钢球磨煤机负荷检测方法探讨

　　钢球磨煤机（球磨机）广泛应用于发电厂和水泥厂，其工作环境十分恶劣，如何准确测量球磨机负荷，是对球磨机负荷实施控制的关键技术之一。但在实际设备中，传感器不可能安装在筒体内直接对负荷进行测量，而只有通过测量球磨机负荷的信号包括振动信号、出口差压、工作电流、温度等来间接检测。经长期的探索和大量试验后发现球磨机在不同负荷时运行的噪音不同，在负荷较小时，由于存料量少，钢球与球磨机金属筒壁的撞击机会多，产生的噪音较大;反之存料量较多时，钢球与物料混在一起，撞击时发出的噪音就较小[1]。因此，通过球磨机的噪音来间接检测球磨机内负荷是一种较为理想的方法。
　　
　　一、现场采集信号的频谱分析
　　
　　采集韩城和渭河发电厂球磨机的噪声信号并进行分析。在离球磨机进口部1/3、2/3处各安装了声音传感器，在采样的同时使用频谱分析仪对球磨机前后声音信号与前后轴的振动信号进行实时分析。现场录制从球磨机启动开始持续lh。在声音采集中，保证启动过程均匀给料，使给煤机转速稳定在500r/min，到第13min提高给煤机转速增加负荷。第14min到第29min这段时间使给煤机转速继续稳定在500r/min。到第30min降低给煤机转速，使筒内负荷降低。
　　
　　采样所得的序列x（n）的能量Ex可写成[2]:　　
　　式（1）称为Parseval定理。由式（1）可得序列x（n）的能量谱密度　　
　　信号x（n）在[ω1,ω2]频带内的能量为：　　
　　式中的，为x（n）的DTFT（离散时间序列的傅立叶）变换。DTFT变换与DFT（离散傅立叶）变换的关系为：　　
　　即X（k）是对X（ejw）在频域上的抽样。有X（k）表示X（ejw）则有：　　
　　即连续谱X（ejw）可由离散谱X（k）经插值后得到。则式的（3）可化为：　　
　　可整理为：　　
　　其中M为与k无关的系数。
　　
　　信号x（n）从k1到k2内的能量即为：　　
　　因为M的存在对于定性分析没有影响，所以考虑到实际计算的方便，可以有：　　
　　信号x（n）的采样率f=44.1kHz，在对x（n）进行变换时，使用的是N=44.1×1024点的混合基FFT算法。因此得到它的频率分辨率为△f=fSs/N=1Hz，所以FFT变换X（k）中的k即为频率f。
　　
　　经过多次试验，根据公式（9），分别计算出k1＞0（即为整个频段），k1=2.8kHz、k2=3.2kHz（频率为2.8～3.2）kHz的频段），k2＜800Hz（800Hz以下频段）在整个采集过程的频段能量累加图[3]（图1～图3）。　　
　　图2与实际工况符合较好。图1所示的情况含有较多的干扰量，且随球磨机负荷变化不明显。产生这种情况的原因是球磨机运行中有干扰噪声，干扰噪声主要包括球磨机电机产生的噪声，减速机齿轮和球磨机大小齿轮等啮合处所产生的噪声，风机产生的噪声等[4]，这些干扰噪声使球磨机噪声信号有一段与负荷变化无关的频率段。从图3可以看出，在整个时间范围内，图形在某一固定值附近振荡，即800Hz以下的频率值随负荷没有明显变化，证明此段频率为与负荷无关的一段频率。因此，采集信号整理结论如下:
　　
　　（1）在800Hz（不同球磨机此频率不同）以上，选取不同中心频率及长度的频段，存在一个特征频段可以准确地反映球磨机负荷，以此方法来判断反映球磨机负荷的特征频段。
　　
　　（2）800Hz以下，即与负荷无关的频率范围内，能量累加量与负荷没有明显对应关系，接近为一固定值。
　　
　　（3）在可以准确反映负荷的有效频段内，能量累加量与球磨机负荷呈单调递减关系。
　　
　　（4）球磨机工作有较大的滞后性，从图2可以看出，加煤后大约经过2min即第14min球磨机开始振荡，振荡大约经4min平稳后能量值从第18min开始下降;减煤是在第30min开始，从图上看出经过2min后球磨机开始振荡，振动平稳后能量值大约从第37min开始上升，大约到第45min时能量值上升到zui高点。
　　
　　二、负荷检测仪原理及结构
　　
　　根据以上结论所设计的基于DSP的球磨机负荷检测仪主要由数据采集电路、中央处理芯片DSP、显示电路、与上位机通信的RS485电路几部分组成，结构如图4所示。仪器首先对采集的声音信号进行FFT频谱变换，然后计算变换后的，再根据上述方法来判断反映球磨机负荷的特征频段。在整个启动过程中，标定Hzui大值即负荷zui低点时为零，Hzui小值即负荷zui高点时为1。待启动过程结束，球磨机进入正常工作区后，依据标定来判断负荷。　　
　　鉴于本仪器需要复杂的数字计算，所以使用DSP作中央处理芯片。前端采集的声音信号，经过声音传感器转换成（30～300）mV的电压信号，再经过滤波及放大电路直接输入到2407自带的AD端口。AD的转换时司为50ns，设定AD为启动/停止工作模式，排序器设定为级连工作方式。监控电路使用2407自带的WDT（看门狗模块）。2407可扩展的外部存储器共有192k字空间，其中程序存储器空间64k字，数据存储器64k字，I/O寻址空间64k字。本仪器扩展2个64k的RAM分别作数据和程序存储器。2407包括带4个引脚的串行外设接口模块，在此模块上扩展了2M位的FLASH，用来存储标定好的数据。上位机通信采用RS485工业总线，使用MAX3483作收发器。
　　
　　三、结论
　　
　　在智能型球磨机负荷检测仪的基础上，所研制的球磨机寻优节能计算机集散控制系统分别在辽宁抚顺
　　
　　发电有限责任公司等14个电厂共安装了26台。据初步统计，其可增加出力约20%，降低球磨机电耗约15%，同时使煤粉细度稳定、均匀，制粉质量得到提高。
　　
　　随着传感器技术及其相关技术的发展和完善，多传感器信息融合技术（MSIF）与工业监测控制结合，将
　　
　　给传统的工业监测控制带来新的机遇[5]，把MSIF技术应用到球磨机负荷检测中，可使球磨机在运行的任
　　
　　意时刻都保持在*状态，提高运行的经济性。