专利名称：数字式多功能磨机负荷监测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种能够准确监测水泥厂、火电厂磨机负荷、钢球装载量及运行状态的仪器。
背景技术：
磨机广泛用于发电、水泥、选矿等各个行业，作为这些行业的重要设备和耗电大户，对这些行业的安全生产至关重要，同时又是这些行业的重点节能挖潜之处。目前，上述这些传统行业中普遍存在能源消耗高、粉尘和噪声污染严重、产品质量不稳定、劳动生产率低等问题，运用磨机负荷控制可大幅度降低电耗、钢耗，增加磨机出力，降低噪音，减少粉尘污染，提高运行效率。因此如何准确监测磨机负荷成为关键和难点。
由于磨机工作环境差，粉尘污染大，内部环境恶劣，因此无法直接测量其负荷，只能通过间接法检测。目前，应用于磨机负荷监测的信号有磨机电流、振动信号、磨机电耳等，但都存在一定问题，要么准确性差，要么在某一阶段灵敏度差，要么难以标定，无法满足现场监测和控制需要。
发明内容
本实用新型的目的在于，提供一种数字式的多功能磨机负荷监测仪，该监测仪应用最新的SOC技术和数字信号处理技术，能够对磨机负荷、背景噪音、钢球装载量、磨机运行状态的统一监控。
为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案一种数字式多功能磨机负荷监测仪，其特征在于，其电路部分包括用于提供±15V、±5V、+3.3V的电源模块、用于提供+2.5V参考电压的电压基准电路，还包括有电流信号、声音传感器、信号匹配器、信号滤波器、RMS-DC转换器、AD转换器、微控制器、LCD显示模块、通讯电路、参数存储器、DA转换器、电压和电流转换器和系统监控电路；声音传感器监测的两路噪音信号进入信号匹配器，信号匹配器通过依次连接的信号滤波器、RMS-DC转换器、AD转换器与微控制器相连通，电流信号也和AD转换器的输入端相连；电压基准电路15输出的+2.5V参考电压分别与AD转换器和DA转换器的参考源输入端相连，微控制器上还分别连接有系统监控电路、LCD显示模块、RS485通讯模块、参数存储器、DA转换器；其中DA转换器与电压和电流转换器相连接。
所述的信号匹配器采用AD620实现；信号滤波器微处理器、DA转换器采用SOC芯片MSP430系列处理器实现；电压和电流转换器采用AD620和XTR110实现；系统监控电路及参数存储器采用X5043实现。
所述的声音传感器是指采用两个声音传感器，同时测量磨机噪音和背景噪音，通过计算处理，所测负荷信息可有效消除背景噪音及临磨噪音干扰。
所述的信号匹配器是指采用仪器运算放大器AD620，实现信号放大及阻抗匹配，通过放大器上连接的可调电位器RG1，改变放大倍数，调整范围为2～50倍。
本实用新型的磨机负荷监测仪，具有如下扩展功能1)可以准确测量输出磨机内存料量，也即磨机负荷；2)可以准确测量输出所监测磨机的噪音，以能量、分贝两种方式表示；3)可以准确测量输出环境噪音，以能量、分贝两种方式表示；4)可以通过测量磨机启动时的电流和噪音信息，给出磨机钢球装载量信息，从而可以判断是否缺少钢球以及需补充钢球量参考值。
5)能够给出空磨、满磨、缺钢球等各种报警信息；测量结果输出方式的多样性，具体是指1)能够将测量结果通过LCD实时显示；
2)将测量结果通过电压(0～5V)或电流(4～20mA)方式输出，方便于其他采集系统对接匹配。输出内容可自由选择配置；3)将测量结果通过RS485通讯方式输出仪器作为通讯网络中的从站，同一个网络中最多可以挂接32台监测仪，通讯速率可以在1200bps，2400bps，4800bps，9600bps，19.2kbps，115.2kbps中选择，通讯速率为9600bps时，通讯距离可达到1000米。
本实用新型的数字式多功能磨机负荷监测仪，采用SOC技术，将多个功能模块集成到一个芯片上，使得系统集成度大大提高，大大降低了仪器体积和成本；采用数字信号处理技术，对采集到的噪音信息进行滤波、拟合处理，使得测量结果更加准确，灵敏度更高。
本实用新型能够广泛应用于水泥厂、火电厂的磨机负荷测量，仪器运行可靠，功能丰富，使用方便，便于维护。
图1是系统结构组成框图；图2是本实用新型的组成原理图；图3是滤波有效值转换电路原理图；图4是电压电流输出电路原理图。
以下结合附图，对本实用新型作进一步的详细说明。
具体实施方式
参照图1所示，本实用新型的数字式多功能磨机负荷监测仪，其电路部分包括用于提供±15V、±5V、+3.3V输出的电源模块8、用于提供+2.5V参考电压的电压基准电路15，还包括有电流信号1、声音传感器2、信号匹配器3、信号滤波器4、RMS-DC转换器5、AD转换器6、微控制器7、LCD显示电路9、通讯电路10、参数存储器11、DA转换器12、电压和电流转换器13和系统监控电路14；
声音传感器2采集的两路噪音信号的输出与信号匹配电路3的输入相连，信号匹配器3的输出与信号滤波器4的输入相连，信号滤波器4的输出与RMS-DC转换器5的输入相连，RMS-DC转换器5的输出与AD转换器6的输入相连，电流信号1的输出也和AD转换6的输入相连，电压基准电路15输出的+2.5V参考电源与AD转换器6和DA转换器12的参考源输入端相连，LCD显示模块9与微控制器7相连，RS485通讯模块10与微控制器7相连，参数存储器11与微控制器7相连，DA转换器12与微控制器7相连，DA转换器12的输出与电压和电流转换器(UI转换器)13相连，系统监控电路14与微控制器7相连；电源电路8输入为+24V，输出为+15V，-15V，+5V，-5V，+3.3V。
参照图2所示，声音传感器2的信号输入包括2路声音信号，其中一路为磨机噪音，一路为背景噪音，两路声音信号分别进入信号匹配器3中的AD620同相输入端，通过电位器RG1调整放大倍数，经AD620放大和阻抗匹配后的信号输入到信号滤波器MAX267中，MAX267为集成4阶带通滤波器，可通过数字端口设定中心频率fo和品质因数Q。经过带通滤波后的有用频段信号输入到RMS-DC转换器，该转换器采用AD637实现，可将输入交流信号计算转换成有效值，以直流信号方式输出，供AD采样。磨机电流输入信号为4～20mA，经过电阻转换成0.5～2.5V电压信号后，输入到AD采样获得电流值。系统中AD转换和DA转换器的电压参考采用+2.5V，由MAX6102提供，该电压基准电路为三端器件，输入+5V，输出为+2.5V。
系统的监控电路和参数存储器采用X5043实现，其内有4kb的EEPROM，用来存储各种参数。所有参数均能够通过上位机通讯方式下装，便于仪器整定。
监控芯片X5043对系统运行及电源情况进行监控，确保仪器可靠稳定运行；在系统死机的情况下，能够迅速复位，使得仪器重新工作。它与微控制器的接口为4线制SPI接口，其中/CS为片选端，SCK为时钟端，SI为数据输入端，SO为数据输出端；X5043在上电及看门狗时间溢出时，在/RST端输出低电平复位信号，该信号与微控制器的/RESET端相连。系统的显示器采用SMS0801段式LCD实现，该LCD控制器与微控制器之间采用串行控制方式，其中CLK为时钟端，DI为数据端。系统的通讯电路采用MAX3485实现，采用半双工方式，其与微控制器UART异步通讯口相连，其中RXD为数据接收端，TXD为数据发送端，RTC为收发控制端，当RTC＝1时为发送状态，RTC＝0时为接收状态。系统的电压输出采用微控制器集成的DA转换器实现，输出信号范围为0～2.5V，经过AD620放大2倍后作为电压输出方式信号，同时该信号输入到XTR110的输入端，转换为4～20mA电流。
参照图3所示，信号VIN经过电阻R5输入到滤波芯片MAX267中的运放输入端4，MAX267中含有两个二阶带通滤波器，内部运放输出端通过电阻R6反馈到输入端4，输出同时接到第一个带通滤波器的信号输入端5，带通信号输出端2接第二个带通滤波器的输入1，输出端24通过电阻R7、电容C4反馈到运放输入端4。带通滤波器的时钟通过晶体Y1获得，晶体Y1两端分别接MAX267的11端和12端、18端。中心频率fo通过F0～F4共5个输入端调整，该5个端子与拨码开关相连；品质因数Q通过Q0～Q6共7个输入端调整，该7个端子与拨码开关相连。带通滤波器的输出信号BPB经过隔直电容后与AD637的13端相连，AD637的平均时间常数通过平均电容C7实现，该电容一端与AD637的8端连接，另一端与AD637的6端和9端相连。电阻R8，C5，R9，C10与AD637中的缓冲器构成滤波器，可有效消除输出信号中的纹波。
参照图4所示，DAC输出信号为0～2.5V，该信号与AD620的3号端相连，经过AD620放大2倍后，信号变为0～5V；其放大倍数通过电位器RG3调整。由于信号并不需要直流偏置，因此AD620的参考输入端REF接地。AD620的信号输出端6作为仪器的电压输出，同时连接到电压/电流转换模块XTR110的输入端5，该端接受0～5V信号。XTR110的3端与12端、15端相连，这样内部的10V精准电源可以为电路提供电压偏置。XTR110的14端与MOSFET的G端相连，XTR110的1端和13端短接后与MOSFET的S端相连，XTR110的D端向负载提供电流，最大负载不超过500欧姆。
为了进行参数调整方便，采用C++语言开发了参数整定软件，与负荷监测仪通过RS485通讯实现数据交换，可以方便的对负荷监测仪进行参数整定及调整。
该数字式的多功能磨机负荷监测仪在磨机启动时，首先根据空磨时的磨机电流和磨机噪音，判断磨机是否缺少钢球，一旦缺少钢球，给出缺钢球报警信息，同时根据已存储的先验数据给出当前钢球装载量和应补充钢球量的参考值。在磨机运转时，磨机噪音和背景噪音通过信号匹配器调整放大后，进入滤波及有效值转换电路，获得噪音的能量信息和分贝信息，微处理器通过采样单元接收这些信号，计算获得相关结果，并通过LCD、RS485通讯以及电压/电流方式输出。
本实用新型的数字式的多功能磨机负荷监测仪，其电路设计充分采用了SOC技术和数字信号处理技术，对磨机噪音信息和电流信息进行分析处理，获得准确的磨机负荷，为磨机运行状况的监视和磨机优化控制提供了先决条件。该仪器能够适应工业现场的恶劣环境，并且具有功能丰富，使用方便，便于维护等特点，可满足水泥厂、火电厂磨机负荷监测的需要。
权利要求1.一种数字式多功能磨机负荷监测仪，其特征在于，其电路部分包括用于提供±15V、±5V、+3.3V输出的电源模块(8)、用于提供+2.5V参考电压的电压基准电路(15)，还包括有电流信号(1)、声音传感器(2)、信号匹配器(3)、信号滤波器(4)、RMS-DC转换器(5)、AD转换器(6)、微控制器(7)、LCD显示模块(9)、通讯电路(10)、参数存储器(11)、DA转换器(12)、电压和电流转换器(13)和系统监控电路(14)；声音传感器(2)监测的两路噪音信号进入信号匹配器(3)，信号匹配器(3)通过依次连接的信号滤波器(4)、RMS-DC转换器(5)、AD转换器(6)与微控制器(7)相连通，电流信号(1)也和AD转换器(6)的输入端相连；电压基准电路(15)输出的参考电压分别与AD转换器(6)和DA转换器(12)的参考源输入端相连，微控制器(7)上还分别连接有系统监控电路(14)、LCD显示模块(9)、RS485通讯模块(10)、参数存储器(11)、DA转换器(12)；其中DA转换器(12)与电压和电流转换器(13)相连接。
2.如权利要求1所述的数字式多功能磨机负荷监测仪，其特征在于，所述的信号匹配器(3)采用仪器运算放大器AD620；信号滤波器(4)采用集成滤波器MAX267；RMS-DC转换器(5)采用AD637；AD转换器(6)、微控制器(7)、DA转换器(12)采用SOC芯片MSP430系列星型号的微处理器；电压和电流转换器(13)采用AD620和XTR110；系统监控电路(14)和参数存储器采用X5043。
3.如权利要求1所述的数字式多功能磨机负荷监测仪，其特征在于，所述的声音传感器(2)为2个，同时测量磨机噪音和背景噪音。
4.如权利要求2所述的数字式多功能磨机负荷监测仪，其特征在于，所述的仪器运算放大器AD620上连接有用于调整放大倍数的可调电位器RG1，调整的放大倍数为2～50倍。
5.如权利要求1所述的数字式多功能磨机负荷监测仪，其特征在于，所述的参数存储器(11)采用X5043芯片，芯片内有4kb的EEPROM。
专利摘要本实用新型公开了一种数字式多功能磨机负荷监测仪，其电路部分包括电源模块、电压基准电路，还包括有电流信号、声音传感器、信号匹配器、信号滤波器、RMS－DC转换器、AD转换器、微控制器、LCD显示模块、通讯电路、参数存储器、DA转换器、电压和电流转换器和系统监控电路。磨机运行时，通过检测磨机噪音和背景噪音，准确计算获得磨机噪音能量值、噪音分贝值、磨机负荷值，并给出磨机状态信息；所有结果和状态信息可通过LCD实时显示、通讯网络、电压/电流方式输出；通过检测启磨时的磨机电流值和噪音信息，判定钢球装载量；本实用新型将SOC(System On Chip)技术应用于磨机负荷的监测，大大提高仪器的集成度，降低了仪器的功耗，功能丰富，操作方便，测量准确。
文档编号G01M99/00GK2909212SQ20062007884
公开日2007年6月6日 申请日期2006年4月20日 优先权日2006年4月20日
发明者张彦斌, 贾立新, 司刚全, 曹晖 申请人:西安交通大学