鋼球磨煤機（球磨機）廣泛應用于發(fā)電廠和水泥廠，其工作環(huán)境十分惡劣，如何準確測量球磨機負荷，是對球磨機負荷實施控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。但在實際設備中，傳感器不可能安裝在筒體內(nèi)直接對負荷進行測量，而只有通過測量球磨機負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)球磨機在不同負荷時運行的噪音不同，在負荷較小時，由于存料量少，鋼球與球磨機金屬筒壁的撞擊機會多，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，通過球磨機的噪音來間接檢測球磨機內(nèi)負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)電廠球磨機的噪聲信號并進行分析。在離球磨機進口部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前后聲音信號與前后軸的振動信號進行實時分析?，F(xiàn)場錄制從球磨機啟動開始持續(xù)lh。在聲音采集中，保證啟動過程均勻給料，使給煤機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在500r/min，到第13min提高給煤機轉(zhuǎn)速增加負荷。第14min到第29min這段時間使給煤機轉(zhuǎn)速繼續(xù)穩(wěn)定在500r/min。到第30min降低給煤機轉(zhuǎn)速，使筒內(nèi)負荷降低。
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，且隨球磨機負荷變化不明顯。產(chǎn)生這種情況的原因是球磨機運行中有干擾噪聲，干擾噪聲主要包括球磨機電機產(chǎn)生的噪聲，減速機齒輪和球磨機大小齒輪等嚙合處所產(chǎn)生的噪聲，風機產(chǎn)生的噪聲等[4]，這些干擾噪聲使球磨機噪聲信號有一段與負荷變化無關(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以下的頻率值隨負荷沒有明顯變化，證明此段頻率為與負荷無關(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確地反映球磨機負荷，以此方法來判斷反映球磨機負荷的特征頻段。
（2）800hz以下，即與負荷無關(guān)的頻率范圍內(nèi)，能量累加量與負荷沒有明顯對應關(guān)系，接近為一固定值。
（3）在可以準確反映負荷的有效頻段內(nèi)，能量累加量與球磨機負荷呈單調(diào)遞減關(guān)系。
（4）球磨機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、負荷檢測儀原理及結(jié)構(gòu)
根據(jù)以上結(jié)論所設計的基于dsp的球磨機負荷檢測儀主要由數(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負荷的特征頻段。在整個啟動過程中，標定hzui大值即負荷zui低點時為零，hzui小值即負荷zui高點時為1。待啟動過程結(jié)束，球磨機進入正常工作區(qū)后，依據(jù)標定來判斷負荷。
鑒于本儀器需要復雜的數(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，設定ad為啟動/停止工作模式，排序器設定為級連工作方式。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個引腳的串行外設接口模塊，在此模塊上擴展了2m位的flash，用來存儲標定好的數(shù)據(jù)。上位機通信采用rs485工業(yè)總線，使用max3483作收發(fā)器。
三、結(jié)論
在智能型球磨機負荷檢測儀的基礎(chǔ)上，所研制的球磨機尋優(yōu)節(jié)能計算機集散控制系統(tǒng)分別在遼寧撫順
發(fā)電有限責任公司等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%，降低球磨機電耗約15%，同時使煤粉細度穩(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)測控制帶來新的機遇[5]，把msif技術(shù)應用到球磨機負荷檢測中，可使球磨機在運行的任
意時刻都保持在*狀態(tài)，提高運行的經(jīng)濟性。