液壓系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究與實(shí)現(xiàn)①

郭 媛 吳 凜 鄧江洪

(1：武鋼大學(xué)信息工程學(xué)院 湖北武漢480081； 2：武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院 湖北武漢430081)

液壓系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究與實(shí)現(xiàn)①

郭 媛②1吳 凜2鄧江洪2

(1：武鋼大學(xué)信息工程學(xué)院 湖北武漢480081； 2：武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院 湖北武漢430081)

論述了液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目的、內(nèi)容以及基本要求，介紹了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型，采用PLC、上位監(jiān)測(cè)機(jī)等研發(fā)檢測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中取得了良好效果。該技術(shù)值得推廣應(yīng)用。

液壓系統(tǒng) 在線狀態(tài)監(jiān)測(cè) 結(jié)構(gòu)模型 液位監(jiān)測(cè)儀

1 前言

液壓系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的工作狀態(tài)，對(duì)工作機(jī)構(gòu)工況影響很大，所以，過(guò)程監(jiān)測(cè)十分重要。

1)在線監(jiān)測(cè)目的

(1)實(shí)時(shí)地、真實(shí)地反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，保證系統(tǒng)正常工作，防止意外事故發(fā)生。

(2)對(duì)系統(tǒng)中主要元件如電機(jī)、液壓泵、換向閥、壓力閥、伺服元件及過(guò)濾裝置和液位等的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)潛在故障進(jìn)行預(yù)報(bào)，防止元件突然失效導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

(3)預(yù)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)變化趨勢(shì)，對(duì)未來(lái)的運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)報(bào)，對(duì)將要發(fā)生的故障進(jìn)行報(bào)警并且給出故障處理方法及措施。

2)監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)

為達(dá)到以上目的，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象一般是液壓系統(tǒng)的主要工作參數(shù)，具體情況如下：

(1)壓力。系統(tǒng)壓力綜合反映了系統(tǒng)及系統(tǒng)內(nèi)元件的工作狀態(tài)，通過(guò)對(duì)液壓泵進(jìn)出油口、重要管道內(nèi)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)出油口的壓力(或壓力差)的監(jiān)測(cè)，可以對(duì)系統(tǒng)失壓、壓力不可調(diào)、壓力波動(dòng)與不穩(wěn)等與壓力相關(guān)的故障進(jìn)行監(jiān)視。

(2)流量。系統(tǒng)流量的變化可以反映系統(tǒng)容積效率的變化，而容積效率的變化又反映了系統(tǒng)內(nèi)元件的磨損與泄漏情況。通過(guò)監(jiān)測(cè)重要元件流量變化狀況達(dá)到對(duì)系統(tǒng)及元件的容積效率及元件磨損狀況監(jiān)視的目的。

(3)溫度。設(shè)計(jì)好的液壓系統(tǒng)其工作溫度變化范圍是有限制的，系統(tǒng)溫度的異常升高往往意味著系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)故障。通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)與溫度變化有密切聯(lián)系的粘度的監(jiān)視。

(4)油箱液位。油箱液位是液壓系統(tǒng)工作前條件之一，當(dāng)液位過(guò)高，會(huì)造成油液溢出，污染環(huán)境；當(dāng)液位過(guò)低，會(huì)使液壓泵吸空，損壞液壓泵及有關(guān)元件，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)外泄漏情況。所以，油箱液位監(jiān)測(cè)十分重要。

(5)泄漏量。泄漏量的大小直接反映了元件的磨損情況及密封性能的好壞，一般說(shuō)來(lái)對(duì)于液壓泵和液壓馬達(dá)的泄漏量的監(jiān)測(cè)比較容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)于其他元件泄漏量的監(jiān)測(cè)則不太容易實(shí)現(xiàn)。

總之，除了通過(guò)監(jiān)測(cè)以上工作參數(shù)達(dá)到對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視的目的外，還可以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的振動(dòng)、噪聲、油液污染程度、伺服元件的工作電流與顫振信號(hào)、電磁閥的通電狀況等，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)視。

3)監(jiān)測(cè)的基本要求

液壓系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象：對(duì)生產(chǎn)影響最大的關(guān)鍵元件和回路，如對(duì)系統(tǒng)的可靠性影響最大的薄弱環(huán)節(jié)、負(fù)荷繁重且不可缺少的部位、數(shù)據(jù)表明壽命最短的零部件等。液壓系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本要求是：

(1)先進(jìn)性。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中應(yīng)采用具有國(guó)際領(lǐng)先水平的技術(shù)，主要包括：采用先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、OPC Server網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的布線技術(shù)、先進(jìn)的Internet/Intranet技術(shù)等，把各種先進(jìn)技術(shù)融合在整個(gè)系統(tǒng)中。

(2)實(shí)用性。首先是系統(tǒng)具有實(shí)用的功能，其次是系統(tǒng)硬件配置和軟件設(shè)計(jì)應(yīng)從使用者的角度出發(fā)，盡可能方便、實(shí)用。做到用戶界面友好、操作方便。

(3)有效性。應(yīng)保證分析、診斷結(jié)果的有效性，在被監(jiān)測(cè)的設(shè)備出現(xiàn)故障前能起到預(yù)防作用，而當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)給出正確的判斷。

(4)可靠性。在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要目的是保障生產(chǎn)機(jī)械的工作可靠性，因此其本身應(yīng)具有更高的可靠性。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用層次式分布結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)故障分散，保證高可靠性，即在任何一個(gè)單元發(fā)生故障情況下，不影響診斷系統(tǒng)其他部分的運(yùn)行。并考慮生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境惡劣，采用高抗干擾性的措施。

(5)安全性。應(yīng)采用完備的模擬量、數(shù)字量隔離(如三端隔離)技術(shù)，正確的信號(hào)接地措施，以及系統(tǒng)的冗余性，確保整個(gè)系統(tǒng)的電氣安全性；在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上采用防計(jì)算機(jī)病毒系統(tǒng)；在系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理方面考慮整個(gè)系統(tǒng)備份的完備性。

(6)可擴(kuò)展性。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有可擴(kuò)展和自我開(kāi)發(fā)性能，能適應(yīng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和軟件的升級(jí)換代。系統(tǒng)必須提供與其他系統(tǒng)互聯(lián)的良好接口。

(7)經(jīng)濟(jì)性。在保證滿足監(jiān)測(cè)與診斷要求的前提下，應(yīng)盡可能地節(jié)省投資[1]。

2 在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能由于應(yīng)用場(chǎng)合和服務(wù)對(duì)象的不同、采用技術(shù)的復(fù)雜程度不同而呈現(xiàn)出一定的差異，主要由以下部分組成：

1)數(shù)據(jù)采集部分。它包括各種傳感器、比例/伺服放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、以及存儲(chǔ)器等。其主要任務(wù)是信號(hào)采集、預(yù)處理及數(shù)據(jù)檢驗(yàn)。其中信號(hào)預(yù)處理包括電平變換、放大、濾波、疵點(diǎn)剔除和零均值化處理等，而數(shù)據(jù)檢驗(yàn)一般包括平穩(wěn)性檢驗(yàn)以及正態(tài)性檢驗(yàn)等。

2)監(jiān)測(cè)與分析部分。狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要是借助各種信號(hào)處理方法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，并對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判別和分類，在超限分析、統(tǒng)計(jì)分析、時(shí)序分析、趨勢(shì)分析、譜分析、軸心軌跡分析、以及啟停機(jī)情況分析等的基礎(chǔ)上，給出工作狀態(tài)結(jié)論。

3)結(jié)果輸出與報(bào)警部分。這部分的作用是將監(jiān)測(cè)、分析和診斷所得的結(jié)果和圖形通過(guò)屏幕顯示、打印等方式輸出。當(dāng)監(jiān)測(cè)特征值超過(guò)報(bào)警值后，可通過(guò)特定的色彩、燈光或聲音等進(jìn)行報(bào)警，有時(shí)還可進(jìn)行停機(jī)連鎖控制。

4)數(shù)據(jù)傳輸與通信部分。簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般利用內(nèi)部總線或通用接口(如RS232接口、GPIB接口)來(lái)實(shí)現(xiàn)部件之間或設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳遞和信息交換，對(duì)于復(fù)雜的多機(jī)系統(tǒng)或分布式集散系統(tǒng)往往需要從用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞與交換。有時(shí)還需要借助于調(diào)制解調(diào)器(MODEM)及光纖通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。

在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)被測(cè)物理量(信號(hào))進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并由調(diào)理、變換、傳輸、處理、顯示、記錄等多個(gè)環(huán)節(jié)組成的完整的系統(tǒng)。目前液壓系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要分為兩種形式，一種是基于數(shù)據(jù)采集卡和高級(jí)語(yǔ)言所開(kāi)發(fā)的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；另一種是基于PLC和組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3 液壓系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)施

3.1 監(jiān)測(cè)原理

液壓系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)形式是以各類傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的各種參數(shù)，然后以各種物理量信號(hào)的形式傳輸給A/D數(shù)據(jù)采集卡，A/D數(shù)據(jù)采集卡是直接安裝在工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)主板上的擴(kuò)展插槽內(nèi)的，能直接將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，并最終 作界面上將各種結(jié)果顯示出來(lái)，其具體原理如圖1所示。圖中實(shí)線部分為煉鋼結(jié)晶器激振液壓系統(tǒng)生產(chǎn)控制部分，虛線表示為其液壓系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)部分。

圖1 液壓系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)原理

圖2 基于網(wǎng)絡(luò)與PLC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型

3.2 基于網(wǎng)絡(luò)與PLC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型

1)從當(dāng)前及今后的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該優(yōu)先采用基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)、在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)模式。圖2所示為一種基于PLC網(wǎng)絡(luò)的液壓監(jiān)控系統(tǒng)模型。該模型是一種分級(jí)的層次化結(jié)構(gòu)形式，從下到上依次為設(shè)備層、車間級(jí)監(jiān)控層、廠級(jí)監(jiān)視診斷層與遠(yuǎn)程監(jiān)視診斷中心層等。

2)系統(tǒng)操作人員通過(guò)HMI(人機(jī)交互界面)發(fā)出的操作指令經(jīng)由車間以太網(wǎng)送到PLC主站，再經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)PLC分站的AO、DO模塊與設(shè)備總線對(duì)液壓系統(tǒng)中相關(guān)元件進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制；同時(shí)液壓系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)經(jīng)過(guò)設(shè)備總線與現(xiàn)場(chǎng)PLC分站的AI、DI模塊送到PLC主站，再經(jīng)過(guò)車間以太網(wǎng)送到監(jiān)視站。工程技術(shù)人員可以通過(guò)工程師站對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、參數(shù)進(jìn)行設(shè)定、修改和維護(hù)。設(shè)在車間級(jí)的WWW服務(wù)器還可以將液壓系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)經(jīng)過(guò)廠局域網(wǎng)送到廠信息中心，供廠級(jí)監(jiān)視診斷中心和遠(yuǎn)程監(jiān)視診斷中心使用。

3)此模型具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：

(1)將監(jiān)測(cè)、診斷與控制功能統(tǒng)一由一個(gè)系統(tǒng)完成；

(2)系統(tǒng)構(gòu)成上實(shí)現(xiàn)了分布式，模塊化與層次化，既易于實(shí)現(xiàn)又便于維護(hù)，同時(shí)為今后系統(tǒng)升級(jí)提供了方便；

(3)從網(wǎng)絡(luò)觀點(diǎn)看整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際上構(gòu)成一個(gè)監(jiān)控診斷局域網(wǎng)，為最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線及遠(yuǎn)程監(jiān)控奠定了基礎(chǔ)。

4)監(jiān)控系統(tǒng)主要由PLC、上位監(jiān)視主機(jī)、工程師站、操作員HMI和音視頻系統(tǒng)等組成，具有自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)試兩種工作方式。該監(jiān)控系統(tǒng)可以通過(guò)PLC按工況要求對(duì)系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)，同時(shí)對(duì)液壓系統(tǒng)中泵的出口壓力、液壓缸工作壓力、蓄能器壓力、過(guò)濾器進(jìn)出口壓差、油箱內(nèi)液位、油液溫度及電磁閥的電磁鐵通電狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了多種安全聯(lián)鎖保護(hù)和故障報(bào)警、解除與自動(dòng)恢復(fù)措施，能最大限度地提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性。

5)另外系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)被監(jiān)測(cè)對(duì)象歷史運(yùn)行曲線顯示、趨勢(shì)預(yù)報(bào)、故障分析與定位、報(bào)表打印與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳等功能。系統(tǒng)工作參數(shù)的實(shí)時(shí)在線綜合監(jiān)測(cè)與控制，對(duì)于保障系統(tǒng)正常工作，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性，讓操作者及時(shí)了解系統(tǒng)的工作狀況，以及對(duì)液壓系統(tǒng)故障的早期預(yù)防和診斷等均有重要意義[2]。

3.3 監(jiān)測(cè)界面

現(xiàn)以連鑄機(jī)結(jié)晶器液壓系統(tǒng)在線狀態(tài)檢測(cè)中報(bào)警系統(tǒng)界面為例，正常工作時(shí)報(bào)警畫面如圖3所示[3]。

其中當(dāng)油箱液壓油液位發(fā)生變化時(shí)報(bào)警情況如下[3]：

圖3 報(bào)警系統(tǒng)界面

4 結(jié)論

現(xiàn)代冶金設(shè)備中，液壓傳動(dòng)及控制系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛，其工作狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)極為重要，以便保證設(shè)備能正常運(yùn)行。根據(jù)研究和實(shí)踐，得到初步結(jié)論：

1)根據(jù)液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行要求，確定應(yīng)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容，如壓力、流量、油溫、油箱液位等，并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的重要性作了分析。

2)提出了對(duì)液壓系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)的基本要求，即先進(jìn)性、實(shí)用性、有效性、可靠性等。如采用OPC Server網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集技術(shù)和Internet/Intranet技術(shù)等，能及時(shí)傳輸設(shè)備實(shí)時(shí)工況，以便操作和處理。

3)在液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要組成的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出檢測(cè)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①監(jiān)測(cè)、診斷與控制功能統(tǒng)一到一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)；②系統(tǒng)構(gòu)成上實(shí)現(xiàn)了分布式，為擴(kuò)充、升級(jí)提供了方便；③開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)為實(shí)時(shí)、在線及遠(yuǎn)程監(jiān)控奠定基礎(chǔ)；④監(jiān)控系統(tǒng)主要由PLC、上位機(jī)、工程師站、音視頻等組成，方便操作和調(diào)整。

所研發(fā)的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已在連鑄機(jī)結(jié)晶器振動(dòng)液壓系統(tǒng)、大型步進(jìn)式加熱爐液壓系統(tǒng)和滾筒混勻取料機(jī)液壓系統(tǒng)中應(yīng)用，取得了良好效果。該研究成果可推廣到機(jī)床液壓系統(tǒng)、高爐和煉鋼設(shè)備的液壓系統(tǒng)中。

[1]湛從昌，付連東，陳新元．液壓可靠性與故障診斷[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2009．

[2]王明武.基于力控組態(tài)軟件的閥門性能測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)[J].液壓與氣動(dòng)，2012(12)：123-125.

[3]陳新元等.結(jié)晶器液壓伺服系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷[J].液壓與氣動(dòng)，2006(5).

[4]Christophe Lurette, Stephane Lecoeuche. Spervised and auto-adaptive neural architecture for on-line monitoring. Application to a hydraulic process[J]. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2003(16):441-451.

Research and Implementation of the Development of On-line State Monitoring System in Hydraulic System

Guo Yuan Wu Lin Deng Jianghong

(1：School of Information Engineering, Wugang University, Wuhan 480081;
2：School of Machinery and Automation, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081)

This paper describes the objective, content and basic requirements of state monitoring system about hydraulic system, introduces structure principle and model of monitoring system. Detection system is studied by using PLC and upper-seat monitoring and so on. It also mainly introduces liquid level detector, which achieves good results. This technology can be applied and promoted.

Hydraulic system On-line state monitoring Structure model Liquid level detector

郭媛，女，1973年出生，2002年畢業(yè)于武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)，工學(xué)碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)電一體化與計(jì)算機(jī)應(yīng)用的教學(xué)和研究工作

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51175386)(2011)

TF307

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.06.003

2014-08-19)