專利名稱：數(shù)字式多功能磨機負荷監(jiān)測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種能夠準(zhǔn)確監(jiān)測水泥廠、火電廠磨機負荷、鋼球裝載量及運行狀態(tài)的儀器。
背景技術(shù)：
磨機廣泛用于發(fā)電、水泥、選礦等各個行業(yè)，作為這些行業(yè)的重要設(shè)備和耗電大戶，對這些行業(yè)的安全生產(chǎn)至關(guān)重要，同時又是這些行業(yè)的重點節(jié)能挖潛之處。目前，上述這些傳統(tǒng)行業(yè)中普遍存在能源消耗高、粉塵和噪聲污染嚴(yán)重、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、勞動生產(chǎn)率低等問題，運用磨機負荷控制可大幅度降低電耗、鋼耗，增加磨機出力，降低噪音，減少粉塵污染，提高運行效率。因此如何準(zhǔn)確監(jiān)測磨機負荷成為關(guān)鍵和難點。
由于磨機工作環(huán)境差，粉塵污染大，內(nèi)部環(huán)境惡劣，因此無法直接測量其負荷，只能通過間接法檢測。目前，應(yīng)用于磨機負荷監(jiān)測的信號有磨機電流、振動信號、磨機電耳等，但都存在一定問題，要么準(zhǔn)確性差，要么在某一階段靈敏度差，要么難以標(biāo)定，無法滿足現(xiàn)場監(jiān)測和控制需要。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于，提供一種數(shù)字式的多功能磨機負荷監(jiān)測儀，該監(jiān)測儀應(yīng)用最新的SOC技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，能夠?qū)δC負荷、背景噪音、鋼球裝載量、磨機運行狀態(tài)的統(tǒng)一監(jiān)控。
為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本實用新型采取如下的技術(shù)解決方案一種數(shù)字式多功能磨機負荷監(jiān)測儀，其特征在于，其電路部分包括用于提供±15V、±5V、+3.3V的電源模塊、用于提供+2.5V參考電壓的電壓基準(zhǔn)電路，還包括有電流信號、聲音傳感器、信號匹配器、信號濾波器、RMS-DC轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器、微控制器、LCD顯示模塊、通訊電路、參數(shù)存儲器、DA轉(zhuǎn)換器、電壓和電流轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)監(jiān)控電路；聲音傳感器監(jiān)測的兩路噪音信號進入信號匹配器，信號匹配器通過依次連接的信號濾波器、RMS-DC轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器與微控制器相連通，電流信號也和AD轉(zhuǎn)換器的輸入端相連；電壓基準(zhǔn)電路15輸出的+2.5V參考電壓分別與AD轉(zhuǎn)換器和DA轉(zhuǎn)換器的參考源輸入端相連，微控制器上還分別連接有系統(tǒng)監(jiān)控電路、LCD顯示模塊、RS485通訊模塊、參數(shù)存儲器、DA轉(zhuǎn)換器；其中DA轉(zhuǎn)換器與電壓和電流轉(zhuǎn)換器相連接。
所述的信號匹配器采用AD620實現(xiàn)；信號濾波器微處理器、DA轉(zhuǎn)換器采用SOC芯片MSP430系列處理器實現(xiàn)；電壓和電流轉(zhuǎn)換器采用AD620和XTR110實現(xiàn)；系統(tǒng)監(jiān)控電路及參數(shù)存儲器采用X5043實現(xiàn)。
所述的聲音傳感器是指采用兩個聲音傳感器，同時測量磨機噪音和背景噪音，通過計算處理，所測負荷信息可有效消除背景噪音及臨磨噪音干擾。
所述的信號匹配器是指采用儀器運算放大器AD620，實現(xiàn)信號放大及阻抗匹配，通過放大器上連接的可調(diào)電位器RG1，改變放大倍數(shù)，調(diào)整范圍為2～50倍。
本實用新型的磨機負荷監(jiān)測儀，具有如下擴展功能1)可以準(zhǔn)確測量輸出磨機內(nèi)存料量，也即磨機負荷；2)可以準(zhǔn)確測量輸出所監(jiān)測磨機的噪音，以能量、分貝兩種方式表示；3)可以準(zhǔn)確測量輸出環(huán)境噪音，以能量、分貝兩種方式表示；4)可以通過測量磨機啟動時的電流和噪音信息，給出磨機鋼球裝載量信息，從而可以判斷是否缺少鋼球以及需補充鋼球量參考值。
5)能夠給出空磨、滿磨、缺鋼球等各種報警信息；測量結(jié)果輸出方式的多樣性，具體是指1)能夠?qū)y量結(jié)果通過LCD實時顯示；
2)將測量結(jié)果通過電壓(0～5V)或電流(4～20mA)方式輸出，方便于其他采集系統(tǒng)對接匹配。輸出內(nèi)容可自由選擇配置；3)將測量結(jié)果通過RS485通訊方式輸出儀器作為通訊網(wǎng)絡(luò)中的從站，同一個網(wǎng)絡(luò)中最多可以掛接32臺監(jiān)測儀，通訊速率可以在1200bps，2400bps，4800bps，9600bps，19.2kbps，115.2kbps中選擇，通訊速率為9600bps時，通訊距離可達到1000米。
本實用新型的數(shù)字式多功能磨機負荷監(jiān)測儀，采用SOC技術(shù)，將多個功能模塊集成到一個芯片上，使得系統(tǒng)集成度大大提高，大大降低了儀器體積和成本；采用數(shù)字信號處理技術(shù)，對采集到的噪音信息進行濾波、擬合處理，使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，靈敏度更高。
本實用新型能夠廣泛應(yīng)用于水泥廠、火電廠的磨機負荷測量，儀器運行可靠，功能豐富，使用方便，便于維護。


圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖；圖2是本實用新型的組成原理圖；圖3是濾波有效值轉(zhuǎn)換電路原理圖；圖4是電壓電流輸出電路原理圖。
以下結(jié)合附圖，對本實用新型作進一步的詳細說明。
具體實施方式
參照圖1所示，本實用新型的數(shù)字式多功能磨機負荷監(jiān)測儀，其電路部分包括用于提供±15V、±5V、+3.3V輸出的電源模塊8、用于提供+2.5V參考電壓的電壓基準(zhǔn)電路15，還包括有電流信號1、聲音傳感器2、信號匹配器3、信號濾波器4、RMS-DC轉(zhuǎn)換器5、AD轉(zhuǎn)換器6、微控制器7、LCD顯示電路9、通訊電路10、參數(shù)存儲器11、DA轉(zhuǎn)換器12、電壓和電流轉(zhuǎn)換器13和系統(tǒng)監(jiān)控電路14；
聲音傳感器2采集的兩路噪音信號的輸出與信號匹配電路3的輸入相連，信號匹配器3的輸出與信號濾波器4的輸入相連，信號濾波器4的輸出與RMS-DC轉(zhuǎn)換器5的輸入相連，RMS-DC轉(zhuǎn)換器5的輸出與AD轉(zhuǎn)換器6的輸入相連，電流信號1的輸出也和AD轉(zhuǎn)換6的輸入相連，電壓基準(zhǔn)電路15輸出的+2.5V參考電源與AD轉(zhuǎn)換器6和DA轉(zhuǎn)換器12的參考源輸入端相連，LCD顯示模塊9與微控制器7相連，RS485通訊模塊10與微控制器7相連，參數(shù)存儲器11與微控制器7相連，DA轉(zhuǎn)換器12與微控制器7相連，DA轉(zhuǎn)換器12的輸出與電壓和電流轉(zhuǎn)換器(UI轉(zhuǎn)換器)13相連，系統(tǒng)監(jiān)控電路14與微控制器7相連；電源電路8輸入為+24V，輸出為+15V，-15V，+5V，-5V，+3.3V。
參照圖2所示，聲音傳感器2的信號輸入包括2路聲音信號，其中一路為磨機噪音，一路為背景噪音，兩路聲音信號分別進入信號匹配器3中的AD620同相輸入端，通過電位器RG1調(diào)整放大倍數(shù)，經(jīng)AD620放大和阻抗匹配后的信號輸入到信號濾波器MAX267中，MAX267為集成4階帶通濾波器，可通過數(shù)字端口設(shè)定中心頻率fo和品質(zhì)因數(shù)Q。經(jīng)過帶通濾波后的有用頻段信號輸入到RMS-DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采用AD637實現(xiàn)，可將輸入交流信號計算轉(zhuǎn)換成有效值，以直流信號方式輸出，供AD采樣。磨機電流輸入信號為4～20mA，經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)換成0.5～2.5V電壓信號后，輸入到AD采樣獲得電流值。系統(tǒng)中AD轉(zhuǎn)換和DA轉(zhuǎn)換器的電壓參考采用+2.5V，由MAX6102提供，該電壓基準(zhǔn)電路為三端器件，輸入+5V，輸出為+2.5V。
系統(tǒng)的監(jiān)控電路和參數(shù)存儲器采用X5043實現(xiàn)，其內(nèi)有4kb的EEPROM，用來存儲各種參數(shù)。所有參數(shù)均能夠通過上位機通訊方式下裝，便于儀器整定。
監(jiān)控芯片X5043對系統(tǒng)運行及電源情況進行監(jiān)控，確保儀器可靠穩(wěn)定運行；在系統(tǒng)死機的情況下，能夠迅速復(fù)位，使得儀器重新工作。它與微控制器的接口為4線制SPI接口，其中/CS為片選端，SCK為時鐘端，SI為數(shù)據(jù)輸入端，SO為數(shù)據(jù)輸出端；X5043在上電及看門狗時間溢出時，在/RST端輸出低電平復(fù)位信號，該信號與微控制器的/RESET端相連。系統(tǒng)的顯示器采用SMS0801段式LCD實現(xiàn)，該LCD控制器與微控制器之間采用串行控制方式，其中CLK為時鐘端，DI為數(shù)據(jù)端。系統(tǒng)的通訊電路采用MAX3485實現(xiàn)，采用半雙工方式，其與微控制器UART異步通訊口相連，其中RXD為數(shù)據(jù)接收端，TXD為數(shù)據(jù)發(fā)送端，RTC為收發(fā)控制端，當(dāng)RTC＝1時為發(fā)送狀態(tài)，RTC＝0時為接收狀態(tài)。系統(tǒng)的電壓輸出采用微控制器集成的DA轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，輸出信號范圍為0～2.5V，經(jīng)過AD620放大2倍后作為電壓輸出方式信號，同時該信號輸入到XTR110的輸入端，轉(zhuǎn)換為4～20mA電流。
參照圖3所示，信號VIN經(jīng)過電阻R5輸入到濾波芯片MAX267中的運放輸入端4，MAX267中含有兩個二階帶通濾波器，內(nèi)部運放輸出端通過電阻R6反饋到輸入端4，輸出同時接到第一個帶通濾波器的信號輸入端5，帶通信號輸出端2接第二個帶通濾波器的輸入1，輸出端24通過電阻R7、電容C4反饋到運放輸入端4。帶通濾波器的時鐘通過晶體Y1獲得，晶體Y1兩端分別接MAX267的11端和12端、18端。中心頻率fo通過F0～F4共5個輸入端調(diào)整，該5個端子與撥碼開關(guān)相連；品質(zhì)因數(shù)Q通過Q0～Q6共7個輸入端調(diào)整，該7個端子與撥碼開關(guān)相連。帶通濾波器的輸出信號BPB經(jīng)過隔直電容后與AD637的13端相連，AD637的平均時間常數(shù)通過平均電容C7實現(xiàn)，該電容一端與AD637的8端連接，另一端與AD637的6端和9端相連。電阻R8，C5，R9，C10與AD637中的緩沖器構(gòu)成濾波器，可有效消除輸出信號中的紋波。
參照圖4所示，DAC輸出信號為0～2.5V，該信號與AD620的3號端相連，經(jīng)過AD620放大2倍后，信號變?yōu)?～5V；其放大倍數(shù)通過電位器RG3調(diào)整。由于信號并不需要直流偏置，因此AD620的參考輸入端REF接地。AD620的信號輸出端6作為儀器的電壓輸出，同時連接到電壓/電流轉(zhuǎn)換模塊XTR110的輸入端5，該端接受0～5V信號。XTR110的3端與12端、15端相連，這樣內(nèi)部的10V精準(zhǔn)電源可以為電路提供電壓偏置。XTR110的14端與MOSFET的G端相連，XTR110的1端和13端短接后與MOSFET的S端相連，XTR110的D端向負載提供電流，最大負載不超過500歐姆。
為了進行參數(shù)調(diào)整方便，采用C++語言開發(fā)了參數(shù)整定軟件，與負荷監(jiān)測儀通過RS485通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，可以方便的對負荷監(jiān)測儀進行參數(shù)整定及調(diào)整。
該數(shù)字式的多功能磨機負荷監(jiān)測儀在磨機啟動時，首先根據(jù)空磨時的磨機電流和磨機噪音，判斷磨機是否缺少鋼球，一旦缺少鋼球，給出缺鋼球報警信息，同時根據(jù)已存儲的先驗數(shù)據(jù)給出當(dāng)前鋼球裝載量和應(yīng)補充鋼球量的參考值。在磨機運轉(zhuǎn)時，磨機噪音和背景噪音通過信號匹配器調(diào)整放大后，進入濾波及有效值轉(zhuǎn)換電路，獲得噪音的能量信息和分貝信息，微處理器通過采樣單元接收這些信號，計算獲得相關(guān)結(jié)果，并通過LCD、RS485通訊以及電壓/電流方式輸出。
本實用新型的數(shù)字式的多功能磨機負荷監(jiān)測儀，其電路設(shè)計充分采用了SOC技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，對磨機噪音信息和電流信息進行分析處理，獲得準(zhǔn)確的磨機負荷，為磨機運行狀況的監(jiān)視和磨機優(yōu)化控制提供了先決條件。該儀器能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，并且具有功能豐富，使用方便，便于維護等特點，可滿足水泥廠、火電廠磨機負荷監(jiān)測的需要。
權(quán)利要求1.一種數(shù)字式多功能磨機負荷監(jiān)測儀，其特征在于，其電路部分包括用于提供±15V、±5V、+3.3V輸出的電源模塊(8)、用于提供+2.5V參考電壓的電壓基準(zhǔn)電路(15)，還包括有電流信號(1)、聲音傳感器(2)、信號匹配器(3)、信號濾波器(4)、RMS-DC轉(zhuǎn)換器(5)、AD轉(zhuǎn)換器(6)、微控制器(7)、LCD顯示模塊(9)、通訊電路(10)、參數(shù)存儲器(11)、DA轉(zhuǎn)換器(12)、電壓和電流轉(zhuǎn)換器(13)和系統(tǒng)監(jiān)控電路(14)；聲音傳感器(2)監(jiān)測的兩路噪音信號進入信號匹配器(3)，信號匹配器(3)通過依次連接的信號濾波器(4)、RMS-DC轉(zhuǎn)換器(5)、AD轉(zhuǎn)換器(6)與微控制器(7)相連通，電流信號(1)也和AD轉(zhuǎn)換器(6)的輸入端相連；電壓基準(zhǔn)電路(15)輸出的參考電壓分別與AD轉(zhuǎn)換器(6)和DA轉(zhuǎn)換器(12)的參考源輸入端相連，微控制器(7)上還分別連接有系統(tǒng)監(jiān)控電路(14)、LCD顯示模塊(9)、RS485通訊模塊(10)、參數(shù)存儲器(11)、DA轉(zhuǎn)換器(12)；其中DA轉(zhuǎn)換器(12)與電壓和電流轉(zhuǎn)換器(13)相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字式多功能磨機負荷監(jiān)測儀，其特征在于，所述的信號匹配器(3)采用儀器運算放大器AD620；信號濾波器(4)采用集成濾波器MAX267；RMS-DC轉(zhuǎn)換器(5)采用AD637；AD轉(zhuǎn)換器(6)、微控制器(7)、DA轉(zhuǎn)換器(12)采用SOC芯片MSP430系列星型號的微處理器；電壓和電流轉(zhuǎn)換器(13)采用AD620和XTR110；系統(tǒng)監(jiān)控電路(14)和參數(shù)存儲器采用X5043。
3.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字式多功能磨機負荷監(jiān)測儀，其特征在于，所述的聲音傳感器(2)為2個，同時測量磨機噪音和背景噪音。
4.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字式多功能磨機負荷監(jiān)測儀，其特征在于，所述的儀器運算放大器AD620上連接有用于調(diào)整放大倍數(shù)的可調(diào)電位器RG1，調(diào)整的放大倍數(shù)為2～50倍。
5.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字式多功能磨機負荷監(jiān)測儀，其特征在于，所述的參數(shù)存儲器(11)采用X5043芯片，芯片內(nèi)有4kb的EEPROM。
專利摘要本實用新型公開了一種數(shù)字式多功能磨機負荷監(jiān)測儀，其電路部分包括電源模塊、電壓基準(zhǔn)電路，還包括有電流信號、聲音傳感器、信號匹配器、信號濾波器、RMS－DC轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器、微控制器、LCD顯示模塊、通訊電路、參數(shù)存儲器、DA轉(zhuǎn)換器、電壓和電流轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)監(jiān)控電路。磨機運行時，通過檢測磨機噪音和背景噪音，準(zhǔn)確計算獲得磨機噪音能量值、噪音分貝值、磨機負荷值，并給出磨機狀態(tài)信息；所有結(jié)果和狀態(tài)信息可通過LCD實時顯示、通訊網(wǎng)絡(luò)、電壓/電流方式輸出；通過檢測啟磨時的磨機電流值和噪音信息，判定鋼球裝載量；本實用新型將SOC(System On Chip)技術(shù)應(yīng)用于磨機負荷的監(jiān)測，大大提高儀器的集成度，降低了儀器的功耗，功能豐富，操作方便，測量準(zhǔn)確。
文檔編號G01M99/00GK2909212SQ20062007884
公開日2007年6月6日 申請日期2006年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月20日
發(fā)明者張彥斌, 賈立新, 司剛?cè)? 曹暉 申請人:西安交通大學(xué)