（机械电子工程专业论文）大型回转窑运行状态微机实时监测系统硬件和系统监测软件的设计与研究.pdf

摘要 摘要 州转宿是冶金、水泥、酬火材料乍产小的关键潢备，是一种币载、大扭矩、多支点、 l 铮不定运行系统，确保它霞个、商效地运 j 足千成乍产仓、f k 提高经济散r 的关键，研究发 现转帘的运行好坏1 i 要受其运行轴线的影响，乍产中为对它进行合碑地调整与维护， ；i 强准确、及f 地4 篝挥和分析它的轴线状态。此，氏城 ! j q k 公i u 资立项，山，l ，南人 产研制人j 掣网转癣运行状态微机吏时 | f 测系统。 木沦文前先在分析和比较同内外回转窑榆测系统现状的綦础上，首次提出了新的回转 窑运彳j = 状态愉测力法，) f 从系统误差及f l j 忭角度进行r 详细的分析和沦证；其次在骼 测系统硬件结构设汁小，详细地分析_ r 多级管删网络的实现，p c i 1 7 1 3 双缓冲区高速数 据采集装胃的原理、特点、，i ：作过稗，以及针刘该系统恶劣的工作环境、特定性能要求而 设的特制i h 涡流传感器的原理、波形特中f 及性能特点，及为r 减小非线性误差而采用计 算机软仆进行多段线性捅补方法实现误差补偿；另外，在系统软件设汁巾，详细地分析了 高速数据采样软件、智能信号处理软件、系统监测软件的实现，分析了采用模糊自适应滤 波乃法有数地滤除术系统恶劣环境f 的各利，下扰因素，并简要地介绍了系统分析软件的功 能。 j ! i ! 场运行表明，该瓶涮系统所采用的全新的监测方法能够在十分恶劣复杂的现场环境 i l 准确地获取大型u 转窑的运行轴线参数，对大型回转窑实时监测方法是种新的突破； 时，采用的特制电涡流传感器及微机软件进行误差补偿极人地提高了| j f 【测系统的测量精 瞍：采j f j 的 ；! 糊n 近应智能滤波方法有效地滤除了本系统恶劣环境下各种干扰因素。本监 测系统安装维 j 】方便，。i ：作稳定、运行可鞭，测量精度高，临测软什功能齐全，人机界i f i i 友好，j l 秆较大的 l ；广。应刚价值。， 天键嗣：州转备；运行状态实时 i f 测系统硬什 临测软付 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o t a r yk i l ni st h ek e ye q u i p m e n ti nt h ep r o d u c t i o no fm e t a l l u r g y ，c e r 辨ma i l dm a t 丽甜o f f i r e f a s t i ti st h e s t a t j c a l l y i n d e t e r m i n a t es y s t e mw i t ho v e rl o a d ， l a r g et o r q u e 卸d m u s u p p o r t i n ge 札s u r i n gr o t a r y k i l no p e r a t es a f 宅l ya n de m c i e n t i yi st h ek e yw a yf o r c o r r e s p o n d i n ge m e 。p r i s et oi n c r e a s ee c o n o m i cb e n e mt h eo p e r 砒i f 培a x e so fr o t a r yk i f na r et h e p r o m i n e n tf a c t o ro fi n n u e n c i n gt h em a c h i n eo p e r a t i n gs t a t e p e o p l ea r er e q u i r e dt ok n o w 彻d a n a l y z et h eo p e m t i n ga ) so fr o t a 叮k i i ni nt j m ei np r a c t i c e ，j no r d e rt oa d j u s ta n dm a i m e n a n c e i ti nr e a s o ns ot h eg r e a tw a l la l u m i n u mc o r p o r a t i o no fc h i n ab a n k r o l l e df o rs t u d y i n gt h e m i c r o c o m p u t e rr e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mo fi a 唱e s c a l er o t a 呵k i l na n dc o m m i s s i o n e d c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t yt od e v e i o pi t b a s e do na n a l y z i n ga n dc o m p a “n gt h es t a t u sq u oo f t h em o n i t o r i n gs y s t e mo fr o t a r yk i l n ， t h i sp a p e rb r i n g sf o n v a r dan e wm e t h o do fm o n i t o r i r 培t h eo p e r a t i n gs t a t u so fm t a r yk i l n 1 t a i l a l y s e st h es y s t e m e r r o ra n dt h ec o n 矗g u r a t i o na n dd e m o n s t f a t et h ef e a s i b i l i t yi nd e t a 1 i nt h e d e s i g no f h a r d w a r ec o n f l g u r a t i o ni ta j l a l y z e st h ep r i n c i p l ea n ds p e c i a l i t yo f t h et a i l o 卜m a d ee d d y c u f r e n tt r a n s d u c e ra n dp c i l7l3a n a l o gi n p u tc a r da n dt h em u l t 订e v e ls u p e r v j s o r yn e t w o r ki n a d d i t i o n ，i nt h ed e s i g no fs o r w a r ec o n f i g u f a t i o ni ta n a l y 矾st h er e a l i z a t i o no ft h eh i g h s p e e d d a t as a m p j i n g p r o 目 a 1 1 1 a n di n t e l l i g e n ti n 岛n m t i o np m c e s s i n ga n dm o n i t o r i n ga tl a s ti t i n t r o d u c e sm n c t i o no fs b r w a r eo fs y s t e m sa i l a i y s i si nb r i e f t h eo p e r a t i o nd e m o n s 忱童t e st h a tt h eb r a n d n e wm o n i t 甜n gm e t h o do ft h em o n i t o f i n g s y s t e mc a na c q u i r et h eo p e r a t i o na x i so f l a r g e s c “er o t a r yk i l nb yn 工i ea n dl i n eo nt h eo p e r a t i o n p o s i t i o n ，a n di tj sab r e a k t h r o u g hi nr e a l 一“m em o n i t o r i n gn l e 曲o d i tj sf h c i l i t yt om o u n ta n d m a n t a i n ，r e l i a b l et oo p e r a t o la n dp r e c i s et om o n i t o ft h em o n i t o r i n gs o 碡w a r eh a sa b u n d a n t r j n c “o n sa n dl ( i n di n t e r f h c e k e yw o r d ： r o t a r yk il n； o p e r a t i n gs t a t u s ： r e a 卜t i m em o n i t o r f n g ： s y s t e mh a r d 胃a r e m o n il o r i n gs o f t w a r e 南大学硕士学位论文 第一章。结论 第一章绪论 j 1项口简介 该项目( 大型回转窑运行状态微机实时监测系统硬件和系统临测软件的设计与研究) 是由长城铝业公司出资立项，由q ，南大学研究完成。 1 1 1 项目提出及研究意义 【毛城铝业公i d 氧化铝j 。凹台熟制窑均为回转窑，是该厂生产的土要设备。这些漫备 纳良好运行是保征该生产正常运行的关键。其窑体( d ) 4 m 1 0 0 m ) 支撑结构为i 丘挡托 轮( 巾1 4 0 0 m ) ，是一种莺载、大扭矩、多支点的静不定系统。在重载、高温运行状态下， l 嘲转窑同时作转动和轴向上f 窜动，这就很容易侵窑体产生不同程度的弯盛、扭曲和变形。 而窑休变形，势必在运转过程中对传动系统和支承装置( 托轮) 产生一定的附加载荷和冲 ，嘲戋倚。变形若超标，其结果或是托轮受力不均产生托轮轴弯曲、折断，或引起振动，或 窑体不能上下正常窜动，或窑头窑尾偏摆，或滚圈垫板频繁开裂导致传动和支承装置故障 频繁；对窑内衬忽压忽拉，折弯频率高、幅度大，使窑衬疲劳和松动加剧，造成五挡托轮 严重损坏。据厂方统计，该厂托轮轴断裂事故尤为突出，最多的一年伯达2 0 余次。这些 机械故障和安全隐患降低了网转窑的运转率，给该厂生产和设备维修带来了巨大的经济损 失：该厂侮年用 ：回转窑的检修费用近三r 万元，窑的最高运转辟爱为8 2 ，停窑一天将 弓i 起数 万元的生产损失。特别是一次突然性停窑事故的损失将足j e 常停窑检修的数l 债。 因此，充分把握吲转窑的运行规律，了解其运行机理，及时调整托轮参数确保同转窑 处了二最佳运行状态，提高窑的运转率，成为该厂急待解决的问题。 r 前，该厂到转窑的运行状态调整是通过对窑的冷静态测量“1 ，结合一些经验汁算来 进行的。存在着窑轴向运动不易调控、窑运行状态不佳的问题。其主要原因为：对窑热动 态运行机理和弹颦性应力应变关系不清，调窑不准，窑运行状态不伴；即便是冷静态的计 算调整十分准确，窑体在运行中由于筒体各段温差变化引起的热变形是不可预知的，另外， 托轮基础发生不均匀沉陷、托轮轴瓦和领圈内外圈的不均匀摩擦等原因，将引起窑运行状 态的变化。由于这些因素的存在，窑调整单靠人为经验判断、缺乏有效的检测手段，对简 体的工况不能全面了解和直观地、定性地分析，很难实现准确调窑这就迫切地需要对窑 进彳运行状态下的实时监控”1 。本设计的目的就是研究和开发这“大型回转窑运行状态 微机实时监测系统硬件和系统监测软件的设汁与研究”，实时监测回转窑运行状态，并为 优化调窑提供理沦依拱 。 中南大学碗士学位论文 1 1 2 研究目标 第一章绪论 回转窑运行轴线是否为直线，对它的各部位受力和各部分机械磨损有重要影响， 从而决定着回转窑是否安全、高效地运行。旧转窑运行轴线不在一条直线对窑运行有以f 影响“1 ： 对它的驱动t 毡机有严重影响，使驱动力矩增加，从而增加了电机功耗； 对回转窑简体的应力有严重影响，使网转窑简体承受除芷常力以外的附加交变应 力，容易使回转窑简体产生疲劳裂纹； 对它各运动部件有严重影响，使齐处运动部件受力过大和不均，导致磨损增加， 寿命缩短。特别是大齿轮的齿丽和托轮、托轮轴、轴瓦受力大大恶化； 对它的窑内衬砖有严重影响，容易使内衬受力不均，容易使内衬脱落，发生“红 窑”事故； 窑体的偏摆将影响窑头窑尾的密封。 因此，回转窑运行轴线是否为直线是四转窑运行状态好坏的主要判断依据。另外，各 支承托轮之间受力是否均匀以及各托轮面上受力是否均匀也是回转窑运行状态好坏的重 要判据。本设汁将以f 国转窑运行轴线情况作为回转窑运行状态分柝与检测的主要研究内 容。具体研究目标如下： 研制出对回转窑运行轴线在线监测的监控系统，实时提供回转窑运行的轴线状态， 验证调窑计算的准确性和判断窑运行轴线的变化趋势，提供进一步调窑的依据，减少不可 预见停窑危险，确保窑在最佳运行状态下安全运行，大幅度提高窑的运转率。 充分考虑回转窑运行的各种影响因素，优化出回转窑最佳运行状态的托轮调整参 数( 即优化调窑) 。 针对该厂托轮断轴事故高，进行扼轮轴裂纹；| ；i 测及断裂预报，消除托轮断轴引起 停窑的不可遇见性因素。 】2 回转窑微机监测系统的发展现状与趋势 旋转机械系统是在工业生产中广泛使川的系统，特别是大型旋转机械系统通常是生产 中的关键设备，如发电机、电动机、离心泵、压缩机、鼓风机、汽轮机和轧钢机等机械系 统，均为电力部门、石化企业、核能工业、冶金、煤炭等行q k 中的关键设备。它们功率大、 负载重而且不稳定，工况较恶劣，容易在结构强度、振动、噪声、材料工艺等方面出现问 题，而且对它们本身存在不易把握其运行状态、设各事故的1 i 可预知性的困难。 为避免重要的机械设备由丁意外事故丽停产，需对它们实行科学维护。一般传统的维 护方式分为： 极限维护：仪仪在系统运转至极限状态州，即现 乜r 零郑仆损坏丽：p 也 ；能正 常工作刚才进行维护，一旦山现这利，。 i 况，均为突发。p i ：的。容易对生产造成影响引至造成 中南大学硕士学位论文第一章绪论 重大的经济损失： 定期维护：即以一定的时间周期为基础，不沦设备是否有故障，都按人为的计划 周期停止运转，更换零部件。为避免重要的机械设备由f 意外事故停产而造成巨大的经济 损失，这种计划周期往往留有较大的安全裕度，圊1 丽是不经济的，但在尚不能了解系统的 当前运行状态的情况下，为保证万元一失，它是二f i 得已而为之的。 对系统的科学维护方式，应该采j h 现代诊断技术。现在，越来越多的行业均采用自动 在线监测系统，来进行刘旋转机械的维护。这种维护方式，涉及到桃械系统的状态在线监 测技术和状态趋势预示技术，是近年来国内外研究的热门课题。它能自动在线取得机械设 备有关的失效类型和失效位置信息。如出现故障时，能迅速及时地确定故障的种类和位置， 以便及时修复；如故障尚未发生，能根据所取得的信息进行在线趋势显示，能确定距离极 限状态的程度。查明原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。这样。可 在保证安全生产的前提下延长维修周期，减少维修次数，从而增加系统的正常运转时问， 提高设备的利用率。既可节约大量的维护费用，又能有效地避免意外事故，消除续发损坏， 可大大提高系统的可靠性。因此这种技术具有广阔的应用前景，必将成为对生产机械设备 进行有效维护的最主要的手段。 国内外对回转窑运行状态的检测研究，在多年的生产实际中，积累了一些测量窑轴 线的经验方法“6 】”。1 ，同时也引起了一些研究耆的兴趣。8 0 年代初，国内外还停留 在用经纬仪和水准仪、激光测静态窑轴线的水平。8 0 年代末，国内外，r 始研究回转窑运 行轴线的动态测量法。国外波兰泞创了轮带位置测量法，它足用测窑仪、经纬仪和光学 垂直仪来测量轮带外径水平和垂龃切线到基准线的距离，数据由测量员手工记录，每个 轮带旁将仪器移装观测3 次。丹麦f l s 公司研制厂激光轮带测量法，它是用带微机的激 光和电子经纬仪来测定轮带外径卜6 个光点的佗置，它不能反映山轮带的偏摆情况，测 量精度不离。德国伯利鸠斯( p o l v s i u s ) 公司，f 发了r 利，i f 在静态和动态条件下测定回转 窑轴线的p o j s n 托轮位霹测量系统，它山电予视距仪( 即由电子测角仪与红外侧距仪组 成) 、便携式计算机、轮带和托轮周长测量仪、辐射高温汁、传输没箭等组成，采用测量 学的方法测定托轮轴心位置，再测量：j l 托轮直径、轮带直径、轮带与简体的间隙，计算出 窑筒体轴线。 在国内，以武汉工业大学的研究为代表，研制h ：了专用的回转窑轴线参数检测系统 “k a s 0 2 ”测量系统，它由3 个位移传感器、多路位移变送器、非接触电磁位置传 感器、磁性起始器、微型计算机、轮带和托轮周长数学测量仪、轮带与简体间隙测定仪、 建立空间测量基准的电子经纬仪水准仪等。三个位移传感器安装在简体水平直径线和垂 直直径线上，同时对径测量筒体表面位置裂燎传感器测出简体的角位置，其中两个水 平传感器信号计算简体中心水平位置和平均举径，垂直传感器信号和已测出的轮带直 径、轮带与筒体的间隙一起计算出筒体中心垂直位置。山东铝业公司研制了一种改变传 感器仰角的测量方法，这套装嚣南激光准良仪、水准仪，微，镬汁算机、绘图仪、位移传 感器、位移校正器、零度定位器等纠j 兑。何移传感器安装在个司调高和方向的支架上， 支架安装在轮带一侧向基准线j ：， 0 感器与支架横朴成。夹角j ：b 轮船表丽接触。当窑 转至零度定位器对应位霹时，测量”始，当窑弭次转爷零度定位器时，测量结束。完成 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 一周采样后，改变位移传感器与支架横杆的夹角，重复上述测量。由计算机按程序计算 山轮带直径、简体直径、轮带与简体问隙及简体r h d 位置。在众多监测方法中，以窑运 行轴线和托轮受力作为回转窑运行状态的判据，在考虑众多影响因素情况下对窑热动态状 态进行定量分析和在线监测研究还刚起步，并必将成为这一领域中的主要的研究发展方 向。 但上述各种测量方法在不同程度上都存在着以下不足： 系统复杂昂贵，需制作专用仪器； 基准定位困难，测量操作复杂，观测误差大； 需要通过托轮或轮带发简体与轮带间隙来推算回转中心位置，测量方法复杂、 系统误差丈； 测点不多时，不能消除轮带、简体不圆度引起的误差； 测量精度不高，水甲方向为i 5 m m ，垂直方向为2 5 m m 。另外文献中这些方 法被称为动态测量方法，但其数据采集与处理都属于离线处理，“动态”只是说明测量 的是窑运行中的轴线。本文在细致的总结和归纳以上各种方法的前提下又提出了几种新 型的回转窑运行轴线动态测量方法。这些新方法应用现有的动态信号测试分析系统及数 据处理技术，对回转窑支承位霞简体径向位移进行测量和分析，得出测量截面的回转中 心，因此称为时域分析法。 1 3本章小结 本章讲述了项目的来源、项1 1 研究的重要性和意义、以及研制目标。对回转窑运行状 况进行了详细的分析，列出了存在的一系列问题，指出了项目研究的重要性，在此基础上 。提出了解决这些问题的方法：研制回转窑运行状态实时监测系统。并对监测系统的可行性 作了进步的论证。本文在分析与比较国内外回转窑微机检测系统现状的基础上，提出了 种新型的回转窑运行轴线动态测量方法。使监测系统更加精确、可靠，功能更强。 4 中南大学碗士学位论文第二章研制方案及技术路线实现 第二章研制方案及技术路线实现 2 j 回转窑监测方法研究 2 1 i 回转窑三点测量法的研究 由几何定理可知，通过不在同一条直线上的三点可以确定一个圆。因此，对于回转体 的某个截面，如果能在其运彳亍过程找到其回转半径相等的三点，则可以得出该截面的回转 中心。三点测量法就是建立在此原理卜的。其原理如图所示：建立所要研究截面的卜r 基准坐标系，其坐标原点为n 为回转截面的理想中心。图中l 、2 、3 是位移传感器，安 装在回转窑两边a 可以通过调整，使键相标记处传感器的测量值在量程的线性中点；先固 定好传感器的位置，标好其坐标，利厢传感器测得传感器与回转窑的距离。为了使所测得 的三点具有相同的回转半径，我们先在回转窑的简体上焊一键相标记块，当标记块转到传 感器位置时，传感器开始采样。根据传感器与标记块的相对位置算出该点当时的坐标。由 于传感器安装的位置在回转窑的底部，基本上司以 认为这三点在同一圈中不变形。这样就得出回转窑 上三点的坐标( x 1 ，y 1 ) ，( x 2 ，y 3 ) ，( x 3 ，y 3 ) ，然后由 此三点计算出圆心。其具体方法如下所示： 利用水准仪和经纬仪先固定好传感器1 、2 、3 一 的空间位置并且调整传感器l 、3 之间的轴线夹角， 使其等于我们事先定义好角度a ，且轴线的交点为 理想圆心，如图2 】所示： 传感器l 的探头坐标为( x 1 1 ，v 1 1 ) 传感器2 的探 头坐标为( x 1 2 ，y 】2 ) ，传感器3 的探头坐标为 ( x 1 3 ，y 1 3 ) 。当回转窑的回转中心在运行过程中偏离 y 。 # 悼： - i 1n 烈一 2 1 三点检测法原理 理想中心0 时，传感器可测出探头l ，2 ，3 离键的距离l a ，l b ，l c 。从而可算出a b ，c 三 点的坐标。即a b ，c 三点的坐标为： a x l = 订l - l a s i n ， y i = y 1 1 一l a c o s l 5 b t ) ( 2 2 0 ， y 2 = y 1 2 一i b c ： x 3 = x j 3 一l c s i n l 5 ，y 3 可1 3 一【c c o s l 5 ： 由a ，b ，c 三点再确定实际运行中的网转中心。连接a b ，b c ，a c ，分别做a b ，b c 的垂直平分 线，两线的交点即为该运行时候的回转中心。其算法如下： a b 的垂直平分线方程为 y 一半= 篙卜半， 眩， b c 的垂直平分线为： 中南大学硕士学位论文 第二章研制方案及技术路线实现 y 一幽：里蔓f ，一望盟、 2 妒一，2 2 两条线的交点即为圆心。ml ：两个方程连立解得 羔生三f 壁里：蔓! ，2 。： !：塑= 型塑二丝： x 2 一x 3r l x 3 y 3 一y 2 y 3 一，1 v ：堕盟+ 旦超“二三业) 。 2v 3 一们2 。 由此可见，用三点法测量算法简单 度来保证。 2 ，1 2 回转窑两点测量法的研究 ( 22 ) ( 23 ) ( 2 4 ) e 精度主要靠传感器的测量精度和传感器安装精 两点测量法是在三点测量法的基础j ：演化而来的，其原理图如图2 2 所示。固定好传 感器lj ，l 2 的位置。使传感器的轴线延长线的交点为川转窑的理想中心o 。传感器对称安 装，并且使其夹角为我们指定的角度。若刚转窑在运行过程中，其回转中心由0 偏移至 d j 点，过d j 作d j 仍_ l 口d 2 ，a ，b 为u i f 转窑。i ：的键相块，其余各辅助线的连接如图所 刁i 。 在a 0 0 2 中： 噬= 2 + 砰+ 2 帆c d s 窿 在b 0 0 2 中： 增= 2 + 霹+ 2 帆( 塔口 ( 2 6 ) 一( 2 5 ) 得： 碍一碍= 碍一砰+ 2 成聊口( 心一r ) 在a 0 0 2 中，由正弦定圳i q 得 i l ：l s m hs l 吐 在a o l 0 2f fj ： r 2 = 噬+ f 2 2 r f 孙厶拍2 d l ( h 洲d 2 口】= g ( 9 0 + 门) = 一所， 由( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 i ( j ) 三式可柑： 心一蹬一p = 2 r 。斑r m 在b o i0 2q 1 ： 碡+ f 2 一r 2 = 2 j t 4 ，( f 脯z n d 2 f ) j ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 ，7 ) 0 j t 融 v “。 篆鼙 l ，l 2 图22 两点检测法原理 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 | 1 ) ( 2 【2 ) 巾南大学硕士学位论文 第二章 研制方案及技术路线实现 肪 ，2 = 肋z ( 9 0 一凹q q ) = ( 1 珂锄( ) 2 q l ：l s i w 2 s m q 由( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 二式i ij 得： 碍+ f 2 r 2 = 2 如。肋，髓 ( 2 1 5 ) + ( 2 1 1 ) 得： 碍一r 2 = 2 惭f 口( r + r ) 将( 2 7 ) 代入( 2 1 6 ) 得： 碍一日2 + 2 ( 知哼口( ，t ，一r ) = 2 ，所，口【月i + ，t ) 即 ( r + b + 2 c 口) ( b 一月，) = 2 鳓z a ( r + 心) 所以b 母嚣辫蒜观舭 f ：堕丛 2 & i t 便 即z ：堕生 2 s 抽旺 式中 坞= 厶( ) 一如b ( 21 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 凡l = l f o l l 一 吩一只i = l 爿一2 疗 厶a 为传感器a 到键相块的距离，2 b 为f 感器b 到键相块的距离，两者晌值均可 由传感器直接测得。所以窑体水甲乃向的偏离位移为： y = 刍墨二墨2 星 2 胁a ( 2 2 0 ) j ，= ( 厶彳+ 三2 占一5 0 ) c o s 口2( 2 2 1 ) 如果将每个档的回转巾心的坐标用同样的方法求出，并将相邻两点的坐标连接起来 则可得一条折线，这条折线即为回转窑该时候的运行曲线。 2 2 系统误差分析与综合 在测控系统中，都有大最的数捌需要进行采集和处雕，腼测帑精度不仪对被测挖对 象运行质量起监督雨 保证作川，i i i l 往往是测控系统能甭朽设运行的决定性因素，测量 埘 回 2 l q q 0 协 中南大学硕士学位论文 第二章研制方案及技术路线实现 误差的深入分析研究经常是技术革新和e 珏人科学新发现的前导，因此对测量结果的误差 分析一直受到人们的极大重视”1 “。， 一个完整的测量过程往往包含7 r ： 根据测量的目的和精度要求，采川相应的原理，设计和拟定测量方法； 合理地选择仪器、元件，并制定测话步骤； 测量( 把待测量与标准尾进行比较) ； 运用误差理论刘测屏数据进 j 处j h ，得最后的测展结果，f ：使其不超过设定蜩 误差范围。 2 2 i 误差理论 l 、误差的表示： 绝对误差的表示：x = x n o ，其巾x 为待测j 建的实测值，n 0 为待测量的真值， x 为绝对误差： 相对误差的表示：a = x n i o ( ) ，n 为真值或仪表的满刻度值，a 为相对误差。 2 、误差的分类：为了便于聊f 究测量误差的特征和性质，般将误差分为系统误差、随机 误差和粗差。系统误差又可分为已定系统误差和未定系统误差。 3 、误差的传递：有些参数不能通过直接测最得到，需通过计算间接得到，称为间接测量， 直接测量误差也就会影响到问接测量值，这就是误差传递。 设y 为某些独立的自变量x 1 ，x 2 x n 的任意函数，即y = f ( x 1 ，x 2 x 。) ，这 些自变量的误差为 x i ， x 2 ， x n ，则误差传递公j 为： 缈：要血。+ 霎血：+ - - - + 要血。 l 暇2 f 班” 其中箬、箬箬称为误差传递系数。 喁 由此可见，个直接测量量的误差对总体误差的影响，彳i 仅取决于本身误差的大小还 取决于误差传递系数，因此在设计监测系统时应根据误差传递的因素合理的选择测最2r - 具、合理的选择讣算力法，以保汪测量系统的精确性。 4 、误差的合成：在误差合成圳沦f f l ，根据误差类型的4 i i 吲采用相应合成方法。 对于已定系统误差，在每次测量均有确定的误差值，因此厅采用代数法。设有 ， 个独立的已定误差因素e 。，e ：e 。影响巾，则 1 ) 的已定系统误差= ，+ e 。+ + 。： 对于未定系统误差，神! 每次测量时其绝对值或符导至少有个不能确定，因此采 用方和根法。设有r 个独立的未定误差因素e ，e 。e ，影响中，则中的己定系统误差 = ( e1 2 + e2 2 + + ，。) ”： 对于随机误差，：】| 尤法预先确知je 绝别值硐1 符q ，仅估计其引入的随机误差 限或随机不确定度，因此采川斤乖i | 根法。i i 有q 个独1 z 的随机误差因素。，。影 响( d ，则中的已定系统误荛 一( 。? + a ：2 + + ，：) “2 。 中南丈学硕士学位论文第二章研制方案及技术路线实现 2 2 2 监测系统误差分析 在测量系统中，我们在设计测量仪器和选择测量方法时，必须首先找出误差产生的 来源，区分开各种类型的误差，对已定系统误差采取补偿措施来消除或减少，面对未定 系统误差和随机误差进行误著估汁，尽可能将系统误差减少到允许的范围内“疆”“”。 1 、误差产生的主要来源： 装置误差：由于测量仪器本身以及安装丽引起的误差包括：仪器仪表误差、标准 器误差、安装误差、以及装各、刖什误差； 方法误差( 理论误差) ：测量方法本身的理论4 i 完善或采用了近似的公式而引起 的误差； 观测者误差：观测者误筹是f i 二观测者的生理或心理上的特点和固有的爿惯而造 成的； 环境误差：在测量时由丁 环境的影响曷= ( 如温度、电磁场等) 偏离规定值而产生 的误差。 2 、误差分析： 针对本监测系统，在弄清楚测量系统j f j 误差产乍的来源厢。将误差的产生分为三个 部分：支架与传感器安装定位误差、测量误差和方法误差三部分。下面针对这三部分误 差进行分析。 支架与传感器安装定位误差：要枪测回转窑的吲转t i ，心线，首先必须确定州转窑 的理想中心线。这样才能通过测量回转l i f 心计算【l 同转窑轴线偏离理想中心线的距离。 因此理想中心线的确定是整个检测系统的基础，其精确发直接影响每次测量的精确性。 回转窑理想轴线测量采用精度为l 咖的激光经纬仪。回转窑直径为4 m ，k 度为l o o m ， 共由5 挡支撑，每挡支撑处水泥基座都标记有基座中心点，在此基础上测量筒体的轴心 坐标。窑体理想轴心线测量力法：过第挡和第f i 捎的理想中心连成一条直线即为窑体 理想轴线。 a 、各挡支架安装误差：在确定好窑体理想轴线后，需要定位好支架。支架应垂直理 想轴线且左右对称放最，在支架的两端安装传感器，支架的最前端离距理想轴线4 2 5 0 m m ， 其中2 5 0 m m 为传感器的调整范围。为了确定支架端面的坐标，则要以理想轴线与该挡截 面的交点为坐标基点，找到相应的支架位置点。首先将理想轴线往外平移，并用激光经 纬仪在空中射出一条激光线，在相应各挡截面找到激光点，在此基础上即可找到支架的 两个端面坐标固定点。支架安装误差为a ，0 5 咖。 b 、传感器安装误差：传感器安装是以支架最前端为基点，测量传感器探头0 # 端与支 架前端的距离，采用精度为oo l m m 的游标卡尺进行测量定位。 感器安装误差为a ： 0 o l 咖。传感器安装时由传感器圆柱体与支架内孔精密配合，因此传感器安装角度误差 主要由支架上倾斜块的角度误差引起，其角度误差a 。o0 1 。 测量误差：测量误差”e 耍m 传感器测量误差、前置器信号处理误差芹1 1 数据采集误 差组成。 a 、传感器与前鬣器受环境温度、振动、i u 磁场等i ：扰i 砸i j l 起测量误差。回转窑运 中南大学硕士学位论文第二章研制方案及技术路线宴现 行条件极其恶劣，不仅有粉尘、振动、电磁1 二扰，而 l 器a 度很高，传感器工作温度高达 l o o 最低的电达5 0 ，并随l 艺、物料、以及气候丽变化。因此要求传感器具有耐 高温、抗干扰能力强、稳定性好，并l j 线性度好。在奉系统中，我们采用特制的涡流传 感器：耐高温型，测量范围大、采川计算机软件进行多段线性插补，使传感器测量误差 由补偿前的3 提高到5 ，即测肇误差为 ，0 2 咖。 b 、采集卡用1 4 位高速d 转换器，转换精度达到o1 ，与传感器测量误差相比， 数据采集误差可以忽略。 方法误差： a 、两点测量法的方法误差： 由第2l 节两点法公式推导过程n 崩f ： 水f 偏移量t ；，= 塑t 堡妄器拿焘 由于r ，、r 3 为传感器所测键相点到轴心的距离，约为4 2 0 0 m m ，由回转窑运行经 验可知，水平偏移量t 与垂直偏移量h 均小于2 0 m m ，d 为1 5 。，则 墨墨丝型竺1o ( ) 5 羁+ r 因此可用近似公式f = 坚二坐， 2 s f f l 口 由此产生的近似误差为。o o l 啪。 间接误差：由仁( 厶4 一l b ) 2 s i n 口可得：s o 1 5 m ； 垂直偏移量h 的计算： y = ( 爿+ ，曰一5 0 ) c o s 口2 由于回转窑水平偏移t 与垂直偏移h 均小于2 0 m m ，相当f 在传感器检测点处由检 测距离来反映以理想轴线为中心的半径为2 ) m m 的周。j 扫j ：州转窑半径为4 2 0 0 m m ，而回转 中心位移变化很小，因此传感器到刚转中心的角度u 变化小于0 0 2 。，因此忽略此角度变 化，其近似误差。o 0 i 唧。 间接误差：由，= ( 厶4 + 2 口一5 0 ) c o s d 2 可得：，o 0 3 m m ； 因此两点法的误差为：水平偏移误差：t ( ) 1 5 l 啪： 乖直偏移误差：h o ( 】3 2 m m ： b 、三点测量法的方法误差： 由第2 1 节三点法公式推学过稃可知： 水平偏移量x ： x =，1 璺一( 生型一蔓一矍2 ) 2 2 。妒一刃y 3 一y 2 z 2 妇z l t 3 y 3 一y 23 一i 可得水甲偏移误差：x o i 】2m l n 垂直偏移量y 的汁茆： 可得垂汽偏穆误差 肛坐监+ 三竺f y 。 2 y 3 一y l 、 v ( ) ：j m m 。 中南大学硕士学位论文第二章研制方案及技术路线实现 综一f ：所述，根据安装误差、测量误麓以及办法误差，可得出系统综合误差 采用两点法时系统综合误差为：o 5 6 m m ： 采用兰点法时系统综合误差为：o 6 2 m m 。， 2 3系统力案确定l j 技术蹄线实现 2 3 1 系统方案选择 l 、监测方法选择： 从回转中心三点测量法与两点测量法相比较，系统综合误差均小于系统所允许的误 差( 1 m m ) ，因此这两种方法均是可行的。但它们还是有一些差别的： 从计算公式上，三点测量法要比两点测量法复杂得多。三点测量法需要将三个传 感器测量距离转换为键柏点相应的坐标，= l 采用氲角坐标进行计算。两点测量法计算很 简单，误差较小。 在三点测量法r | j ，当年e 方向y ，与y 。相差很小时，其误差将会很大，当y 3 一y ，一 o 时，误差一一，为了增大y ，y ，之问的值，两点将轨：年卣方向上分开，而由于托轮受 力左右对称，上下不剥称，此其误差将增大。 从系统硬件成本上，似点测馒法比i 点测量法的成本要低得多。三点测量法姆一 挡需要三套位移检测传感器、前置器发 h 应的处理电路；i i 两点测量法每一挡只需要两 套，不仅减少了硬件成木，l f l jl l 减少r 系统的维护 = 。 因此，在本系统巾，我竹j 采川回转c i - 心两点测碾法来进行检测。 2 、位移传感器选择： 由了：回转窑表i | i 粗糙，彳很大的f ；蚓度，采川。般的接触式位移传感器时机械磨损 较大，容易损坏，凶此我们采j i j t ：接触式晌位移传感器进行检测。针对现场特定的环境 要求( 工作温度高、有粉尘、存在振动、洲疑距离大等) ，在比较了器种非接触式位移传感 器后，电涡流位移传感器是一种能够适应这种工作环境，并且性能比较好的位移传感器。 3 、传输信号类型选择： 在远距离模拟信号传输时，常采用标准的电压或电流信号，考虑到本系统佳输距离 较大，信号传输中存在主电机引起的电磁二f 扰和电源波动，因此，我们采用抗干扰能力 强、线路电阻影响小的( 4 2 0 m a ) 电流信号进行传输。在信号接收端，电流信号经过光电 耦台器、滤波电路后，转换为电压信号输入a d 采集卡进行采样。 4 、监测方式选择： 托轮由于长期磨损而呈h 形，当回转窑滞轴线j ：f i f 动时，酬转窑轴线存垂直方向 将会l 下移动，此在比较川转窑轴线烂p 洲6 移州心该以个t g 准丽来进行比较，h 以托轮巾心面作为比较基准耐。在启动川转窑经曲采撙则，泞先戍判断回转窑轴向佗嚣 是否在启动佗置j 与m 转窑轴向运动到启动何群州，启动径向采样，将各键褶位移聚集 中南大学硕士学位论文第二章研制方案及技东路线实现 到计算机，经过数据处理后计算出回转窑轴线。 2 3 2 技术路线实现 1 、在回转窑五挡托轮支撑处分8 个截| f i ，在第一挡托轮的右边作为第1 个截面，第 2 、3 、4 挡托轮的左右两边依次为第2 、3 、4 、5 、6 、7 截1 i i j ，在第五挡的左边作为第8 个截面。依次将每段简体的截面目转中心用直线连起来，将托轮的左右两边截面的回转 中心用平滑曲线拟合。得到回转窑的运行轴线。 2 、在每个截面回转窑同一母线上焊个长1 5 0 m m 、宽2 0 0 m m 、厚度为8 0 m m 、圆 弧半径为4 2 8 0 m m 的键相，作为检测对象测出回转窑轴线。同时在第5 截面键相的相邻 位置焊两个宽度为1 0 0 m m 的小键档，且分左右放罱，利用这两个小键到传感器的距离以 及与主键之间的位移，测出回转窑轴向位置。 3 、位移检测采用耐高温、抗干扰能力强、测量距离大，同时粉尘、水、油污等对系 统测量不影响的非接触式位移传感器。传感器为根据具体环境要求而特制的电涡流传感 器，并且其性能、波形特性、线性特性等需要进行多次试验并采用软件进行补偿。一共 采用1 6 套位移传感器对8 个截面进行检测。 4 、由于现场环境干扰较人，因此信号传输采用4 2 0 m a 抗干扰能力强的标准电流 信号进行传输，传输电缆采用4 芯屏蔽电缆，接收端采用光电耦合器进行隔离，采用两 级r c 滤波电路进行滤波，同时在软件上采用数字滤波与模糊滤波方法对信号进行处理。 5 、计算机实时监测回转窑运行轴向位置，当运行到轴向启动位置时，启动径向采样， 计算机利用各传感器测量的距离，计算出各截面的叫转中心，实时显示出回转窑的运行 轴线，井将回转窑各截面回转中心存入数据库。每天2 4 点将一天的回转窑轴线进行平均， 作为回转窑当天运行状态存入另- 数据库。 6 、采用网络形式实现监测现场与上层管理者之间的互联，实现数据资源共享。不同 部门只需要在自己办公室通过终端汁算机即可实肘观察回转窑运行情况并对系统进行分 析，并下达相应的指令，及时了解回转窑运行情况。 7 、设计回转窑历史轴线查询软件，操作人员能任意查询某一天或某一段时间的轴线 状态，查询轴线的变化趋势，并以报表或图形的方式进行显示。 8 、设计回转窑轴线变化趋势预测软件，系统根据回转窑轴线历史状况辨识出系统模 型，再根据此模型预测将来的轴线变化趋势。这对操作人员及时预测回转窑运行趋势， 了解回转窑运行状态，避免出现事故，有很大的帮助。 9 、设计回转窑优化调窑软件。当回转窑轴线偏移太大时，应及时调整回转窑轴线， 避免某些挡托轮受力过大，造成托轮轴断裂。传统的调窑方法是冷静态条件下，在第 挡和第五挡之间连一条直线，在轴线偏离最大处调整托轮位露，使回转窑轴线尽量呈一 直线。由于测量、调整是在静态f 进行，而同转窑热态和静态是有很大的区别，因此调 窑不准确，并且。调整后无法预先知道受力分布情况。而通过优化调窑软件，对运彳状 态数据进行分析，得出优化调窑各托轮调艇量，并可以比较调窑前后托轮受力情况。更 有利于科学地调窑，保证阿转窑的安全运行。 中南大学硕士学位论文第二章研制方案及技术路线荽观 监测系统框图如图2 _ 3 所示。 a a 侧传感嚣b 懊i 高速 前 黔 占弓 d 数 一置 器 滤潍 据采 巨装附件f 矮姓 = 参 一h 集号 b 壬! l ! 器 侧 前o b 侧传感器 目 置 般 i 肿 iji 一 一一 信号采集系统 p ( ：a t 控制总线 图2 3 系统硬件结构框嘲 2 4 本章小结 本章提出了几种新的回转窑轴线检测方法，分析了各种检测方法的理论推导与具体 实现，通过比较各种轴线测量方法，论证了两点钡0 量法的可行性和最优性。进而对影响 系统误差的各个因素进行了分析，探讨了采用具体的方法来减小各系统误差，从而使总 体测量误差满足系统允许舱测艉泼差。同时，对实现系统方案的各个环节进行了仔细分 析，从具体硬件实现角度设计i 性能优良、可靠性高的监测系统硬件结构，从系统软件 角度设计出功能强大的系统分析软r l ：，并从具体技术实现角度设计山系统的总体方案。 i 钉大学硕 学位沦文 第三章智能检测技术及信号处理方法 第三章智能检测技术及信号处理方法 n 刑学实验和乍产过秤中，为r 及时，解工艺过程、q i 产过程的情况以及它们的结 果，需要列捕述被控对象特铆：的某些参数进行测量或检测，其l 的是为，准确获取表征 它们的定量信息，为生产过程的自动化及科研提供可靠的数据。 随着微处理器技术的发腥及其拒i ：业过程控制，”的j 、泛心j | ，检 贝4 妓术发q j ，深刻 的变化，从传统的模拟检测系统进入智能传感器、智能仪表、智能检测阶段m 州。 ；1 智能检测方法 随着微处理器n