物联网油液在线监测技术探讨

摘要：为避免盾构机故障，确保施工安全，使用基于工业物联网技术的油液在线监测方案对盾构机进行了技术改造。对主液压系统的液压油进行黏度、含水率、清洁度等指标实时远程在线监测，对主轴承齿轮油进行含水率、金属磨屑等指标的实时远程在线监测。对在线检测数据和离线检测数据进行多次比对，数据基本一致。该方案能够反映出盾构运行的真实状态，数据的稳定性和准确性满足使用需求，并延长了油品使用寿命，减少了设备维护成本以及意外停机引起的故障成本，可为今后盾构管理工作的数字化、智能化奠定基础。

关键词：盾构机；工业物联网；油液在线检测；实时远程在线监测；智能化

1项目背景

盾构机是地下空间开发的主要施工机械，在我国城市地铁、过江公路隧道、跨海隧道等大型隧道工程项目中得到了广泛应用。盾构机主轴承及主液压系统作为核心部件，其性能将直接影响到整个盾构机的性能状态。如果在施工过程中主轴承润滑系统和液压系统中进入泥水、沙砾或出现异常磨损，将导致主驱动系统和液压系统严重损坏，给盾构施工带来不可估量的损失。传统的油品检测多采用取样离线检测方法。该方法费时费力，无法第一时间发现问题，检测时效性差，无法为设备起到预检预修的作用，往往需要几天或者更长的时间，常用于定期的检测，或者发现问题后的确认。另外，离线检测需要人工取样，受到取样瓶的专业干净程度、取样人的操作标准化程度等因素影响，容易造成二次污染或者取样误差，不能反映油品的真实状态。而在线监测能够对油品进行实时的监测，时效性好，能够第一时间发现油品产生的问题。另外在线监测能够长时间保存监测数据，能够及时地故障报警，方便形成趋势图、溯源跟踪，利于进行大数据分析、故障预防或者诊断分析。同时在线监测分析可以在后台进行算法模型优化，通过海量数据作为算法依据，提高数据的准确性。在此背景下，我公司联合壳牌中国数字化创新实验室,对南京和燕路过江通道南段工程A2标项目的“复兴号”盾构机进行了在线监测模块的技术升级改造。采用传感器和互联网技术，进行润滑在线实时监控，实现预测性维护保养，远程智能运维，大幅提升了设备效率和生产效率，降低了润滑成本。同时延长了油品生命周期，减少了油品消耗和排放污染，创造了商业价值和社会价值。

2施工项目概述

和燕路过江通道南段工程系国内超大直径盾构首次连续穿越强透水砂层、软硬不均复合地层、全断面硬岩层、岩溶地层和区域断裂带等多种复杂地质条件组合的水下隧道。该工程使用“复兴号”盾构机，如图1所示。

3“壳智汇”物联网在线监测方案原理及标准架构

“壳智汇”物联网在线监测方案分为两个模块，即针对主液压系统的液压油模块和针对主轴承的齿轮油模块。“壳智汇”物联网在线监测方案工作原理如下：在盾构机的液压系统和主轴承润滑系统中增加油液在线监测模块，对油液的介电常数、水分、黏度、污染度和铁磁颗粒度等指标进行实时监测。将传感器采集到的各项数据经网关上传至云端，云端对数据进行收集、清洗、运算并存储，最后将结果呈现给客户端。客户端可随时查看油品质量数据，对于传感器数据异常情况，将会第一时间发送告警信息到客户端。不同的指标监测由不同功能的传感器实现，所有传感器和网关都集成在智能箱体内，通过在润滑系统中引出一路油路，油路通过智能箱体实现在线监测，如图2所示。“壳智汇”物联网在线监测方案使用最新的互联网技术和标准架构，如图3所示。采用腾讯云平台，实现线上、线下数据互联，具有数据存储、分析、诊断、智能故障提醒等功能，可在第一时间发现润滑设备异常问题，第一时间报警提醒，避免设备意外停机的故障。

4现场安装

4.1液压油模块安装

液压油模块可监测7个理化参数，分别是油品黏度、水分、温度、油品清洁度、饱和度，密度、介电常数参数，并可对油品状态全面监控。其采用标准化设计，整体结构紧凑，空间需求非常小，现场布置快速方便，只需要将传感器箱体安装到油箱上，连接油路、电路、wifi数据传输，即完成硬件端安装。整体安装时间半天即可。智能监控箱体要求1m以上周围无管道等干扰，安装在油箱立面，采用螺栓连接。智能监测箱体如图4所示。进油口要求选取在压力管道上，回油口要求选取在低压管道上，进油口与回油口压差大于0.3MPa。选择将循环系统的泵出口管道作为进油口，选取冷却器出口管道为回油口，如图5所示。电源要求24VDC，稳定无干扰，从控制柜接入。网络信号要求Wifi2.4G/4G，满足100kbps/s，选择隧道已有网络ddg2.4GWifi信号。

4.2齿轮油模块安装

齿轮油模块可实现监测金属磨粒、水份、温度、黏度等4个理化参数，并可对油品状态全面监控。智能监控箱体安装在油箱立面，采用螺栓连接；进油口选择在循环系统的泵出口管道，回油口选择在冷却器出口管道；电源从控制柜接入，网络信号选择隧道已有网络ddg2.4GWifi信号。齿轮油模块安装如图6所示。

4.3数据呈现与验证

待线下硬件安装完毕后，启动在线监测系统，数据就会上传到壳智汇云平台系统。完成数据存储、分析、诊断、预警等功能后，便可在总部盾构中心监控系统、手机端或PC端查看。同时可在后台设定油品参数超限指标，超限后即会推送至监控大屏以及手机端，方便总部及现场人员的监控和管理油品，全面提高盾构施工管理，避免故障发生。同时降低了运维成本，保证了人员安全。电脑端监控大屏数据呈现如图7所示。截止至今，设备已连续运行数月，功能正常，数据稳定。期间，我们采用多次取样、离线分析的方式，以图6齿轮油验证数据的准确性。结果显示，在线监测系统所采集的数据与离线检测数据基本一致，说明盾构油液在线监测系统运行具有较好的准确性。

5结论

本文主要介绍了通过使用物联网油液在线监测技术对盾构设备进行技术升级改造，来实时监控油液中水含量、清洁度、温度、黏度、金属磨损等关键指标的功能，并可连接云服务系统，及时发现油液的各项指标变化，分析污染程度，辨别污染物类型，及时告警通知，避免设备磨损以及出现严重的停机事故，保证现场施工的安全。在线监测系统所采集的数据与离线检测数据基本一致，说明盾构油液在线监测系统运行具有较好的准确性。盾构设备在做完在线监测技术升级改造后，提高了油品润滑质量，减少油品乳化，油品使用寿命延长了1.5倍，降低了液压泵阀、滤芯等配件的维护成本，减少了油品离线检测停机成本及检测费用，为整个项目节省预计50万的成本，具有良好的经济效益，值得推广应用。

作者：唐亚军 单位：中铁十四局集团大盾构工程有限公司