我國電網的能源結構是以燃煤電站為主。已有的燃煤電站，大多采用球磨機制粉系統。在新設計的燃煤電站中，仍有相當一部分機組采用的是球磨機制粉系統。因此，如何解決中間倉儲式球磨機制粉系統長期存在的制粉單耗高、經濟性差、自動控制難以長期穩定地投入運行等問題，就具有重大的經濟意義和現實意義。目前，對球磨機制粉系統的筒內料位、風量等參數和斷煤、堵磨等事故工況仍缺乏有效可靠的監測手段。
本研究試圖通過對球磨機軸承振動信號、球磨機差壓、電流信號的綜合分析以確保球磨機在最佳料位下運行，達到降低制粉單耗的目的。并能對斷煤、堵磨等故障工況進行判斷，確保球磨機制粉系統安全穩定地運行。
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1、基于振動信號的球磨機料位測量原理
    球鼓內存煤少時，鋼球間、鋼球與煤間產生的撞擊作用增大，振動量信號加大；反之，振動量信號減弱。隨著存煤量的增加，出力逐漸增加。當存煤量達到一定時，球磨機的出力將達到最大。繼續使存煤量增加，出力反而減小，球磨機將出現進煤大于出粉的情況，球鼓內存煤量急劇上升，造成堵磨。球磨機出力達到最大前，其出入口差壓變化較平穩；達到最大出力后，如繼續加大給煤量，磨進出口差壓由正常時的緩慢增加，轉化為急劇增大，造成堵磨。上述關系的表述如圖l所示，其中曲線1表征球磨機總功率和存煤量的關系，曲線2表征球磨機無效碰撞功率和存煤量的關系，曲線3表征球磨機有效功率即球磨機出力和存煤量的關系，曲線4表征球磨機進出口差壓與存煤量的關系。
    對轉速固定的球磨機來講，由于所消耗的總功率在空載和帶負荷運行時差別不大，故由滾筒傳遞給鋼球的能量基本確定。這部分能量主要用于磨煤和激發球磨機滾筒振動。其中磨煤所消耗功率的大小直接和物料量有關。因此滾筒振動所消耗功率與存煤量高低成一定的關系，即滾筒振動較強時，與之相對應的球磨機存煤量較低，滾筒振動較弱時，則與之相對應的球磨機存煤量較高。
    球磨機的振動信號來源，除了上面所述鋼球撞擊滾筒所激發的滾筒振動外，還存在一些其他振動信號來源，如傳動系統振動、基礎振動等：此外，傳遞路徑及結構振動的聲輻射及頻域特性對在測量點拾取的振動信號頻域特性也有一定影響。故必須在沖擊脈沖力所激發的滾筒振動中尋找能量最強，對存煤量變化最敏感的頻帶作為監測頻帶，才能將其他“干擾”的影響降低到最小。
    根據文獻資料，滾筒在2～5 kHz頻帶內振動能量較高，對存煤量變化的靈敏率也較高，是監測存煤量的最佳頻帶。振動以頻譜形式表示時，包含3個部分的內容：振動位移頻譜特性、振動加速度頻譜特性和振動速度頻譜特性。球磨機振動的位移頻譜特性是常量，而從以往資料分析和實踐經驗看，加速度頻譜特性比速度頻譜特性反應更加靈敏。因而本研究選用加速度信號傳感器測量軸承振動，并對采集信號進行FFT變換。
2、球磨機優化運行工況監測參數的選擇
    除了第1節提到的用軸承振動的加速度信號進行FFT監測球磨機的存煤量之外，球磨機運行工況的參數選擇還有許多。如，磨出口負壓、給煤機轉速、磨進出口溫度、磨的進出口差壓、磨煤機的電流、磨的通風量、磨的循環風量等。要優化球磨機的運行工況，必需從眾多可測量參數中選擇能夠反映球磨機優化運行工況的典型參數。在本球磨機監測系統中，除了磨煤機的前后軸承振動信號外，還選擇了磨煤機的電流和磨煤機的進出口差壓信號。磨煤機的電流直接反映磨煤機的實際功耗。磨煤機的進出口差壓和磨進出口差壓變化率在堵磨的時候變化都很快，可直接反映堵磨這一事故工況。所以，本系統對球磨機優化運行工況監測參數的選擇是合理可行的。
3、便攜式球磨機優化監測系統的硬件設計
    便攜式球磨機優化監測系統組成如圖2所示。壓電式加速度傳感器采用我國某空間研究所研制的新型壓電式加速度傳感器。電壓晶體為陶瓷晶體，其抗噪性能好，對于高頻和低頻信號反應靈敏。它由正負12 V直流電壓供電，輸出為正負5V的交流電壓。加速度傳感器的安裝位置如圖所示，大體在圓周右下方45。左右。試驗過程中可以用磁力很強的磁鋼將傳感器固定在球磨機軸承座上，系統正式投用時需固定安裝。采集前置放大器由可編程放大器、衰減放大器、光繼電器、V/I轉換器和單片機組成。
    本系統數據采集卡采用美國某公司生產的TypeIl PCMCIA系列數據采集卡。該數據采集卡具有采集精度高（A/D轉換精度是16位）、系統采集通道易擴展（差分4通道／單端8通道，可最大擴展至128通道）、工作性能穩定、采樣頻率范圍寬（采樣頻率從0.006 Hz—100kHz）等特點。
    目前本系統接入4路信號，即球磨機前軸承振動加速度信號，后軸承振動加速度信號，球磨機的電流和球磨機的進出口差壓信號。
4、便攜式球磨機優化監測系統的驅動軟件設計
    驅動程序是本系統獲取球磨機實時數據的關鍵。Type IIPCMCIA系列數據采集卡的驅動程序編制很有自己的特點。對同一型號的采集卡，可共用同一個依賴于硬件的驅動（即相同的配置文件），獨立于硬件的驅動和用戶的應用程序。對不同型號的采集卡，其依賴于硬件的驅動應不同（即配置文件應不同），但可以共用相同的獨立于硬件的驅動和相同的用戶應用程序。這就意味著，在原有的系統上新加入一塊不同型號采集卡，只需建立一個新的配置文件即可。  而應用程序幾乎不用修改。這就使得采集卡的驅動程序結構非常靈活且便于擴展系統加入新的采集卡。這就是該系列采集卡的優勢所在。
4.1驅動的配置文件
    驅動的配置文件主要有2個：通用配置數據文件和A/D轉換器配置文件。
    (l)通用配置數據文件。
    所有的數據采集卡必需一個通用配置數據文件。該配置數據文件由DAQDRIVE的配置應用程序產生。主要指設定采集卡的基址，中斷優先級，DMA通道。對于本數據采集卡，其基址默認為O，即意味著每當采集卡打開開始運行時，由DAQDRIVE決定基址、中斷優先級和DMA通道。對于本采集卡，不支持DMA方式，即從數據采集卡取數據時由主機CPU控制而不是由DMA控制器控制。中斷優先級采用DAQDRIVE的配置應用程序的默認設置。
    (2) A/D轉換器配置文件。
    主要指定A/D轉換器(通常只有一個A/D轉換設備：ADCO)、通道（下拉菜單顯示可獲得的A/D輸入通道）、輸入模式、信號類型（單極或雙極）、增益（本采集卡沒有硬件增益設置，在軟件運行時，由程序進行設置）。