（控制理论与控制工程专业论文）球磨机振动信号采集与无线传输装置的设计与开发.pdf

1， at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g 型f l l r l f iir 1 1 iii ii i l i i f y 18 4 31 8 i i i i 3 i 1 1 1 1 d e s i g na n dd e v e l o p m e n t o fb a l lm i l lv i b r a t i o n s i g n a la c q u i s i t i o na n d w i r e l e s st r a n s m i s s i o n d e v i c e b yt a nr e n p e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h a it i a n y o u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名： 诨仁) q 鸭 签字日期 ： 勿汐7 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口年半口 学位论文作者签名：章弘1 日嚆 两年口 f 鼍。” 新虢豳 签字日期： 彻7 - 7 、 签字日期： 矽7 7 l7 t 东北大学硕士学位论文 一 摘要 球磨机振动信号采集与无线传输装置的设计与开发 摘要 球磨机是矿物加工过程进行物料粉碎的关键设备。球磨机负荷( 包括钢球量、矿石 量以及水量) 是磨矿过程的重要参数，直接关系到磨矿的效率和能耗。而球磨机的振动 是反映球磨机负荷的重要指标。为了提高磨机运行的稳定性和经济性，提高生产效率， 节能降耗，本文依托国家“8 6 3 ”计划科研项目开展了球磨机负荷检测系统的设计，本 文开发了振动信号采集与无线传输装置，为磨机负荷检测的软测量建模提供硬件平台。 并对球磨机振动信号采集与无线传输装置进行了验证，试验结果验证了系统的可行性。 本文的主要工作内容如下： ( 1 ) 针对球磨机运行的工业现场环境，综合考虑对球磨机的外部响应振动、声音、 电流，以及球磨机进出口给水量和矿浆浓度等因素，进行了球磨机负荷检测系统总体方 案的设计。 ( 2 ) 设计了球磨机振动信号采集与无线传输装置。该装置应用基于m e m s 技术的传 感器采集磨机转动筒壁上的振动信号，利用无线通信方式传送数据。包括振动信号采集 与数据处理的发射端和为软测量建模分析提供平台的接收端。 ( 3 ) 设计并开发了球磨机振动信号采集与无线传输装置的软硬件系统。硬件系统由 发射端系统和接收端系统两部分组成，硬件系统的开发包括：传感器模块、a d 模块、 d s p 模块、无线通讯模块以及串口通讯模块等功能模块的开发。软件系统程序设计包括： 发射端主程序、接收端主程序、a d 子程序、无线通信子程序、串口子程序等。 ( 4 ) 在所设计的振动信号采集与无线传输装置上对系统的功能进行了验证。研究结 果表明：该装置在进行振动信号采集与传输上得到了与已知的球磨机振动信号相一致的 时域频域特性。 关键词：球磨机负荷；振动；d s p ；无线通信 东北大学硕士学位论文摘要 1 1 1 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fb a l im i l lv i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o n a n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o nd e v i c e a b s t r a c t b a l lm i l li st h ek e ye q u i p m e n ti nm i n e r a lg r i n d i n gp r o c e s s i n g t h eb a l lm i l ll o a d i n c l u d i n gt h ev o l u m eo ft h eb a l l ，o r e s ，a sw e l la sw a t e ri sa l li m p o r t a n tp a r a m e t e ri nt h e p r o c e s so fo r eg r i n d i n g ，w h i c hi s c o n n e c t e d 、i t l lt h e g r i n d i n ge f f i c i e n c y a n de n e r g y c o n s u m p t i o n v i b r a t i o no fb a l lm i l li sar e f l e c t i o no fa ni m p o r t a n ti n d i c a t o ra b o u tt h el o a d i n o r d e rt oi m p r o v eb a l lm i l lr u n n i n gs t a b i l i t y ，e c o n o m ya n de f f i c i e n c y ，t os a v ee n e r g ya n dt o p r o t e c tt h ed e v i c e ，i ti sa t t r a c t i v et od e v e l o pab a l lm i l ll o a dm e a s u r e m e n ts y s t e m s u p p o r t e d b y “8 6 3p r o j e c t ”r e s e a r c ht o p i c s ，b a l l m i l lv i b r a t i o ns i g n a l a c q u i s i t i o na n dw i r e l e s s t r a n s m i s s i o nd e v i c eh a sb e e nd e s i g na n dd e v e l o p m e n ti nt h i st h e s i s ，t op r o v i d et h eh a r d w a r e p l a t f o r m f o rs o f ts e n s o r m o d e l i n go f b a l lm i l ll o a dt e s t i n g c o m b i n e d 、加mt h e e x p e r i m e n t - d a t a , v e r i f y i n gt h ed e v i c eh a sb e e nf e a s i b i l i t y t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ei n d u s t r i a le n v i r o n m e n to ft h eb a l lm i l l ，t h i st h e s i sd e s i g n sao v e r a l l p r o g r a mo fab a l lm i l ll o a dd e t e c t i o ns y s t e mw h i c ht a k e si n t oa c c o u n to ft h em i l le x t e r n a l r e s p o n s et ov i b r a t i o n ，s o u n d ，c u r r e n t ，a sw e l la si m p o r ta n de x p o r tb a l lm i l lt ot h ew a t e ra n d t h ec o n c e n t r a t i o no fp u l pe t c ( 2 ) t h i st h e s i sd e s i g n sab a l lm i l lv i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o na n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o n d e v i c e t h ed e v i c ea p p l yv i b r a t i o ns e n s o rb a s e do nm e m st e c h n o l o g y ，t ob ei n s t a l l e di nt h e m i l lr o t a t i n gc y l i n d e rw a l la n du s i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h ed e v i c ei n c l u d e st h e t r a n s m i t t e rf o rv i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o na n dd a t ap r o c e s s i n ga n dt h er e c e i v e rt op r o v i d ea p l a t f o r mf o rs o f t s e n s i n gm o d e l i n ga n a l y s i s ( 3 ) t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m sa r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e di nt h i st h e s i s t h e d e v e l o p m e n to ft h eh a r d w a r es y s t e mm a i n l yi n c l u d e st r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rs y s t e m t h e d e v e l o p m e n to ff u n c t i o n a lm o d u l e sm a i n l yi n c l u d e ss e n s o rm o d u l e ，a dm o d u l e ，d s p m o d u l e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea ss oo n s o f t w a r es y s t e md e s i g ni n c l u d e ：m a i nt r a n s m i t t e r ，m a i nr e c e i v e r ，a ds u b r o u t i n e ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns u b r o u t i n e ，s u b r o u t i n e sa n ds e r i a lp o r te t c ( 4 ) t h ev i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o na n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o ne q u i p m e n to nt h ef u n c t i o n i sv e r i f i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h ed e v i c ei nt h ev i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o na n d t r a n s m i s s i o nh a sb e e ni na c c o r d a n c ew i t ht h ek n o w nv i b r a t i o nt h es i g n a li nt i m ed o m a i n f r e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e r i s t i c s p “ j 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t k e y w o r d s ：b a l lm i l ll o a d s ；v i b r a t i o n ；d s p ；w i r e l e s st r a n s m i s s i o n v 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景与意义1 1 2 球磨机负荷检测研究的发展现状及趋势2 1 3 球磨机振动信号采集传输装置研究现状5 1 4 本文主要工作及论文结构6 1 4 。1 本文主要工作6 1 4 2 论文结构6 1 5 本章小结7 第2 章球磨机振动信号采集与无线传输装置的总体设计9 2 1 引言9 2 2 球磨机的结构和工作原理9 2 2 1 磨矿过程工艺描述9 2 2 2 球磨机的结构和工作原理1 0 2 3 球磨机负荷检测系统功能分析与总体结构设计1 1 2 3 1 系统功能分析1 1 2 3 2 系统总体结构设计1 2 2 4 球磨机振动信号采集与无线传输装置的设计1 6 2 4 1 装置结构框图1 6 2 4 2 系统功能划分及数据量估计1 6 2 4 3 硬件平台选择l7 2 5 硬件系统抗干扰性设计2 l 2 5 1 电路系统中干扰的产生途径及解决办法介绍2 1 2 5 2 本装置所采用的抗干扰性设计2 2 2 6 本章小结2 3 第3 章球磨机振动信号采集与无线传输硬件系统设计与开发2 5 v i 东北大学硕士学位论文目录 3 1 引言2 5 3 2 发射端硬件系统设计与开发2 5 3 2 1 传感器模块2 5 3 2 2 滤波电路模块2 6 3 2 3a d 模块2 7 3 2 4 发射端数据处理模块3 0 3 2 5 外部存储器模块3 2 3 2 6 无线通信模块3 3 3 3 接收端硬件系统设计与开发3 7 3 3 1 无线通信模块3 7 3 3 2 接收端数据处理模块3 8 3 3 3 串口通信模块3 9 3 4 本章小结4 l 第4 章球磨机振动信号采集与无线传输软件系统设计与开发4 3 4 1 引言4 3 4 2 软件系统架构设计4 3 4 - 3 主程序开发4 4 4 4 子程序开发4 6 4 4 1 初始化子程序模块开发4 6 4 4 2a d 子程序开发4 7 4 4 3 无线通讯子程序开发4 8 4 4 4 串口子程序开发4 9 4 5 本章小结5 0 第5 章系统实验验证51 5 1 引言5 l 5 2 实验设计51 5 3 实验环境5 1 5 4 实验数据预处理5 2 5 4 1 波形失真度的分析5 2 5 4 2 频率泄漏问题5 3 5 4 3 频率分辨率和采样点数、采样频率之间的关系5 3 5 4 4 相关函数分析5 4 5 5 实验过程5 4 5 6 实验结果分析5 7 v i i 东北大学硕士学位论文 5 7 本苹小结 第6 章结论与展望 6 1 工作总结 6 2 工作展望 参考文献 致谢 v i i i 东北大学硕士学位论文 目录 i x ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备，具有结构简单、单体容量大、 破碎比高、产量大、连续运行稳定等优点，对各种矿石和其它可磨性物料进行干式或湿 式粉磨，成为目前磨矿的一种主要设备，广泛地应用于选矿、水泥、陶瓷、化工、建筑 和电力等行业。 随着我国市场经济的不断发展和完善，各类企业都十分重视产品的高质量、低成本， 以求提高自身的市场竞争力和经济效益，矿山选矿生产过程中也不例外。在矿山选矿生 产过程中，磨矿作业是整个选矿厂生产工艺流程中最关键的工序，它起着承上启下的作 用。磨矿作业在选矿厂的基建投资和生产费用( 主要是电耗、钢耗) 中占有很大的比例， 同时磨矿作业也是整个选矿厂的生产“瓶颈”，直接关系到选矿生产的处理能力、磨矿 产品的质量( 粒度特性、单体解离度、磨矿产品的浓度等) ，对后续工序( 特别是浮选作 业) 的质量乃至整个选矿厂的经济技术指标有很大的影响【1 1 。因此，控制磨矿过程以改善 磨矿过程、提高磨矿效率，对提高选矿厂的技术经济指标具有重大意义。 球磨机负荷是指球磨机中钢球负荷、矿石负荷以及水负荷，它是磨矿过程的重要参 数，直接影响到磨矿的效果。磨机负荷的检测对矿物加工过程有着十分重要的意义。磨 机的钢球负荷代表着磨机的研磨能力，也间接反应了磨机的生产能力，在运行过程中， 随着矿石的研磨钢球会不断磨损，因此检测钢球负荷以便适时加入适量钢球是非常必要 的；矿石负荷是指在耗电量一定的情况下，磨机磨矿的多少，它是磨机负荷最重要的考 察因素，直接关系着磨机的生产效率，磨机负荷的检测最关键就是检测其矿石负荷；水 负荷反应了磨机的研磨条件是否适宜，同时它也与磨矿浓度密切相关，磨矿浓度的大小 对矿石的研磨都有一定的影响，因此磨机运行过程中水量的检测也是非常必要的。而磨 机的总负荷又决定了磨机的整体能耗和效率，因此研究磨机负荷的检测对于磨矿过程优 化控制、节能降耗有着非常重要的意义。 在实际生产过程中，由于矿石性质的波动以及一系列外界因素的干扰和操作水平的 差异等，使球磨机的负荷难以维持在最佳水平，不能充分发挥球磨机的功效。因此，在 磨矿过程自动控制中，球磨机负荷的检测和控制是球磨机自动控制最重要的内容。能否 准确地检测出球磨机的负荷是整个球磨机优化控制成败的关键【2 】。但长期以来，由于球 磨机负荷检测难度大、精度不高、性能不稳定，造成生产过程无法闭环控制，自动化程 度不高，而且由于是操作人员凭经验进行控制，控制效果不理想，过程不稳定，控制结 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 果受人为因素的影响大，造成大量能源的浪费。目前在选矿生产中磨机的电耗约占2 3 ， 普遍存在磨矿效率低，其9 0 的能量为损耗。因此，控制磨机负荷使之在最佳工作状态 下运转是提高磨机磨矿效率、提高产量、降低电耗的重要途径。如果能够及时、准确、 稳定的检测到球磨机的负荷参数，就可以根据检测结果通过适当的控制算法变换，直接 控制给料量，保证球磨机工作在最佳运行状态。 为解决上述问题，本文将设计一种用于球磨机负荷检测系统，该系统能够准确地检 测出球磨机的负荷参数：介质充填率、料球比和磨矿浓度( 可求解出球负荷、物料负荷 和水量) 提供硬件平台，最终根据需要来调整介质加入量、给矿量及给水量，从而达到 实现球磨机优化实时控制的目的。 嵌入式是近几年发展起来的一项新兴技术，具有广阔的应用前景，而本课题正是该 项技术的重要应用之一。球磨机工作时要发出巨大噪音、粉尘严重，工人长期在这种恶 劣环境中工作，对身体健康损害较大，利用无限射频通信将球磨机负荷情况接入控制室， 便可以观察现场设备的运行状况及各种参数，即不必亲临现场，实现对远程被控对象的 监控，以节省大量的交通、人力。 1 2 球磨机负荷检测研究的发展现状及趋势 早期球磨机负荷检测采用的是直接检测方法，这种方法在1 9 7 3 年第十届国际选矿会 议上由捷克斯洛伐克布拉格矿山研究院b l a n s t i a k 报道过【3 1 。直接检测法是通过测定球 磨机内矿浆的液面高度来确定球磨机的负荷，但只能检测出球磨机中的矿浆面，而介质 充填率、料球比和磨矿浓度则不能检测出来，而且实现起来比较困难，所以这种方法一 直未能得到推广应用。 目前在工业生产中应用比较广泛的是球磨机负荷的间接检测方法，即根据球磨机的 内部负荷与外部响应之间存在一定的规律，通过检测出球磨机引起的外部响应来间接地 识别出球磨机的内部负荷。球磨机负荷的间接检测方法是目前工业生产中的常用方法， 它分为单因素检测和双因素检测。 ( 1 ) 单因素法 单因素检测法包括声响法、有用功率法、振动法、压力传感器法、差动电磁传感器 法、霍尔功率变送器法和示踪原子法。各种检测方法都有其优缺点和局限性。 ( a ) 声响法 声响法的实质就是由于球磨机噪音强度和球磨机中物料负荷之间存在着关系。因此， 根据球磨机所产生噪音的不同就可以确定球磨机内的物料负荷状况。声响法检测球磨机 负荷既可以用于湿式磨矿又可以用于干式磨矿，相对其它方法来说，测量信号比较灵敏。 这种方法遇到的主要问题是其它磨机所产生的干扰，传感器的位置必须选择正确，以避 - 2 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 免这种干扰现象。另外，声响法只能确定料球比，而不能确定介质充填率，也不能确定 磨矿浓度。国内梅山选矿厂、河北金厂峪选矿厂、安庆铜矿选矿厂、攀枝花选矿厂、大 孤山选矿厂、桃林铅锌矿选矿厂、大冶铁矿选矿厂等，都使用电耳检测。 ( b ) 有用功率法1 4 j 在磨矿过程中，用于带动磨机简体内磨矿介质和矿浆一起转动的功率称为有用功率。 根据理论推算和实际检测结果表明：随着球磨机负荷的增加，开始时球磨机电机的有用 功率明显上升，到达某一极值后，随着球磨机负荷的增加，有用功率值反而下降，此极 值可以认为是球磨机负荷的最佳点。因此，有用功率直接与球磨机负荷有关。有用功率 法检测信号受周围环境的影响比较小，检测结果比较准确。但检测信号灵敏度不高，影 响控制效果，而且影响有功功率的因素较多。因此，单靠球磨机的有用功率信号既不能 确切判断球磨机中介质充填率的水平，也不能确切判断料球比的水平。 我国云南易门铜矿木奔选矿厂、铜陵凤凰山铜矿选矿厂、云南大姚铜矿选矿厂、德 兴铜矿选矿厂等，都使用了有用功率法进行检测。 ( c ) 振动法 球磨机运转时，研磨体和物料偏于磨机的一侧，并不断地滚滑和下落，冲击研磨物 料，磨机的转动部分处于严重的不平衡状态，造成不平衡的离心力，使磨机系统振动。 在磨机转速不变时其振动强度与被磨物料的多少有关，检测出磨机的振动强度就可间接 反映出磨机中物料负荷的情况。振动法检测信号的灵敏度比较高，能随时显示球磨机内 物料的变化。这对检测球磨机物料负荷非常有利，而且不受周围噪声源的影响，传感器 密封好，能有效防水、防尘，因而可以适应选矿厂的恶劣工作环境。但是当电网电压特 别是电网频率发生变化时，磨机转速的微小波动，或者磨机内研磨体的损耗等的影响会 使物料负荷控制点产生漂移，影响检测和控制质量。振动法不能检测出磨矿浓度的大小 以及介质充填率。 我国山东招远罗山金矿选矿厂使用这种方法检测磨机负荷。 ( d ) 压力传感器法 利用一种负荷传感器安装在球磨机的给矿端和排矿端的轴承下连续对磨机称重，从 而确定球磨机内球介质、矿石和水的总量，确定磨机的负荷。这种方法的优点是简单， 其缺点是检测精度不高，不能准确检测出球磨机中球介质、矿石和水各自的量。另外， 球磨机衬板的磨损、矿石性质的变化、钢球添加前后质量的变化等都会对检测结果产生 比较大的影响。国内河东金矿使用的是荷重传感器。 南非某研究所通过在磨机内安装压力传感器的方法来测定磨机内负荷的情况，为确 定磨机的负荷提供了一种新方法。该方法是在磨机内衬上安装了一个能测定径向压力和 切向压力的传感器，由压力传感器测量得到的信息通过传导引入微机，微机可以将信号 - 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 进行处理，得到频谱图。通过分析可以知道球负荷和物料负荷的比例。通过这个压力传 感器的传递，掌握了大量磨机内运行的状态。该检测系统的数据传递是一大难题。国际 控制公司根据这种原理生产的磨机监控系统可以将磨机内的信息通过无线电发射到微 机进行接收，微机进行全面的分析并进行控制，该系统报价大约为3 0 万美元左右。 j k o l a c z 采用一个压电应力传感器来测量磨机壳体应力的变化【5 1 。传感器安装在磨 机壳体应力变化最大的中间部位，当传感器位于磨机简体顶部时，测量的是压力，而位 于简体底部时则测量的是张力。根据读数的变化来计算总压力的变化，该压力变化与磨 机负荷成比例。 一 ( e ) 差动电磁传感器法【6 】 差动电磁传感器法由保加利亚中央综合自动化科学研究所研究，并已经获得专利。 它仅测量磨机壳体振动的有用信号部分，并消除一般的干扰信号。该传感器可安装在距 离球磨机机壳7 0 一8 0 m m 处，在该距离范围内，输出信号几乎与距离变化无关。传感器的 可靠性和灵敏度高，信号输送延迟较小。但这种检测系统不能检测出球磨机的介质充填 率、料球比以及磨矿浓度的具体数值。 ( f ) 霍尔功率变送器法【7 】 采用测量分级机返砂量的方法间接反映球磨机负荷。返砂量的测量，采用霍尔功率 变送器测量分级机的电功率，这个测量不要求测量功率的绝对值，故仅测双螺旋分级机 内旋三相电动机的单相功率变化值，反映返砂量的相对变化，以此实现球磨机负荷的自 动控制。国内河北铜矿选矿厂使用这种传感器测量磨机负荷。 ( g ) 示踪原子法 国外曾经进行过这种方法的研究。其主要原理就是利用示踪原子来确定物料在球磨 机中的滞留时间，从而计算出被磨物料滞留在球磨机中的量。但这种方法由于精确度不 高，实施困难而未能在实际中得到应用。 ( 2 ) 双因素法， 双因素检测法包括：功率一声响双信号检测、声响一振动双信号检测、功率一振动双信 号检测等。 ( a ) 功率一声响双信号检测【8 1 东北大学杨小生提出了采用功率一声响双因素联合，来检测和控制球磨机负荷。它是 根据声响来判断料球比的值，然后再结合有用功率值得到介质的充填率。但这种方法不 能确定磨矿的浓度及钢球的配比。国内大石河选矿厂、尖山铁矿选矿厂等使用了这种检 测方法。 ( b ) 声响一振动双信号检测1 9 】 该方法的研究结果表明，振动信号的变化与磨矿操作参数的变化紧密相关。球磨机 4 广 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的功耗和产品粒度主要与机械振动信号有关，而其它因素则主要与声音振动信号有关。 并指出，通过振动信号的测量，可以监测磨矿操作参数的变化情况。 ( c ) 功率一振动双信号检测 昆钢罗茨铁矿、山东焦家金矿、金川公司选矿厂等使用了这种检测方法。与检测单 一信号相比，双信号检测和控制更加及时、准确。但总体来说，仍然不能确定球磨机内 部状态。 由于球磨机负荷包括球负荷、物料负荷以及球磨机中的水量，靠单因素检测不能实 现球磨机负荷的准确检测，更无法判断球磨机的介质充填率、料球比和磨矿浓度；双因 素检测虽然较单因素检测前进了一步，但仍无法判断球磨机的磨矿浓度。综上所述，单 因素检测和双因素检测都无法准确判断球磨机的内部工作状态( 即介质充填率、料球比 和磨矿浓度) ，因此难以实现球磨机的最优控制。 球磨机负荷检测的发展趋势应该是多因素联合检测( 至少应该是三因素) ，通过建立 外部响应与内部参数之间的数学模型，用以判断球磨机的介质充填率、料球比和磨矿浓 度，并将其在硬件上实现，最终研制精确、实用的球磨机负荷检测装置，实现球磨机负 荷的准确、及时检测，为磨矿过程的优化实时控制奠定基础。 1 3 球磨机振动信号采集传输装置研究现状 振动法检测球磨机负荷情况已经被广泛应用于工业界。目前，国内采用将压电式加 速度传感器安装在球磨机前后轴承座来检l l t * f 部响应，通过有线传输将数据传输到上位 机，然后根据采集到的信号进行分析了解其内部负荷【1 m 1 3 1 。这种方案主要存在的不足是： ( 1 ) 球磨机运行时，钢球物料与滚筒之间，钢球之间，钢球与物料之间，产生的撞 击造成球磨机振动，这些撞击传递到球磨机滚筒上，再由滚筒传递到轴承座上，由于现 场环境中多台磨机同时工作，引入的外界干扰相对较大，很难准确的判断球磨机内部负 荷情况； ( 2 ) 硬件实现一般是由一些检测仪表和通用计算机控制系统( p c 机) 组成，由于需 要有线传输，系统庞大，而且由于环境恶劣，其工作可靠性差； ( 3 ) 由于采用压电式加速度传感器，供电电压相对较高( 一般在1 2 2 4 v d c ) ，体积 较大，同时需要对信号进行电荷放大器、电荷电压转换等处理。 国外采用振动法检测球磨机负荷则是将振动传感器安装在球磨机滚筒上，安装传感 器的个数和位置不尽相同，在球磨机端实现对信号的简单处理后，通过无线射频将信号 传送到上位机【1 4 】【1 5 】，但其价格昂贵。 综合考虑国内外振动法检测磨机负荷检测情况，本文开发一种性价比高，适合中国 国情的球磨机负荷检测设备是非常必要的。本文设计开发一种安装于球磨机滚筒上的振 。5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 动信号采集传输装置。利用软测量方法来研究外部响应与内部负荷之间的关系，并由此 建立球磨机外部响应与内部负荷参数的模型。 1 4 本文主要工作及论文结构 1 4 1 本文主要工作 由于磨矿过程机理复杂、影响因素多，又是一个多变量输入输出过程，生产过程缓 慢，滞后时间长，同时具有非线性、时变性以及干扰因素多而严重等特点。此外，球磨 机机组庞大，噪声高达l o o d b 。在这种相当恶劣的工作环境下，如果用传统的单一传感 器来观测球磨机的外部响应信息，显然是难以胜任的。 本文设计一种多因素球磨机负荷检测系统，通过检测球磨机的振动信号、声音信号、 电流信号，综合考虑给矿量、入口给水量、出口给水量和矿浆浓度等因素，利用软测量 模型最终得出系统的负荷情况。这一设计方案可以增强获取的球磨机外部响应信息的冗 余性和互补性，减少整个系统的不确定性；当某一环节失效时，其它环节提供的冗余信 息则可以排除故障信息，从而提高系统的准确性。 本文主要工作是设计开发一款球磨机负振动信号采集与无线传输装置，将振动传感 器安装在球磨机筒壁上，需采用自供电系统，利用无线传输设备将采集的数据传输到上 位机，为软测量在线估计磨机负荷情况提供硬件平台。 本文设计的主要内容： ( 1 ) 球磨机振动信号采集与无线传输装置的总体设计方案； ( 2 ) 球磨机振动信号采集与无线传输硬件系统的设计与开发； ( 3 ) 球磨机振动信号采集与无线传输软件系统的设计与开发； ( 4 ) 球磨机振动信号采集与无线传输系统的验证。 1 4 2 论文结构 第一章：介绍整个球磨机负荷检测的背景及发展现状，以及球磨机振动信号采集传 输硬件系统的研究现状，并对本文工作和论文结构进行了介绍。 第二章：阐述球磨机负荷检测系统的总体设计思想，从总体上描述球磨机振动信号 采集与无线传输硬件系统的各部分功能和结构，并对硬件系统中所用器件的选型方法进 行了详细介绍，最后详述了系统的抗干扰设计。 第三章：介绍振动信号采集与无线传输系统的硬件系统的设计与开发，分节对硬件 系统的各个子模块的开发进行描述。 第四章：描述与底层软件紧密相关的软件系统的工作。因为硬件系统的工作离不开 软件系统的支持，所以在做硬件开发时，离不开与之配套的软件程序，该章对硬件系统 6 东北大学硕士学位论文 1 第1 章绪论 中所涉及到的软件程序进行了介绍。 第五章：对本文设计的球磨机振动信号采集与无线传输装置的功能进行实验验证， 并对验证结果进行分析。 1 5 本章小结 本章主要阐述了球磨机负荷检测的研究背景及发展现状，并对球磨机振动信号检测 硬件系统的发展现状进行了介绍，在本章的最后介绍了本文的主要工作及总体结构。 7 东北大学硕士擘位论文第1 章绪论 东北大学硕士学位论文 第2 章球磨机振动信号采集与无线传输装置的总体设计 第2 章球磨机振动信号采集与无线传输装置 的总体设计 2 1 引言 球磨机负荷检测是提高自动化程度的重要组成部分。球磨机负荷检测是通过对外部信 号的检测和分析，得出其内部负荷情况。本章从工业现场的实际情况和软测量对数据量 的要求出发，来阐述球磨机负荷检测的总体设计思想，以及球磨机振动信号采集与无线 传输装置的总体结构。 2 2 球磨机的结构和工作原理 2 2 1 磨矿过程工艺描述 磨矿作业是矿石破碎过程的继续，是分选前准备作业的重要组成部分，是矿石在选 别前的最后一次加工。在选矿工业中，当有用矿物在矿石中呈细粒嵌布时，为了能把脉 石从矿石中除去，并把各种有用矿物相互分开，必须将矿石磨细。磨矿的目的是要使矿 石中的有用成分全部或大部分达到单体分离，同时又尽力避免过磨现象，达到选别作业 的粒度要求。 我国选矿行业基本都采用图2 1 所示的两段闭路磨矿工艺流程【l6 1 ，一段球磨机与螺 旋分级机构成了一段磨矿闭路，二段磨矿回路是由二段球磨机、泵池和水力旋流器组成。 具体的工艺流程如下：经处理过的原矿石和一定比例的水进入一段球磨机进行研磨，研 磨后的矿浆( 矿水混合物) 排入螺旋分级机，同时为分级机补加水，分级机返砂再送入一 段球磨机形成循环负荷，分级机溢流进入二段泵池，同时在泵池入口补加一定量的水， 泵池内的矿浆由底流泵以一定的流量和浓度打入旋流器，矿浆在旋流器内部离心力的作 用下进行分级，符合要求的细粒级矿浆从溢流口排放以进入下段选别工序( 如磁选、浮选、 电选等) ，粗粒级矿浆由旋流器沉砂口排入二段球磨机再磨，形成二段磨机的循环负荷。 9 东北大学硕士学位论文第2 章球磨机振动信号采集与无线传输装置的总体设计 图2 1 磨矿分级工艺流程 f i g 2 1g r i n d i n ga n dc l a s s i f i c a t i o nt e c h n i c sf l o w 球磨机是磨矿过程的主要设备，其结构简单、规格可大可小，破碎比大，既可湿磨又可 干磨，可用于处理各种矿物原料及不同规模的生产企业，而且生产稳定、易于实现自动 化控制，目前任何磨机都无法与之相比。 2 2 2 球磨机的结构和工作原理 1 进料管；2 主轴承；3 传动齿轮：4 转动筒体；5 出料管；6 减速器；7 出料管 图2 2 球磨机结构图 f i g 2 2s t r u c t u r eo fb a l lm i l l 球磨机结构【l l 】如图2 2 所示，主要由进出料装置、主轴承部件、传动部件、转动部件、 减速部件和电动机等组成。通常的球磨机主体是一个直径为2 - - - 4 m ，长3 - l o m 的圆筒， 简体一边为原料进口，另一边为研磨后的矿物和水混合物的出口。筒内装有大量直径为 2 5 6 0 m m 的钢球，滚筒内壁衬装波浪型锰钢衬板，筒身两端是架在大轴承上的空心轴颈。 球磨机运行时，电动机经过联轴器减速机及大齿轮减速传动而带动筒体以低速旋转，在 离心力和摩擦力的作用下，护甲将钢球及原料提升至一定的高度，然后在自身重力作用 下沿抛物线落下，原料主要被钢球击碎，同时还受到钢球之间、钢球与护甲之间的挤压 】0 东北大学硕士学位论文第2 章球磨机振动信号采集与无线传输装置的，总体设计 与研磨。磨矿过程包括了压力研磨、摩擦研磨以及冲击破碎的三个过程。冲击破碎作用 在球磨机磨矿过程中是主要的，同时矿石还受到钢球间的挤压和研磨、钢球与衬板间的 碾压。图2 3 为球磨机工作原理图，反映运行中的三个过程。 i 压力研磨、i i 摩擦研磨、冲击研磨 图2 3 球磨机工作原理 f i g 2 3w o r kp r i n c i p l eo fb a l lm i l l 2 3 球磨机负荷检测系统功能分析与总体结构设计 2 3 1 系统功能分析 球磨机负荷检测系统主要完成以下功能【1 7 之1 】： ( 1 ) 球磨机外部响应信号的检测 球磨机的外部响应信号是指所有能反映球磨机内部负荷的因素，包括声响，振动，电 流等。通过信号采集装置将外部响应信号传输到a d 转换器，再由处理器对信号进行处 理及分析。 ( 2 ) 信号处理与分析 要识别球磨机内部负荷参数，关键在于提取外部响应信号中与球磨机内部负荷参数相 关的信号特征。而信号的特征往往淹没在各种各样的噪声中，所以就必须采取有效的信 号处理方法，来提取有用的信号。 由于现场环境恶劣，球磨机以及现场其他设备之间产生很强的信号干扰，所以必须进 行滤波去噪声处理。同时，为了反映球磨机的内部负荷状况，必须将振动信号进行频谱 分析和软测量建模。将信号处理与分析分别在发射端和接收端两部分实现： ( a ) 发射端实现功能： 将振动传感器采集的振动信号，经过a d 转换器转换为数字信号，传送到处理器中， 处理器对其进行滤波、频谱分析、频谱提取等处理，最后将处理过的数据通过无线通信 设备传送出去。 ( b ) 接收端实现功能： 将无线通信模块接收的来自球磨机上经过频谱分析的振动数据、采集到的声音、电流 一 东北大学硕士学位论文 第2 章球磨机振动信号采集与无线传输装置的总体设计 信号、入口出口给水量和矿浆浓度等参数，送到处理器中，再由软测量模型对磨机内部 参数的分析，得到球磨机的内部负荷情况( 介质充填率、料球比与磨矿浓度) 。 ( 3 ) 结果输出 通过对检测的外部响应信号建模预测参数模型，得出的球磨机内部负荷参数：介质 充填率、料球比、磨矿浓度等输出给用户。 2 3 2 系统总体结构设计 山东中钢集团苍山选矿厂的自动化系统正在调试运行阶段，部分控制回路未完成闭 环，全厂运行未达产，现场有停磨调试机会。这样，为我们采集球磨机壳体原始振动信 号和系统安装提供了便利机会。现场电磁环境复杂，磨矿工序包括以下强磁设备：一段 球磨机入口湿式预选为磁选，除旋流器外，还包括一次、二次、三次磁选机及浓缩磁选， 并且现场基础为钢结构，设备排列紧凑，现场电磁干扰严重。结合现场实际情况及北京 调研相关情况，制定了系统方案。 ( 1 ) 传感器的安装和布局 图2 4 发射端安装图 f i g 2 4i n s t a l l a t i o no ft h et r a n s