基於多傳感器融合技術的滾筒式球磨機料位檢測方法

2023-05-04 22:27:01 1

專利名稱：基於多傳感器融合技術的滾筒式球磨機料位檢測方法
技術領域：
本發明涉及滾筒式球磨機料位的檢測方法，具體是一種基於多傳感器融合 技術的滾筒式球磨機料位檢測方法。
背景技術：
滾筒式球磨機是一種工業生產中十分重要的制粉設備，它廣泛應用於電 力、礦山、冶金、化工和建材等行業，主要作用是將原料或半成品磨製成粉， 以供後續工序使用。例如，在火力發電中，原煤必須經過球磨機充分的研磨以 達到一定的細度，才能進入爐膛燃燒；在水泥生產過程中，滾筒式球磨機還是 生料粉磨和水泥粉磨系統的主要組成設備。
滾筒式球磨機屬於一種高能耗、低效率的設備，每天消耗著大量的電能。 滾筒式球磨機利用低速迴轉的滾筒將作為研磨體的大量鋼球帶到一定高度，然 後大量鋼球拋射下落，將物料擊碎。滾筒式球磨機所裝載的鋼球和物料的重量 比往往達到十比一乃至更高，因此大量的能源被球磨機自身消耗。據統計，在 水泥廠，70%以上的用電量是消耗在磨機上，而在磨機所消耗的電能中只有不 到10%的能量被真正用於原料的磨碎，而卯％以上的能量被轉化為振動、發熱 和噪聲。而在火力發電廠，滾筒式球磨機的能源消耗佔到廠用電的三分之一。 由於滾筒式球磨機工作在旋轉狀態下， 一直以來缺少直接檢測其內部料位的設 備，經常發生飽磨、空磨和堵磨等現象，不得不經常停料或停磨，造成生產效 率降低，還影響產量和質量的提高，同時對設備的壽命也會產生不良後果。據不完全統計，全國現有近三萬臺大型球磨機應用在電力、石化、冶金、化工、
礦山、水泥等各種行業。根據試驗研究，球磨機都有至少10。X以上的節能潛力 和節約9%以上鋼材原材料的潛力，對這些潛力的挖掘需要能夠準確測量滾筒 式球磨機的料位，並進行有效控制。因此，可靠測量滾筒式球磨機料位，並控 制滾筒式球磨機穩定運行在最佳工作狀態，對於提高其運行的穩定性和經濟性 和節能降耗有著重要的意義。
目前，對滾筒式球磨機料位的檢測方法主要有差壓法、功率法、測振法和 測音法。1、差壓法利用球磨機出入口的差壓來表示球磨機內部的料位。雖然 在理論上可以用差壓表示存料量，但由於球磨機出入口差壓不僅與球磨機的存 料量有關，還受球磨機的鋼球裝載量和通風量等因素的影響。因此，在實際的 使用中差壓法並不能準確地反映球磨機的料位信息。2、功率法通過檢測球磨 機運行時電機電流的變化來間接反映存料量的一種方法，由於球磨機的電機電 流主要受鋼球裝載量的影響，空載與滿載時磨電流的變化不大，而且不是單值 關係，因此該方法的精度不高。3、測振法通過鋼球磨煤機運行過程中振動的 頻率和幅值來確定存料量，但是該方法滯後較大，容易受環境中其它設備的振 動影響，此外由於傳感器直接與振動的球磨機機體接觸使傳感器容易損壞，維 護成本高，不利於系統的連續運行。4、測音法俗稱電耳法，它利用球磨機運 行過程中鋼球與球磨機內壁的襯板以及鋼球之間碰撞產生的聲音信號來反映 球磨機的料位。當存煤量少時，鋼球之間以及鋼球與襯板之間的撞擊比較劇烈， 聲音比較大，聲音隨存煤量的增加而減小。由於是非接觸測量，該方法獲得了 較為廣泛的應用。但是，該方法也存在缺陷，主要有如下幾方面第一，相鄰 球磨機的噪音會對測量產生較大的影響；第二，在高料位運行時，由於球磨機內部物料填充度高，鋼球碰撞產生的噪音幅度較低，而球磨機的運轉部分和電 機傳動機構等設備的背景噪聲相對較高，造成高料位測量靈敏度低，不能準確 反映料位。

發明內容
本發明為了解決滾筒式球磨機料位的現有檢測方法存在不能準確反映球 磨機料位信息、檢測精度低、成本高、測量靈敏度低等問題，提供了一種基於 多傳感器融合技術的滾筒式球磨機料位檢測方法。
本發明是採用如下技術方案實現的基於多傳感器融合技術的滾筒式球磨 機料位檢測方法，步驟如下
(1 )、同時應用三個音頻傳感器分別採集滾筒式球磨機滾筒處的噪聲信號 A、滾筒式球磨機本身背景噪聲相對較高處(一般指機體運轉部分及電機傳動 機構的位置)的噪聲信號&、以及滾筒式球磨機所處環境的噪聲信號^;
(2) 、對步驟(1)採集到的噪聲信號、&A進行調理得信號^^A，將信 號^^^模數轉換得數字序列信號、^,^，然後將數字序列信號^^^預白化 處理得信號^,W2,MV其中，對噪聲信號年&,A調理後得到的信號^^"3要適合 於進行模數轉換採用的A/D轉換器的輸入量程範圍；
(3) 、分別對步驟(2)得到的信號^，^,M^進行盲源分離處理得三個在統 計上獨立的信號 ， 乂2 ， ，
(4) 、由於盲源分離處理的求解結果有不確定性，主要表現為盲源分離後 信號矢量的排列位置的不確定、信號的幅值和初始相位的變化；因此需從信號 ^A,^中甄別出代表滾筒式球磨機料位信息的信號；甄別方法如下a、對與 滾筒式球磨機滾筒處噪聲信號A對應的經步驟2處理後得到的信號w,，以及經步驟(3)得到的信號A,A,A進行頻譜分析，按下式對信號WAAA進行7V點 離散傅立葉變換，
formula see original document page 7 ( 1 )
formula see original document page 7 (2)
b、按下式對信號^&^X3的離散傅立葉變換結果取模，並歸一化處理，
formula see original document page 7
c、按下式分別求出4 WU = 1，2,3與4>)的歐氏距離D,
formula see original document page 7(3)
formula see original document page 7(4)
formula see original document page 7(5)
兩組信號的歐氏距離代表了兩組信號的相似性，歐氏距離越小意味著兩組
信號越相似，因此與最小A對應的信號x,即為代表滾筒式球磨機料位信息的信
號，取與最小A對應的4(M)序列中的前半部分作為序列長度為I的輸出信號
z(")，即
formula see original document page 7 (6);
(5)、根據步驟(4)的輸出信號z(")，按下式計算滾筒式球磨機內料位丄
的值，
formula see original document page 7 (7)，其中，式(7)中^值的確定方法如下
在滾筒式球磨機料位較高的情況下，選擇兩種料位工況，按步驟(1)-(4) 取得與兩種料位工況對應的輸出信號^(w)、 然後令l從1到|-1依次取
值，根據與兩種料位工況對應的輸出信號^(w)、 ^( )，按照步驟(5)中的式(7)
分別對兩種料位工況進行料位計算，得到與各(對應的料位值40t)、 z,("，其 中，* = 1,2， ,|-1; ^Ot)-丄,Ot)結果的絕對值最大時所對應的H直即為要確定
的(值。
與現有技術相比，本發明採用多個音頻傳感器分別獲取滾筒式球磨機滾筒 的噪聲信號、滾筒式球磨機本身的背景噪聲信號和滾筒式球磨機所處現場環境
的噪聲信號；並利用盲源分離技術對所採集的噪聲信號進行處理，應用頻譜分
析法對信號進行甄別，將代表球磨機料位的音頻信號從噪聲信號分離、確定， 然後採用頻譜比值法對滾筒式球磨機內的料位進行計算，準確度高，精度高， 靈敏度高。其中，盲源分離技術是近幾年才發展起來的一種信息處理方法，通 過對採集的混合信號的特性分析，能夠將混合信號中的源信號分離出來，而不 需要源信號和傳輸信道的過多信息，已經廣泛應用於音頻信號處理和圖像信號 處理等領域。目前，經驗豐富的運行人員在複雜的現場環境中可以通過現場聲 音判斷出球磨機內部的料位，主要的原因在於人耳的特性和人類聽覺系統對聲 音信號的處理能力，而本發明所述方法恰是模仿了人耳的特性和人類聽覺系統 對聲音信號的處理能力來實現對滾筒式球磨機料位的判斷。，
本發明所述方法合理，能有效地降低環境噪聲、本身背景噪聲和相鄰球磨 機噪聲的幹擾，對滾筒式球磨機料位進行準確可靠的檢測。


圖1為本發明所述方法步驟1中音頻傳感器的指向布置示意圖； 圖2為本發明所述方法的流程圖中1、 2、 3-音頻傳感器；4-滾筒式球磨機；5-電機傳動機構；6-落料□。
具體實施例方式
如圖1、 2所示，基於多傳感器融合技術的滾筒式球磨機料位檢測方法， 步驟如下
(1 )、同時應用三個音頻傳感器分別採集滾筒式球磨機滾筒處的噪聲信號 &、滾筒式球磨機本身背景噪聲相對較高處(一般指機體運轉部分及電機傳動 機構的位置)的噪聲信號A、以及滾筒式球磨機所處環境的噪聲信號^;
(2) 、對步驟(1)採集到的噪聲信號^&A進行調理得信號^^A，將信 號"^2,^模數轉換得數字序列信號v^2，^，然後將數字序列信號巧, ^預白化 處理得信號v^,^,MV其中，對噪聲信號^^A調理後得到的信號^^^要適合 於進行模數轉換採用的A/D轉換器的輸入量程範圍；
(3) 、分別對步驟(2)得到的信號in,w,w進行盲源分離處理得三個在統 計上獨立的信號
(4) 、從信號^x,^中甄別出代表滾筒式球磨機料位信息的信號；甄別方
法如下a、對與滾筒式球磨機滾筒處噪聲信號^對應的經步驟2處理後得到 的信號M,以及經步驟(3)得到的信號^AA進行頻譜分析，按下式對信號 ^x,AA進行W點離散傅立葉變換，
W-l
& (") Jw ("e-," = 0,1,2,…,TV -1 ( 1 )JV-1
《(")=Z《,"=0,1,2，..., TV -1, / = 1,2,3
(2)
"0
b、按下式對信號WpXi，X2,X;的離散傅立葉變換結果取模，並歸一化處理，
maxi
4 (") = ~1、k , = 1,2,3
max
化(")l):
(3)
(4)
c、按下式分別求出4("),/ = 1,2,3與A(")的歐氏距離A ，
AM j 2
=distance^") = - A』"=1,2,3
"0
(5)
與最小A對應的信號x,即為代表滾筒式球磨機料位信息的信號
取與最小 即
(6);
(5)、根據步驟(4)的輸出信號z(w)，按下式計算滾筒式球磨機內料位￡
A對應的4(w)序列中的前半部分作為序列長度為*的輸出信號
z(") = 4(")， " = 0，1,2,...，|-1
的值，
h=0
(7)，
一l
其中，式(7)中l值的確定方法如下
在滾筒式球磨機料位較高的情況下，選擇兩種料位工況，按步驟(1) - (4)
取得與兩種料位工況對應的輸出信號z"")、 然後令(從1到|-1依次取
值，根據與兩種料位工況對應的輸出信號^(")、 z,(")，按照步驟(5)中的式(7) 分別對兩種料位工況進行料位計算，得到與各l對應的料位值^("、 z,ot)，其
10中，A4,2,…，i-1; A(A;)-Z,(A:)結果的絕對值最大時所對應的H直即為要確定 的乂值。
具體實施時，滾筒式球磨機4滾筒處噪音信號^的採集一般通過指向滾筒 式球磨機4落料口 6位置的音頻傳感器1實現；滾筒式球磨機本身背景噪聲相 對較高處的噪音信號&的採集通過指向滾筒式球磨機體背景噪聲相對較高的 電機傳動機構5的音頻傳感器2實現；滾筒式球磨機所處環境音頻信號&的採
集通過指向與音頻傳感器1相反的音頻傳感器3實現。
權利要求
1、一種基於多傳感器融合技術的滾筒式球磨機料位檢測方法，其特徵在於步驟如下(1)、同時應用三個音頻傳感器分別採集滾筒式球磨機滾筒處的噪聲信號s1、滾筒式球磨機本身背景噪聲相對較高處的噪聲信號s2、以及滾筒式球磨機所處環境的噪聲信號s3；(2)、對步驟(1)採集到的噪聲信號s1，s2，s3進行調理得信號u1，u2，u3，將信號u1，u2，u3模數轉換得數字序列信號v1，v2，v3，然後將數字序列信號v1，v2，v3預白化處理得信號w1，w2，w3，其中，對噪聲信號s1，s2，s3調理後得到的信號u1，u2，u3要適合於進行模數轉換採用的A/D轉換器的輸入量程範圍；(3)、分別對步驟(2)得到的信號w1，w2，w3進行盲源分離處理得三個在統計上獨立的信號x1，x2，x3；(4)、從信號x1，x2，x3中甄別出代表滾筒式球磨機料位信息的信號；甄別方法如下a、對與滾筒式球磨機滾筒處噪聲信號s1對應的經步驟2處理後得到的信號w1，以及經步驟(3)得到的信號x1，x2，x3進行頻譜分析，按下式對信號w1，w1，w2，w3進行N點離散傅立葉變換，<![CDATA[ F w ( n )= k=0 N-1 w 1 ( k ) e -j2nk/N , ]]> top= "197" left = "58"/>n＝0，1，2，...，N-1(1)<![CDATA[ F i ( n )= k=0 N-1 x i ( k ) e -j2nk/N , ]]> top= "214" left = "54"/>n＝0，1，2，...，N-1，i＝1，2，3(2)b、按下式對信號w1，w1，w2，w3的離散傅立葉變換結果取模，並歸一化處理，<![CDATA[ A w ( n )= | F w ( n )| max ( | Fw (n) | ) --- ( 3 ) ]]><![CDATA[ A i ( n )= | F i ( n )| max ( | Fi (n) | ) ,i=1,2,3--- ( 4 ) ]]>c、按下式分別求出Ai(n)，i＝1，2，3與Aw(n)的歐氏距離Di，<![CDATA[ D i=distance ( Ai , Aw )= k=0 N-1 | | A i , k - A w , k | |2 ,i=1,2,3--- ( 5 ) ]]>與最小Di對應的信號xi即為代表滾筒式球磨機料位信息的信號，取與最小Di對應的Ai(n)序列中的前半部分作為序列長度為 top= "85" left = "126"/>的輸出信號z(n)，即z(n)＝Ai(n)，<![CDATA[ n=0,1,2,..., N 2-1--- ( 6 ); ]]> top= "97" left = "97"/>(5)、根據步驟(4)的輸出信號z(n)，按下式計算滾筒式球磨機內料位L的值，<![CDATA[ L= n=0 Nc z ( n ) n=0 N 2-1 z ( n ) --- ( 7 ), ]]>其中，式(7)中Nc值的確定方法如下在滾筒式球磨機料位較高的情況下，選擇兩種料位工況，按步驟(1)-(4)取得與兩種料位工況對應的輸出信號zh(n)、zl(n)；然後令Nc從1到 top= "184" left = "162"/>依次取值，根據與兩種料位工況對應的輸出信號zh(n)、zl(n)，按照步驟(5)中的式(7)分別對兩種料位工況進行料位計算，得到與各Nc對應的料位值Lh(k)、Ll(k)，其中，k＝1，2，…， top= "217" left = "48"/>Lh(k)-Ll(k)結果的絕對值最大時所對應的k值即為要確定的Nc值。
全文摘要
本發明涉及滾筒式球磨機料位的檢測方法，具體是一種基於多傳感器技術的滾筒式球磨機料位檢測方法。解決了滾筒式球磨機料位的現有檢測方法存在檢測精度低等問題，該方法步驟如下(1)分別採集滾筒式球磨機滾筒處、本身背景噪聲相對較高處、所處環境的噪聲信號s1，s2，s3；(2)對噪聲信號s1，s2，s3經調理、模數轉換、預白化處理得信號w1，w2，w3；(3)分別對信號w1，w2，w3進行盲源分離處理得信號x1，x2，x3；(4)從信號x1，x2，x3中甄別出代表滾筒式球磨機料位信息的信號，並對其進行離散傅立葉變換、取模、歸一化得輸出信號z(n)；(5)根據輸出信號z(n)，計算滾筒式球磨機內料位L的值。本發明方法合理，能有效地降低環境噪聲、本身背景噪聲的幹擾，能對滾筒式球磨機料位進行準確可靠的檢測。
文檔編號G01F23/296GK101493354SQ20091007386
公開日2009年7月29日 申請日期2009年3月1日 優先權日2009年3月1日
發明者續欣瑩, 剛 謝, 珺 謝, 謝克明, 閻高偉, 陳澤華 申請人:太原理工大學