专利名称：一种筒式磨机内物质状态测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及自动化测量技术领域，具体涉及一种筒式磨机内物质状态测量 方法及装置。
背景技术：
筒式磨机广泛应用于电力、建材、矿山冶金、陶瓷等多个行业，筒式磨机 具有结构简单、维护方便等优点，但因操作人员对其运行状态知之过少，使得 筒式磨机的运行操作一直釆用人工判断、手动操作的方式，目前尽管国内外已 经研究生产了用于电厂磨煤机的料位传感变送器、水泥厂磨机的料位传感器变 送器和铁矿磨机的电耳，但因受物料、工艺、采用干法或湿法生产等因素影响， 使得对整个磨机的运行状态未知，存在对钢球添加管理、喂料量、磨矿浓度无 法控制，最终因检测量有限或检测不准确等因素导致控制失败或控制效果不佳 的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种满足不同行业类型筒式磨机、不同工艺要求和不 同生产要求，能够准确给出运行时磨机内部物质状态的一种筒式磨机内物质状 态测量方法。
本发明的另一目的是提供一种结构合理，操作方便，测量准确、可靠的一 种筒式磨机内物质状态测量装置。
为了克服现有技术的缺陷，本发明的技术方案是这样解决的 一种筒式磨机内物质状态测量方法，其特殊之处在于按下述步骤进行
1)、采集运行时磨机噪声信号，并进行频谱、滤波处理；2) 、采集运行时磨机大瓦振动信号、磨机主电机有功功率信号、磨机主电 机电流信号，并进行滤波；
3) 、采集或设定运行时磨机转速信号、磨机内液体密度信号、磨机内物料 湿度信号、磨机内物料温度信号、磨机内物料细度信号，并进行滤波；
4) 、将滤波处理后的磨机噪声信号、磨机大瓦振动信号、磨机主电机有功 功率信号、磨机主电机电流信号、磨机转速信号、磨机内物料湿度信号、磨机 内物料温度信号、磨机内物料细度信号，引入磨机内物质状态测量神经网络， 按照确定的神经网络结构和通过样本集训练得到的神经网络权值，对输入信号 进行数据处理，得到磨机内物料量、水量、研磨体量、磨矿浓度及其他表征磨 机运行状态的量。
所述的一种筒式磨机内物质状态测量方法，其特征在于采集的信号，磨机 噪声信号、磨机大瓦振动信号、磨机主电机有功功率信号、磨机主电机电流信 号、磨机转速信号、磨机内物料湿度信号、磨机内物料温度信号、磨机内物料 细度信号，根据磨机运行工况的不同，可以选择一个、或者两个或两个以上信 号，或选用各自信号的替代信号。
所述的一种筒式磨机内物质状态测量方法，其特殊之处在于所得到磨机内 物料量、水量、研磨体量、磨矿浓度及其他表征磨机运行状态的量，可以至少 选择其中一个信号。
一种权利要求1所述的一种筒式磨机内物质状态测量的装置，其特殊之处 在于传感器由单传声器或双传声器构成，1号传声器连接一个模拟滤波放大电 路，2号传声器连接一个模拟滤波放大电路，模拟滤波放大电路另一端分别与 模拟带通滤波器一端连接，模拟带通滤波器另一端分别与同步A/D转换电路连 接，同步A/D转换电路另一端连接到微处理器，微处理器依次与存储单元、升 级接口、显示单元、操作控制单元、通讯单元、D/A输出转换电路、输出变换 电路、信号A/D转换电路连接，电源模块给上述各电路供电。
所述的一种筒式磨机内物质状态测量的装置，其特殊之处在于所述磨机大 瓦振动信号、磨机主电机有功功率信号、磨机主电机电流信号、磨机转速信号、 磨机内物料湿度信号、磨机内物料温度信号、磨机内物料细度信号，或其替代
信号与A/D转换电路(17)连接。
本发明与现有技术相比具有以下特点
1) 、能够适应不同工艺要求和不同生产要求，根据工艺与现场实际，调整 磨机内物质状态测量需要的输入量、算法结构和参数、输出量，以满足检测和 控制的要求。
2) 、能够准确给出运行时磨机内部物质状态——磨机内物料量、水量、研 磨体量、磨矿浓度及其他表征磨机运行状态的量，例如对于用于电力的磨煤机 输出存煤量、钢球量和料位信息；对于水泥磨输出料位、钢球量；对于矿山冶 金磨机输出水量、矿量、钢球量、磨矿浓度；对于陶瓷磨机输出水量、矿量、 钢球量、矿浆状态，其中矿浆状态可以表征研磨是否达到要求。对于多仓磨机 分别对每一仓进行磨机内物质测量，实现对磨机内所有状态的测量。
3) 、本发明采用神经网络构建检测模型，基于多传感器信息融合实现筒式 磨机内物质状态测量，测量可靠、获得状态信息量大，并可根据实际要求对输 出量进行扩展。
4) 、本发明提供的一种筒式磨机内物质状态测量装置，该装置在硬件结'构 上通用，针对具体要求改变接入信号、输出信号，进行算法参数标定，即可实 现测量目的。具有结构简单，测量可靠，使用、维护方便的特点。
5) 、本发明提供的一种筒式磨机内物质状态测量装置，具有通讯功能，能 够获取测量所需信号，并以通讯方式输出测量结果；具有升级功能，能够在算 法改进后进行算法升级，在硬件不变动的情况下，提高装置的测量性能。
本发明广泛用于电力行业的钢球磨煤机、双进双出钢球磨煤机；建材行业 磨机，水泥厂生料磨机、水泥磨，建筑材料筒式磨机；矿山冶金行业，例如铁
矿磨机、铜矿磨机、铝矿磨机及其他金属矿、非金属矿磨机；陶瓷行业磨机，
包括间歇式工艺的磨机和连续生产磨机等。
与现有方法及装置对比，结果如下表所示
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图1为本发明筒式磨机内物质状态测量方法原理图； 图2为图1物质状态测量方法测点分布图； 图3为图1物质状态测量装置结构示意框图； 图4为图1噪声传感器电路原理图5-1、图5-2为图1物质状态测量装置信号输入及预处理电路图； 图6-1、图6-2、图6-3为图1物质状态测量装置微处理器及外围电路图。
具体实施例方式
附图为本发明的实施例。
下面结合附图对发明内容作进一步说明
参照图1所示，为筒式磨机内物质状态测量方法原理图， 一种筒式磨机内 物质状态测量方法，其特征在于按下述步骤进行
1) 、采集运行时磨机噪声信号，并进行频谱、滤波处理；
2) 、采集运行时磨机大瓦振动信号、磨机主电机有功功率信号、磨机主电 机电流信号，并进行滤波；
采集或设定运行时磨机转速信号、磨机内液体密度信号、磨机内物料湿度 信号、磨机内物料温度信号、磨机内物料细度信号，并进行滤波；
4)、将滤波处理后的磨机噪声信号、磨机大瓦振动信号、磨机主电机有功 功率信号、磨机主电机电流信号、磨机转速信号、磨机内物料湿度信号、磨机 内物料温度信号、磨机内物料细度信号，引入磨机内物质状态测量神经网络， 按照确定的神经网络结构和通过样本集训练得到的神经网络权值，对输入信号 进行数据处理，得到磨机内物料量、水量、研磨体量、磨矿浓度及其他表征磨 机运行状态的量。
采集的信号，磨机噪声信号、磨机大瓦振动信号、磨机主电机有功功率信 号、磨机主电机电流信号、磨机转速信号、磨机内物料湿度信号、磨机内物料 温度信号、磨机内物料细度信号，根据磨机运行工况的不同，可以选择一个、 或者两个或两个以上信号，或选用各自信号的替代信号。
所述得到磨机内物料量、水量、研磨体量、磨矿浓度及其他表征磨机运行 状态的量，可以至少选择其中一个信号。
所述的一种筒式磨机内物质状态测量方法所用到的磨机转速信号对于恒 转速磨机可以设定，不需要采集；对于磨机内物料湿度信号、磨机内物料温度 信号、磨机内物料细度信号就近采集或选用各自信号的替代信号
图2所示，筒式磨机内物质状态测量方法测点分布图。噪声信号测点位于 磨机内研磨体抛落侧位置，具体距出入口位置根据磨机结构而定；振动信号测 点位于大瓦底座，用来测量磨机旋转时偏心物料抛落导致的轴振动；电机有功 功率和电机电流信号的测点位于主电机；转速信号测点位于磨机轴上；物料温 度、湿度和细度测点位于磨机尾部，用磨机尾部测得的物料温度来近似磨机内
物料温度，物料湿度用磨机尾部测得的物料湿度来近似，对于矿浆溢出型，此 时用矿浆浓度来替代物料湿度，物料细度通过分析磨机尾部的物料细度得到， 可以选择在线测量，或者定期化验输入。
图3所示为一种筒式磨机内物质状态测量的装置结构示意框图。噪声传感
器由单传声器1或双传声器1、 2构成，1号传声器1连接一个模拟滤波放大 电路4， 2号传声器2连接一个模拟滤波放大电路3，模拟滤波放大电路3、 4 另一端分别与模拟带通滤波器5、 18—端连接，模拟带通滤波器5、 18另一端 分别与同步A/D转换电路连接，同步A/D转换电路另一端连接到微处理器8， 微处理器8依次与存储单元7、升级接口9、显示单元IO、操作控制单元ll、 通讯单元12、 D/A输出转换电路13、输出变换电路14、信号A/D转换电路17 连接，电源模块15、 16给上述各电路供电。
图4所示为单传声器噪声传感器电路原理图，双传声器噪声传感器电路由
两个单传声器噪声传感器电路组成。主要由前置放大器和高通滤波器构成。图 中电容C1为耦合电容；芯片U1、电阻R1、 R2和W1组成前置放大电路，对输 入的微弱信号进行放大，滑动电位器W1可以调节放大倍数；芯片U2、电阻R3、 R4、电容C2及C3组成高通滤波器，用于滤除高频干扰信号，同时芯片U2结 成射级跟随器，增强带负载能力。芯片U1、 U2选用集成IC: LF353。 IN1:信 号输入端口； 0UT1:信号输出端口。两路信号通道内部电路相同。
图5-1、图5-2所示为筒式磨机内物质状态测量的装置信号输入及预处理电 路图。该部分主要由信号差分输入、带通滤波，同步A/D转换电路、输出转换 电路D/A及数字信号驱动，V/I变换电路三部分组成。信号差分输入、带通滤 波输入采用差分方式，差分电路输出端接带通滤波电路。本系统有两路输入 信号，所以信号调理由两路组成，两路电路相同，称为"信号调理"。主要由 芯片U5， U6A、 U6BC、稳压二极管Dl、 D2、电容C4、 C5、 C6、 C7、 C8、电阻 R5、 R6、 R7、 R8、 RIO、 Rll、 R13、 R14、 R16、 R17、 R18等器件组成；稳压二
极管Dl、 D2对芯片U5具有保护作用；芯片U5选用1NA118U，芯片U6为 TLC2274AID。信号调理为8路，内部电路相同，输入输出标示为Vin-l、 Vout-l 及Vin-n、 Vout-n，为绘图方便，其他路省去内部电路，只标示出端口属性。 同步A/D转换电路、输出转换电路D/A及数字信号驱动芯片U8为同步12位 A/D芯片AD7863,将带通滤波输出4路(Vout-1、 Vout-n)模拟信号转换为 数字信号，再经驱动芯片U9、 U10 (SN74LVTH245ADW)送入DSP处理器进行处 理；处理器处理后的信号再经芯片U9、 U10驱动，送入12位的输出转换电路 D/A芯片U7，将数字信号再转换为模拟信号，模拟电压信号经V/I变换电路转 换成4一20mA的标准电流信号；芯片U7为DAC7625，芯片U8为AD7863,芯片 U9、 U10为SN74LVTH245ADW。 V/I变换电路主要由芯片U4、电阻R19、 二极管 D3、电容C12、 C13构成，本系统包含两路V/I电路，内部电路组成相同，统 称"V/I变换"，端口标示为DAout-1、 lout-1及DAout-n、 Iout-n。为绘图方 便，其他路省去内部电路，只标示出端口属性。芯片U4为AD694。
图6-1、图6-2、图6-3所示为筒式磨机内物质状态测量装置微处理器及外 围电路图。该部分电路主要由DSP处理器U12， LCD显示接口，键盘电路，外 扩储存器，通讯，升级接口及电源电路组成；DSP处理器选用TI的16位处 理器TMS320LF2407A，该处理器是本系统的核心，主要完成系统的控制及算法 实现；LCD显示接口由芯片U14和电阻R22组成，芯片U14是LCM与DSP的 通讯接口，电阻R22可以调节LCD的对比度；键盘采用3x3矩阵键盘，由软
件编程来实现按键的识别及事件响应处理；外扩储存器包括外扩RAM和外扩 FLASH两部分。外扩RAM由芯片U13来实现，为64K字节。外扩FLASH由芯片 Ull来实现，为1M字节，储存数据记录等，掉电不丢失数据信息；通讯采用 RS-485通讯方式，可传输距离远，通讯可靠，为工业标准通讯接口。主要由芯 片U15、 U16、 U17、电阻R23、 R24、 R25、 R26、 R29、 R30组成。芯片U15位 MAX488CSA通讯集成电路；升级接口升级接口为标准的JTAG，可实现在线编
程，在不改变硬件的情况下方便软件升级；电源由J2、 P0WER1构成，P0WER1 由几块集成电源芯片组成，提供整机工作电源，J2直接接入市电电源。对于煤 粉湿度信号、煤粉温度信号、煤粉细度信号输入，其硬件电路也由信号输入及 预处理电路，同步A/D转换电路等组成，本系统设计时，硬件已经具备最少8 路模拟信号处理通道，完全满足扩展要求，软件可通过JTAG接口实现在线升 级。
筒式磨机内物质状态的测量对磨机运行控制十分必要，同时能够获取磨机 内更多的状态信息，有利于实现磨机经济运行、磨机内研磨体添加和磨丰几设备 维护。
为了实现对筒式磨机内物质状态的测量，因为目前没有直接有效测量方法， 所以采用间接测量方法，因为单一量对磨机内状态的表征存在非单一性和不确 定性，当磨机内物质(物料、水、研磨体(多数为钢球))发生变化时，磨机 噪声、磨机振动、电机有功功率、电机电流会发生变化，同时测得的磨机噪声、 磨机振动、电机有功功率、电机电流会随着磨机转速、磨机内物料湿度、温度 和细度的变化而变化，所以采用了多传感器信息融合技术，构建了磨机内物质 状态的神经网络模型，该模型输出多输出、多输出模型，针对具体现场的不同 可以对输入信号和输出信号进行选择性设定，例如对于用于电力的磨煤机输出 存煤量、钢球量和料位信息；对于水泥磨输出料位、钢球量；对于矿山冶金磨 机输出水量、矿量、钢球量、磨矿浓度；对于陶瓷磨机输出水量、矿量、钢球 量、矿浆状态，其中矿浆状态可以表征研磨是否达到要求。对于多仓磨机分别 对每一仓进行磨机内物质测量，实现对磨机内各仓物质状态的测量。
筒式磨机内物质状态的测量方法以算法为核心，以软件为表现形式,以计 算机、微处理器等智能装置为载体，实现对筒式磨机内物质状态的测量。
本实施例中以微处理器为载体，具体的噪声信号、磨机大瓦振动信号、磨 机主电机有功功率信号、磨机主电机电流信号、磨机转速信号、磨机内物料湿
度信号、磨机内物料温度信号、磨机内物料细度信号可以选择多种方式进入微 处理器。可以采用模拟量直接进入磨机内物质状态的测量装置，或者以数字量 形式通过测量装置的通讯输入口进入测量装置，对于磨机转速信号因为大多数 为恒转速，所以可以采用直接在装置内设定的方式，对于磨机内物料湿度信号、 磨机内物料温度信号、磨机内物料细度信号还可以采用定时通讯口输入方式。 最后，还需注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然， 本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本 发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均认为是本发明的保护范围。 实施例l
一种筒式磨机内物质状态测量方法及装置应用于某双进双出直吹式钢球
磨煤机。电机额定电流143A，筒体为恒转速16.7r/min，对应电机转速 980r/min，设计钢球装载量80. 1T，出口温度93。C。选择输入信号两路噪声 信号、磨机振动信号、磨机电流信号、磨机出口温度信号(表征煤粉温度)、 磨机出入口压差信号(表征煤粉细度)，因转速为恒转速所以转速输入舍弃， 因对干法磨电流与用功功率相似，所以舍弃用功功率信号；输出信号磨机内 煤位(范围20-100%)和磨机内钢球量(范围70-90T)。首先采集运行时磨机 噪声信号90-130dB，并进行频谱、滤波处理，得到0-l标准信号；磨机振动信 号经电荷放大、频谱能量处理，得到0-l标准信号，采集运行时磨机主电机电 流信号126-153A，采集磨机出口温度信号81-94°C、磨机出入口压差信号 2.0-2.4kPa，并进行滤波，得到0-l标准信号；构建磨机内物质状态测量神经 网络为6输入、2输出、三层BP神经网络，动态试验获取神经网络学习样本; 设定神经网络初始权值；根据学习样本对神经网络权值进行修正，直至满足要 求误差；基于磨机内物质状态测量神经网络实现磨机内煤位和磨机内钢球量的 测量。 实例施2
一种筒式磨机内物质状态测量方法及装置应用于某水泥厂水泥磨，磨机规
格小3.8X12m两仓磨，筒体为恒转速16. 77r/min，研磨体(钢球、钢锻)装 载量170T，额定功率2500kw，额定电流152A。该装置用来测量前仓料位，选 择输入信号两路噪声信号、磨机振动信号、磨机电流信号，磨机电流信号， 出磨温度信号(表征物料研磨温度)，因转速为恒转速所以转速输入舍弃，物 料湿度信号(用入磨物料水分表征)和物料细度信号采用人工化验后直接输入 方式(如果后续有在线分析仪，可以把测得信号直接输给本装置)；输出信号 磨机内物料料位(范围20-100%)和磨机内钢球量(范围70-90T)，前仓为钢 球。首先采集运行时磨机噪声信号100-147dB，并进行频谱、滤波处理，得到 0-1标准信号；磨机振动信号经电荷放大、频谱能量处理，得到0-l标准信号， 采集运行时磨机功率信号2200-2650kw，采集运行时磨机主电机电流信号 126-163A，采集磨机出口温度信号60-IO(TC，并进行滤波，得到0-1标准信号， 入磨物料水分信号(0.5-8%)和物料细度信号(R80=l-6%)，经处理得到0-1 标准信号；构建磨机内物质状态测量神经网络为8输入、2输出、三层BP神经 网络，动态试验获取神经网络学习样本；设定神经网络初始权值；根据学习样 本对神经网络权值进行修正，直至满足要求误差；基于磨机内物质状态测量神 经网络实现磨机内物料位和磨机内钢球量的测量。 实例施3
一种筒式磨机内物质状态测量方法及装置应用于某铁矿选矿厂磨机，磨 机规格4>3200X3600，筒体为恒转速18. 5r/min，钢球装载量58T，额定功率 630kw，额定电流38A。该装置用来测量磨机内矿物量、水量和磨矿浓度。选择 输入信号两路噪声信号、磨机振动信号、磨机功率信号，磨机电流信号，因 转速为恒转速所以转速输入舍弃，出表征物料研磨温度变化很小，近似恒定所 以舍弃，物料湿度信号因为磨机为湿法磨所以舍弃，物料细度信号采用人工化 验后的粒度直接输入方式(如果后续有在线粒度分析仪，可以把测得信号直接
输给本装置)；输出信号磨机内矿物量(0-100%)、水量(0-100%)和磨矿浓 度(0-100%)。首先采集运行时磨机噪声信号100-147dB，并进行频谱、滤波处 理，得到0-l标准信号；磨机振动信号经电荷放大、频谱能量处理，得到0-l 标准信号，采集运行时磨机功率信号500-660kw，采集运行时磨机主电机电流 信号30-42A，物料粒度信号(325目，筛余5-15%)，经处理得到0-1标准信号； 构建磨机内物质状态测量神经网络为6输入、3输出、三层BP神经网络，动态 试验获取神经网络学习样本；设定神经网络初始权值；根据学习样本对神经网 络权值进行修正，直至满足要求误差；基于磨机内物质状态测量神经网络实现 磨机内矿物量、水量和磨矿浓度的测量。
权利要求
1、一种筒式磨机内物质状态测量方法，其特征在于按下述步骤进行1)、采集运行时磨机噪声信号，并进行频谱、滤波处理；2)、采集运行时磨机大瓦振动信号、磨机主电机有功功率信号、磨机主电机电流信号，并进行滤波；3)、采集或设定运行时磨机转速信号、磨机内液体密度信号、磨机内物料湿度信号、磨机内物料温度信号、磨机内物料细度信号，并进行滤波；4)、将滤波处理后的磨机噪声信号、磨机大瓦振动信号、磨机主电机有功功率信号、磨机主电机电流信号、磨机转速信号、磨机内物料湿度信号、磨机内物料温度信号、磨机内物料细度信号，引入磨机内物质状态测量神经网络，按照确定的神经网络结构和通过样本集训练得到的神经网络权值，对输入信号进行数据处理，得到磨机内物料量、水量、研磨体量、磨矿浓度及其他表征磨机运行状态的量。
2、 根据权利要求1所述的一种筒式磨机内物质状态测量方法，其特征在于采集的信号，磨机噪声信号、磨机大瓦振动信号、磨机主电机有功功率信号、 磨机主电机电流信号、磨机转速信号、磨机内物料湿度信号、磨机内物料温度 信号、磨机内物料细度信号，根据磨机运行工况的不同，可以选择一个、或者 两个或两个以上信号，或选用各自信号的替代信号。
3、 根据权利要求1所述的一种筒式磨机内物质状态测量方法，其特征在 于所述得到磨机内物料量、水量、研磨体量、磨矿浓度及其他表征磨机运行状 态的量，可以至少选择其中一个信号。
4、 一种权利要求1所述的一种筒式磨机内物质状态测量的装置，其特征 在于包括传感器由单传声器(1)或双传声器(1、 2)构成，l号传声器(1) 连接一个模拟滤波放大电路(4)， 2号传声器(2)连接一个模拟滤波放大电路(3)，模拟滤波放大电路(3、 4)另一端分别与模拟带通滤波器(5、 18) — 端连接，模拟带通滤波器(5、 18)另一端分别与同步A/D转换电路(6)连接， 同步A/D转换电路(6)另一端连接到微处理器(8)，微处理器(8)依次与存 储单元(7)、升级接口 (9)、显示单元(10)、操作控制单元(11)、通讯单元 (12)、 D/A输出转换电路(13)、输出变换电路(14)、信号A/D转换电路(17) 连接，电源模块(15、 16)给上述各电路供电。
5、根据权利要求4所述的一种筒式磨机内物质状态测量的装置，其特征 在于所述磨机大瓦振动信号、磨机主电机有功功率信号、磨机主电机电流信号、 磨机转速信号、磨机内物料湿度信号、磨机内物料温度信号、磨机内物料细度 信号，或其替代信号与A/D转换电路连接。
全文摘要
本发明公开了一种筒式磨机内物质状态测量方法及装置。该方法及装置通过检测磨机运行时的噪声信号、磨机大瓦振动信号、磨机主电机有功功率信号、磨机主电机电流信号、磨机转速信号、磨机内物料湿度信号、磨机内物料温度信号、磨机内物料细度信号，通过构建的磨机内物质状态测量神经网络对输入信号进行处理，得到磨机内物料量、水量、研磨体量、磨矿浓度及其他表征磨机运行状态的量。本发明针对不同筒式磨机运行工况选择相应的检测信号，采用相应的数据处理方法得到磨机的运行状态量，解决了长期以来无法对磨机运行状态测量的问题，为磨机自动控制及优化运行奠定了基础，可广泛应用于电力、建材、矿山冶金、陶瓷等行业。
文档编号G01D21/02GK101358862SQ200810017720
公开日2009年2月4日 申请日期2008年3月17日 优先权日2008年3月17日
发明者张相利, 伟 陈 申请人:西安艾贝尔科技发展有限公司