CN107065674B - 一种外接式球磨机智能监测控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外接式球磨机智能监测控制系统，包括：温度采集模块、用以传输温度采集模块所采集温度信号的信号传输模块、以及数据智能分析与控制模块，其中信号传输模块将温度采集模块测得的数据传输给智能分析模块，智能分析模块对数据文档进行分析，并发出预警信号或对其控制部分发送指令。该控制系统独立于原本的电气系统，适配性高，使用高性能热电材料作为温度传感器能够提升温度采集精度，另外该系统能够实现对数据的智能分析与对控制模块的指令控制，程序化执行而非单一软件，使之具有很强的兼容性，方便个性化设置。

Description

一种外接式球磨机智能监测控制系统

技术领域

本发明涉及一种外接式球磨机智能监测控制系统，属于机械智能监测控制领域。

背景技术

长期以来，矿物加工机械的自动化程度普遍较低，从而造成机械故障率高和生产效率低。而该领域机械的正常运作是基于其驱动装置与应力部件，知道这些部件的主要故障表现及原因，做到合理监测与预警，可以很大程度提高生产效率。而作为使用最普遍的加工机械，对干式球磨机进行技术研究与预警系统的开发具有重大意义。

干式球磨机本体由空心轴、轴瓦、筒体三部分组成。球磨机系统的运转主要由电机输出动力，经由减速传动装置转化为额定的转速和扭矩，传递到球磨机本体装置，使其定速回转。三相电机为球磨机的动力电机，而轴瓦作为主轴承上的重要部件，是维持其稳定运转的关键部件。这些部件的可靠性直接决定着生产的顺利程度，监测其运行状态并预测故障，及时提出解决方案，可以根本性的提高生产效率并降低生产成本。由于干式球磨机的电机、轴承一旦运行异常，直接的表现就是与之对应的部件温度过高。因此做到对球磨机核心部件运行温度的监测就可以推断出球磨机的运行状态。

目前国内对于球磨机温度的数据监测系统已经较为成熟，监测功能通过使用传统温度传感器并集成现有的软件来实现，这种方法虽然成熟，但其所需配套系统太多，如信号放大器，滤波器等，还需配合复杂走线与补偿电路以降低信号干扰，不仅不能从根本上解决长距离信号传输过程中信号干扰问题，还过度依赖对初期信号的中继放大或加强，使得构造复杂，信号误差较大，且安装门槛高，所需的机械改装程度很大，并不适用老旧的矿物加工生产线的改装。在控制方面，作为大型矿物加工机械，球磨机的控制系统一般由多个部件的电气控制系统一同构成，一般为变频启动，需放置于配电室中由配电员操作，因此直接的自动控制可能会造成机械损伤，使得这方面过度依赖人力，对初期的机械故障表现无法直观地观察到，从而难以做到及时发现与预防机械故障的发生。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开一种外接式球磨机智能监测控制系统，本系统以温度监测功能为核心，通过匹配智能模块与控制模块进行对机械运行状态的智能监测与应急保护控制。

一种外接式球磨机智能监测控制系统，包括：温度采集模块、用以传输温度采集模块所采集温度信号的信号传输模块、以及数据智能分析与控制模块，其中信号传输模块将温度采集模块测得的数据传输给智能分析模块，智能分析与控制模块对数据文档进行分析，并发出预警信号或对其控制部分发送指令；其特征在于所述温度采集模块由一块矩形热电材料独立组成；所述信号传输模块由一个支持485通讯的电压检测模块和其对应信号读取软件组成；所述智能分析与控制模块是基于python语言开发的智能分析程序与配套控制模块，其中程序安装在配电室上位机中，控制模块安装在机械电气开关上。

相对于传统的温度监测系统，本发明完全由上述三部分独立模块所组成，不仅很大程度上简化了系统组成，也实现了对原电路的独立，使得本系统的运行与故障均不会影响原生产线的运行，并且外接式设计使之具有极强的适配性。

进一步，所述温度采集模块由一块TEP1-142T300型矩形热电材料独立组成，该矩形热电材料为片状，且可以安装在被测温度的器件外壳表面，温度采集模块一侧接触器件表面，另一侧做好散热处理，以维持温差。经过先期模拟实验测得，在35.9℃~41.2℃温差之间，其电压输出值在1.37V~1.73V之间，电压输出数值与温差数值成正相关。为了方便将电压数值再次转换为温差数值，从而计算出采集到的温度，拟合了该材料电压输出与温差的数值函数关系并得到一个多项式方程y=-0.0022x²+0.2305x-4.0924，其中y为电压数值，x为温差数值。

相对于传统温度监测系统的温度采集部件，本系统的温度采集模块由一块TEP1-142T300型半导体温差发电片构成。其形状为矩形薄片，适合贴合于非球类平面，保证温度采集部件与待测器件的外表面充分接触，提高测量结果的精准度。对比于传统温度传感器在同温差下的电压输出，该高性能热电材料的稳定电压输出是传统温度传感器的约1000倍。这样使得其在普通的电磁干扰环境下的干扰值占其输出电压值的比值极小，从而对实际信号的影响极小，可忽略。并省去了抗干扰设备和信号放大器等设备，走线简单，易于模块化使用。

所述信号传输模块用于连接生产现场与配电室，由电压检测模块与相关信息传输线组成。其特征在于：该模块由一个支持485通讯的电压检测模块和其对应信号读取软件组成。其中电压检测模块放置于生产现场距离温度采集模块不超过20cm，外部装有金属外壳以屏蔽环境中电磁信号对电压采集模块的干扰。信号传输模块将温度采集模块产生的电压信号收集并传输到配电室的上位机中，在上位机中由信号读取软件接受信号，并生成数据文档。

相对于传统温度监测系统的信号传输模块，省去了信号放大器、滤波器等辅助传输部件，仅由一块电压检测模块和辅助信号传输线组成，并且是独立模块，不集成在控制系统当中，使得只要具有电压检测能力的电压模块就可以充当本模块中的电压模块，不仅具有很强的对同功能模块的适配性，避免了传统同类系统实现该功能需定制设计复杂的AD与单片机组合，且仅具有电压采集功能使得本系统中电压模块不易过载而烧毁，可靠性更佳。

所述智能分析与控制模块由基于python语言开发的智能分析程序与配套控制模块组成，程序安装在配电室上位机中，控制模块安装在机械电气开关上。智能分析模块读取信号接收软件生成的数据文档，对信号数据进行相应的补偿与修正，并通过电压-温差函数关系计算出相对应的器件表面温度，再根据内部对外部的热传递推测机械内部温度，对机械运行状况进行判断。

相对于传统的温度监测系统中同功能模块，本系统的智能分析与控制模块实现了可跨平台的程序化执行，而非传统的定制型软件执行，不仅能够个性化设置，还具有同时兼容Windows系统平台与Linux系统平台。

本发明具有以下有益效果：

1. 外接式设计，独立于原的电气系统，适配性很高且不对原电气系统产生影响，可解决老旧生产线无法进行信息化运行状态监测改装的问题；

2. 模块化设计，组件数约为传统同类型系统的三分之一以下，结构简单，安装方便，易于后期维护并可很大程度上降低维护的时间与经济成本；

3. 使用高性能热电材料作为温度传感器，温度采集精度高，电压输出倍数约为传统传感器的1000倍，从而可以省去 信号放大器与抗干扰设备，便于模块化；

4. 信号传输模块构造简单，仅采集并传输电压信号，抗干扰能力强，信号传输精度高，适合长距离信号传输；

5. 智能分析程序能够实现对数据的智能分析与对控制模块的指令控制，程序化执行而非单一软件，使之具有很强的兼容性，方便个性化设置。

附图说明

图1为系统电压输出数值与温差数值关系图。

图2为传统温度传感器的电压输出数值图。

图3为电压输出与温差的数值函数关系图。

具体实施方式

本发明的一种外接式球磨机智能监测控制系统包括：以高性能热电材料作为温度传感器的温度采集模块、信号传输模块、智能分析模块三大独立模块。

相对于传统的温度监测系统，本发明完全由上述三部分独立模块所组成，不仅很大程度上简化了系统组成，也实现了对原电路的独立，使得本系统的运行与故障均不会影响原生产线的运行，并且外接式设计使之具有极强的适配性。

其中温度采集模块安装在被测温度的器件外壳表面，其特征在于：它由一块矩形热电材料独立组成。材料一侧接触器件表面，另一侧做好散热处理，以维持温差。

信号传输模块用于连接生产现场与配电室，由电压检测模块与相关信息传输线组成。信号传输模块由一个支持485通讯的电压检测模块和其对应信号读取软件组成。其中电压检测模块放置于生产现场，距离温度采集模块不超过20cm，外部装有金属外壳以屏蔽环境中电磁信号对电压采集模块的干扰。配合屏蔽线与信号转换线（rs485转USB，或rs485转rs232+rs232转串口）将温度采集模块产生的电压信号收集并传输到配电室的上位机中，在上位机中由信号读取软件接受信号，并生成数据文档。

所述智能分析与控制模块由基于python语言开发的智能分析程序与配套控制模块组成，程序安装在配电室上位机中，控制模块安装在机械电气开关上。智能分析模块读取信号接收软件生成的数据文档，对信号数据进行相应的补偿与修正，并通过电压-温差函数关系计算出相对应的器件表面温度，再根据内部对外部的热传递推测机械内部温度，对机械运行状况进行判断。当数值中出现危险值时，发出警告信号显示在屏幕上，通知配电员进行操作。当超过一定时间没有人为解除警告，由程序发出指令，自动操作控制模块直接关闭机器的电气开关，强行进行断电保护。控制模块一般由可控继电器充当，根据实际情况，控制功能可选择性使用。

相对于传统温度监测系统的温度采集部件，本系统的温度采集模块由一块TEP1-142T300型半导体温差发电片构成。其形状为矩形薄片，适合贴合于非球类平面。经过先期模拟实验测得，在35.9℃~41.2℃温差之间，其电压输出值在1.37V~1.73V之间，且电压输出数值与温差数值成正相关。该系统中电压输出数值与温差数值关系示于图1中。

而传统的温度传感器的电压输出为毫伏级,由于电压数值太小，往往需要放大器对电压信号进行放大。传统的温度传感器的电压输出数值示于图2中。

在现场使用中，温度传感器所受的主要干扰为交流干扰，而交流干扰又分线间干扰和对地干扰。对地干扰一般由于两输出端中一端对地产生交流电压，线间干扰则是受外部干扰，导致两输出端之间产生交流电压。此外还有回路中自然产生的直流干扰（导致直流附加电压的产生）。就原因来说，干扰一般由于电磁干扰、自身漏电、附加阻值产生，不过往往产生的干扰电压并不大，一般为十几甚至几十毫伏，在合理走线并安装滤波器等抗干扰设备之后可降至几毫伏到十几毫伏。

对比于传统温度传感器在同温差下的电压输出（如图2所示），该高性能热电材料的稳定电压输出约是传统温度传感器的1000倍。这样使得其在普通的电磁干扰环境下的干扰值占其输出电压值的比值极小，从而对实际信号的影响极小，可忽略。因省去了抗干扰设备和信号放大器等设备，走线简单，所以易于模块化使用。

为了方便将电压数值再次转换为温差数值，从而计算出采集到的温度，拟合了该材料电压输出与温差的数值函数关系，并拟合得到一个多项式方程y=-0.0022x²+0.2305x-4.0924，其中y为电压数值，x为温差数值。该拟合方程的R2=0.9895,即产生的电压与外部温差的相关性很大，且为正相关。从而可根据程序语言的计算包，选择合理的数学计算方法由y值计算出x的值，即温差值。电压输出与温差的数值函数关系示于图3中。

相对于传统温度监测系统的信号传输模块，省去了信号放大器、滤波器等辅助传输部件，仅由一块电压检测模块和辅助信号传输线组成，并且是独立模块，不集成在控制系统当中，使得只要具有电压检测能力的电压模块就可以充当本模块中的电压模块，不仅具有很强的对同功能模块的适配性，避免了传统同类系统实现该功能需定制设计复杂的AD与单片机组合，且仅具有电压采集功能使得本系统中电压模块不易过载而烧毁，可靠性更佳。辅助信号传输线默认为双绞屏蔽线与rs485转USB转换线，根据实际生产情况，也可自主选择为双绞屏蔽线、rs485转rs232转换线、rs232转USB转换线的组合，而非传统同类线路的单一选线方式。并且这样的机器简单的设计也同样适用于长距离信号传输，依托双绞屏蔽线与金属外壳对电压模块的抗干扰保护，使信号在传输过程中，只有极微小的损耗。

相对于传统的温度监测系统中同功能模块，本系统的智能分析与控制模块实现了可跨平台的程序化执行，而非传统的定制型软件执行，不仅能够个性化设置，还具有同时兼容Windows系统平台与Linux系统平台。能够对所读取信号数据进行智能分析，而非局限于传统监测系统中同类模块的单纯读取与记录功能，并且可由用户制定对外接控制模块的操作指令，使本系统中的智能分析与控制功能全部由该程序独立完成。

使用该系统时，将温度采集模块，即高性能的半导体热电材料安置于所采集温度部件的表面，一侧贴合部件表面，另一侧做好散热处理，以维持温差。将热电材料的两根导线，即正负极导线接入电压模块，使用长度合适的双绞屏蔽线接入电压模块的485端子，并将双绞屏蔽线的末端接入485转USB转换器的485端子，将智能分析程序与电压模块匹配的信号读取软件装入上位机，操作信号读取软件读取电压信号并生成数据表单，操作智能分析程序读取并分析数据表单中的数据，做到智能监测机械运行状况。根据实际生产情况，选择性的加入由智能分析模块控制的控制模块。

以上为本发明的较佳实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种外接式球磨机智能监测控制系统，包括：温度采集模块、用以传输温度采集模块所采集温度信号的信号传输模块、以及数据智能分析与控制模块，其中信号传输模块将温度采集模块测得的数据传输给智能分析模块，智能分析模块对数据文档进行分析，并发出预警信号或对其控制部分发送指令；

所述温度采集模块由一块矩形热电材料独立组成，该矩形热电材料为片状；所述温度采集模块中的矩形热电材料为TEP1-142T300型半导体温差发电片，且安装在被测温度的器件外壳表面，材料一侧接触器件表面，另一侧做散热处理；

所述信号传输模块由一个支持485通讯的电压检测模块和其对应信号读取软件组成，信号传输模块用于连接生产现场与配电室，其中电压检测模块放置于生产现场，信号读取软件安装在配电室的上位机中上，信号传输模块将温度采集模块产生的电压信号收集并传输到配电室的上位机中，在上位机中由信号读取软件接受信号，并生成数据文档；

所述智能分析与控制模块由基于python语言开发的智能分析程序与配套控制模块组成，其中程序安装在配电室上位机中，控制模块安装在机械电气开关上； 智能分析模块读取信号接收软件生成的数据文档，对信号数据进行相应的补偿与修正，并通过电压-温差函数关系计算出相对应的器件表面温度，再根据内部对外部的热传递推测机械内部温度，对机械运行状况进行判断。

2.根据权利要求1所述的一种外接式球磨机智能监测控制系统，其特征是：所述信号传输模块中的电压检测模块距离温度采集模块不超过20cm。

3.根据权利要求1所述的一种外接式球磨机智能监测控制系统，其特征是：信号传输模块中的电压检测模块外部装有金属屏蔽壳。

4.根据权利要求1所述的一种外接式球磨机智能监测控制系统，其特征是：所述智能分析与控制模块中的控制模块为可控继电器。