理論與實踐:液壓泄漏在線識別系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用
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作者：鄭曉敏
在連軋生產(chǎn)中，軋機(jī)液壓油品泄漏檢測一直是個難題，其主要原因是液壓管路點(diǎn)多面廣，泄漏位置隱蔽，軋機(jī)冷卻水和液壓油顏色一致、難以區(qū)分，以上因素決定了采用傳統(tǒng)的人工目視檢查方式檢測難度大，并且往往需要停機(jī)、停水逐一排查，檢查耗時長，會對生產(chǎn)造成不利影響。液壓站在不設(shè)值班人員的情況下，泄漏往往是在一整箱液壓油漏完之時才會被發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)時間嚴(yán)重滯后。為了找到泄漏點(diǎn)，還必須重新加油，在油品繼續(xù)泄漏的情況下才可能發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)。從開始泄漏到泄漏點(diǎn)的最終確認(rèn)這一時間段內(nèi)大量的油品會白白漏掉，既增加了生產(chǎn)成本，又加重了環(huán)境污染。
節(jié)能降耗、降本增效、建設(shè)環(huán)境友好型企業(yè)既是國家對企業(yè)的要求更是企業(yè)自身生存和發(fā)展的需要。為此，河北科技大學(xué)與河北鋼鐵集團(tuán)石家莊鋼鐵有限責(zé)任公司科技人員聯(lián)合開發(fā)了液壓泄漏在線識別系統(tǒng)。系統(tǒng)通過監(jiān)測液壓油液位下降速度實現(xiàn)對整個液壓系統(tǒng)泄漏情況的識別，并利用易泄漏液壓支路的管壁溫度變化判斷是否存在泄漏點(diǎn)，點(diǎn)面兼顧，實現(xiàn)了對整個液壓系統(tǒng)油品泄漏情況的在線自動識別。該系統(tǒng)自2012年應(yīng)用于石鋼軋鋼生產(chǎn)線至今，工作穩(wěn)定可靠，報警及時準(zhǔn)確，實現(xiàn)了全天候?qū)崟r在線監(jiān)測，節(jié)油效果明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
1 泄漏識別原理
液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、油箱、液壓管路、液壓控制及執(zhí)行元件組成。油箱是液壓油的存儲設(shè)備，液壓油泄漏會導(dǎo)致油箱液位下降，因此油箱液位下降速度快慢是判斷整個液壓系統(tǒng)泄漏程度的最直接指標(biāo)。
液壓系統(tǒng)在工作中有能量損失，包括壓力損失、容積損失和機(jī)械損失，這些損失會轉(zhuǎn)化為熱能使液壓系統(tǒng)的工作油溫升高‘¨。當(dāng)液壓管路發(fā)生泄漏時，流經(jīng)泄漏管路的液壓油熱能以熱傳導(dǎo)方式使液壓管路管壁溫度升高，而且油品泄漏速度越快，管壁溫度上升幅度越高。因此可以根據(jù)液壓管路溫度高低能反映管路內(nèi)油液流動速度快慢這一規(guī)律實現(xiàn)對液壓易泄漏部位泄漏的識別。
綜上，通過總量泄漏識別和易泄漏部位泄漏識別，可以既解決整個液壓系統(tǒng)的泄漏識別問題，又解決液壓支路的泄漏識別問題。
2 系統(tǒng)硬件組成
2.1 總量泄漏識別
油箱液位檢測方式有2種：磁性浮子液位計和連續(xù)式測量液位計。磁性浮子液位計底端與油箱底部相連通，根據(jù)連通器原理，液位計液面與油箱液面一致，總是浮在液位計液面上的磁性浮子所在位置直接反映了油箱的實際液面。液位計外壁垂直方向等距離安裝若干磁敏開關(guān)，當(dāng)磁性浮子位置與磁敏開關(guān)位置相平時，磁敏開關(guān)產(chǎn)生電信號，該信號將液位信息經(jīng)導(dǎo)線傳至PLC進(jìn)行程序處理。連續(xù)式測量液位計則是對油箱液面位置進(jìn)行連續(xù)檢測。
如圖l所示，石鋼軋鋼生產(chǎn)線總量泄漏識別系統(tǒng)由液壓油箱、磁敏開關(guān)、液位計（帶磁性浮子）、PLC等組成。磁敏開關(guān)通過屏蔽雙絞線連接至PLC的數(shù)字量輸入模板。
2.2 易泄漏部位泄漏識別
如圖2所示，易泄漏部位泄漏識別系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)各易泄漏支路、測溫元件、PLC、人機(jī)界面計算機(jī)( HMI)組成。測溫元件以接觸式安裝方式安裝在易泄漏支路管路的外壁上，并經(jīng)屏蔽雙絞線以四線制方式‘21連接至PLC的模擬量輸入模板，PLC與HMI通過網(wǎng)絡(luò)線路相連。
變化，PLC監(jiān)測的2個信號變化時間間隔￡若小于允許的泄漏設(shè)定時間To，則判定液壓系統(tǒng)總體泄漏速度已超出正常范圍，系統(tǒng)存在較大泄漏，PLC立即向人機(jī)界面計算機(jī)發(fā)出報警，相應(yīng)報警信息以文本形式顯示在界面上。當(dāng)液位采用連續(xù)式測量液位計測量時，判斷系統(tǒng)泄漏的原理與磁敏開關(guān)的一致，即可以每隔一段時間（比如幾分鐘）對液壓油的液位數(shù)據(jù)讀取一次，若該時間段內(nèi)液位下降高度Δh大于允許下降高度則自動產(chǎn)生報警。由于該方式下△hο�？梢栽谲浖性O(shè)置得很小，因此對系統(tǒng)泄漏的反應(yīng)更靈敏，識別精度更高，可以在更短的時間內(nèi)對泄漏事故產(chǎn)生報警�？偭啃孤┳R別方案同樣適用于其他流體介質(zhì)系統(tǒng)的泄漏檢測，如稀油潤滑站。
3.2 易泄漏部位泄漏識別
經(jīng)過對石鋼公司軋鋼廠液壓泄漏情況的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：90%以上的泄漏出現(xiàn)在軋機(jī)墊塊平衡管路，因此將重點(diǎn)放在對平衡管路的泄漏監(jiān)測上。在全線22架軋機(jī)的每一架次的墊塊平衡管路外壁上安裝1個測溫電阻Ptl00，測溫電阻采用接觸式安裝，測溫信號接入PLC的模擬量輸入模板，采集到的溫度在PLC內(nèi)進(jìn)行處理。
首先，采用“優(yōu)化平均值法”確定不泄漏管路的溫度基準(zhǔn)值：
(1)對測量的溫度值進(jìn)行預(yù)篩選，將不在合理溫度區(qū)間（石鋼軋鋼廠車間內(nèi)的年氣溫變化幅度為-20 -50℃）的測量值判定為無效值，予以剔除，只有有效值參與后續(xù)計算。
(2)對各區(qū)域、各架次的墊塊平衡管路進(jìn)行分組（6-8架軋機(jī)為l組）。由于統(tǒng)計顯示，區(qū)域內(nèi)單架次泄漏的幾率為90%，2個架次同時發(fā)生泄漏的幾率約為9%，3個架次同時出現(xiàn)泄漏的幾率幾乎為0，因此對組內(nèi)測量溫度按大小進(jìn)行排序后，為了避免測量誤差對識別結(jié)果的影響，除去2個最大溫度和2個最小溫度，將剩余的溫度值求和后再取平均值，該平均溫度即為該區(qū)域?qū)?yīng)架次不泄漏管路溫度基準(zhǔn)值。
然后，將各架次平衡管路溫度與不泄漏管路溫度基準(zhǔn)值相比得出溫升幅度，再與設(shè)定溫升幅度進(jìn)行比較，若高于設(shè)定則立即在人機(jī)畫面上顯示報警。
在環(huán)境溫度20℃時，對軋機(jī)平衡管路的泄漏程度、對應(yīng)的溫升幅度、系統(tǒng)反應(yīng)時間（識別時間）的統(tǒng)計見表l。
如表1所示，當(dāng)某一架次管路溫度比基準(zhǔn)溫度高3℃（報警門檻值，實際應(yīng)用時該值可調(diào)）時，說明該管路已經(jīng)存在較大泄漏，系統(tǒng)立即在人機(jī)界面上產(chǎn)生紅色報警信息，提示維護(hù)人員對該架次的平衡管路擇時進(jìn)行檢查和處理；如果高于6 c|C（實際應(yīng)用時可調(diào)），則立即產(chǎn)生棕色報警信息，提示該管路已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重泄漏，必須立即停車處理。由此解決了泄漏發(fā)現(xiàn)晚和泄漏點(diǎn)查找困難的問題。
各架次液壓平衡管路溫度在人機(jī)界面上以棒圖實時顯示，如圖3所示。即使泄漏量沒有達(dá)到報警門檻值，點(diǎn)檢人員也能夠根據(jù)棒圖顯示的溫度高低對現(xiàn)場各管路的泄漏情況一目了然，例如，圖中顯示16號軋機(jī)墊塊平衡管路溫度已超限，畫面頂端立即出現(xiàn)報警信息。
4 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用效果
總量泄漏識別優(yōu)點(diǎn)如下：(1)對整個液壓系統(tǒng)油品泄漏的監(jiān)測實現(xiàn)全覆蓋，無死角；(2)可根據(jù)液壓系統(tǒng)規(guī)模和生產(chǎn)實際靈活設(shè)置監(jiān)測參數(shù)，對不同液壓系統(tǒng)的適應(yīng)性強(qiáng)；(3)該檢測方式可用于各種封閉循環(huán)液體介質(zhì)系統(tǒng)的泄漏檢測。液壓易泄漏部位識別優(yōu)點(diǎn)如下：(1)采用溫升幅度比較法和分組計算判斷法，消除了不同季
3 系統(tǒng)功能及實現(xiàn)
3.1 總量泄漏識別
在冶金工業(yè)中，一套液壓系統(tǒng)要實現(xiàn)完全無泄漏很困難，因此實際應(yīng)用中一般規(guī)定一個允許的泄漏速度。筆者用油箱液位下降高度△h所用時間f與允許時間To相比較來判斷整個系統(tǒng)泄漏是否超出正常范圍。
如圖1所示，若干只彼此間距為△h的磁敏開關(guān)安裝在液位計外壁上（安裝個數(shù)根據(jù)實際使用情況確定），當(dāng)系統(tǒng)泄漏造成油箱液面下降時，上下相鄰的2個磁敏開關(guān)信號狀態(tài)會依次發(fā)節(jié)、不同天氣狀況、不同時段、不同區(qū)域分布造成的環(huán)境溫度不同對泄露識別結(jié)果的影響；(2)僅在監(jiān)測部位使用測溫元件，使得投資最少；(3)
測溫元件在測溫管路外壁安裝，不破壞原有結(jié)構(gòu)，實施簡便；(4)監(jiān)測的溫度以棒圖形式實時顯示，表現(xiàn)液壓泄漏狀況的方式更為直觀；(5)根據(jù)泄漏程度不同，可實現(xiàn)分級報警。
該系統(tǒng)在石鋼軋鋼廠已穩(wěn)定運(yùn)行2年多，節(jié)油率達(dá)60%以上，年可增效益128. 25萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。因其工作穩(wěn)定可靠、能夠全天候?qū)崟r在線監(jiān)測、辨識能力強(qiáng)、報警及時準(zhǔn)確，所以石鋼軋鋼廠已經(jīng)取消了原有的人員巡檢，并將其作為液壓系統(tǒng)泄漏監(jiān)測的常規(guī)手段。
本液壓泄漏在線識別技術(shù)于2012年獲得2項國家實用新型專利授權(quán)，在工業(yè)領(lǐng)域裝備自動化程度越來越高的今天，應(yīng)用前景十分廣闊，一旦推廣應(yīng)用必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
摘要：
針對冶金行業(yè)缺少行之有效的液壓泄漏在線監(jiān)測手段這一技術(shù)難題，開發(fā)了液壓泄露在線識別系統(tǒng)，通過對液壓油品泄漏的總量監(jiān)測和對易泄漏部位的重點(diǎn)監(jiān)測，點(diǎn)面兼顧，實現(xiàn)了對整個液壓系統(tǒng)油品泄漏情況的在線自動識別。實際應(yīng)用證明該系統(tǒng)工作可靠，檢測結(jié)果準(zhǔn)確，節(jié)油效果顯著。
