CN114941795A

CN114941795A - 一种基于物联网的油气润滑状态在线监测系统

Info

Publication number: CN114941795A
Application number: CN202210533479.XA
Authority: CN
Inventors: 肖郡龙; 谢小鹏
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2022-05-17
Filing date: 2022-05-17
Publication date: 2022-08-26

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的油气润滑状态在线监测系统，包括：数据采集模块，用于采集油气末端传感器的电信号，并将采集到的电信号发送至数据处理模块；数据处理模块，用于对接收到的电信号进行处理；信号传输模块，用于将数据处理模块得到的润滑状态参数传输至服务器；在线监测终端，用于将服务器的润滑状态参数进行可视化，显示每个润滑点的润滑状态参数；油液调整模块，用于根据润滑点处的润滑状态参数调整供油参数。本发明能够在设备不停机的前提下，解决设备供油量不足或者断流的问题，使高速电主轴的温度稳定控制在许可极限范围内，避免由于温升过高而引起的机械加工精度不足的情况发生。本发明可广泛应用于润滑安全领域。

Description

一种基于物联网的油气润滑状态在线监测系统

技术领域

本发明涉及润滑安全领域，尤其涉及一种基于物联网的油气润滑状态在线监测系统。

背景技术

油气润滑是指润滑油在压缩空气的推动下，较大颗粒的油滴粘附在管壁四周缓慢向前移动并逐渐被压缩空气吹散、变薄，在到达管道末端时，原先间断地粘附在管壁四周的油滴以环状流的形式连成一片，在运动的表面之间形成了连续稳固的油膜，防止摩擦面之间直接接触。相较于传统的润滑方式，油气润滑具有微量供给、精细润滑的特点，是高速轴承的主要润滑方式之一，它不仅能将润滑油精确的喷射到润滑点上，同时压缩空气的强迫对流还带走了大量热量，起到了冷却降温的作用。

润滑油的断流、供给不足或过量都会引起高速电主轴的温度升高，进而使主轴变形伸长影响机械加工精度。因此对润滑状态的监测有助于改善机械加工性能、减少运动表面磨损、延长电主轴使用寿命。

现有的监测技术还停留在传统的信号灯指示上，通过观察LED灯判断当前的润滑状态，当润滑点数量较小时，依靠操作员不间断的人眼观测可以满足需求，但是随着现代加工制造的精密化、高端化、复杂化，润滑点的数量急剧攀升，这种方式不仅效率低下、出错率高，而且操作员的反应时间和处理时间在高速运转的电主轴上是致命的。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于物联网的油气润滑状态在线监测系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于物联网的油气润滑状态在线监测系统，包括：

数据采集模块，用于采集油气末端传感器的电信号，并将采集到的电信号发送至数据处理模块；

数据处理模块，用于对接收到的电信号进行处理；其中，在对润滑状态参数进行分析时，将信号从时域转换到频域，将转换后的频域信号与预设的频谱图比对判断，确定润滑油通过输油管的供油量和流速；

信号传输模块，用于将数据处理模块得到的润滑状态参数传输至服务器；

在线监测终端，用于将服务器的润滑状态参数进行可视化，显示每个润滑点的润滑状态参数；

油液调整模块，用于根据润滑点处的润滑状态参数调整供油参数。

进一步地，所述对接收到的电信号进行处理，包括：

对电信号进行放大处理，对放大后的电信号进行滤波处理；

通过处理器对放大滤波后的信号进行傅里叶变换，从时域转换到频域；

使用最小二乘法获得频谱回归曲线：

确定回归曲线的参数A和f₀，其中w(f)为信号幅值；

根据不同流速、供油量的频谱图进行比对，判断管道内润滑油的实际流速和出油量。

进一步地，所述信号传输模块的工作过程如下：

所述数据处理模块将润滑参数信息通过TI-15.4协议进行无线组网，并将各个润滑点的润滑状态参数传输至数据集中器中；

物联网网关通过串口接收数据集中器的润滑状态参数，通过MQTT协议或者TCP/IP协议将消息发布至云平台；

云平台将接收到的数据解析后，本地服务器订阅该消息并保存至本地服务器中的数据库。

进一步地，所述油气润滑状态在线监测系统包括B/S架构和C/S架构两种架构，两种架构均可通过电子设备终端登入油气润滑状态在线监测系统；

所述油气润滑状态在线监测系统实时监测各个润滑点的润滑状态，工作过程具体如下：

本地服务器接收到云平台发送的润滑站多个润滑点的状态参数WX，通过与预设的阈值YZ进行比较：

若WX>βYZ，表示供油量过大，生成异常信号；

若γYZ<WX<βYZ，表示供油量合适，生成非异常信号；

若WX<γYZ，表示供油量不足，生成危险信号；

其中γ和β是误差修正因子。

进一步地，所述油液调整模块具体通过以下方式调整供油参数：

若在线监测终端生成危险信号时，说明油气分配器的出油口处于供油量不足或者断流的状态，控制润滑泵减少间歇时间，以延长供油时间，增大供油量，避免轴承的温升变化过大；

若在线监测终端生成异常信号，说明油气分配器的出油口的供油量多于预设的供油量，控制润滑泵降低供油时间，减小供油量，防止出现过润滑。

进一步地，所述数据采集模块的工作原理如下：

光电二极管发射发射预设频率的红外光，红外光的光线穿过透明的输油管，由设置在管道另一端的接收器接收，并输出电信号。

进一步地，所述在线监测终端包括web客户端、手机客户端以及平板客户端。

本发明的有益效果是：本发明能够在设备不停机的前提下，解决设备供油量不足或者断流的问题，使高速电主轴的温度稳定控制在许可极限范围内，避免由于温升过高而引起的机械加工精度不足的情况发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中一种基于物联网的油气润滑状态在线监测系统的结构框图；

图2是本发明实施例中数据处理模块工作的示意图；

图3是本发明实施例中信号传输模块工作的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供一种基于物联网的油气润滑状态在线监测系统，包括：

数据采集模块，用于实时采集油气末端传感器的电信号，数据采集模块与数据处理模块连接。

数据处理模块，用于对采集的电压信号进行处理，数据处理模块与信号传输模块连接；数据经过处理，与预设的频谱曲线比对判断，确定润滑状态参数；所述的润滑状态参数包括油液通断、供油量、油液速度等信息参数。

信号传输模块，用于将数据处理模块得到的润滑状态参数传输至物联网网关，网关可以通过以太网接口以有线方式或通过Wi-Fi以无线方式向云端传输数据和信息，云平台再将数据传输至本地服务器。

在线监测终端，用于将本地服务器的润滑状态参数进行可视化，每个润滑点的润滑状态参数可以在终端实时显示。通过监测信息分析生成危险信号，并将危险信号在客户端界面提示，所述危险信号包括非异常信号、轻度异常信号以及重度异常信号。

油液调整模块，用于根据润滑点处的润滑状态参数进行调整，通过控制润滑泵的间歇时间控制供油量，使高速轴承处在最佳润滑状态。

本实施例所述系统，是指信号采集模块得到的润滑状态参数在远程终端实时显示，并对可能出现的故障发出预警信息，油液调整模块根据这一信息适当补偿，以使高速轴承处在最佳润滑状态。

作为可选的实施方式，数据采集模块的工作方式为：光电二极管发射发射预设频率的红外光，红外光的光线穿过透明的输油管，由设置在管道另一端的接收器接收，并输出电信号。

作为可选的实施方式，参见图2，所述数据处理模块包括对微弱电压信号进行放大滤波，光电传感器采集的电信号很微弱，通过加入电压放大模块，实现电压信号的放大。放大后的电压信号含有输入电压噪声、运算放大器输入电流噪声和热电阻噪声等，使用滤波电路滤除电压信号中的噪声干扰，提高信噪比；将信号做傅里叶变换，从时域转化为频域分析，利用采样定理对频谱曲线进行采样，再使用最小二乘法得到频谱回归曲线；处理器内预设了不同供油量和油液速度的频谱曲线，将回归曲线与这些频谱图进行比对判断，得出此时润滑点的润滑状态参数。

所述数据处理模块从油气末端传感器接收到微弱的电压信号，将电信号连接至电压放大单元，对信号进行放大处理，放大后的信号连接至滤波电路，滤除信号中的各种噪声，剔除噪声信号的干扰；通过处理器对放大滤波后的信号进行傅里叶变换，从时域转换到频域，使用最小二乘法获得频谱回归曲线：

确定回归曲线的参数A和f₀，其中w(f)为信号幅值。参照不同流速、出油量的频谱图进行比对，判断管道内润滑油的实际流速和出油量。

上述公式(1)是采集大量数据进行软件模拟得出且选取与真实值接近的一个公式，公式中的系数是由本领域技术人员根据生产实践的实际情况进行设置。

在一些实施例中，数据处理模块得到的频谱回归曲线，当A＝0.0014，f₀＝9kHz时，该信号经过对比判断得出与20％的供油量是一致的；当A＝0.032，f₀＝9kHz时，该信号经过对比判断和100％供油量是一致吻合的。

作为可选的实施方式，参见图3，所述的信息传输模块包括数据集中器，其用以收集润滑站各个润滑点的状态参数信息，其与物联网网关连接将信号发送至云端，云端将数据传输至本地服务器中保存。

信号传输模块用于将数据处理模块输出的润滑状态参数传输至本地服务器中，并将这些参数保存于本地服务器的数据库中，方便在线监测终端的调取；所述信号传输模块的具体工作过程如下：

数据处理模块将润滑参数信息通过TI-15.4协议进行无线组网，并将各个润滑点的润滑状态参数传输至数据集中器中，物联网网关通过串口接收数据集中器的润滑状态参数，通过MQTT协议或者TCP/IP协议将消息发布至云平台。云平台将数据解析后，本地服务器订阅该消息并保存至本地服务器中的数据库，数据库中的信息会实时更新，保存的时间长短取决于数据的重要程度，对于高端精密的仪器设备的保存时间不能低于设定的时间阈值，当超过时间阈值时，系统会自动释放该数据。

作为可选的实施方式，所述的在线监测终端包括web客户端、手机客户端、平板客户端等电子设备终端。润滑状态在线监测系统分为B/S架构和C/S架构，二者都可以通过电子设备终端登入润滑状态在线系统，通过输入润滑工作站的注册信息，可以查询润滑点的状态参数。系统实时监测各个润滑点的润滑状态，其工作过程具体如下：

若WX>βYZ，表示供油量过大，生成轻度异常信号；

若γYZ<WX<βYZ，表示供油量合适，生成非异常信号；

若WX<γYZ，表示供油量不足，生成危险信号；

考虑到工况的复杂性和传感器的检测误差，实际是和加入了修正因子的阈值进行比较，其中γ和β是误差修正因子，一般γ取值为0.9，β取值为1.1，大小可以根据设备的精密程度进行更改。

本地服务器接收到云端发送的非异常信号、轻度异常信号以及重度异常信号，油气管道润滑油断流或者供油量不足会触发重度异常机制，生成一级报警信号，并将一级报警信号发送至web终端和手机终端显示“危险”字样，短信通知设备维护人员及时检查润滑点，及时排查故障；油气管道中供油量大于设定阈值会触发轻度异常报警机制，生成二级报警信号，并将二级报警信号发送至web终端和手机终端显示“异常”字样；油气管道中状态参数处在设定的数值范围之内，则不会有报警信息，终端显示“正常”字样。

作为可选的实施方式，所述油液调整模块在对供油量进行调整时，会根据在线监测终端提示的信息适时的增加或降低润滑泵的间歇时间；

若在线监测终端提示“危险”字样时，则油气分配器的出油口处在供油量不足或者断流的状态，润滑泵会减少间歇时间，延长供油时间，增大供油量，使轴承的温升变化不显著；

若在线监测终端提示“异常”字样时，则油气分配器的出油口的供油量多于预设的供油量，润滑泵会降低供油时间，减小供油量，防止出现过润滑。

综上所述，本实施例的系统相对于现有技术，具有如下优点及有益效果：

(1)本发明的基于物联网的油气润滑状态在线监测系统通过将高速轴承的润滑状态参数远程传输至控制室终端，终端显示高速轴承的润滑状态，并且给出警示信息，同时所述油液调整模块根据警示信息给出相应的应急方案，能够在设备不停机的前提下，解决设备供油量不足或者断流的问题，使高速电主轴的温度稳定控制在许可极限范围内，避免由于温升过高而引起的机械加工精度不足的情况发生。

(2)所述的数据采集模块可以通过油气末端传感器实现对润滑点的供油量、油液速度、油液通断等润滑状态参数的检测，实时掌握各个润滑点处的情况，且油气末端传感器具有体积小、重量轻、精度高、安装方便、可拆卸等优点。

(3)所述的数据处理模块在对检测得到的模拟信号进行处理时，经过放大和滤波电路，极大的提高了检测的精度，通过傅里叶变换将时域中特征不明显的电压信号转到频域进行分析比对，使用香农采样定理获得频谱回归曲线，与处理器预设的频谱曲线库进行比对和计算，确定流经输油管道的实际供油量、油液速度、油液通断等润滑状态参数；数据处理模块在整个系统中起到至关重要的作用，可靠准确的处理方法为油液调整模块的参数补偿提供依据。

(4)所述的数据传输模块在传输润滑状态参数时采用物联网常用协议MQTT协议，该协议具有实现简单、轻量、占用带宽低和提供数据传输的QoS等特点，能够保证数据传输的准确性和实时性，而且目前市场上大部分的云平台都支持此协议的接入；物联网网关将消息发布至云端，云端作为数据中转站，本地服务器再通过订阅从云平台获得润滑参数并保存至数据库中，各个终端可以共享这一数据库，实现消息的同一性和一致性。

(5)所述的在线监测终端将海量的数据进行处理和汇总，利用现代网络技术将分散的各个润滑站进行联网，以可视化的形式呈现给管理员、维护人员、客户；通过在线监测终端可以查询各个润滑站的故障信息，无需逐个对润滑站进行故障排查，能够对故障源精准定位，减轻维护人员的工作强度；同时对于可能造成巨大安全事故的情况做出预警，以手机短信的形式发送到设备维护人员，减少设备停机次数，提高产品的合格率。

(6)所述的油液调整模块会根据在线监测终端给出的警示信息对当前润滑点的供油量进行补偿，当供油量不足时，原本连续稳固的油膜会破裂，高速电主轴与高速轴承之间形成边界润滑，摩擦导致高速电主轴的温度升高，影响机械加工精度。润滑泵在收到“危险”信号时会延长供油时间，增加供油量，使破裂的油膜重新恢复，形成流体动压润滑；当终端给出“异常”信号时，表示当前的供油量偏多，润滑油在高速运动中剪切力的作用下也会产生大量的热量，润滑泵会根据这一信息减少供油时间，使供油量缓慢减少并维持稳定数值。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种基于物联网的油气润滑状态在线监测系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的油气润滑状态在线监测系统，其特征在于，所述对接收到的电信号进行处理，包括：

对电信号进行放大处理，对放大后的电信号进行滤波处理；

对经过滤波处理的电信号进行傅里叶变换，从时域转换到频域；

使用最小二乘法获得频谱回归曲线：

确定回归曲线的参数A和f₀，其中w(f)为信号幅值；

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的油气润滑状态在线监测系统，其特征在于，所述信号传输模块的工作过程如下：

所述数据处理模块通过TI-15.4协议进行无线组网，并将各个润滑点的润滑状态参数传输至数据集中器中；

物联网网关通过串口接收数据集中器的润滑状态参数，并通过MQTT协议或者TCP/IP协议将消息发布至云平台；

4.根据权利要求3所述的一种基于物联网的油气润滑状态在线监测系统，其特征在于，所述油气润滑状态在线监测系统包括B/S架构和C/S架构两种架构，两种架构均可通过电子设备终端登入油气润滑状态在线监测系统；

所述油气润滑状态在线监测系统实时监测各个润滑点的润滑状态，工作过程具体如下：本地服务器接收到云平台发送的多个润滑点的状态参数WX，通过与预设的阈值YZ进行比较：

若WX>βYZ，表示供油量过大，生成异常信号；

若γYZ<WX<βYZ，表示供油量合适，生成非异常信号；

若WX<γYZ，表示供油量不足，生成危险信号；

其中γ和β是误差修正因子。

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的油气润滑状态在线监测系统，其特征在于，所述油液调整模块具体通过以下方式调整供油参数：

6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的油气润滑状态在线监测系统，其特征在于，所述数据采集模块的工作原理如下：

7.根据权利要求1所述的一种基于物联网的油气润滑状态在线监测系统，其特征在于，所述在线监测终端包括web客户端、手机客户端以及平板客户端。