專利名稱：數字式多功能磨機負荷監測儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種能夠準確監測水泥廠、火電廠磨機負荷、鋼球裝載量及運行狀態的儀器。
背景技術：
磨機廣泛用于發電、水泥、選礦等各個行業，作為這些行業的重要設備和耗電大戶，對這些行業的安全生產至關重要，同時又是這些行業的重點節能挖潛之處。目前，上述這些傳統行業中普遍存在能源消耗高、粉塵和噪聲污染嚴重、產品質量不穩定、勞動生產率低等問題，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。因此如何準確監測磨機負荷成為關鍵和難點。
由于磨機工作環境差，粉塵污染大，內部環境惡劣，因此無法直接測量其負荷，只能通過間接法檢測。目前，應用于磨機負荷監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，要么準確性差，要么在某一階段靈敏度差，要么難以標定，無法滿足現場監測和控制需要。
發明內容
本實用新型的目的在于，提供一種數字式的多功能磨機負荷監測儀，該監測儀應用最新的SOC技術和數字信號處理技術，能夠對磨機負荷、背景噪音、鋼球裝載量、磨機運行狀態的統一監控。
為了實現上述任務，本實用新型采取如下的技術解決方案一種數字式多功能磨機負荷監測儀，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轉換器、AD轉換器、微控制器、LCD顯示模塊、通訊電路、參數存儲器、DA轉換器、電壓和電流轉換器和系統監控電路；聲音傳感器監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轉換器、AD轉換器與微控制器相連通，電流信號也和AD轉換器的輸入端相連；電壓基準電路15輸出的+2.5V參考電壓分別與AD轉換器和DA轉換器的參考源輸入端相連，微控制器上還分別連接有系統監控電路、LCD顯示模塊、RS485通訊模塊、參數存儲器、DA轉換器；其中DA轉換器與電壓和電流轉換器相連接。
所述的信號匹配器采用AD620實現；信號濾波器微處理器、DA轉換器采用SOC芯片MSP430系列處理器實現；電壓和電流轉換器采用AD620和XTR110實現；系統監控電路及參數存儲器采用X5043實現。
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，實現信號放大及阻抗匹配，通過放大器上連接的可調電位器RG1，改變放大倍數，調整范圍為2～50倍。
本實用新型的磨機負荷監測儀，具有如下擴展功能1)可以準確測量輸出磨機內存料量，也即磨機負荷；2)可以準確測量輸出所監測磨機的噪音，以能量、分貝兩種方式表示；3)可以準確測量輸出環境噪音，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；測量結果輸出方式的多樣性，具體是指1)能夠將測量結果通過LCD實時顯示；
2)將測量結果通過電壓(0～5V)或電流(4～20mA)方式輸出，方便于其他采集系統對接匹配。輸出內容可自由選擇配置；3)將測量結果通過RS485通訊方式輸出儀器作為通訊網絡中的從站，同一個網絡中最多可以掛接32臺監測儀，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。
本實用新型的數字式多功能磨機負荷監測儀，采用SOC技術，將多個功能模塊集成到一個芯片上，使得系統集成度大大提高，大大降低了儀器體積和成本；采用數字信號處理技術，對采集到的噪音信息進行濾波、擬合處理，使得測量結果更加準確，靈敏度更高。
本實用新型能夠廣泛應用于水泥廠、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是系統結構組成框圖；圖2是本實用新型的組成原理圖；圖3是濾波有效值轉換電路原理圖；圖4是電壓電流輸出電路原理圖。
以下結合附圖，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，本實用新型的數字式多功能磨機負荷監測儀，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轉換器5、AD轉換器6、微控制器7、LCD顯示電路9、通訊電路10、參數存儲器11、DA轉換器12、電壓和電流轉換器13和系統監控電路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轉換器5的輸入相連，RMS-DC轉換器5的輸出與AD轉換器6的輸入相連，電流信號1的輸出也和AD轉換6的輸入相連，電壓基準電路15輸出的+2.5V參考電源與AD轉換器6和DA轉換器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，參數存儲器11與微控制器7相連，DA轉換器12與微控制器7相連，DA轉換器12的輸出與電壓和電流轉換器(UI轉換器)13相連，系統監控電路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調整放大倍數，經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，可通過數字端口設定中心頻率fo和品質因數Q。經過帶通濾波后的有用頻段信號輸入到RMS-DC轉換器，該轉換器采用AD637實現，可將輸入交流信號計算轉換成有效值，以直流信號方式輸出，供AD采樣。磨機電流輸入信號為4～20mA，經過電阻轉換成0.5～2.5V電壓信號后，輸入到AD采樣獲得電流值。系統中AD轉換和DA轉換器的電壓參考采用+2.5V，由MAX6102提供，該電壓基準電路為三端器件，輸入+5V，輸出為+2.5V。
系統的監控電路和參數存儲器采用X5043實現，其內有4kb的EEPROM，用來存儲各種參數。所有參數均能夠通過上位機通訊方式下裝，便于儀器整定。
監控芯片X5043對系統運行及電源情況進行監控，確保儀器可靠穩定運行；在系統死機的情況下，能夠迅速復位，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為數據輸入端，SO為數據輸出端；X5043在上電及看門狗時間溢出時，在/RST端輸出低電平復位信號，該信號與微控制器的/RESET端相連。系統的顯示器采用SMS0801段式LCD實現，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為數據端。系統的通訊電路采用MAX3485實現，采用半雙工方式，其與微控制器UART異步通訊口相連，其中RXD為數據接收端，TXD為數據發送端，RTC為收發控制端，當RTC＝1時為發送狀態，RTC＝0時為接收狀態。系統的電壓輸出采用微控制器集成的DA轉換器實現，輸出信號范圍為0～2.5V，經過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，轉換為4～20mA電流。
參照圖3所示，信號VIN經過電阻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個輸入端調整，該5個端子與撥碼開關相連；品質因數Q通過Q0～Q6共7個輸入端調整，該7個端子與撥碼開關相連。帶通濾波器的輸出信號BPB經過隔直電容后與AD637的13端相連，AD637的平均時間常數通過平均電容C7實現，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，經過AD620放大2倍后，信號變為0～5V；其放大倍數通過電位器RG3調整。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，這樣內部的10V精準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。
為了進行參數調整方便，采用C++語言開發了參數整定軟件，與負荷監測儀通過RS485通訊實現數據交換，可以方便的對負荷監測儀進行參數整定及調整。
該數字式的多功能磨機負荷監測儀在磨機啟動時，首先根據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，同時根據已存儲的先驗數據給出當前鋼球裝載量和應補充鋼球量的參考值。在磨機運轉時，磨機噪音和背景噪音通過信號匹配器調整放大后，進入濾波及有效值轉換電路，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，計算獲得相關結果，并通過LCD、RS485通訊以及電壓/電流方式輸出。
本實用新型的數字式的多功能磨機負荷監測儀，其電路設計充分采用了SOC技術和數字信號處理技術，對磨機噪音信息和電流信息進行分析處理，獲得準確的磨機負荷，為磨機運行狀況的監視和磨機優化控制提供了先決條件。該儀器能夠適應工業現場的惡劣環境，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、火電廠磨機負荷監測的需要。
權利要求1.一種數字式多功能磨機負荷監測儀，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轉換器(5)、AD轉換器(6)、微控制器(7)、LCD顯示模塊(9)、通訊電路(10)、參數存儲器(11)、DA轉換器(12)、電壓和電流轉換器(13)和系統監控電路(14)；聲音傳感器(2)監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轉換器(5)、AD轉換器(6)與微控制器(7)相連通，電流信號(1)也和AD轉換器(6)的輸入端相連；電壓基準電路(15)輸出的參考電壓分別與AD轉換器(6)和DA轉換器(12)的參考源輸入端相連，微控制器(7)上還分別連接有系統監控電路(14)、LCD顯示模塊(9)、RS485通訊模塊(10)、參數存儲器(11)、DA轉換器(12)；其中DA轉換器(12)與電壓和電流轉換器(13)相連接。
2.如權利要求1所述的數字式多功能磨機負荷監測儀，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轉換器(5)采用AD637；AD轉換器(6)、微控制器(7)、DA轉換器(12)采用SOC芯片MSP430系列星型號的微處理器；電壓和電流轉換器(13)采用AD620和XTR110；系統監控電路(14)和參數存儲器采用X5043。
3.如權利要求1所述的數字式多功能磨機負荷監測儀，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.如權利要求2所述的數字式多功能磨機負荷監測儀，其特征在于，所述的儀器運算放大器AD620上連接有用于調整放大倍數的可調電位器RG1，調整的放大倍數為2～50倍。
5.如權利要求1所述的數字式多功能磨機負荷監測儀，其特征在于，所述的參數存儲器(11)采用X5043芯片，芯片內有4kb的EEPROM。
專利摘要本實用新型公開了一種數字式多功能磨機負荷監測儀，其電路部分包括電源模塊、電壓基準電路，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轉換器、AD轉換器、微控制器、LCD顯示模塊、通訊電路、參數存儲器、DA轉換器、電壓和電流轉換器和系統監控電路。磨機運行時，通過檢測磨機噪音和背景噪音，準確計算獲得磨機噪音能量值、噪音分貝值、磨機負荷值，并給出磨機狀態信息；所有結果和狀態信息可通過LCD實時顯示、通訊網絡、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)技術應用于磨機負荷的監測，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 優先權日2006年4月20日
發明者張彥斌, 賈立新, 司剛全, 曹暉 申請人:西安交通大學