CN103837666B - 矿用设备润滑油状态在线监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿用设备润滑油状态在线监测系统，包括传感器、油液分析仪、CAN总线、通信主机、监控中心服务器和用户端计算机；传感器在矿用设备的每个润滑油待测点分别各设置1台；油液分析仪设置的数量与传感器相同；传感器通过CAN总线与油液分析仪电连接；油液分析仪通过CAN总线与通信主机双向信号电连接；通信主机与监控中心服务器双向信号电连接；用户端计算机与监控中心服务器双向信号电连接。监测方法主要包括油液分析仪中设定和存储参数初值和报警阈值、传感器采集参数、油液分析仪分析处理和判断是否需要报警。本发明结构简单、实现方便、能够对矿用设备中的润滑油进行有效实时在线检测，且检测结果可靠性好。

Description

矿用设备润滑油状态在线监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下设备运行状态实时监测技术领域，具体涉及一种煤矿大型设备润滑油的状态在线监测系统及其监测方法。

背景技术

润滑油对大型矿用设备的正常工作运转起着十分重要的作用，润滑油污染变质会导致机械设备性能下降、寿命缩短，严重时甚至会导致事故的发生。因此，对矿用设备中润滑油的状态和劣化程度需要进行监测分析。矿用设备中的润滑油常见的污染状态有润滑油中煤粉及磨损颗粒超标、油液水乳化等。目前对设备中润滑油的监测分析的装置按按照其工作方法主要有离线式和在线式监测装置。离线式分析装置初期多为铁谱或光谱分析仪，后又发展出颗粒、粘度分析等装置，如CN86108110A的中国专利文献，其公开了一种名称为“音叉振动式粘度计”的用于检测润滑油粘度装置，其利用音叉式振动部件代替以前的单振动部件检测润滑油的粘度计。该类装置通常检测参数单一，分析速度慢、周期长且过分依赖工作人员的技术水平和经验。另一类在线式监测装置通过对润滑油的粘度、密度、介电常数和温度等指标进行实时监测，以对润滑油的状态进行实时监控，该类设备是润滑油品质状态监测的发展方向。如授权公告号为CN201876451U的中国专利文献，公开了一种名称为“基于多传感器融合多参量油液监测分析装置”，其试图能够通过传感器直接测量油液的粘度、密度、介电常数和温度参数，采用关联算法对传感器检测的参数进行处理以实现油液状态监测的目的，但其仅提出了这一概念，既没有传感器的技术方案，也没有提出采用何种算法对传感器采集的参数如何进行处理。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、实现方便、使用时能够对矿用设备中的润滑油进行实时在线检测且检测结果可靠高的矿用设备润滑油状态在线监测系统及其监测方法。

本发明的技术方案是：本发明的矿用设备润滑油状态在线监测系统，其结构特点是：包括传感器、油液分析仪、CAN总线、通信主机、监控中心服务器和用户端计算机；上述的传感器在矿用设备的每个润滑油待测点分别各设置1台且与待测点的润滑油充分接触；油液分析仪设置的数量与传感器相同；传感器通过CAN总线与油液分析仪电连接；油液分析仪通过CAN总线与通信主机双向信号电连接；通信主机与监控中心服务器双向信号电连接；用户端计算机与监控中心服务器双向信号电连接；

上述的传感器包括RTD热电阻、音叉、信号接收调节模块、微处理器、CAN收发器和电源管理模块；RTD热电阻和音叉均分别与信号接收调节模块信号连接；微处理器与信号接收调节模块信号电连接；CAN收发器与微处理器双向信号电连接；CAN收发器通过CAN总线与油液分析仪信号电连接；电源管理模块提供工作电源；

上述的油液分析仪为内置有基于多参数融合的故障诊断算法程序的分析仪。

进一步的方案是：上述的油液分析仪包括单片机、传感器信号输入模块、开关量信号输入模块、开关量信号输出模块、RS485通信模块、CAN通信模块、以太网通信模块、显示模块和电源模块；

上述的传感器信号输入模块、开关量信号输入模块、开关量信号输出模块和显示模块均分别与单片机信号电连接；RS485通信模块、CAN通信模块和以太网通信模块均分别与单片机双向信号电连接；电源模块用于提供工作电源。

进一步的方案是：上述的单片机为MC9S12XS128型号的飞思卡尔单片机；显示模块为液晶显示屏。

进一步的方案是：上述的油液分析仪内置的多参数融合的故障诊断算法，通过构造润滑油多参数模式向量，将待检状态的模式向量与标准模式向量进行比较分析以判断待测润滑油的所属状态；润滑油多参数模式向量的表达式为：

式中：

其中，，，，分别表示粘度、密度、介电常数和温度的变化率；

设定的判别函数为：

式中，为典型故障类型的数量，如果第个判别函数值，则待检状态就属于第个状态（）。

一种由上述的矿用设备润滑油状态在线监测系统的监测方法，包括以下步骤：

①在油液分析仪中设定和存储新注入矿用设备润滑油的粘度、密度、介电常数和温度以及各参数相应的报警阈值；

②传感器实时采集运行中的润滑油的粘度、密度、介电常数和温度并上传给油液分析仪；

③油液分析仪2实时接收并存储传感器上传的各参数数据，通过内置的多参数融合诊断算法实时对数据进行分析处理和判断，将处理结果就地显示并通过CAN总线和通信主机实时上传给监控服务器；

④油液分析仪若判断当前参数1个或1个以上达到设定的相应报警阈值时，就地报警并同时上传报警信号给监控服务器；

⑤油液分析仪若判断当前参数未达到设定的报警阈值时，则重复步骤②至步骤④。

进一步的方案是：上述的步骤②中传感器（1）每隔30秒采集上传一次参数。

本发明具有积极的效果：（1）本发明的矿用设备润滑油状态在线监测系统，结构简单、实现方便、能够对矿用设备中的润滑油进行实时在线检测。（2）本发明的矿用设备润滑油状态在线监测系统，其传感器采用音叉检测和热敏电阻测温技术，能够按照设置的周期实现对润滑油的粘度、密度、介电常数和温度等参数的在线同步采集并上传给油液分析仪，油液分析仪对接收的传感器检测参数进行实时分析并向后台传输检测结果，当润滑油品质不达标时，发出报警信号。（3）本发明的矿用设备润滑油状态在线监测系统的监测方法，其通过在油液分析仪中内置多参数融合诊断算法程序自动对润滑油的各参数进行实时分析处理，能够有效实现对润滑油常见的如煤粉、磨损及水乳化等典型污染状态的智能识别，有效提高了矿用大型装备的维修管理水平，提升重大装备的安全可靠运行能力，保障设备安全可靠运行。

附图说明

图1为本发明的矿用设备润滑油状态在线监测系统的结构示意框图；

图2为图1中传感器的电路结构示意框图；

图3为图1中油液分析仪的电路结构示意框图；

图4为本发明的矿用设备润滑油状态在线监测系统的监测方法的流程图；

图5为本发明的监测方法所采用的多参数融合诊断算法的原理图。

上述附图中的附图标记如下：

传感器1，RTD热电阻11，音叉12，信号接收调节模块13，微处理器14，CAN收发器15，电源管理模块16，

油液分析仪2，单片机21，传感器信号输入模块22，开关量信号输入模块23，开关量信号输出模块24，RS485通信模块25，CAN通信模块26，以太网通信模块27，显示模块28，电源模块29，

CAN总线3，

通信主机4，

监控中心服务器5，

用户端计算机6。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

（实施例1）

见图1，本实施例的矿用设备润滑油状态在线监测系统，主要由传感器1、油液分析仪2、CAN总线3、通信主机4、监控中心服务器5和用户端计算机6组成。

传感器1和油液分析仪2分别各至少设置1台以上。当有矿用设备有多个润滑油待测点时，则设置的传感器1和油液分析仪2的数量与待测点的数量相同。传感器1设置在矿用设备的待测点处且与待测点的润滑油充分接触。

传感器1通过CAN总线与油液分析仪2电连接；当传感器1和油液分析仪2设置多台时，1个传感器1对应与1台油液分析仪2电连接；油液分析仪2通过CAN总线3与通信主机4双向信号电连接；通信主机4与监控中心服务器5双向信号电连接；用户端计算机6与监控中心服务器5双向信号电连接。

参见图2，传感器1主要由RTD热电阻11、音叉12、信号接收调节模块13、微处理器14、CAN收发器15和电源管理模块16组成。RTD热电阻11和音叉12均分别与信号接收调节模块信号连接；微处理器14与信号接收调节模块13信号电连接；CAN收发器15与微处理器14双向信号电连接；使用时CAN收发器15通过CAN总线与油液分析仪2信号电连接；电源管理模块16提供工作电源。

传感器1用于检测润滑油的粘度、密度、介电常数和温度参数。传感器1通过其RTD热电阻11检测润滑油的实时温度参数；传感器1通过其音叉12检测润滑油的粘度、密度和介电常数的实时参数。音叉12检测润滑油的粘度、密度和介电常数为现有技术，不再详述。传感器1通过CAN总线输出数字信号。

传感器的主要电气特性如表1所示。

表1传感器电气特性

参数	最小值	最大值	单位
				输出刷新率		30	S
电源电压	5	20	Vdc
				电源电流（恒稳态）		100	mA
环境工作温度（电器部分）	-40	+125	℃
				环境工作温度（流体）	-40	+150	℃
工作压力		25	Bars

参见图3，油液分析仪2主要由单片机21、传感器信号输入模块22、开关量信号输入模块23、开关量信号输出模块24、RS485通信模块25、CAN通信模块26、以太网通信模块27、显示模块28和电源模块29组成。

传感器信号输入模块22、开关量信号输入模块23、开关量信号输出模块24和显示模块28均分别与单片机21信号电连接；RS485通信模块25、CAN通信模块26和以太网通信模块27均分别与单片机21双向信号电连接；电源模块29用于提供工作电源。

本实施例中，单片机21优选采用MC9S12XS128型号的飞思卡尔单片机。单片机21内置有基于多参数融合的故障诊断算法的应用程序。传感器信号输入模块22用于采集并向单片机21传输传感器1输出的信号。开关量信号输入模块23用于接收并向单片机21传输开关量信号。开关量信号输出模块24用于接收单片机1输出的指令信号并输出开关量信号。RS485通信模块25、CAN通信模块26和以太网通信模块27均用于单片机21与外部的通信；显示模块28本实施例中优选采用液晶显示屏。

油液分析仪2工作时，根据接收到的命令采集各模拟量输入接口的信号，并将其转换、存储；油液分析仪2把采集到的各种信息（如传感器1的信号、设备工作状态、控制量输出状态、传感器1故障状态等）处理后，通过RS485通讯、CAN总线通讯或者以太网通讯传输给监控中心服务器5；油液分析仪2将采集的各传感器1的信号，分站地址等信息送给显示模块28上进行实时显示；油液分析仪2根据接收到的命令判断是否需要直接输出控制信号，或者根据传感器1的输入自动输出控制信号。

参数诊断方法是机械故障诊断中的一种重要的诊断方法，分为单参数诊断和多参数诊断法，单一的参数诊断存在一定的局限性，缺乏可靠性。为提高诊断的准确性，本实施例中采用多参数诊断方法。多参数融合的故障诊断算法的关键在于构建合理的诊断模型，而模型设定的关键则在于构建合理的模式向量。本实施例中，利用润滑油的待测状态与已知典型状态的相近度来区分润滑油的污染状态，其原理如图5所示。

而由于传感器1所采集的粘度、密度、介电常数和温度各参数的分量性质、量纲、坐标尺度、相对大小、变化速度均不相同且敏感程度各异，因此传感器1所采集的参数不能直接进行运算，本实施例中采用四个参数的变化率作为衡量润滑油运行状态的敏感参数。

多参数融合的故障诊断算法的诊断模型的构建应遵循以下基本原则：

1）用一个统一的公式表示出污染状态；

2）尽量避免拟合来获取公式，而利用四个参数之间的逻辑运算来达到目的；

3）公式中应注意避免量纲的差异对结果的影响。

在构建润滑油多参数模式向量的过程中，首先要提取可以反映状态变化的特征参数，再由这些参数构成每个状态的参数向量。本实施例着重分析待测润滑油的粘度、密度、介电常数和温度四个参数的变化规律，现假设某典型状态下的参数向量：

（1）

式（1）中：为第个状态的标准模式向量，，，，分别表示粘度、密度、介电常数和温度在污染状态下相对于标准新油的变化率；以粘度为例，为第个状态的典型污染油样其动力粘度相对于标准新油的变化率。设定待检状态的标准参数向量：

（2）

式（2）中，以粘度为例：为待检油样动力粘度相对于标准新油的变化率；根据上式中提出基于无量纲化的思想，得到一个模式向量：

（3）

式（3）中：

（4）

根据已经得到的模式向量，构建一个判别函数：

（5）

式（5）中，为典型故障类型的数量，如果第个判别函数值，则待检状态就属于第个状态（）。

将上述方案编程为多参数融合的故障诊断算法，置入油液分析仪2内。

见图4和图5，本实施例的矿用设备润滑油状态在线监测系统的监测方法，主要包括以下步骤：

①在油液分析仪2中设定和存储新注入矿用设备润滑油的粘度、密度、介电常数和温度以及各参数相应的报警阈值；

②传感器1实时采集运行中的润滑油的粘度、密度、介电常数和温度并上传给油液分析仪2；传感器1每隔30秒采集上传一次；

③油液分析仪2实时接收并存储传感器1上传的各参数数据，通过内置的多参数融合诊断算法实时对数据进行分析处理和判断，将处理结果就地显示并通过CAN总线3和通信主机4实时上传给监控服务器5；

④油液分析仪2若判断当前参数1个或1个以上达到设定的相应报警阈值时，就地报警并同时上传报警信号给监控服务器5；

⑤油液分析仪2若判断当前参数未达到设定的报警阈值时，重复步骤②至步骤④。

前述的步骤③中油液分析仪2内置的多参数融合的故障诊断算法，通过构造润滑油多参数模式向量，将待检状态的模式向量与标准模式向量进行比较分析以判断待测润滑油的所属状态；润滑油多参数模式向量的表达式为：

式中：

其中，，，，分别表示粘度、密度、介电常数和温度的变化率；

设定的判别函数为：

式中，为典型故障类型的数量，如果第个判别函数值，则待检状态就属于第个状态（）。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种矿用设备润滑油状态在线监测系统，其特征在于：包括传感器（1）、油液分析仪（2）、CAN总线（3）、通信主机（4）、监控中心服务器（5）和用户端计算机（6）；所述的传感器（1）在矿用设备的每个润滑油待测点分别各设置1台且与待测点的润滑油充分接触；油液分析仪（2）设置的数量与传感器（1）相同；传感器（1）通过CAN总线与油液分析仪（2）电连接；油液分析仪（2）通过CAN总线（3）与通信主机（4）双向信号电连接；通信主机（4）与监控中心服务器（5）双向信号电连接；用户端计算机（6）与监控中心服务器（5）双向信号电连接；

所述的传感器（1）包括RTD热电阻（11）、音叉（12）、信号接收调节模块（13）、微处理器（14）、CAN收发器（15）和电源管理模块（16）；RTD热电阻（11）和音叉（12）均分别与信号接收调节模块信号连接；微处理器（14）与信号接收调节模块（13）信号电连接；CAN收发器（15）与微处理器（14）双向信号电连接；CAN收发器（15）通过CAN总线与油液分析仪（2）信号电连接；电源管理模块（16）提供工作电源；

所述的油液分析仪（2）为内置有基于多参数融合的故障诊断算法程序的分析仪。

2.根据权利要求1所述的矿用设备润滑油状态在线监测系统，其特征在于：所述的油液分析仪（2）包括单片机（21）、传感器信号输入模块（22）、开关量信号输入模块（23）、开关量信号输出模块（24）、RS485通信模块（25）、CAN通信模块（26）、以太网通信模块（27）、显示模块（28）和电源模块（29）；

所述的传感器信号输入模块（22）、开关量信号输入模块（23）、开关量信号输出模块（24）和显示模块（28）均分别与单片机（21）信号电连接；RS485通信模块（25）、CAN通信模块（26）和以太网通信模块（27）均分别与单片机（21）双向信号电连接；电源模块（29）用于提供工作电源。

3.根据权利要求2所述的矿用设备润滑油状态在线监测系统，其特征在于：所述的单片机（21）为MC9S12XS128型号的飞思卡尔单片机；显示模块（28）为液晶显示屏。

4.根据权利要求1所述的矿用设备润滑油状态在线监测系统，其特征在于：所述的油液分析仪（2）内置的多参数融合的故障诊断算法，通过构造润滑油多参数模式向量，将待检状态的模式向量与标准模式向量进行比较分析以判断待测润滑油的所属状态；润滑油多参数模式向量的表达式为：

式中：

为待检油样相对于第种典型故障类型油样的多参数模式向量；

为待检油样相对于第种典型故障类型油样在动力粘度变化率上的偏移程度；

为待检油样相对于第种典型故障类型油样在密度变化率上的偏移程度；

为待检油样相对于第种典型故障类型油样在介电常数变化率上的偏移程度；

为待检油样相对于第种典型故障类型油样在温度变化率上的偏移程度；

即：

式中，

为待检油样动力粘度相对于标准新油的变化率，为第个状态的典型污染油样其动力粘度相对于标准新油的变化率；

为待检油样密度相对于标准新油的变化率，为第个状态的典型污染油样其密度相对于标准新油的变化率；

为待检油样介电常数相对于标准新油的变化率，为第个状态的典型污染油样其介电常数相对于标准新油的变化率；

为待检油样温度相对于标准新油的变化率，为第个状态的典型污染油样其温度相对于标准新油的变化率；

设定的判别函数为：

式中，为典型故障类型的数量，如果第个判别函数值，则待检状态就属于第个状态，。

5.一种由权利要求1所述的矿用设备润滑油状态在线监测系统的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

①在油液分析仪（2）中设定和存储新注入矿用设备润滑油的粘度、密度、介电常数和温度以及各参数相应的报警阈值；

②传感器（1）实时采集运行中的润滑油的粘度、密度、介电常数和温度并上传给油液分析仪（2）；

③油液分析仪（2）实时接收并存储传感器（1）上传的各参数数据，通过内置的多参数融合诊断算法实时对数据进行分析处理和判断，将处理结果就地显示并通过CAN总线（3）和通信主机（4）实时上传给监控服务器（5）；

④油液分析仪（2）若判断当前参数1个或1个以上达到设定的相应报警阈值时，就地报警并同时上传报警信号给监控服务器（5）；

⑤油液分析仪（2）若判断当前参数未达到设定的报警阈值时，则重复步骤②至步骤④。

6.一种由权利要求5所述的矿用设备润滑油状态在线监测系统的监测方法，其特征在于：所述的步骤②中传感器（1）每隔30秒采集上传一次参数。