基于多傳感器的車用潤滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：由于潤滑油在高溫氧化作用下，以及受到空氣中灰塵、金屬屑、煤炭等污染物的影響，其性能會隨時間逐漸下降。若未能及 時更換潤滑油，油中沉積物將不斷增多，進而引發(fā)發(fā)動機功率下降和零部件磨損加劇的問題；而過早更換潤滑油則會造成資源浪費。因此，本文設(shè)計了一種基于多傳感器的車用潤滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)涵蓋數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、軟件處理及顯示模塊，利用Labview虛擬儀器軟件對潤滑油的理化指標進行實時監(jiān)測，及時給出換油提示，并借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對發(fā)動機潛在故障進行預(yù)診斷和結(jié)果分析。

關(guān)鍵詞：傳感器；Labview軟件；在線監(jiān)測；理化指標；介電常數(shù)

中圖分類號：U467 DOI：10．20042/j．cnki．1009-4903. 2024. 04.007

基金項目：本文系2024江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“基于多傳感器的車用潤滑油在線監(jiān)測的方法研究”（項目編號：2024139880IIY）。

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，發(fā)動機保有量的持續(xù)增長以及工業(yè)化進程的不斷推進，我國已成為全球潤滑油生產(chǎn)大國和消費大國。潤滑油被視為“機械運轉(zhuǎn)的血液”，是確保發(fā)動機正常工作的關(guān)鍵要素。

車用潤滑油的更換問題是節(jié)能領(lǐng)域不容忽視的重要一環(huán)。目前換油方式主要有2種：按里程更換和按質(zhì)更換。前者依據(jù)預(yù)設(shè)的里程數(shù)或固定的時間周期（如半年）進行一次更換，而后者則是根據(jù)監(jiān)測到的潤滑油的理化指標和污染程度來判斷最佳的更換時機。在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崟r監(jiān)控發(fā)動機的運行狀態(tài)，提升設(shè)備運行的可靠性和安全性，有效預(yù)防設(shè)備的重大潤滑磨損故障，對于提高經(jīng)濟效益具有重大意義。目前，國外在在線監(jiān)測技術(shù)方面的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，而我國在這項技術(shù)上起步較晚，發(fā)展時間相對較短，相關(guān)經(jīng)驗較為匱乏，且缺少完整的評估標準。本文基于多個傳感器的集成，設(shè)計了一種可隨車安裝的、實時監(jiān)測潤滑油性能指標、及時給出換油提示，并能對發(fā)動機故障進行預(yù)診斷和分析的系統(tǒng)。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計

潤滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、軟件模塊以及顯示模塊組成，是一種能夠?qū)崟r監(jiān)測潤滑油性能變化的系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用多個傳感器實時采集潤滑油的各項參數(shù)，進行分析和處理，并通過算法和模型診斷潤滑油的異常情況以及確定合適的換油時機。

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

該采集模塊負責(zé)潤滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集工作。為了提升系統(tǒng)的集成度并降低安裝空間，設(shè)計了能夠安裝2個傳感器的閥體裝置（圖1）。

取樣裝置由閥體、油品四合一傳感器JWFV4、油品微水傳感器JWA2、齒輪泵、24V電源和儀表箱構(gòu)成，共同組成了數(shù)據(jù)采集模塊。取樣成功的關(guān)鍵在于合理設(shè)置取樣點，以確保所取的油樣能夠真實反映整個潤滑系統(tǒng)的狀態(tài)。根據(jù)檢測目的和潤滑方式的不同，取樣部位也有所區(qū)別。本次取樣的目的是獲取潤滑油各項理化指標參數(shù)的變化趨勢，因此，最佳取樣點選擇在回油管過濾器之前。將集成后的油液數(shù)據(jù)采集底板安裝于儀表箱中，油管、電源線和數(shù)據(jù)線通過快插接頭連接。當油液進入管道后，會經(jīng)過對應(yīng)的油品傳感器進行檢測，最后由齒輪泵泵入主油管，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測“活油”的目的，并通過液壓油管實現(xiàn)回路的聯(lián)通。

1.2 數(shù)據(jù)通信模塊

為了克服RS232通信抗干擾能力差的問題，本文采用了RS485通信模塊。由于RS485接口與上位機的USB接口型號不匹配，額外使用了RS485-USB轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器將來自RS485端口的電平信號轉(zhuǎn)換為可直接與上位機連接的USB數(shù)據(jù)信號。同時，該轉(zhuǎn)換器還能將單端的USB信號轉(zhuǎn)換為平衡差分的RS485信號，實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換和雙向傳輸。該模塊能夠完成傳感器采集的數(shù)據(jù)與上位機發(fā)送的信號的轉(zhuǎn)換，并確保通信的實時性。

1.3 軟件模塊

1.3.1 Labview虛擬儀器軟件開發(fā)系統(tǒng)

虛擬儀器技術(shù)是一種基于軟件和硬件相結(jié)合的技術(shù)，旨在模擬傳統(tǒng)儀器的功能，并提供更靈活、可擴展、易于使用的測量和控制解決方案。它將傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、信號處理器等硬件設(shè)備與計算機上的軟件相結(jié)合，形成一個功能完整的虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)的核心思想是利用計算機的處理能力和軟件的靈活性來模擬傳統(tǒng)儀器的功能，從而提供一種更靈活、功能更強大、成本更低的測量和控制解決方案。這一技術(shù)廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工程測試和教學(xué)培訓(xùn)等領(lǐng)域。

基于Labview編程語言進行軟件系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、在線顯示、數(shù)據(jù)管理和換油預(yù)警等功能。傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息用串口通信，并經(jīng)由RS485-USB轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)絇C端，然后在Labview界面上進行直接顯示。Labview軟件對接收到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)建立的算法模型，當理化指標參數(shù)超出規(guī)定的闕值時，系統(tǒng)會發(fā)出警報，并進行故障診斷分析，提示駕駛員及時更換發(fā)動機油箱內(nèi)的潤滑油。

1.3.2 故障診斷模型

本文所設(shè)計的系統(tǒng)中，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了故障診斷算法模型。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種廣泛應(yīng)用于模式識別和機器學(xué)習(xí)任務(wù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，它基于多層前饋網(wǎng)絡(luò)，通過反向傳播算法進行訓(xùn)練，以實現(xiàn)有效的特征提取和分類。該網(wǎng)絡(luò)包括信號的正向傳播和誤差的反向傳播2個過程，并具有輸入層、隱含層和輸出層三層結(jié)構(gòu)。模型的搭建分為2個主要環(huán)節(jié)：在信號的正向傳播過程中，輸入層接收外部輸入信號或刺激，隱含層利用傳遞函數(shù)處理輸入層傳輸?shù)男畔ⅲ罱K輸出層將隱含層處理的數(shù)據(jù)信息進行判斷。若符合誤差要求則輸出給后續(xù)執(zhí)行部分，否則數(shù)據(jù)將進行反向傳播。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的工作原理如圖2所示。該模型主要通過比較模型輸出值與實際輸出值的誤差，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層神經(jīng)元的連接權(quán)值以及閾值進行不斷地調(diào)整，以滿足模型的性能要求。并且，模型的建立需要大量的數(shù)據(jù)集進行訓(xùn)練。本文根據(jù)所選擇的傳感器的油液理化指標監(jiān)測參數(shù)，分別采用了油液黏度、含水量以及介電常數(shù)作為輸入?yún)?shù)。同時，將發(fā)動機三類故障診斷模型的診斷結(jié)果作為輸出參數(shù)，構(gòu)建了在線監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)將使用Labview軟件對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型進行模擬仿真。

1.4 顯示模塊

車載顯示屏的首頁被劃分為3個部分：第一部分展示的是潤滑油各個理化指標的主界面。點擊進入后，可以展示每個理化指標參數(shù)的趨勢圖。在主界面的最上方，設(shè)有理化數(shù)據(jù)查詢的操作界面。用戶通過設(shè)置起始和技術(shù)時間點，并點擊查詢按鈕，即可顯示所選區(qū)間范圍內(nèi)的理化指標參數(shù)趨勢，包含黏度、含水量、潤滑油介電常數(shù)等相關(guān)指標。

第二部分是后臺預(yù)警界面，該界面用于展示各個參數(shù)的狀態(tài)檢測結(jié)果，并發(fā)布和清空預(yù)警及報警信息。

第三部分則專注于油液中隱含的發(fā)動機故障分析監(jiān)測。該部分用于分析在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)，以預(yù)測發(fā)動機可能出現(xiàn)的故障。

最后，通過Labview對數(shù)據(jù)進行分析的結(jié)果，將通過車載通訊網(wǎng)關(guān)傳輸至PC端，實現(xiàn)真正意義上的在線監(jiān)測功能。如圖3車所示，為車載顯示屏的主界面示意圖。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體流程

當發(fā)動機啟動時，油箱開始供油。此時，潤滑油會依次通過集成有傳感器的閥體、齒輪泵和回油管道，從而完成對油液各個理化指標信息的采集。隨后，數(shù)據(jù)通信模塊會利用RS485接口以及轉(zhuǎn)換器，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至Labview軟件進行分析。若分析結(jié)果顯示數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)的閾值，系統(tǒng)會立即發(fā)出預(yù)警，并進行發(fā)動機隱含故障的診斷，同時給出換油提示。如圖4所示，為潤滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖。

3 方法驗證與應(yīng)用

3.1 試驗油品的選擇

根據(jù)油品是否經(jīng)過人為加工，機油可以分為礦物油、半合成油和全合成油三類。本文選擇了具有普遍代表意義的2種潤滑油進行試驗，分別是半合成油10W-40和全合成油5W-40。本實驗選取的2款油品，其機油換油指標均設(shè)定如表1所示。

3.2 方法驗證

選定2輛正常運行的車輛，對車輛發(fā)動機的潤滑油箱進行清理后，分別加注上述2種試驗油品，并將其編號為①和②。為了貼近實際車輛潤滑油的使用情況，將這2輛試驗車輛投放到日常使用中。在行駛相同里程后，再獲取數(shù)據(jù)進行分析。

3.2.1 數(shù)據(jù)準確性驗證

本文選取黏度、水分與介電常數(shù)3個理化指標作為監(jiān)測對象，以驗證該潤滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)是否與實際情況相符合。具體操作為：車輛行駛里程數(shù)每增加1 000 km，便抽取一組數(shù)據(jù)送至實驗室進行檢測。對每個理化指標，獲得共20組數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行比較驗證。

從圖5中①號車的理化指標參數(shù)可以看出，當發(fā)動機行駛里程達到5 000 km時，①號車的黏度為12.0 mm2/s，水分為360.4 ppm，介電常數(shù)為2.54。隨著行駛的里程數(shù)的增加，運動黏度指數(shù)逐步下降，水分含量增加，介電常數(shù)開始上升，這些變化表明油品正在劣化。此次測得的數(shù)據(jù)與實驗室檢驗數(shù)據(jù)接近，符合實際情況，因此可以認為系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

從圖6②號車的理化指標參數(shù)能觀察到，在行駛7 000km的情況下，其黏度為10.4 mm2/S，水分為357.8 ppm，介電常數(shù)為2.24。與①號車相比，②號車的油品劣化速度有所減慢。這是因為②號車所加的是全合成機油，其基礎(chǔ)油是通過化工合成等系列加工過程生成的聚α烴（PAO）及少量鏈烴的混合物。這種機油具有熱氧化安定性好和熱分解溫度高的優(yōu)點，因此，即使經(jīng)歷氧化、剪切和高溫等過程，也只能略微改變機油的成分，內(nèi)摩擦系數(shù)稍有減小。所以，②號車機油運動黏度下降并不像①號車那樣明顯。通過與實驗室對樣品的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與實驗室檢測所得數(shù)據(jù)的黏度誤差極小，這表明所設(shè)計的系統(tǒng)能較好地滿足實際要求。

3.2.2 換油提示

隨著車輛行駛里程數(shù)增加，污染物會進入潤滑油箱，導(dǎo)致潤滑油氧化，形成酮、羧酸等物質(zhì)，從而增加有機酸的含量，并加速磨損。因此，可以根據(jù)監(jiān)測的潤滑油各個理化指標來判斷其品質(zhì)，并給出換油提示。發(fā)動機潤滑與磨損情況中，液體介質(zhì)的導(dǎo)電能力與其分子極性及純凈度密切相關(guān)，這能夠反映油品的質(zhì)量。同時，液體介質(zhì)的導(dǎo)電能力與酸值、含鐵量呈正相關(guān)關(guān)系。介電常數(shù)通常被作為反映潤滑油液污染程度的一個綜合參數(shù)。通過合理標定介電常數(shù)的閾值，可以綜合評價潤滑油的好壞。在本文系統(tǒng)中，介電常數(shù)的閾值被設(shè)置為：數(shù)值在0-3.89時，表示正常運行狀態(tài)，系統(tǒng)顯示綠燈；數(shù)值為3.90-3.99時，表示油液污染進入中期，系統(tǒng)顯示黃燈；數(shù)值大于等于4時，表示超過閾值，必須更換潤滑油，此時系統(tǒng)顯示紅燈，并自動彈出換油提示。如圖7所示為換油提示程序框圖。

當①號發(fā)動機行駛至1 000 km時，其介電常數(shù)為1．21，此時系統(tǒng)顯示綠燈，表明油液狀態(tài)處于健康運行狀態(tài)；當行駛至9 000 km后，介電常數(shù)上升至3.98，此時系統(tǒng)顯示黃燈，提示油液已處于污染中期。而當行駛至12 000 km時，介電常數(shù)的值達到4.12，此時系統(tǒng)顯示紅燈并彈窗提示駕駛員必須更換潤滑油，如圖8所示。

當②號發(fā)動機行駛至1 000 km時，介電常數(shù)為1．13，此時系統(tǒng)顯示綠燈，表明油液狀態(tài)為健康運行；當行駛至12 000 km后，介電常數(shù)上升至3.92，此時系統(tǒng)顯示黃燈，提示油液處于污染中期。而當行駛至18500 km時，介電常數(shù)的值達到4.08，此時系統(tǒng)顯示紅燈并彈窗提示駕駛員必須更換潤滑油，如圖9所示。

3.2.3 故障預(yù)警

本文所述系統(tǒng)還具有通過分析潤滑油的理化參數(shù)來預(yù)判發(fā)動機磨損程度及故障類別的功能。系統(tǒng)以監(jiān)測到的油液黏度、水分和介電常數(shù)的實時數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，將點火系統(tǒng)故障、潤滑系故障、燃油系故障這3種故障類型以及對應(yīng)的分析結(jié)果作為輸出。為了構(gòu)建故障診斷系統(tǒng)，選取了正常狀態(tài)、點火系故障、潤滑系故障、燃油系統(tǒng)故障這4類數(shù)據(jù)，每類數(shù)據(jù)各200組，其中80%為訓(xùn)練樣本，20%作為測試樣本。對上述方案的數(shù)據(jù)分別進行模型訓(xùn)練，最終構(gòu)建的故障診斷系統(tǒng)準確率高達98%。具體故障及類型及診斷結(jié)果參見表2。

抽取正常狀態(tài)下的油液與3種故障類型的油液各3組，其故障診斷類型和分析結(jié)果如表3。

通過所獲得的診斷結(jié)果發(fā)現(xiàn)，潤滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠為發(fā)動機的狀態(tài)評估提供科學(xué)依據(jù)，為維修人員提供技術(shù)上的支持，并有效節(jié)約了發(fā)動機系統(tǒng)故障的檢測與維修時間。

驗證結(jié)果表明：（1）在線監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與實驗室對油品進行檢測的理化參數(shù)值的誤差小于3%，這說明該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的監(jiān)測和采集方面具有極高的準確性；（2）在正常情況下，潤滑油廠家所規(guī)定的換油周期遠遠低于潤滑油實際達到換油指標的周期。因此，該系統(tǒng)能顯著提高資源的利用率，減少潤滑油及其原材料的浪費和消耗；（3）基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對發(fā)動機潤滑系統(tǒng)進行故障診斷與分析，該模型的泛化能力較好，對故障類型的分類準確率高達98%。故障診斷及結(jié)構(gòu)分析的有效實施，不僅避免了事故的發(fā)生，還在更大程度上節(jié)約了故障解除所需的人力物力成本。

4 結(jié)論

本文研究設(shè)計了一種集“多傳感器集成和軟件平臺開發(fā)”于一體的車用潤滑油在線監(jiān)測綜合性預(yù)警產(chǎn)品。該產(chǎn)品不僅能夠?qū)崟r采集并呈現(xiàn)發(fā)動機潤滑油的相關(guān)數(shù)據(jù)，及時給出潤滑油更換提示，還能對發(fā)動機故障進行預(yù)診斷和分析。

潤滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)的最突出特點是其強實時性和高數(shù)據(jù)準確性，這是離線檢測技術(shù)所無法比擬的。Labview虛擬儀器系統(tǒng)提供的便捷彈窗式信息提示功能，使駕駛員能夠更加方便、及時地掌握換油時機，從而提高了車輛的性能。該系統(tǒng)在降低設(shè)備運行成本、延長設(shè)備使用壽命、提高整體運營安全性和可靠性等方面具有重要意義。此外，該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景和參考價值，可以應(yīng)用于各種動力機械的油液系統(tǒng)中。

《商用汽車》雜志征稿啟事

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