度四合一传感器6具有一个兼容CAN2. 0的数字信号接口，所有的四个监测参数都通过CAN2. 0总线被下位机板卡读取并存储到下位机的硬盘中，其连接情况如图3所示。通过在缓冲油池4上开孔并加工螺孔的方式，将这两个传感器拧入孔中固定到缓冲油池4上对缓冲油池4中的油液进行监测。所述的油液在线颗粒污染度传感器7是通过RS232串口将每个粒径等级范围内的颗粒数数据输出，下位机14的RS232串口与在线颗粒污染度传感器7通信，将油液污染度数据读入到下位机14中存储，然后再上传至上位机15。同时，在线颗粒污染度传感器7面板上具备数显功能，能够实时显示传感器当前测量得到的油液污染度等级信息。图3中所显示的为本发明的传感器信号采集传输和控制结构示意图。下位机14包含CPU、内存、硬盘12各一个，具有USB2. O接口六个，RS232串行接口十个，其中部分串行接口兼容RS485接口，下位机14上的CAN2. O接口通过一块RS232转CAN2. O的接口卡实现。ADC数据采集卡9与下位机14之间通过USB接口连接实现数据传输和控制功能。另外，下位机14用于控制两个执行单元，一个是齿轮泵10，一个是声光报警装置11。其中，齿轮泵10的控制器通过RS232与下位机14连接，下位机14将对齿轮泵流速的设定数据通过RS232接口传输给齿轮泵控制器；当在线监测系统检测到油液某些指标超过设定阈值后，下位机14驱动声光报警装置11发出声光报警信号提示当前有油液指标超标，需要关注油液系统并采取一些措施。下位机14通过计算机网络与上位机15通信。下位机14具有网络接口，只需要将下位机14与上位机15共同组成局域网，或者通过网络交换机13连接，就能够实现对下位机数据的远程访问和数据的传输。本发明中采用通过上位机软件获取和访问下位机数据的C/S (客户端/服务器)模式，同时本发明的系统结构所具备的性能特点也能够实现在任何一台联网的上位机中通过浏览器访问下位机的数据的B/S (浏览器/服务器)模式。图4是数据传输和管理部分数据流和结构流程图。详细反映了整个上位机软件与下位机软件通过网络接口进行数据传输和控制的数据流动情况，同时说明了上位机软件与下位机通信的工作流程。上位机软件的具体功能描述如下
(I)、服务器软件与硬件传感器数据通信机制采用心跳包，硬件传感器(下位机14)固定时长通知服务器(上位机15)自身在线状态。上位机15响应成功后，下位机14发送传感器数据。并返回下位机14所采集的原始数据，经服务器端公式计算后的结果，用于下位机14屏显。(2)、实时控制上位机15实时控制下位机14的工作状态，下位机提供功能、机制由上位机15调用，控制下位机14工作状态及异常报警。(3)、原始数据存储将接收到的下位机14原始数据拆包后，直接存入数据库，供日后查阅存根。(4)、公式代入读取数据库的原始数据后，经代入公式后显示在前台界面中。运算基本操作包括加减乘除四则运算，平方开方对数等，不同数据项算法不同。(5)、显示方式显示方式按照单日趋势图显示，即反映实时数据又反映单日数据变化趋势。(6)、异常报警每数据项字段设置双重报警临界设置①数据上下限区间；②数据平均值范围区间。具体范围由用户设置，当触发其中任一项时报警。(7)、数据报表每项数据设趋势图报表，时间范围区间由用户选定。报表数据应是公式代入处理过的数据而非原始数据报表。( 8 )、原始数据加密原始数据由传感器设备读取后，按自定义格式加密存储。(9)、原始数据导出设计数据导出权限模块，按用户设置权限，导出相应字段。(10)、操作日志上位机15记录一般操作日志，如开关设备操作员、时间、所做操作、数据异常等项目。
图5为上位机数据显示软件界面。上位机软件主要实现的功能为通过计算机网络将下位机14采集的各个传感器的数据传输到上位机15，将所有数据包括数据采集的时间日期等全部保存到上位机15的数据库中，同时在上位机15界面上显示汽轮机油的各项监测指标(粘度、密度、温度、介电常数)的变化趋势的曲线图，如图5所示。另外，对于水分和温度联合传感器5和在线颗粒污染度传感器7监测到的水分含量和油液污染度数据也能够在软件界面中利用曲线图显示其变化趋势。所有的趋势图曲线都显示当天从O点到24 点的变化趋势图，对于历史数据，可以从数据库中调取然后按日、按周或按月进行显示。通过对历史数据的分析能够掌握汽轮机油特性随时间变化的情况。
权利要求
1.一种在用汽轮机油油液状态在线自动监测系统，包括取样部分(A)、信号采集控制部分(B)、数据传输和管理部分(C);其特征在于取样部分(A)将采集器的信号采集，通过电缆输入信号采集控制部分(B)进行信号处理传输，数据传输和管理部分(C)通过下位机(14)和上位机(15)之间的通讯及上位机(15)软件数据进行分析。
2.根据权利要求I所述的一种在用汽轮机油油液状态在线自动监测系统，其特征在于取样部分(A)包括汽轮机油主输油管(1)，输油齿轮泵(2)，在线监测系统进油支管(3)，缓冲油池(4)，水分和温度联合传感器(5)，粘度、密度、介电常数、温度四合一传感器(6)，在线颗粒污染度传感器(7);其中，监测系统所实时 监测的汽轮机油通过在线监测系统进油支管(3)和在线监测系统回油支管(8)从汽轮机 油主输油管流入到在线监测系统中并流回；在在线监测系统中，汽轮机油被分为两路，其中一路进入到缓冲油池(4)，另外一路直接与在线颗粒污染度传感器(7)相连；在缓冲油池(4)中安装有两个油液特性的传感器，一个是水分和温度联合传感器(5)，另一个是粘度、密度、介电常数、温度四合一传感器(6)。
3.根据权利要求I所述的一种在用汽轮机油油液状态在线自动监测系统，其特征在于信号采集控制部分(B)包括ADC数据采集卡(9)、齿轮泵(10)、声光报警装置(11)、硬盘(12)和下位机(14);水分传感器(5)输出的信号为模拟信号，通过ADC数据采集卡(9)采集到下位机(14)，粘度、密度、介电常数、温度四合一传感器(6)通过CAN2. 0接口采集到下位机(14)，颗粒污染度传感器(7)的数据通过RS232串行接口输入到下位机(14);下位机(14)根据获取传感器信号的分析结果调整和控制齿轮泵(10)的流量，以及根据监测的汽轮机油指标是否超过设定的阈值来决定声光报警装置(11)是否执行报警动作。
4.根据权利要求I所述的一种在用汽轮机油油液状态在线自动监测系统，其特征在于数据传输和管理部分(C)中，将下位机(14)采集到的传感器信号通过计算机网络传输到上位机(15)，并将其存入上位机(15)的数据库供分析使用，同时实时显示各个传感器对汽轮机油的监测数据的变化情况以及实时数据。
全文摘要
一种在用汽轮机油油液状态在线自动监测系统，包括取样部分、信号采集控制部分、数据传输和管理部分；取样部分将采集器的信号采集，通过电缆输入信号采集控制部分进行信号处理传输，数据传输和管理部分通过下位机和上位机之间的通讯及上位机软件数据进行分析。本系统的设计思路是通过该系统能够实时在线监测汽轮机油的粘度、含水率和颗粒污染度等级的变化，当粘度指标、含水量指标或者颗粒污染度指标超过设定的平均值阈值或峰值阈值时，及时做出声光报警，提示现场工作人员对汽轮机润滑油系统采取措施，防止因汽轮机润滑油特性变化造成汽轮机运转故障。
文档编号G01N35/00GK102721821SQ20121022177
公开日2012年10月10日 申请日期2012年7月1日 优先权日2012年7月1日
发明者张天虎, 张欣, 杨琨 申请人:洛阳大工检测技术有限公司