球磨机群监测系统数据采集模块的研究

何方威 ，王 欢 ，徐 鑫 ，刘炳宇 ，姜山红 ，尹清芳 ，王春岩

(1.鞍钢集团矿业公司，辽宁 鞍山 114000；2.辽宁科技大学 电信学院，辽宁 鞍山 114000)

球磨机是矿山生产的常用设备，近年来，随着矿山规模的扩大，在开采大规模、低品位矿床时，如何缩短工厂流程配置、提高处理能力，对各种磨机规格的大型化、节能和作业率提出了迫切的要求[1]。为了使大型球磨机连续无故障作业，需要对球磨机的重要部位或重要技术参量（如压力、被磨物质粒度、温度、流量、液位、振动和电量等）进行实时监测。

现有大型矿山企业对其各所属矿山内的球磨机群的监测多是采用模拟量变送器进行数据采集[2]。此种数据采集技术是一个参量对应一套变送器，其采集设备复杂、连线多。当采集距离较远时，极容易受到干扰，而且费用高，可靠性低；采用模拟量变送器进行数据采集，有时只能作指针表显示，个别数据可送入PLC(可编程控制器)变为数量处理，其设备费用高，又需专业工程技人员编写复杂的专用程序；采用模拟量变送器进行数据采集和数据处理时，又需配备较多的电脑和转换装置，其设备费用也是很高的。

1 球磨机群监测系统组成

球磨机群可以包括多个球磨机系统，一个球磨机系统又由球磨机和静压轴承两大部分组成，图1～图3所示分别为球磨机系统的组成、球磨机系统结构原理和球磨机静压轴承液压系统原理。

图1 球磨机系统组成

图2 球磨机结构原理图

图3 静压轴承液压系统原理

球磨机系统上的传感器包括安装在球磨机及静压轴承上的温度传感器、压力传感器、振动传感器及粒度传感器、流量传感器、电量传感器和液位传感器。如图2所示，在球磨机的出料口1和进料口6要进行流量检测；出料口1要进行矿浆粒度检测；出料口静压轴承2、滚筒3、进料口静压轴承5、进料口6、减速机7和电动机8要进行振动和温度检测；同时电动机8还要进行电量采集。如图3所示，4路压力传感器分别与静压轴承上的进料端主轴瓦和出料端主轴瓦相连接，可以检测轴瓦供油压力，油箱中要进行油温和液位检测。

基于上述球磨机系统的组成及数据采集方式，结合现场的自动化基础建设情况，可得出球磨机群检测系统的原理图，如图4所示。

图4 球磨机群监测系统原理图

通过图4可以看出，球磨机群检测系统包括数据监测中心、数据传输装置和数据采集监测模块。其中，数据监测中心包括厂矿自动控制的工控机及与此工控机相连接的数据显示屏等；数据传输装置介于数据监测中心与数据采集监测模块之间，包括电力光纤或GPRS无线通信等；数据采集监测模块是球磨机群监测系统的核心，它由多个数据采集监测单元组成。

2 数据采集监测模块

数据采集监测模块主要包括两类数据采集监测单元，分别为网络信号采集模块、网络电量计量模块[3]。

2.1 网络信号采集模块

网络信号采集模块包括信号接入单元、信号变换单元、隔离放大单元和嵌入式微电脑，其原理如图5所示。

图5 网络信号采集模块原理图

2.1.1 信号接入单元

信号接入单元如图6所示，包括“八选一”芯片UIN1、UIN2和 UIN3，选通信号 QH，控制信号 D2、D1和 D0，与芯片UIN1相连接的输出端A1，与芯片UIN2相连接的输出端A2以及与芯片UIN3相连接的输出端A3。芯片UIN1设有输入端 IN11～IN18，芯片 UIN2设有输入端IN21～IN28，UIN3 设有输入端 IN31～IN38，输出端 A1、A2和A3与所述的信号变换单元相连接。

2.1.2 信号变换单元

信号变换单元原理如图7所示，包括基准电压源Vout、电阻 R1～R11、电子开关 S1～S7、锁存器 SC、锁存器选通信号 BX、阻抗变换器GS1～GS6、可变电阻器W1、控制信号 D2、D1和 D0以及信号变换输出端 B1、B2和B3。信号变换输出端B1、B2和B3与所述的隔离放大单元相连接。经A1、A2和A3端输出的标准电压信号Ⅰ给入信号变换单元，同时向信号变换单元输入Vout基准电压源以及控制信号D2、D1和D0，将标准电压信号Ⅰ变换成标准电压信号Ⅱ经B1、B2和B3端输出。实施时选 Vout＝2.5 V， 电压纹波≤0.5%；S1～S7 状态由D2、D1及D0状态而定，见表2；W1为可变电阻器，用来调节输出值；GS1～GS6为阻抗变换器，实施时可采用运放作成的电压跟隧器；B1、B2和B3为信号变换后的输出端；通过信号接入单元后的信号在嵌入式微电脑的控制下，可将mV、mA、热电阻、热电耦等信号直接变换规定的标准信号，实施时该标准信号可为5 V。

2.1.3 信号变换单元

图6 信号接入单元原理图

图7 信号变换单元原理图

隔离放大单元包括隔离单元U1和可编程增益放大电路。隔离单元U1包括转换电容C1和C2,微电子数字单刀双掷开关 KC11、KC12、KC21和 KC22，选通信号GL以及微电子数字开关的控制信号D0；可编程增益放大电路包括精密集成运算放大器U2、可编程电阻网络U3和增益测量电路U4。可编程电阻网络U3由数字电位器SD1、SD2和SD3所组成，增益测量电路U4包括数字开关K1、K2以及标准电压Vb和数字开关的控制信号D1[4]。

2.1.4 嵌入式微电脑

嵌入式微电脑原理如图8所示，包括A/D转换器、基准电压源、DSP控制器、存储器、网络接口、USB接口和一线总线式数字温度变送器DS18B20。

图8 嵌入式微电脑原理图

2.2 网络电量计量模块

网络电量计量模块包括一组网络电量计量装置控制器和分别与此网络电量计量装置控制器相连接的一组用电系统。此组用电系统由电网供电，所述的网络电量计量装置控制器包括电流传感器CT、电压传感器PT、ASLC—电量测量专用芯片、键盘、LCD显示器、RS485接口、看门狗、报警、时钟电路、测温元件DS18B20、带光隔离的开入/开出信号端和电流源。网络电量计量模块的原理如图9所示。

3 优点

（1）本文的球磨机群监测系统的球磨机单元监测模块采用了多通道、多种传感器直接输入的网络智能数据采集模块化装置，允许8通道传感器分时输入，可实现统一变换、电容隔离、可编程放大、±18位A/D转换和智能处理、带现场总线(同时可用 Modbus和 Profibus-DP)的网络传输。本球磨机群监测模块具有体积小、使用灵活、操作简便、通用性强、网络智能化等优点。

（2）本系统的球磨机单元监测模块可实现压力、被磨物质粒度、温度、流量、液位、振动、电量和现场运行等状态的实时、全方位、多参量监测，适用于检测和控制等多种场合，是实现网络智能数据监测和控制的理想装置。

（3）在智慧云计算平台支持下，本系统可实现大型多个矿山企业的球磨机群监测。

本文提出一种球磨机群监测系统的数据采集监测模块及其监测方法，它包括数据监测中心、数据传输装置、球磨机群监测模块和网络电量计量模块，基于此数据采集监测模块对球磨机群进行数据采集、监测和传输，可实现大型多个矿山企业的球磨机群监测，省去了基层设备的扩容，能实时完成大量数据收存、优化处理、智慧决策、合理调度、全面监视等综合工作[5]。

[1]于港，田乃媛，徐安军，等．流程产能和作业率的影响因素[J]．Iron&Steel，2011，46(10)：99-103.

[2]彭谊辉．基于PLC和网络技术的可倾式球磨机群控系统[J]．Cemented Carbide，2010，27(1)：41-43.

[3]周平，柴天佑．磨矿过程磨机负荷的智能监测与控制[J]．控制理论与应用，2008，25(6)：1095-1098.

[4]崔玉龙，刘教民，王静．低压电器信号变换技术[J]．电子技术，2002(8)：49-50.

[5]徐茹枝，周凡雅，耿啸风．企业新一代信息架构及云平台的研究[J]．中国电子商情：通信市场，2012(5)：112-118.