球磨機(jī)群監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的研究

何方威 ，王 歡 ，徐 鑫 ，劉炳宇 ，姜山紅 ，尹清芳 ，王春巖

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司，遼寧 鞍山 114000；2.遼寧科技大學(xué) 電信學(xué)院，遼寧 鞍山 114000)

球磨機(jī)是礦山生產(chǎn)的常用設(shè)備，近年來(lái)，隨著礦山規(guī)模的擴(kuò)大，在開(kāi)采大規(guī)模、低品位礦床時(shí)，如何縮短工廠流程配置、提高處理能力，對(duì)各種磨機(jī)規(guī)格的大型化、節(jié)能和作業(yè)率提出了迫切的要求[1]。為了使大型球磨機(jī)連續(xù)無(wú)故障作業(yè)，需要對(duì)球磨機(jī)的重要部位或重要技術(shù)參量（如壓力、被磨物質(zhì)粒度、溫度、流量、液位、振動(dòng)和電量等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

現(xiàn)有大型礦山企業(yè)對(duì)其各所屬礦山內(nèi)的球磨機(jī)群的監(jiān)測(cè)多是采用模擬量變送器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[2]。此種數(shù)據(jù)采集技術(shù)是一個(gè)參量對(duì)應(yīng)一套變送器，其采集設(shè)備復(fù)雜、連線多。當(dāng)采集距離較遠(yuǎn)時(shí)，極容易受到干擾，而且費(fèi)用高，可靠性低；采用模擬量變送器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，有時(shí)只能作指針表顯示，個(gè)別數(shù)據(jù)可送入PLC(可編程控制器)變?yōu)閿?shù)量處理，其設(shè)備費(fèi)用高，又需專業(yè)工程技人員編寫(xiě)復(fù)雜的專用程序；采用模擬量變送器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理時(shí)，又需配備較多的電腦和轉(zhuǎn)換裝置，其設(shè)備費(fèi)用也是很高的。

1 球磨機(jī)群監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

球磨機(jī)群可以包括多個(gè)球磨機(jī)系統(tǒng)，一個(gè)球磨機(jī)系統(tǒng)又由球磨機(jī)和靜壓軸承兩大部分組成，圖1～圖3所示分別為球磨機(jī)系統(tǒng)的組成、球磨機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理和球磨機(jī)靜壓軸承液壓系統(tǒng)原理。

圖1 球磨機(jī)系統(tǒng)組成

圖2 球磨機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 靜壓軸承液壓系統(tǒng)原理

球磨機(jī)系統(tǒng)上的傳感器包括安裝在球磨機(jī)及靜壓軸承上的溫度傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器及粒度傳感器、流量傳感器、電量傳感器和液位傳感器。如圖2所示，在球磨機(jī)的出料口1和進(jìn)料口6要進(jìn)行流量檢測(cè)；出料口1要進(jìn)行礦漿粒度檢測(cè)；出料口靜壓軸承2、滾筒3、進(jìn)料口靜壓軸承5、進(jìn)料口6、減速機(jī)7和電動(dòng)機(jī)8要進(jìn)行振動(dòng)和溫度檢測(cè)；同時(shí)電動(dòng)機(jī)8還要進(jìn)行電量采集。如圖3所示，4路壓力傳感器分別與靜壓軸承上的進(jìn)料端主軸瓦和出料端主軸瓦相連接，可以檢測(cè)軸瓦供油壓力，油箱中要進(jìn)行油溫和液位檢測(cè)。

基于上述球磨機(jī)系統(tǒng)的組成及數(shù)據(jù)采集方式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化基礎(chǔ)建設(shè)情況，可得出球磨機(jī)群檢測(cè)系統(tǒng)的原理圖，如圖4所示。

圖4 球磨機(jī)群監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

通過(guò)圖4可以看出，球磨機(jī)群檢測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心、數(shù)據(jù)傳輸裝置和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)模塊。其中，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心包括廠礦自動(dòng)控制的工控機(jī)及與此工控機(jī)相連接的數(shù)據(jù)顯示屏等；數(shù)據(jù)傳輸裝置介于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心與數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)模塊之間，包括電力光纖或GPRS無(wú)線通信等；數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)模塊是球磨機(jī)群監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，它由多個(gè)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)單元組成。

2 數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)模塊

數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)模塊主要包括兩類數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)單元，分別為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)電量計(jì)量模塊[3]。

2.1 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)采集模塊

網(wǎng)絡(luò)信號(hào)采集模塊包括信號(hào)接入單元、信號(hào)變換單元、隔離放大單元和嵌入式微電腦，其原理如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)采集模塊原理圖

2.1.1 信號(hào)接入單元

信號(hào)接入單元如圖6所示，包括“八選一”芯片UIN1、UIN2和 UIN3，選通信號(hào) QH，控制信號(hào) D2、D1和 D0，與芯片UIN1相連接的輸出端A1，與芯片UIN2相連接的輸出端A2以及與芯片UIN3相連接的輸出端A3。芯片UIN1設(shè)有輸入端 IN11～I(xiàn)N18，芯片 UIN2設(shè)有輸入端IN21～I(xiàn)N28，UIN3 設(shè)有輸入端 IN31～I(xiàn)N38，輸出端 A1、A2和A3與所述的信號(hào)變換單元相連接。

2.1.2 信號(hào)變換單元

信號(hào)變換單元原理如圖7所示，包括基準(zhǔn)電壓源Vout、電阻 R1～R11、電子開(kāi)關(guān) S1～S7、鎖存器 SC、鎖存器選通信號(hào) BX、阻抗變換器GS1～GS6、可變電阻器W1、控制信號(hào) D2、D1和 D0以及信號(hào)變換輸出端 B1、B2和B3。信號(hào)變換輸出端B1、B2和B3與所述的隔離放大單元相連接。經(jīng)A1、A2和A3端輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)Ⅰ給入信號(hào)變換單元，同時(shí)向信號(hào)變換單元輸入Vout基準(zhǔn)電壓源以及控制信號(hào)D2、D1和D0，將標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)Ⅰ變換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)Ⅱ經(jīng)B1、B2和B3端輸出。實(shí)施時(shí)選 Vout＝2.5 V， 電壓紋波≤0.5%；S1～S7 狀態(tài)由D2、D1及D0狀態(tài)而定，見(jiàn)表2；W1為可變電阻器，用來(lái)調(diào)節(jié)輸出值；GS1～GS6為阻抗變換器，實(shí)施時(shí)可采用運(yùn)放作成的電壓跟隧器；B1、B2和B3為信號(hào)變換后的輸出端；通過(guò)信號(hào)接入單元后的信號(hào)在嵌入式微電腦的控制下，可將mV、mA、熱電阻、熱電耦等信號(hào)直接變換規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)施時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)可為5 V。

2.1.3 信號(hào)變換單元

圖6 信號(hào)接入單元原理圖

圖7 信號(hào)變換單元原理圖

隔離放大單元包括隔離單元U1和可編程增益放大電路。隔離單元U1包括轉(zhuǎn)換電容C1和C2,微電子數(shù)字單刀雙擲開(kāi)關(guān) KC11、KC12、KC21和 KC22，選通信號(hào)GL以及微電子數(shù)字開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)D0；可編程增益放大電路包括精密集成運(yùn)算放大器U2、可編程電阻網(wǎng)絡(luò)U3和增益測(cè)量電路U4?？删幊屉娮杈W(wǎng)絡(luò)U3由數(shù)字電位器SD1、SD2和SD3所組成，增益測(cè)量電路U4包括數(shù)字開(kāi)關(guān)K1、K2以及標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb和數(shù)字開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)D1[4]。

2.1.4 嵌入式微電腦

嵌入式微電腦原理如圖8所示，包括A/D轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓源、DSP控制器、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口和一線總線式數(shù)字溫度變送器DS18B20。

圖8 嵌入式微電腦原理圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)電量計(jì)量模塊

網(wǎng)絡(luò)電量計(jì)量模塊包括一組網(wǎng)絡(luò)電量計(jì)量裝置控制器和分別與此網(wǎng)絡(luò)電量計(jì)量裝置控制器相連接的一組用電系統(tǒng)。此組用電系統(tǒng)由電網(wǎng)供電，所述的網(wǎng)絡(luò)電量計(jì)量裝置控制器包括電流傳感器CT、電壓傳感器PT、ASLC—電量測(cè)量專用芯片、鍵盤(pán)、LCD顯示器、RS485接口、看門(mén)狗、報(bào)警、時(shí)鐘電路、測(cè)溫元件DS18B20、帶光隔離的開(kāi)入/開(kāi)出信號(hào)端和電流源。網(wǎng)絡(luò)電量計(jì)量模塊的原理如圖9所示。

3 優(yōu)點(diǎn)

（1）本文的球磨機(jī)群監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的球磨機(jī)單元監(jiān)測(cè)模塊采用了多通道、多種傳感器直接輸入的網(wǎng)絡(luò)智能數(shù)據(jù)采集模塊化裝置，允許8通道傳感器分時(shí)輸入，可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一變換、電容隔離、可編程放大、±18位A/D轉(zhuǎn)換和智能處理、帶現(xiàn)場(chǎng)總線(同時(shí)可用 Modbus和 Profibus-DP)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。本球磨機(jī)群監(jiān)測(cè)模塊具有體積小、使用靈活、操作簡(jiǎn)便、通用性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)智能化等優(yōu)點(diǎn)。

（2）本系統(tǒng)的球磨機(jī)單元監(jiān)測(cè)模塊可實(shí)現(xiàn)壓力、被磨物質(zhì)粒度、溫度、流量、液位、振動(dòng)、電量和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行等狀態(tài)的實(shí)時(shí)、全方位、多參量監(jiān)測(cè)，適用于檢測(cè)和控制等多種場(chǎng)合，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制的理想裝置。

（3）在智慧云計(jì)算平臺(tái)支持下，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大型多個(gè)礦山企業(yè)的球磨機(jī)群監(jiān)測(cè)。

本文提出一種球磨機(jī)群監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)模塊及其監(jiān)測(cè)方法，它包括數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心、數(shù)據(jù)傳輸裝置、球磨機(jī)群監(jiān)測(cè)模塊和網(wǎng)絡(luò)電量計(jì)量模塊，基于此數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)模塊對(duì)球磨機(jī)群進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)和傳輸，可實(shí)現(xiàn)大型多個(gè)礦山企業(yè)的球磨機(jī)群監(jiān)測(cè)，省去了基層設(shè)備的擴(kuò)容，能實(shí)時(shí)完成大量數(shù)據(jù)收存、優(yōu)化處理、智慧決策、合理調(diào)度、全面監(jiān)視等綜合工作[5]。

[1]于港，田乃媛，徐安軍，等．流程產(chǎn)能和作業(yè)率的影響因素[J]．Iron&Steel，2011，46(10)：99-103.

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[3]周平，柴天佑．磨礦過(guò)程磨機(jī)負(fù)荷的智能監(jiān)測(cè)與控制[J]．控制理論與應(yīng)用，2008，25(6)：1095-1098.

[4]崔玉龍，劉教民，王靜．低壓電器信號(hào)變換技術(shù)[J]．電子技術(shù)，2002(8)：49-50.

[5]徐茹枝，周凡雅，耿嘯風(fēng)．企業(yè)新一代信息架構(gòu)及云平臺(tái)的研究[J]．中國(guó)電子商情：通信市場(chǎng)，2012(5)：112-118.