风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置、监控方法及系统

技术领域

本发明属于风电机组状态监测及智能控制技术领域，涉及一种风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置、监控方法及系统。

背景技术

风电机组中，齿轮箱是影响整个机组运维寿命和安全性的重要一环。风电机组经常架设在自然环境恶劣的地点，而且风力作用具有各种不可控性，使得风电机组常常处于受力部位和大小不均匀的状态，还有暴风雨、暴风雪、强台风等极端天气以及昼夜温差较大等因素影响，导致齿轮箱故障多发，但设备安装和检修工作较难开展，相应成本亦很高。如若齿轮箱发生故障，将影响到整个风电机组系统，造成经济性和安全性等方面的重大损失。

通过对润滑油品质的实时分析可以确定故障组件或预示潜在的有害事故。但是传统的润滑油定期取样离线检测存在一定局限性：实时性差、累计数据量小、取样要求高；尤其是海上风电机组设备中的润滑油取样需消耗大量人力物力。采用润滑油在线实时监测技术，可以实时监测润滑油的性能变化趋势及其中裹挟的磨粒的情况，从中得到机器的润滑现状和磨损程度的相关信息，对系统以及设备的异常情况甚至可能发生的故障做出及时的预测和诊断，从而减少设备停机检查的时间，提高设备的利用率，节约成本，还能实现早期预警，大大降低事故发生率。因此，开发一套齿轮箱油在线监控系统来实时监控润滑油品质具有一定的工业价值及经济效益。

然而目前现有相关专利主要集中在润滑油在线监测方面，包括硬件选择与连接以及数据检测获取等方面，而对如何保障监测数据的准确性、如何具体有效地分析与利用监测数据以及根据监测结果与维护机构联动采取相应控制措施等方面的问题并未提供解决方案，为了解决上述问题，本发明提供了一种风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置、监控方法及系统。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于弥补现有技术的缺陷，克服现有技术的不足，提供了一种风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置、监控方法及系统，对润滑油的各项品质进行全面的实时监测，保障监测数据的准确性，通过数据处理分析提供更为直观的润滑油品趋势，较为完善地实现润滑油状态的监控和管理。本发明能够实现提高设备的利用率，早期预警齿轮箱的故障，指导按需换油和视情维护，减少设备运行和维修方面的总成本，增强设备运转的安全可靠性，节约人力物力的目的。

技术方案：本发明提供的风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置包括：润滑油旁路，用于引出齿轮箱液压系统主油路中的油液，为在线监测装置提供接口；在线监测装置，用于实时监测润滑油的各项参数，包括润滑油温度、密度、粘度、水含量、水活性、介电常数、颗粒度；数据传输与控制模块，用于通信及控制，采集在线监测装置传递的监测数据，并通过无线通信将其上传至云服务器，之后根据管理人员指令与已设程序启动相关控制操作；云服务器，用于存储系统预设信息以及数据传输与控制模块传输的大量连续监测数据，供客户端查询使用；客户端，用于对数据进行处理分析，通过监控系统软件展示润滑油参数变化趋势及实时监测数据，并通过对比分析实现早期预警与状态诊断。

进一步地，所述润滑油旁路并接在齿轮箱出口与主油泵进口之间的主油路上，包括进油管路、出油管路；

进一步地，所述在线监测装置安装在润滑油旁路的进油管路与出油管路之间；

进一步地，所述在线监测装置包括进口压力表、进口电磁阀、除泡模块、油品传感器、水分传感器、稳压缓冲罐、颗粒度传感器、流量调节阀、循环泵、出口压力表、出口电磁阀、进油口、出油口、壳体、供电模块、第一监测管路、第二检测管路；

所述进口压力表、出口压力表分别安装在进油口前、出油口后，设在壳体外，用于检测在线监测装置进油口及出油口管路压力；所述进口电磁阀安装在进油口后、除泡模块前，用于控制在线监测装置中前部油路的启闭；所述出口电磁阀安装在出油口与循环泵之间，用于控制在线监测装置中后部油路的启闭；所述除泡模块安装在进口电磁阀与并联的传感器之前，用于去除润滑油中的气泡；所述第一监测管路与第二监测管路并联在除泡模块与循环泵之间，用于安设监测传感器；所述第一监测管路依次设有稳压缓冲罐、颗粒度传感器；所述第二监测传感器依次设有油品传感器与水分传感器；所述稳压缓冲罐为圆柱形，其管径至少为第二监测管路管径的三倍以上，用于稳定颗粒度传感器前的压力和流经其监测管路的流量；所述循环泵为离心泵或齿轮泵，用于为在线监测装置内的润滑油循环提供动力；所述壳体采用金属材质；所述流量调节阀用于使流量和压力满足颗粒度传感器要求，提高检测精度，减小测量误差。

进一步地，所述供电模块为进口电磁阀、油品传感器、水分传感器、颗粒度传感器、流量调节阀、循环泵、出口电磁阀提供稳定电源；

进一步地，所述油品传感器的监测参数至少包括润滑油的温度、粘度、密度、介电常数四项；

进一步地，所述水分传感器的监测参数至少包括润滑油的水含量、水活性两项；

进一步地，所述颗粒度传感器采用遮光法原理监测润滑油颗粒度，至少设置NAS1638、ISO4406两项颗粒污染度等级标准，实时给出所测样品的颗粒计数及污染度等级；

进一步地，所述在线监测装置中的油品传感器、水分传感器、颗粒度传感器设置有串口，通过RS485总线将数据传输给数据传输与控制模块；

进一步地，所述数据传输与控制模块通过4G通讯模块或者wifi通讯模块将监测数据上传至云服务器；

进一步地，所述数据传输与控制模块包括RS485通信单元、无线通信单元、第一控制单元、第二控制单元；其中所述RS485通信单元与在线监测装置相连；所述无线通信单元包括4G通讯模块或者wifi通讯模块；所述第一控制单元分别与滤油机、冷油器连接；所述第二控制单元分别与电磁阀、流量调节阀及循环泵连接；

进一步地，所述客户端采用上位机PC、平板电脑、手机，其中安装有润滑油在线监控系统软件；

进一步地，所述润滑油旁路及在线监测装置壳体外部设计有保温层；

进一步地，所述风电机组齿轮箱润滑油在线监控系统安装在所述风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置的客户端，包括：

基本信息设置模块，用于提供权限设置信息、用户设置信息、系统各项参数和设备基本信息。设备基本信息包括齿轮箱设备本体的有关信息、在线监测设备如传感器、数据传输与控制模块等方面的设置信息、采样点和监测点的相关信息以及设备的检修信息等。

实时数据显示模块用于展现数据处理结果及油液状态评估两项内容，为齿轮箱设备的运行状态评估和故障诊断提供参考依据。

信息统计查询模块用于提供六方面的查询功能，包括历史数据查询、油液信息查询、离线标准查询、在线标准查询及报警和故障记录查询故障。所述报警和故障记录可以提供设备历史运行状态，给予性能衰减和故障信号的提示，起到预判作用，也可以提供给故障专家系统作为诊断依据。

生成数据报表模块用于根据所选的时间段，整理出相应地数据，按照预定的格式生成出油品特性和颗粒度的数据表或是曲线，以便之后的统计和查询。

进一步地，所述风电机组齿轮箱润滑油在线监控系统还包括查询模块，提供多种时间段内的数据和趋势图查询功能，包括小时查询、日查询、周查询、月查询；

进一步地，所述风电机组齿轮箱润滑油在线监控系统还包括存储模块，预存有模拟实验所得的补偿参数、特性系数；

进一步地，所述风电机组齿轮箱润滑油在线监控系统还包括报警模块，提供多样化的越限报警功能，提供多种不同的报警类型；一方面可以按照自己的需求进行报警限值等功能的设计，另一方面可以根据系统提供的预警参考值来进行设定；系统可以随时根据监测到的数据和对比操作来实时显示报警信息，进行报警提示，提高了设备运行时的安全性、稳定性和可靠性；

本发明的风电机组齿轮箱润滑油在线监控方法，应用于风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置及系统，包括以下步骤：

（1）冲洗润滑油旁路及在线监测装置中的油路t1时间，确保系统中无污染颗粒之后，将所有装置安装在齿轮箱润滑油系统中，并在在线监控系统软件中设置此风机设备信息并保存，开启电磁阀和循环泵，润滑油在主油泵和循环泵的双重作用下被泵入通过润滑油旁路流经在线监测装置，操作客户端软件，启动联机检测，反馈结果符合实际要求后，开始定时监测，周期可调，持续上传云服务器，客户端按需求查询监测数据，通过软件程序进行处理、分析及显示，根据各参数信息采取诊断及维护措施。

（2）待系统所有模块准备就绪，系统进入正常工作状态，客户端发送读写命令，通过无线通信模块如4G模块建立网络链路，并转发给在线监测装置内的颗粒度传感器、水分传感器及油品传感器；数据传输与控制模块采集传感器的实时输出数据，得到油品的有效信息，包括粘度、密度、温度、介电常数、颗粒度、水活性、水含量实时数据；之后无线通信模块把所采得的各项信息发送给云服务器，进而使客户端软件程序获得有效的油液品质监测数据用于一系列的分析工作。

（3）软件系统进行初始化操作，待所有模块和设置准备就绪后，系统软件加载完成；利用通讯程序部分接收监测现场传输来的数据，然后将其存入云服务器中的数据库中，一方面，当需要查看润滑油品质信息时，从云端数据库中查询出相关数据经补偿处理之后在用户界面进行实时显示，主要有两种模式可供选择：单参数实时趋势分析曲线图和双参数特性趋势分析曲线图；同时将经处理后的相关数据存入数据库，以供后续查询历史数据或曲线。另一方面，软件程序会将各参数的实时监测数据与预设参考值及系统所用要求进行对比分析，对油液状态进行评估，显示判断结果与提示信息，维护人员根据此信息下达控制指令给数据传输与控制模块，通过数据传输与控制模块内的第一控制单元与第二控制单元对滤油机、冷油器、电磁阀、流量调节阀及循环泵进行有效操作，统一调控及管理，实现越限报警、故障诊断、维护建议的功能。

有益效果：与现有的风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置、监控方法及系统相比，本发明具有以下优点：

1、通过前期实验及拟合结果对实时数据进行处理分析使其更加符合油液实际状态，弥补了硬件设备监测过程中难以避免的缺陷，提高系统准确度，将补偿参数存放在系统数据库内，使监测数据更具参考价值。

2、管路安装位置及保温的设计能够降低润滑油流经在线监测装置前后的温差，减少监测的干扰因素，以及在线监测装置内除泡模块、稳压缓冲罐、流量调节阀等设备的设置均提高了系统的准确性，更加还原齿轮箱润滑油真实的品质。

3、设计了满足多样化需求的在线监控系统软件平台，兼具趋势显示、智能预警、信息查询以及数据导出备份等功能；能够提供更为直观的润滑油品趋势，包括单参数随时间变化趋势及双参数特性变化趋势，多种时间段查询可供选择，较为完善地实现了润滑油状态的监控和管理。

4、实时追踪机械设备的运维状况，大大弥补了离线检测技术的不足和缺陷。

5、实现自动监测、自动反馈、自动预警，减少设备停机检查的时间，提高设备的利用率；减少设备运行和维修方面的总成本，增强设备运转的可靠性及安全性，有效避免更大的损失。

6、指导按需换油及视情维护，不只局限在状态监测方面，开创性地融合了后续控制手段，采用控制模块与各项操作机构相连接的模式，监测与控制联动，能够根据油质采取有效地维护措施，节约人力物力，避免资源的浪费。

附图说明

图1为本发明提供的风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置的结构图；

图2为本发明一种优选实例中在线监测装置在风电机组中的安装示意图；

图3为本发明提供的在线监测装置结构示意图；

图4为本发明提供的数据传输与控制模块结构示意图；

图5为本发明一种优选实施例中风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置使用流程图；

图6为本发明一种优选实施例中风电机组齿轮箱润滑油在线监控系统软件主程序流程图；

图7为本发明一种优选实施例中大型风电站风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置结构图；

附图标记：

1-齿轮箱、2-主油泵、3-滤油机、4-冷油器、5-在线监测装置、6-数据传输与控制模块、7-进油管路、8-出油管路、9-主油路、10-云服务器、11-客户端、12-润滑油旁路、501-进口压力表、502-进口电磁阀、503-除泡模块、504-油品传感器、505-水分传感器、506-稳压缓冲罐、507-颗粒度传感器、508-流量调节阀、509-循环泵、510-进油口、511-出油口、512-壳体、513-供电模块、6-数据传输与控制模块、514-出口电磁阀、515-出口压力表、516-第一监测管、517-第二监测管、601-第一控制单元、602-无线通信单元、603-485通信单元、604-第二控制单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一

如图1所示，本实施例提供的一种风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置包括润滑油旁路12，用于引出齿轮箱1液压系统主油路9中的油液，为在线监测装置5提供接口；在线监测装置5，用于实时监测润滑油的各项参数，包括润滑油温度、密度、粘度、水含量、水活性、介电常数、颗粒度；数据传输与控制模块6，用于通信及控制，采集在线监测装置5传递的监测数据，并通过无线通信将其上传至云服务器10，之后根据管理人员与已设程序启动相关控制操作；云服务器10，用于存储系统预设信息以及数据传输与控制模块传输的大量连续监测数据，供客户端查询使用；客户端11，用于对数据进行处理分析，通过监控系统软件展示润滑油参数变化趋势及实时监测数据，并通过对比分析实现早期预警与状态诊断。所述润滑油旁路12包括进油管路7、出油管路8。

图2为本发明实施例提供的风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置中的在线监测装置在风电机组上的安装示意图，润滑油旁路12并接在风电机组齿轮箱润滑油循环系统内齿轮箱1出口与主油泵2进口之间的主油路中，在线监测装置5安装在润滑油旁路12中，润滑旁路12位置的设计使齿轮箱内的油液先进行品质监测再流往下一环节，有利于及时有效地获得润滑油信息以及齿轮箱运行状态，避免其他装置对油液监测结果的干扰，发现异常时便于第一时间进行故障诊断及设备维护。润滑油旁路12及在线监测装置壳体512外部设计有保温层，减小润滑油监测过程中与外界的热量传递，降低环境温度及不良工况对测量结果的影响。

参见图1和图2，润滑油进入润滑油旁路12，流经在线监测装置5时，在线监测装置5检测油液各项参数的实时数据，再通过 RS485 通信链接将数据发送到数据传输与控制模块6，然后利用该模块上的无线通信单元602上传至云服务器，最后客户端11利用在线监控系统软件得到监测数据并进行处理和分析。工作人员可以在客户端的监控软件上来实时查看油液各项品质参数的信息，从而指导后续维护工作。

实施例二

如图3，作为一种具体的优选实施方式，在线监测装置5包括进口压力表501、进口电磁阀502、除泡模块503、油品传感器504、水分传感器505、稳压缓冲罐506、颗粒度传感器507、流量调节阀508、循环泵509、进油口510、出油口511、壳体512、供电模块513、出口压力表514、出口电磁阀515、第一监测管516、第二监测管517。

其中，所述进口压力表501、出口压力表514分别安装在进油口510前、出油口511后，设在壳体512外，用于检测在线监测装置进油口及出油口管路压力；所述进口电磁阀502安装在进油口510后、除泡模块503前，用于控制在线监测装置中前部油路的启闭；所述出口电磁阀515安装在出油口511与循环泵509之间，用于控制在线监测装置中后部油路的启闭；所述除泡模块503安装在进口电磁阀502与并联的传感器之前，用于去除润滑油中的气泡；所述第一监测管路516与第二监测管路517并联在除泡模块503与循环泵509之间，用于安设监测传感器；所述第一监测管路516依次设有稳压缓冲罐506、颗粒度传感器507；所述第二监测传感器517依次设有油品传感器504与水分传感器505；所述稳压缓冲罐506为圆柱形，其管径至少为第二监测管路517管径的三倍以上；所述循环泵509为离心泵或齿轮泵，用于为在线监测装置内的润滑油循环提供动力；所述壳体512采用金属材质，用于抵抗恶劣工况，延长使用寿命；所述流量调节阀用于使流量和压力满足颗粒度传感器要求，提高检测精度，减小测量误差；所述供电模块513为进口电磁阀502、油品传感器504、水分传感器505、颗粒度传感器507、流量调节阀508、循环泵509、出口电磁阀515提供稳定电源。

其中，油品传感器504的监测参数至少包括润滑油的温度、粘度、密度、介电常数四项；水分传感器505的监测参数至少包括润滑油的水含量、水活性两项；所述颗粒度传感器507采用遮光法原理监测润滑油颗粒度，至少设置NAS1638、ISO4406两项颗粒污染度等级标准，实时给出所测样品的颗粒计数及污染度等级；在线监测装置5中的油品传感器504、水分传感器505、颗粒度传感器507设置有串口，通过RS485总线将数据传输给数据传输与控制模块6，在此提出，油品参数的种类不固定，传感器数量和种类可根据需求搭配及装设。

由于颗粒度传感器507内置管路管径较细，限流较大，为维持管内润滑油流动状态，使流量满足传感器测量要求，在线监测装置5内加设循环泵509、稳压缓冲罐506、流量调节阀508，当流量偏离正常范围时，第二控制单元604对三个设备进行调整以保证传感器正常工作，保障工况稳定，降低外界对测量过程的干扰。除泡模块有效去除润滑油中的气泡，防止其影响对传感器监测结果，提高检测数据的可靠性。

实施例三

如图4，作为一种具体的优选实施方式，数据传输与控制模块6包括RS485通信单元603、无线通信单元602、第一控制单元601、第二控制单元604；其中所述RS485通信单元603与在线监测装置5相连；所述无线通信单元602包括4G通讯模块或者wifi通讯模块，将监测数据上传至云服务器10；所述第一控制单元601分别与滤油机3、冷油器4连接；所述第二控制单元604分别与进口电磁阀502、出口电磁阀515、流量调节阀508及循环泵509连接；监测与控制功能并行，使检测结果有所利用，实现快速的数据集成与存储、高效率的双向信息传输、保密安全性，支持远程诊断决策与控制，保障在线监控系统的工作效率和性能。

实施例四

一种优选实施例中，客户端11采用上位机PC、平板电脑或手机，其中安装有风电机组齿轮箱润滑油在线监控系统。其中，风电机组齿轮箱润滑油在线监控系统包括基本信息设置、实时数据显示、信息统计查询、生成报表 4 个部分。基本信息设置模块，用于提供权限设置信息、用户设置信息、系统各项参数和设备基本信息。设备基本信息包括齿轮箱设备本体的有关信息、在线监测设备如传感器、数据传输与控制模块等方面的设置信息、采样点和监测点的相关信息以及设备的检修信息等；实时数据显示模块用于展现数据处理结果及油液状态评估两项内容，为齿轮箱设备的运行状态评估和故障诊断提供参考依据；信息统计查询模块用于提供六方面的查询功能，包括历史数据查询、油液信息查询、离线标准查询、在线标准查询及报警和故障记录查询故障。所述报警和故障记录可以提供设备历史运行状态，给予性能衰减和故障信号的提示，起到预判作用同，也可以提供给故障专家系统作为诊断依据；生成数据报表模块用于根据所选的时间段，整理出相应地数据，按照预定的格式生成出油品特性和颗粒度的数据表或是曲线，以便之后的统计和查询。

所述风电机组齿轮箱润滑油在线监控系统还包括查询模块，提供多种时间段内的数据和趋势图查询功能，包括小时查询、日查询、周查询、月查询；在线监控系统软件中预存有模拟实验所得的补偿参数、特性系数；还包括报警模块，提供多样化的越限报警功能，提供多种不同的报警类型；一方面可以按照自己的需求进行报警限值等功能的设计，另一方面可以根据系统提供的预警参考值来进行设定；系统随时根据监测到的数据和对比操作来实时显示报警信息，进行报警提示，提高了设备运行时的安全性、稳定性和可靠性。

实施例五

参见图5，本发明实施例提供的一种大型风电站风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置结构图，采用分散式数据传输控制加中央集中式显示操作的监测模式。大型风电站风电机组数目较多且分布比较分散，为更好地实现润滑油的监控和管理，同时获得完整的信息，每台风电机组齿轮箱配置一套监测终端系统，包括在线监测装置及数据传输与控制模块，得到相关数据信息。每台在线监测装置实时监控风电齿轮箱润滑油油品状态，利用RS485 通信方式将数据传输给对应的数据传输与控制模块，数据传输模块通过无线通信上传给共用云服务器，客户端上的风电机组齿轮箱润滑油在线监控系统软件平台上统一显示个风电机组齿轮箱润滑油信息，维护人员依据润滑油状态下达相应的控制指令，通过数据传输与控制模块内的控制单元来实现对具体设备的操控。集现场采集、控制执行和远程操作三模块于一体，在一个客户端的软件界面上可以看到整个风场的润滑油状况，实现多风场润滑油系统的集中管理，便于对多个风机设备运行状态进行对比和分析，从而为下一步密切关注及视情维护提供依据。

实施例六

本发明的风电机组齿轮箱润滑油在线监控系统的监控方法，应用到本发明的风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置及系统，包括以下步骤：

（1）如图2所示，为一种优选实施例中风电机组齿轮箱润滑油在线监控装置使用流程图。冲洗润滑油旁路及在线监测装置中的油路t1时间，确保系统中无污染颗粒之后，将所有装置安装在齿轮箱润滑油系统中，并在在线监控系统软件中设置此风机设备信息并保存，开启电磁阀和循环泵，润滑油在主油泵和循环泵的双重作用下被泵入通过润滑油旁路流经在线监测装置，操作客户端软件，启动联机检测，反馈结果符合实际要求后，开始定时监测，周期可调，持续上传云服务器，客户端按需求查询监测数据，通过软件程序进行处理、分析及显示，根据各参数信息采取诊断及维护措施。

（2）待系统所有模块准备就绪，系统进入正常工作状态，客户端发送读写命令，通过无线通信模块如4G模块建立网络链路，并转发给在线监测装置内的颗粒度传感器、水分传感器及油品传感器；数据传输与控制模块采集传感器的实时输出数据，得到油品的有效信息，包括粘度、密度、温度、介电常数、颗粒度、水活性、水含量实时数据；之后无线通信模块把所采得的各项信息发送给云服务器，进而使客户端软件程序获得有效的油液品质监测数据用于一系列的分析工作。

（3）如图6所示，本发明一种优选实施例中风电机组齿轮箱润滑油在线监控系统软件主程序流程图。软件系统进行初始化操作，待所有模块和设置准备就绪后，系统软件加载完成；利用通讯程序部分接收监测现场传输来的数据，然后将其存入云服务器中的数据库中，一方面，当需要查看润滑油品质信息时，从云端数据库中查询出相关数据经补偿处理之后在用户界面进行实时显示，主要有两种模式可供选择：单参数实时趋势分析曲线图和双参数特性趋势分析曲线图；同时将经处理后的相关数据存入数据库，以供后续查询历史数据或曲线。另一方面，软件程序会将各参数的实时监测数据与预设参考值及系统所用要求进行对比分析，对油液状态进行评估，显示判断结果与提示信息，维护人员根据此信息下达控制指令给数据传输与控制模块，通过数据传输与控制模块内的第一控制单元与第二控制单元对滤油机、冷油器、电磁阀、流量调节阀及循环泵进行有效操作，统一调控及管理，实现越限报警、故障诊断、维护建议的功能。