鋼球磨煤機(jī)負(fù)荷檢測方法探討

　　鋼球磨煤機(jī)（球磨機(jī)）廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠和水泥廠，其工作環(huán)境十分惡劣，如何準(zhǔn)確測量球磨機(jī)負(fù)荷，是對球磨機(jī)負(fù)荷實施控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。但在實際設(shè)備中，傳感器不可能安裝在筒體內(nèi)直接對負(fù)荷進(jìn)行測量，而只有通過測量球磨機(jī)負(fù)荷的信號包括振動信號、出口差壓、工作電流、溫度等來間接檢測。經(jīng)長期的探索和大量試驗后發(fā)現(xiàn)球磨機(jī)在不同負(fù)荷時運(yùn)行的噪音不同，在負(fù)荷較小時，由于存料量少，鋼球與球磨機(jī)金屬筒壁的撞擊機(jī)會多，產(chǎn)生的噪音較大;反之存料量較多時，鋼球與物料混在一起，撞擊時發(fā)出的噪音就較小[1]。因此，通過球磨機(jī)的噪音來間接檢測球磨機(jī)內(nèi)負(fù)荷是一種較為理想的方法。
　　
　　一、現(xiàn)場采集信號的頻譜分析
　　
　　采集韓城和渭河發(fā)電廠球磨機(jī)的噪聲信號并進(jìn)行分析。在離球磨機(jī)進(jìn)口部1/3、2/3處各安裝了聲音傳感器，在采樣的同時使用頻譜分析儀對球磨機(jī)前后聲音信號與前后軸的振動信號進(jìn)行實時分析。現(xiàn)場錄制從球磨機(jī)啟動開始持續(xù)lh。在聲音采集中，保證啟動過程均勻給料，使給煤機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在500r/min，到第13min提高給煤機(jī)轉(zhuǎn)速增加負(fù)荷。第14min到第29min這段時間使給煤機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)穩(wěn)定在500r/min。到第30min降低給煤機(jī)轉(zhuǎn)速，使筒內(nèi)負(fù)荷降低。
　　
　　采樣所得的序列x（n）的能量Ex可寫成[2]:　　
　　式（1）稱為Parseval定理。由式（1）可得序列x（n）的能量譜密度　　
　　信號x（n）在[ω1,ω2]頻帶內(nèi)的能量為：　　
　　式中的，為x（n）的DTFT（離散時間序列的傅立葉）變換。DTFT變換與DFT（離散傅立葉）變換的關(guān)系為：　　
　　即X（k）是對X（ejw）在頻域上的抽樣。有X（k）表示X（ejw）則有：　　
　　即連續(xù)譜X（ejw）可由離散譜X（k）經(jīng)插值后得到。則式的（3）可化為：　　
　　可整理為：　　
　　其中M為與k無關(guān)的系數(shù)。
　　
　　信號x（n）從k1到k2內(nèi)的能量即為：　　
　　因為M的存在對于定性分析沒有影響，所以考慮到實際計算的方便，可以有：　　
　　信號x（n）的采樣率f=44.1kHz，在對x（n）進(jìn)行變換時，使用的是N=44.1×1024點的混合基FFT算法。因此得到它的頻率分辨率為△f=fSs/N=1Hz，所以FFT變換X（k）中的k即為頻率f。
　　
　　經(jīng)過多次試驗，根據(jù)公式（9），分別計算出k1＞0（即為整個頻段），k1=2.8kHz、k2=3.2kHz（頻率為2.8～3.2）kHz的頻段），k2＜800Hz（800Hz以下頻段）在整個采集過程的頻段能量累加圖[3]（圖1～圖3）。　　
　　圖2與實際工況符合較好。圖1所示的情況含有較多的干擾量，且隨球磨機(jī)負(fù)荷變化不明顯。產(chǎn)生這種情況的原因是球磨機(jī)運(yùn)行中有干擾噪聲，干擾噪聲主要包括球磨機(jī)電機(jī)產(chǎn)生的噪聲，減速機(jī)齒輪和球磨機(jī)大小齒輪等嚙合處所產(chǎn)生的噪聲，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲等[4]，這些干擾噪聲使球磨機(jī)噪聲信號有一段與負(fù)荷變化無關(guān)的頻率段。從圖3可以看出，在整個時間范圍內(nèi)，圖形在某一固定值附近振蕩，即800Hz以下的頻率值隨負(fù)荷沒有明顯變化，證明此段頻率為與負(fù)荷無關(guān)的一段頻率。因此，采集信號整理結(jié)論如下:
　　
　　（1）在800Hz（不同球磨機(jī)此頻率不同）以上，選取不同中心頻率及長度的頻段，存在一個特征頻段可以準(zhǔn)確地反映球磨機(jī)負(fù)荷，以此方法來判斷反映球磨機(jī)負(fù)荷的特征頻段。
　　
　　（2）800Hz以下，即與負(fù)荷無關(guān)的頻率范圍內(nèi)，能量累加量與負(fù)荷沒有明顯對應(yīng)關(guān)系，接近為一固定值。
　　
　　（3）在可以準(zhǔn)確反映負(fù)荷的有效頻段內(nèi)，能量累加量與球磨機(jī)負(fù)荷呈單調(diào)遞減關(guān)系。
　　
　　（4）球磨機(jī)工作有較大的滯后性，從圖2可以看出，加煤后大約經(jīng)過2min即第14min球磨機(jī)開始振蕩，振蕩大約經(jīng)4min平穩(wěn)后能量值從第18min開始下降;減煤是在第30min開始，從圖上看出經(jīng)過2min后球磨機(jī)開始振蕩，振動平穩(wěn)后能量值大約從第37min開始上升，大約到第45min時能量值上升到zui高點。
　　
　　二、負(fù)荷檢測儀原理及結(jié)構(gòu)
　　
　　根據(jù)以上結(jié)論所設(shè)計的基于DSP的球磨機(jī)負(fù)荷檢測儀主要由數(shù)據(jù)采集電路、中央處理芯片DSP、顯示電路、與上位機(jī)通信的RS485電路幾部分組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。儀器首先對采集的聲音信號進(jìn)行FFT頻譜變換，然后計算變換后的，再根據(jù)上述方法來判斷反映球磨機(jī)負(fù)荷的特征頻段。在整個啟動過程中，標(biāo)定Hzui大值即負(fù)荷zui低點時為零，Hzui小值即負(fù)荷zui高點時為1。待啟動過程結(jié)束，球磨機(jī)進(jìn)入正常工作區(qū)后，依據(jù)標(biāo)定來判斷負(fù)荷。　　
　　鑒于本儀器需要復(fù)雜的數(shù)字計算，所以使用DSP作中央處理芯片。前端采集的聲音信號，經(jīng)過聲音傳感器轉(zhuǎn)換成（30～300）mV的電壓信號，再經(jīng)過濾波及放大電路直接輸入到2407自帶的AD端口。AD的轉(zhuǎn)換時司為50ns，設(shè)定AD為啟動/停止工作模式，排序器設(shè)定為級連工作方式。監(jiān)控電路使用2407自帶的WDT（看門狗模塊）。2407可擴(kuò)展的外部存儲器共有192k字空間，其中程序存儲器空間64k字，數(shù)據(jù)存儲器64k字，I/O尋址空間64k字。本儀器擴(kuò)展2個64k的RAM分別作數(shù)據(jù)和程序存儲器。2407包括帶4個引腳的串行外設(shè)接口模塊，在此模塊上擴(kuò)展了2M位的FLASH，用來存儲標(biāo)定好的數(shù)據(jù)。上位機(jī)通信采用RS485工業(yè)總線，使用MAX3483作收發(fā)器。
　　
　　三、結(jié)論
　　
　　在智能型球磨機(jī)負(fù)荷檢測儀的基礎(chǔ)上，所研制的球磨機(jī)尋優(yōu)節(jié)能計算機(jī)集散控制系統(tǒng)分別在遼寧撫順
　　
　　發(fā)電有限責(zé)任公司等14個電廠共安裝了26臺。據(jù)初步統(tǒng)計，其可增加出力約20%，降低球磨機(jī)電耗約15%，同時使煤粉細(xì)度穩(wěn)定、均勻，制粉質(zhì)量得到提高。
　　
　　隨著傳感器技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和完善，多傳感器信息融合技術(shù)（MSIF）與工業(yè)監(jiān)測控制結(jié)合，將
　　
　　給傳統(tǒng)的工業(yè)監(jiān)測控制帶來新的機(jī)遇[5]，把MSIF技術(shù)應(yīng)用到球磨機(jī)負(fù)荷檢測中，可使球磨機(jī)在運(yùn)行的任
　　
　　意時刻都保持在*狀態(tài)，提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。