基于噪音頻譜分析判斷球磨機工作狀態問題的解決

【摘要】球磨機要達到最佳工作狀態從來都不是一項簡單的任務，要使球磨機充分發揮作用，球磨機內部填充量的水平是首要考慮的問題，因為填充量的水平直接決定了球磨機的工作效率。基于噪音頻譜矢量分析的球磨機最優化控制系統采用高精度智能“電耳”做傳感器，通過運用現代統計數字信號處理技術對采集到的噪音信號進行頻譜分析，實時準確地判斷球磨機的工作狀態，從而有效地對球磨機進行控制，使球磨機的工作效率達到最佳。

【關鍵詞】噪音頻譜 球磨機

一、系統概述和整體設計

球磨機工作效率的高低以粉磨工作與時間的比來衡量，要使球磨機在最佳工作狀態下運行，必須獲得球磨機內部填充量的精確數據。一般認為，如果球磨機的填充量太低，就會增加研磨體之間的相互碰撞，導致能量的浪費，甚至減少球磨機的使用壽命；如果球磨機內部的填充量過高，則研磨體之間會產生相互緩沖作用，導致粉磨效率的大幅下降。

目前通用的一種球磨機內部填充量的測量方法是基于測量球磨機工作時所發出的聲音（球磨機空載時比滿載時發出的聲音大的多）。在靠近球磨機的地方安裝一個特殊的麥克風，并通過計算聲音水平的積分植來粗略地估計球磨機內部的填充量，從而判定球磨機的工作狀態。在一些設備簡單，生產不規范的小企業中，甚至有用人耳進行判斷的，這不僅測量結果不準確，而且噪音對人體會造成嚴重的危害。因此，開發一套精確判斷球磨機工作狀態的檢測裝置成為當務之急。

基于噪音頻譜矢量分析的球磨機最優化控制系統滿足以上要求，該系統總體上有智能電耳、數字信號處理器即DSP、控制器等幾部分組成，其結構框圖及工作原理如下所示：

安裝在球磨機附近的智能電耳能夠接收到的球磨機工作時發出的噪音信號，然后將噪音信號轉換成4—20mV的電信號，再經過抗混疊濾波即濾掉直流分量和20k以上的偕波分量，把濾波器輸出的有用噪音信號輸入到DSP模塊，DSP模塊對輸入的電信號進行抽樣、量化，運用現代數字信號處理技術對有用噪音信號進行實時分析，再將分析結果通過串行接口傳送給控制器，控制器一方面將球磨機的工作狀態顯示出來，另一方面控制給料機的加料速度。

二、硬件系統設計

噪音信號處理部分的硬件結構包括噪音采集模塊（TLV1578即TI公司專門為DSP芯片配套制作的一種8通道10位數據并行A/D轉換器），噪音處理DSP模塊（TI公司的TMS320VC5402），程序數據存儲器FLASH模塊，數據存儲器SRAM模塊。

三、軟件設計

球磨機在不同狀態下工作時，磨機本身發出的噪音的功率譜密度不同。簡單地說，球磨機內部填充水、料的質量不同、比例不同、研磨程度不同，球磨機發出的噪音信號的幅度、頻率也不同，即球磨機的工作狀態與噪音的功率譜密度存在——對應的關系，其數學表達式如下：Y(工作狀態)=F[x(功率譜密度)]。

球磨機的工作狀態是一個模糊量，需要有經驗的工程師預先衡量其優劣與否，因此，軟件部分的開始是一段自學習的過程。有經驗的工程師預先判斷球磨機工作狀態的優劣，并將與之對應的功率譜密度數據保存，球磨機工作過程中，檢測裝置把接收的噪音信號作傅立葉變換得到功率譜密度，將其和預先保存的已知的普密度比較，從而判斷出球磨機的工作狀態。

軟件流程如下所示：

自學習程序：初始化，噪音信號采集，快速傅立葉變換，聚類分析，經驗判斷，保存。

工作程序：初始化，噪音信號采集，快速傅立葉變換，比較分類，判斷。

四、總結

基于噪音頻譜矢量分析判斷球磨機工作狀態的檢測系統采用新型的磨機填充量測量方案，抗干擾能力強，能準確地掌握磨機內部填充量的情況；而且整個系統采用數字信號處理技術，大大提高了系統的精確性，從而更有利于磨機優化控制系統的建立，更有利于實現計算機控制。

（作者單位：蘭州交通大學自動化與電氣工程學院）