基于物联网的设备状态在线监测系统介绍 锐敏科技公司.doc

基于物联网的设备状态在线监测系统1. 项目意义和必要性1.1 背景 随着现代科学技术的迅速发展，机械设备日益向大型化、复杂化、高速化、重载化、连续化、综合化、高级化、高生产率等高度自动化的方向发展，造成机械设备日益复杂，零件数目显著增加，零、部件之间的联系更加紧密。现代的机械设备越来越体现了机械、电子电气、液压传动、光学、气压传动等多学科门类技术的集成，设备也向着高功率、高可靠性、大型化、微型化、可测试性、不可接近性或不需接近性的趋势发展，随之而来的就是设备安全性问题，这就迫切需要对其状态进行监测。一旦某一部分发生故障，往往会引起整台设备的瘫痪，造成巨大的经济损失和人员伤亡事故的发生。1986 年的“切尔诺贝利”核电站事故和“挑战者”号航天飞机的失事以及我国在航天领域中的失事等使人们更进一步认识到在大型复杂系统中引入容错技术和故障监测和诊断技术的重要性。随之，现代机械设备正常状态所花的维修费用和停机损失，在成本中所占的比例越来越大，设备故障或事故引起的损失不断增加，设备维修业务的重要性日益成为一个突出的问题。人们对机械设备的可靠性、可用性、可维修性、经济性与安全性提出了越来越高的要求；而且现代工业生产中的设备系统比以往更注重其效率和能耗，且环保的要求越来越高。因此，怎样在设备运行中或基本不拆卸的情况下，借助或依靠先进的传感器技术和动态测试技术以及计算机信号处理技术，掌握设备的运行状态，分析设备中异常的部位及其原因，并有效预测设备状态的未来趋势，是亟待解决的问题。 机械设备状态监测与故障诊断技术是现代设备管理及设备维修的新技术。对设备的管理包括故障后维修、预防性维修（定期维修）和预知性维修视情维修。故障后维修是设备一直用到失效才去修理，它具有非计划性、备件库存量大、不能有效安排人力和物力等缺点。预防性维修定期维修是以时间作为维修期限，计划性较强，组织管理工作较简单，但容易出现该修理时未及时修理，使设备严重失效；不必要的修理会造成人力物力的浪费和设备运转寿命的缩短。实践证明随机监测和预知性维修视情维修比故障后维修和定期维修制度更科学、更有效。它不仅能保障机械设备正常运转降低设备的故障发生率而且能提高设备的可靠性和利用率降低设备的维修费用。 润滑油是机械设备的“血液”，它在机械设备中起着密封、润滑、减磨、冷却、清洗、减振和防腐等重要作用。润滑油在工作中受高温、高剪切作用，同时由于空气中氧气、氮气的存在，也会发生氧化、硝化、硫化反应以及抗氧剂、抗磨剂的降解，因此它本身也 。 “藏污纳垢” 这些污染物包括有:零部件的磨损颗粒、腐蚀产物，还有润滑油和添加剂经一系列物理、化学变化而形成的胶质、沥青、油泥及燃烧产物等。各种污染物在一定程度上无一不与机械设备及润滑油的使用状态相关联，在用润滑油中蕴藏着非常丰富的来自机器的运动副表面的摩擦学状态的信息。对其理化性能指标及所携带的磨损产物的分析，可有效地评价在用润滑油的综合性能和判断机械的磨损状态。在油液分析技术中，润滑油性能测试项目主要有在用润滑油的粘度、酸度、水份、固体颗粒总含量等。 油液监测技术是一种有效的工况监测和故障诊断的方法，它通过采集设备的润滑油或工作介质的样品，利用光、电、磁学等手段，分析被监测设备的在用润滑油（或工作介质的理化性能指标变化和携带的磨损微粒的情况，获得机器的润滑和磨损状态的信息，评价机器的工况和预测故障，并确定故障原因、类型和零件的技术。油液监测技术适用于低速重载、环境恶劣如噪音大、振动源多、外界干扰明显、往复运动和采用液体或半液体润滑剂且以磨损为主要失效形式的设备监测。 采用油液监测技术对机器设备进行监控，可具有以下优点： （1）监控润滑油品的质量、污染程度和使用寿命，改善设备润滑条件； （2）通过磨粒分析，根据分析结果，掌握设备磨损状态，预报故障，提高设备管理水平，改善设备运转状况，提高运转效率减少非计划停车，保证安全生产； （3）以油液监测结果指导设备的维修工作，改变目前的定期维修状态，做到预知维修，必将大大减少维修费用，从而提高企业的经济效益。 在润滑油监测行业里面，润滑油的在线监测设备是物联网的组成部分。润滑油在线监测设备把所有的监测的设备或者是某个行业的设备都互联起来：内燃机火车机车、电力火车机车、风力发电机、电力发电机、大型的变压器、船舶发动机、工程机械、火力发电机和液压设备等等。整个物联网以互联网为基础，搭载高性能的 ARM 处理器，内置高灵敏度的 GPS 模块，拥有大容量的存储器，采用具有世界先进水平的传感器检测润滑油，通过无线网络按照一定的协议进行数据传输，使用户方便直观的监测设备的运行状态。1.2 国内外现状1.2.1 国外油液监测技术的发展情况 1941 年，美国铁路行业的 Denver Rio Grande 和 Westen Railroad 公司首次采用光谱分析方法，检测在用内燃机车润滑油中的磨粒元素种类和含量。二十世纪 70 年代初，随着铁谱技术的问世，油液监测技术在美、徳、日等发达国家得到飞速发展。80 年代，经过学术界和工业界共同努力和积极探索，油液监测技术已成为设备诊断技术体系中的主要方法之一。90 年代，气相色谱和质谱仪也被用于润滑油的组分变化测定，油液检测技术朝着多种方法集成、在线与离线并举，检测方法与仪器智能化的方向发展。进入二十一世纪，随着油液的污染度分析技术的日趋成熟和完善，其在设备状态监测与故障诊断中的重要性也越来越为人们所关注，与之相配套的仪器成本低，功能齐全，性能稳定，己成为一般企业的首选方法。 西方国家已将油液污染度监测应用于旋转机械、往复机械、机加工设备、电力设备和工程机械状态监测等方面。此外，国外目前还研制生产了适合现场使用的各种便携式的在线快速油液污染度检测仪，如美国 CSI 公司的 O1lview 系列油液监测仪，PARK 公司的 PLC-2000 型便携式激光颗粒计数仪以及 PALL 公司的PFC200、英国 UCC 公司 CM20.9021 等。这些油液污染度检测仪方法、原理简单，代表着未来实用油液快速污染检测仪的发展方向。随着科学的进步和发展，用于设备监测与故障诊断的新仪器不断研制成功，使得油液污染监测这门较新的应用技术也得以不断地完善与发展。1.2.2 国内油液监测技术的发展情况 我国从 80 年代初在各个工业部门逐步推行油液污染控制技术和管理措施，在机械、煤炭、航空和船舶等工业部门相继开展了油液污染控制方面的应用研究，并取得了一定的成效。1986 年 10 月在广州召开了第一届全国铁谱技术学术交流会，在那之后，我国的油液监测技术的应用有了一定的发展。为适应与国际接轨的需要，在第五届全国铁谱技术会议上，将铁谱技术委员会更名为油液监测委员会，2002 年 11 月在上海召开了第六届全国油液监测技术会议。六届会议均有论文集出版，显示了我国在这一领域里取得的大量科研成果及该项技术工业应用的广泛性。我国油液监测技术的发展最初集中在铁谱分析技术的应用研究上，从80 年代初到 90 年代初是快速发展期。到 1985 年，我国铁谱仪，包括国内产品，已近 100 台，仪器总值为 300500 万元。近几年我国油液分析和监测设备的研究和研制有了长足的发展，例如 PCC 型便携式油液污染度检测仪，THY18F 型油液检测仪，西安交通大学研制的 OLF-4 型四通道在线铁谱仪等。但目前我国的油液污染控制技术和管理水平与国外主要发达国家相比还有相当大的差距，设备的油液污染度一般比国外高 3-4 倍，从而使得设备故障率高，元件寿命短，严重影响设备效能的充分发挥。由此可见，我国油液污染控制方面的研究仍是一个薄弱环节，亟待加强和完善。 值得指出的是，目前国内在油液监测方面存在一些认识及实践的误区： （1）将油液监测简单地等同于油品质量常规检测； （2）以铁谱或光、铁谱联用等较单一的手段取代油液状态监测系统的丰富 内涵； （3）仅限于对用油量大的设备采用油液监测手段； （4）对监测数据的完整性和准确性重视不够，片面强调趋势分析和异常磨损分析，忽略常规分析和油质分析。 实际上，油液监测并不是多种检测方法的简单组合。它是一门涉及到摩擦学领域内多学科的综合应用技术，是包括设备当前润滑与磨损状态二方面所构成的一个完整的监测系统。其核心在于：根据监测对象的结构特征与监测目标，恰当的选用不同的监测方法，以最经济的方式达到最佳的监测效果，使用户获取到最大的经济效益。1.3 技术发展趋势 进入二十一世纪，随着油液监测技术的不断发展油液监测从油品理化指标常规检测及铁谱检测，发展到理化分析、污染度测试、红外光谱分析、发射光分析、铁谱分析五个方面多种监测技术的联合使用。检查设备向着小型化、智化方向发展，检测方式由离线向着在线方向发展。 （1）便携式设备的研制 近年来，国内外开发了便携式油液监测设备以润滑油理化分析为主的代表品有:润滑油污染指数检测仪、数显粘度计和润滑油分析工具箱。在磨粒分析方研制了 YTC-1 油液含铁量检测仪、 56 型磨损微粒分析仪、 DCA 油液监测器、Oilview5100 油品分析仪和便携式铁磨粒测定仪等 这些仪器可适用于现场条件具有简便和快速的特点。 （2）计算机在信息处理方面的应用 随着计算机 技术的发 展 利用这 一工具积极开发应 用于油液监测 中的数据库、数据处理程序、辅助诊断系统和综合各项油液监测技术的智能化故障诊断专家系统是油液监测技术追求的目标。智能化诊断专家系统要在知识获取和表达方面、推理机制方面和控制决策方面比传统的专家系统更合理、更优异以便解决先前的知识获取“瓶颈”和知识难于维护的缺?恪壳拔夜礁痔殴尽浜航煌萍即笱靼步煌笱捅本肪挚蒲兴献骺鸵悍治稣锒先砑庖幌钅渴侵泄璞腹芾硇嶂鞒值娜砑炭獾囊徊糠终庖蝗砑婕暗接鸵赫锒夏阶涌馐涤贸绦蜃涌夂驼锒现缎畔涌馑梢怨芾砦淖帧怠枷竦榷嘀质菔瞧裎构谕夤芙掀肴挠鸵杭嗖庹锒系母低场?（3）在线监测仪器的开发 进入 21 世纪，油液在线监测技术发展迅猛，它很好克服了传统的实验室离线分析方法成本高，操作复杂，测量样本点有限的不足，成为新一代油液监测技术发展的主要方向。在线监测仪众多其中比较有代表性的仪器和方法是:流体工况监测仪FCM、定量磨粒监测仪QDM、金属微粒检测仪MPD、在线铁谱仪、超声波磨粒监测方法、利用光学磨粒传感器的实时油液 监 测系统和 磨粒图像 在线识别 系统等 这些仪器和方 法有的已经投入使用有的尚处于研发阶段。 基于物联网的设备状态在线监测系统，把所有的需要润滑油检测的设备统一连接到一个整体的网络中，每一个网络中的设备 有可被识别的唯一编号，对润滑油的状态进行实时检测，实时检测油质的各项参数，存储数据和发送数据，实时监测设备的状态。未来的物联网中将会有数以万计的设备在实时工作，监测使用润滑油的设备的运行状态。1.4 必要性 随着现代科学技术的进步和生产的发展，推动着机械设备和生产系统日益向大型化、连续化、高速化、高效化、精密化和自动化的方向发展，这些发展主要有四个基本特点：其一是设备与系统的功能增多，各工作单元间的关系日趋复杂，导致影响设备安全和工作性能的因素越来越多；其二是设备与系统的结构越来越复杂，规模越来越大，设备的造价越来越高；其三是现代设备日益向系统极限效率与速度方向发展，安全隐患增多，机械故障连锁影响造成的损失十分惊人；其四是现代设备与生产系统在国民经济的发展和社会物质财富的生产中扮演着越来越重要的角色，其影响面越来越大。这些进展一方面的确满足了提高生产效率，降低生产成本，节约能源等现代大工业发展的客观要求，取得了巨大的社会效益和经济效益；但另一方面对大型机械的设计制造、安装使用、维修和安全、可靠运行提出了更高的要求，设备和系统一旦发生故障就会影响到整个生产系统安全稳定的运行，轻则降低系统的生产效率，重则系统停机生产，停顿造成重大经济损失甚至出现设备毁坏，危及生命财产安全的恶性事故造成灾难性后果。据国内石化行业统计，1976 至 1985 的十年间化肥五大机组由于事故停车造成的直接经济损失达四亿五千多万元，1985 年大同电厂、1988 年秦岭电厂、1999 年阜新电厂各有一台 200MW 机组发生毁机事故，损失均在亿元以上，严重影响地区电网的供电，1998 年铁道部隧道局的一台 TBM 掘进机仅齿轮箱故障造成的直接损失达 2 千万元，还延误了工期。在国外这种事故也屡见不鲜象：1971 年美国的三里岛 300MW 机组损毁，1972 年日本关西电力公司海南电站 3 号机断轴，1973年西德 600MW 机组联轴器变形等重大事故都造成了巨大的经济损失。 油液分析在机械设备使用维护阶段的重要性已无需再说，这儿强调的是在机械设备的开发阶段的摩擦学设计及生产阶段的重要性。在开发阶段，对生产的样机进行试验，要掌握整个过程的传动系统尤其各关键摩擦副的磨擦磨损情况，以进行反馈设计。同时，对所用油液的理化性能、使用性能在整个过程的变化以及对与磨损的互动影响需要通过油液监测密切跟踪。在生产阶段，对生产质量的控制和保持质量的长期稳定性是提高产品竞争力的关键之一。同一型号的产品很有必要进行包括油液分析的状态监测和故障预报，制定出科学合理的使用维护手册，包括常规的磨合期、故障预报的准则、规范取样以及换油周期等。 图 1-1 新日铁 Kimitsu 钢厂 20 年间设备可靠性的改进过程 例如，在油液分析实践里，仅仅污染控制这一项，日本新日铁钢厂在6-7 年间就取得了这些巨大的成果： 全厂轴承采购下降了 50 液压泵更换下降了 80 润滑油消耗量下降了 83 各种泵的大修下降了 90 与润滑有关的失效下降了 90 图 1-1 全面展示了新日铁于 1976-1996 年期间，在设备可靠性方面所取得的成绩。用了 20 年的时间，新日铁将设备失效率（包括润滑、机械、电气和结构等失效，任何一个导致设备停机超过某一时间如 30 分钟的停机事件即一次失效），从 365 个/月降到了 12 个/月，其中与润滑有关的失效占 75左右！图 1-2 揭示了实行状态基的污染控制后液压油的消耗。这样，在成本上将有很大的降低而在产量上会有很大的提升！ 图 1-2 污染控制与液压油的消耗 基于物联网的设备状态在线监测系统的使用解决了目前存在的很多问题。 使用润滑油的设备统一连接到了一个整体的物联网中； 用户可以清晰而方便的监测使用润滑油设备的工作状态； 用户无需按照以前的模式定期进行检测油质的使用状况； 用户无需盲目的进行周期性的更换润滑油； 可以杜绝因为润滑不当而造成的设备停机。1.5 意义 （1）本项目研制的多要素传感器将同时采集润滑油的多种要素的变化，多要素的综合处理结果作为油液劣化监测指标。目前国内还没有同时监测油液多要素的传感器，因此本项目是对该理论的完善和丰富。 （2）由于本项目研制的传感器体积小、结构简单、成本低，对小型传感器在油液监测中的应用是一个有益的探索，它能适应非常多的应用场合。 （3）本项目研制的传感器和检测系统可以实现在线动态监测，具备如下优点： 通过油液在线监测，掌握合理的换油时机，变 “按期换油”方式为“按质换油”，为工厂节省人力、财力、物力。实验证明，采用油液污染度监测可使油液的换油周期延长，从而节省润滑油的消耗，起到节能环保的作用。 通过油液在线监测，可及时了解在用油液的污染状况，分析油液污染的原因，对设备的工作状态做出初步判断，做到预知维修和主动维修，从而可以延长机器使用寿命和故障时间间隔，提高运行可靠性及降低维修费用。 通过检测数据的分析和积累，逐步建立趋势分析，提高分析结果的效能和判断的准确率，为新的润滑油更换的标准的制定打下基础。 （4） 基于物联网的设备状态在线监测系统可以实时的检测出油质的使用情况，使用基于物联网的设备状态在线监测系统的具有特殊的意义： 可通过 Internet 网络可以直接获取物联网中运行的设备状态数据； 通过 GPS 得到移动目标的位置信息； 能实时连续的看到反映油质的各个参数； 可以实时观测到油质的变化趋势； 通过参数的自学习功能，系统能给出更换润滑油的具体时间点； 依据本系统能建立一套新的润滑油的更换标准。2. 项目产品市场与竞争分析2.1 产品市场概况2.1.1 润滑技术与节能 高效合理的润滑技术是保证和改进机械设备节能、高效、长期正常运转的基本措施，是机械运转的命脉，是为国民经济发展和人民生活福利服务的应用科学。因而先进的润滑技术和高性能的润滑剂的开发和应用是保证人民生活和工作及各行各业机械的节能、高效正常运转的前提。没有高效合理的润滑技术就没有先进的机械运转，也就不可能有先进的生产和经济的繁荣，因此各工业国都十分重视先进合理的润滑技术的研究开发和推广应用。据日本有关摩擦经济文章指出， 1970 年日本因改善润滑技术而年增长经济效益 2 万亿日元，名古屋钢厂仅改善润滑技术一项，就实现年增长经济效益达 20 亿日元，同时机械设备事故减少了百分之九十。 目前，全世界机械能源有效利用率平均只有 30左右，能源总耗量的5060消耗到机械设备摩擦上。据德国沃格甫尔教授测算，全世界生产能源的 1/3 到 1/2 损失在摩擦损耗上，而英国焦斯特教授指出世界消耗能源的 3040消耗在摩擦损耗上。当然摩擦磨损一部分是不可避免的，但随着摩擦润滑科学技术的进步和润滑管理水平的提高，其中一部分是可以省下来的。日本通过规定节能润滑设计和操作，以及采用节能型润滑油脂等措施，使机械磨损大大降低，节省动力 1020，单是采用节能润滑油脂一项，内燃机能节省燃油可达 5 10，节能型机械油、液压油可省 电7。2.1.2 液压油监测市场 近几十年来，液压传动在航空、机械制造、石油化工、矿山机械、交通运输、造船以及地震预测等技术领域中得到了广泛的应用。随着液压设备的使用数量和种类的增多，出现故障和维修的工作量也愈来愈大。如何减少液压设备的故障率，提高其寿命和可靠性，是科研人员和工程技术人员面临的一个重大课题。多年的实践表明，液压设备的故障率 75以上是由液压油污染造成的。随着液压技术在各个工业部门的广泛应用，对液压设备的工作可靠性提出了更高的要求。因此，必须对液压系统的污染状况进行检测，进行污染控制。 油液中的各种固体颗粒污染物既是引起机械设备磨损失效的原因，同时也是设备发生