球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统设计.docx

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1、球磨机是对物料进行粉碎的关键设备。球磨机负荷（包括球负荷、物料负荷以及水量）是磨矿过程的一个重要参数。然而，球磨机在工作时，其内部犹如一个黑匣子，其工作状态无法显性描述和控制。球磨机筒体的振动信号可以较准确地反映磨机内部的载荷情况，因此，本文提出了球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统的研究与开发，为后期磨机负荷识别及优化控制提供硬件平台。本系统通过在球磨机筒体上安装振动传感器采集筒体振动信号，并经过无线通信的方式将采集的数据发送到计算机，通过设计上位机软件将接收到的数据进行存储与分析。根据功能要求，本文设计了由振动加速度传感器、STM32微处理器、NRF24L01无线射频模块组成的系统硬件电路

2、，并制作了实物；使用C语言对STM32编写了系统程序，包括主程序、初始化程序、延时程序、按键程序、A/D转换程序、NRF24L01通信程序和串口通信程序，并在硬件实物上调试成功；通过MATLAB中GUl工具制作了上位机界面，上位机界面实现了实时串口通信、动态绘图显示、FFT分析和保存数据等功能；最后，通过在实验室球磨机上进行实验，实验结果表明本文所开发的球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统运行功能正常，达到了研究目标。关键词：球磨机；振动；STM32；无线传输；上位机；MATLABABSTRACTTheballmillisthekeyequipmentforcrushingthemateria

3、l.Theloadofballmillinclude(ballload,materialloadandwater)isanimportantparameterofgrindingprocess.However,whentheballmillworks,itsinternallikeablackbox.itsworkingstatecannotbedescribedandcontrolledexplicitly.Theloadinsidethemillcanbereflectedfromthevibrationsignal.Inthisthesis,Avibrationsignalacquisi

4、tionandwirelesstransmissiondeviceofballmillwasdeveloped,provideahardwareplatformforthesoftsensormodelingfortheloaddetectionofthemill.ThesysteminstalledbytheBallMillcylindervibrationsensortocollectvibrationsignals,andtransmittingthedatabywirelesscommunicationtoaComputerJhenthroughdesigningPCsoftwaret

5、omakeitreceivethedataforstorageandanalysis.Accordingtofunctionalrequirements,thisthesisdesignsthesystemhardwarecircuitwhichiscomposedofaccelerationsensors,STM32microprocessor,NRF24L01RFmodules,andproducedamaterialobject.UsingCprogramminglanguagetowritetheSTM32systemprogramwhichincludesthemainprogram

6、,initializationprogram,delayprogram,keyprogram,Aconversionprogram,NRF24L01communicationprogramandserialcommunicationprogramanddebuggedsuccessonthematerialobject.Inadditiontothese,makingthePCinterfacebyMATLABGUItooljtenablesmanyfunctionssuchasreal-timeserialcommunication,dynamicgraphicsdisplay,FFTana

7、lysisandsavedata.Finally,ExperimentalresultsshowthatthesystemwhichdetectsandanalyzesBallMillvibrationsignalviawirelesscommunicationisrunningcorrectlyandreachingtheresearchgoalsbycarryingoutexperimentsinaballmill.Keywords:ballmill;vibration;STM32;wirelesstransmission;uppercomputer;MATLAB.第一章绪论11.1课题研

8、究背景11.2球磨机负荷检测研究的现状及发展趋势11.2.1 单因素检测法21.2.2 双因素检测法31.3本文主要工作与内容4第二章球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统方案设计52.1球磨机工作原理介绍52.2球磨机筒体振动信号无线检测系统的功能分析62.3系统硬件平台的选择62.4本章小结10第三章球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统硬件设计.113.1发射端电路的设计113.1.1发射端实物图183.2接收端电路的设计183.2.1接收端实物图223. 3本章小结22第四章球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统软件设计,234. 1主程序的设计234.2子程序的设计244.2.1初始化程序

9、244.2.2延时函数294.2.3按键程序294.2.4A/D转换程序304.2.5NRF24L01通信程序304.2.6串口通信程序314.3上位机的设计324.3.1MATLAB的GUI功能介绍324.3.2上位机界面介绍324.3.3上位机功能的实现334. 5本章小结40第五章系统实验与测试415. 1实验设计415.2实验过程425.3实验结果435. 4本章小结43第六章总结与展望446. 1论文完成的主要工作447. 2工作展望44附录45参考文献66外文资料68中文翻译72致谢77第一章绪论1.1 课题研究背景球磨机是对经过破碎机械破碎后的物料进行粉碎的关键设备。它具有运行可

10、靠、维护简单，对物料种类适应性强等特点。球磨机适用于粉磨各种矿石及其他物料，被广泛用于选矿，建材及化工等行业，是工业生产中广泛使用的高细研磨机械之一。但是，球磨机电耗和钢耗高、能量利用率低的缺点已成为各相关行业有待研究改进的突出问题。磨矿工序是选矿流程的瓶颈环节，磨机是保证选矿高效生产的关键设备。球磨机负荷包括球磨机中的钢球负荷、矿石负荷以及水负荷，它会直接影响球磨机的磨矿效果。磨机负荷的检测对矿物加工过程有着十分重要的意义。球磨机的磨矿能力与加入的钢球量有直接关系，磨机中加入的钢球量也间接影响着磨机的生产能力。在研磨过程中钢球会被不断磨损，因此在研磨过程中需要不断补充钢球。球磨机中加入矿石的

11、多少直接关系着磨机的生产效率，在磨矿过程中需要对其进行检测，从而决定是否需要加矿以保证钢球与矿石的比例处于最佳的状态。球磨机的负荷决定了磨机的效率和能耗，因此研究检测球磨机的负荷对磨矿过程的优化控制和节约能耗具有重要意义。然而，球磨机在工作时，其内部犹如一个黑匣子，其工作状态无法显性描述和控制。目前主要以依赖于操作人员的经验来调控磨机的给料量、加球量、加水量等参数，这种工作方式的经验性强、随意性大，难于使磨机达到最优工作状态,造成大量能源浪费。如果能够及时准确的检测到磨机的负荷参数，就可以通过分析，合理调整给料量，加球量和加水量，使球磨机处于最佳的工作状态，提高磨矿效率，产量及减少能耗。检测球

12、磨机的负荷参数可以通过检测球磨机的振动信号实现，从球磨机的筒体振动信号分析具有较高的灵敏度、实时性和较好的抗干扰性。但由于球磨机在工作时筒壁与地面的相对位置会发生改变，这对直接从筒体上采集和传输振动信号造成了不便。目前已有的球磨机振动检测系统是将检测元件安装在球磨机的轴承座上，再通过缆线将数据传输到上位机进行分析。此种方法的灵敏度和抗干扰性较差，而且传输距离收到缆线长度的限制。为解决以上问题，本文设计了一种用于球磨机筒体振动信号无线检测装置，该装置能够实时检测磨机筒体的振动信号，并通过无线射频通信将数据传输至上位机进行分析。为调整给料量、加矿量和加水量及对球磨机进行优化控制的实现提供了硬件平台

13、。1.2 球磨机负荷检测研究的现状及发展趋势早期球磨机负荷检测采用的是直接检测方法，这种方法在1973年第十届国际选矿会议上由捷克斯洛伐克布拉格矿山研究院B.Lanstiak报道过。直接检测法是通过测定球磨机内矿浆的液面高度来确定球磨机的负荷，但只能检测出球磨机中的矿浆面，而介质充填率、料球比和磨矿浓度则不能检测出来，而且实现起来比较困难，所以这种方法一直未能得到推广应用。目前在工业生产中应用比较广泛的是球磨机负荷的间接检测方法，即根据球磨机的内部负荷与外部响应之间存在一定的规律，通过检测出球磨机引起的外部响应来间接地识别出球磨机的内部负荷。球磨机负荷的间接检测方法是目前工业生产中的常用方法，

14、它分为单因素检测和双因素检测。1.2.1 单因素检测法单因素检测法包括声响法、有用功率法、振动法、压力传感器法、差动电磁传感器法、霍尔功率变送器法和示踪原子法。各种检测方法都有其优缺点和局限。（1）声响法声响法的实质就是由于球磨机噪音强度和球磨机中物料负荷之间存在着关系。因此，根据球磨机所产生噪音的不同就可以确定球磨机内的物料负荷状况。声响法检测球磨机负荷既可以用于湿式磨矿又可以用于干式磨矿，相对其它方法来说，测量信号比较灵敏。这种方法遇到的主要问题是其它磨机所产生的干扰，传感器的位置必须选择正确，以避免这种干扰现象。另外，声响法只能确定料球比，而不能确定介质充填率，也不能确定磨矿浓度。国内梅

15、山选矿厂、河北金厂峪选矿厂、安庆铜矿选矿厂、攀枝花选矿厂、大孤山选矿厂、桃林铅锌矿选矿厂、大冶铁矿选矿厂等，都使用电耳检测。（2）有功功率法在磨矿过程中，用于带动磨机简体内磨矿介质和矿浆一起转动的功率称为有用功率。根据理论推算和实际检测结果表明：随着球磨机负荷的增加，开始时球磨机电机的有用功率明显上升，到达某一极值后，随着球磨机负荷的增加，有用功率值反而下降，此极值可以认为是球磨机负荷的最佳点。因此，有用功率直接与球磨机负荷有关。有用功率法检测信号受周围环境的影响比较小，检测结果比较准确。但检测信号灵敏度不高，影响控制效果，而且影响有功功率的因素较多。因此，单靠球磨机的有用功率信号既不能确切判

16、断球磨机中介质充填率的水平，也不能确切判断料球比的水平。我国云南易门铜矿木奔选矿厂、铜陵凤凰山铜矿选矿厂、云南大姚铜矿选矿厂、德兴铜矿选矿厂等，都使用了有用功率法进行检测。（3）振动法球磨机运转时，研磨体和物料偏于磨机的一侧，并不断地滚滑和下落，冲击研磨物料，磨机的转动部分处于严重的不平衡状态，造成不平衡的离心力，使磨机系统振动。在磨机转速不变时其振动强度与被磨物料的多少有关，检测出磨机的振动强度就可间接反映出磨机中物料负荷的情况。振动法检测信号的灵敏度比较高，能随时显示球磨机内物料的变化。这对检测球磨机物料负荷非常有利，而且不受周围噪声源的影响，传感器密封好，能有效防水、防尘，因而可以适应选矿厂的恶劣工作环境。但是当电