基于單片機(jī)的多層組合式連續(xù)球磨機(jī)超細(xì)磨控制系統(tǒng)研發(fā)

寧翔，曾旭，羅宏斌

基于單片機(jī)的多層組合式連續(xù)球磨機(jī)超細(xì)磨控制系統(tǒng)研發(fā)

寧翔，曾旭，羅宏斌

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

球磨機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于化學(xué)冶金、礦產(chǎn)開(kāi)采、陶瓷等行業(yè)中的研磨設(shè)備。通過(guò)研磨，制備符合生產(chǎn)要求的物料。但球磨機(jī)在一定程度上存在能耗大、效率低的缺點(diǎn)。為改善球磨機(jī)的生產(chǎn)效率及降低能耗，實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)化控制，通過(guò)單片機(jī)技術(shù)，PWM調(diào)速機(jī)理，搭建球磨機(jī)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)的自動(dòng)控制，提高球磨機(jī)生產(chǎn)效率、降低能耗。

球磨機(jī)；單片機(jī)；變頻調(diào)速；自動(dòng)控制

0 引 言

球磨機(jī)在化學(xué)冶金、礦產(chǎn)開(kāi)采、陶瓷等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。但由于現(xiàn)有的球磨機(jī)設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的特性[3-4]，使得球磨機(jī)一直存在一定程度的高能耗、高污染、高投入、低產(chǎn)出的“三高一低”的顯著缺陷[5-6]。在提倡節(jié)能減排的新時(shí)期[7]，為有效地改善和提高球磨機(jī)的生產(chǎn)效率，減低能耗，對(duì)球磨機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造，基于單片機(jī)技術(shù)，研發(fā)滿(mǎn)足安全生產(chǎn)的控制系統(tǒng)。

針對(duì)球磨機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)中存在的不足，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)球磨機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，研制球磨機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。尚雪蓮等[8-9]基于內(nèi)模控制方法，對(duì)球磨機(jī)控制系統(tǒng)仿真研究，內(nèi)模控制能夠較好地解決球磨機(jī)系統(tǒng)的時(shí)變性、耦合性和遲延性，取得了較好的控制效果；楊毅等[10-11]人通過(guò)Admas對(duì)球磨機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，結(jié)合理論知識(shí)，分析球磨子填充率與球磨機(jī)運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，確定球磨機(jī)轉(zhuǎn)速交變規(guī)律，設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的球磨機(jī)PWM電機(jī)調(diào)速控制模塊，在提高效率的同時(shí)有效地降低能耗。

基于以上對(duì)球磨機(jī)控制系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)與單片機(jī)對(duì)多層組合式連續(xù)球磨機(jī)超細(xì)磨系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)，實(shí)現(xiàn)超細(xì)磨系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止轉(zhuǎn)動(dòng)，加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等功能及出料系統(tǒng)的正常運(yùn)行，將球磨好的物料通過(guò)出料螺旋槳排出超細(xì)磨倉(cāng)，完成物料的球磨工作。其研究成果對(duì)提高球磨機(jī)球磨效率、降低能耗具有一定的指導(dǎo)意義。

1 球磨機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

多層組合式連續(xù)球磨機(jī)分為粗磨系統(tǒng)、細(xì)磨系統(tǒng)及超細(xì)磨系統(tǒng)，能使加工要求達(dá)到更高，滿(mǎn)足更多的生成質(zhì)量要求。

(1) 粗磨系統(tǒng)：在該球磨機(jī)中，粗磨系統(tǒng)主要由左端蓋、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、粗磨倉(cāng)構(gòu)成，漿料從左端蓋進(jìn)料口進(jìn)入粗磨倉(cāng)，經(jīng)過(guò)粗磨后，符合標(biāo)準(zhǔn)的漿料，通過(guò)篩板進(jìn)入細(xì)磨倉(cāng)。

(2) 細(xì)磨系統(tǒng)：經(jīng)粗磨倉(cāng)研磨后達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的漿料進(jìn)入細(xì)磨系統(tǒng)，細(xì)磨系統(tǒng)中研磨效果較佳，將漿料進(jìn)一步的磨細(xì)，經(jīng)過(guò)篩板進(jìn)入超細(xì)磨系統(tǒng)。

(3) 超細(xì)磨系統(tǒng)：漿料進(jìn)入超細(xì)磨系統(tǒng)后，主要進(jìn)入研磨階段，漿體在球磨子之間細(xì)磨，從而達(dá)到更進(jìn)一步研磨。達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，經(jīng)篩板到達(dá)出料倉(cāng)，在出料螺旋槳帶動(dòng)作用下，排出球磨機(jī)。進(jìn)過(guò)三重研磨后，漿料通過(guò)最后的篩板，經(jīng)出料螺旋槳作用排出，完成整個(gè)研磨過(guò)程。

1-粗磨倉(cāng)；2- 球磨子；3-進(jìn)料口；4-左端蓋；5-細(xì)磨倉(cāng)；6-篩板；7-細(xì)磨電機(jī)；8-右端蓋；9-出料螺旋槳；10-超細(xì)磨倉(cāng)

2 球磨機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體控制系統(tǒng)的組成

綜合球磨機(jī)的功能需求及生產(chǎn)實(shí)際情況，對(duì)比現(xiàn)有球磨機(jī)控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，采用單片機(jī)技術(shù)，PWM調(diào)速機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對(duì)多層組合式連續(xù)球磨機(jī)超細(xì)磨系統(tǒng)運(yùn)行的整體控制。球磨機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要設(shè)有時(shí)鐘電路模塊、晶振電路模塊、控制按鍵模塊、指示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊?？刂葡到y(tǒng)采用單片機(jī)作為核心控制元件，采用相應(yīng)的控制按鈕，便于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操作控制。當(dāng)相應(yīng)功能按鍵按下時(shí)，給單片機(jī)輸入相應(yīng)的信號(hào)，單片機(jī)接受到信號(hào)后作出相應(yīng)的反應(yīng)，給對(duì)應(yīng)引腳輸出相應(yīng)的高低電平。從而控制對(duì)應(yīng)的模塊，做出相應(yīng)的控制，改變球磨機(jī)工作狀態(tài)。

圖2 控制系統(tǒng)總體方案框圖

2.2 球磨機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1) 自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，綜合各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)硬件連線(xiàn)圖，如圖3所示。主要包含了時(shí)鐘電路模塊、晶振電路模塊、控制按鍵模塊、指示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

(2) 自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

綜合需要實(shí)現(xiàn)的控制功能，理清程序編輯邏輯，繪制出對(duì)應(yīng)的主程序流程圖。如圖4所示，在程序執(zhí)行開(kāi)始操作后，首先對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)初始化，將系統(tǒng)復(fù)位，一切歸于正常。通過(guò)設(shè)計(jì)控制按鈕程序，單片機(jī)識(shí)別按鈕發(fā)送的高低電平，識(shí)別是否有功能按鍵按下，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行操作。當(dāng)確定有按鍵操作時(shí)，再判別對(duì)應(yīng)的功能按鍵，單片機(jī)做出相應(yīng)的反應(yīng)，發(fā)出相應(yīng)的指令，對(duì)相應(yīng)的功能進(jìn)行控制調(diào)整。繪制出主程序框圖的目的主要是為了明確程序編寫(xiě)思路，確保在具體功能實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中不出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，保證程序能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。

基于所需實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)功能按鍵模塊，主要是為了便于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制操作。實(shí)質(zhì)上功能按鍵電路中的按鍵相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)，單片機(jī)會(huì)接受到不同的高低電平，從而影響單片機(jī)的整體控制。功能按鍵相當(dāng)于外部的開(kāi)關(guān)，當(dāng)功能按鍵閉合時(shí)，按鍵所接單片機(jī)引腳為低電平，單片機(jī)識(shí)別低電平，執(zhí)行延時(shí)子程序，控制系統(tǒng)延時(shí)10 ms，控制系統(tǒng)會(huì)再次確定是否真有按鍵按下。若所接引腳依舊為低電平，則單片機(jī)識(shí)別有按鍵閉合。通過(guò)對(duì)應(yīng)的信號(hào)來(lái)源，確定對(duì)應(yīng)的按下的控制按鍵，單片機(jī)識(shí)別信號(hào)后做出相應(yīng)的反應(yīng)。生成相應(yīng)的控制指令，在將信號(hào)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)功能模塊接的引腳上，調(diào)節(jié)高低電平，執(zhí)行功能按鍵所對(duì)應(yīng)的功能。在功能按鍵子程序中采用了典型的延時(shí)程序，主要是消除按鍵在開(kāi)關(guān)及閉合時(shí)抖動(dòng)帶來(lái)的影響。因在整個(gè)控制系統(tǒng)中，所采用的功能按鍵多為彈性開(kāi)關(guān)，在按鍵閉合與開(kāi)啟的時(shí)候，并不會(huì)瞬間達(dá)到閉合和開(kāi)啟的狀態(tài)。因而在閉合及斷開(kāi)的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)，為了不產(chǎn)生這種現(xiàn)象，使用了延時(shí)程序。

圖3 總硬件電路圖

圖4 主程序流程圖

3 結(jié) 語(yǔ)

在傳統(tǒng)球磨機(jī)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)多層組合式連續(xù)球磨機(jī)。通過(guò)單片機(jī)技術(shù)，PWM調(diào)速機(jī)理，搭建球磨機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)的自動(dòng)控制，變頻調(diào)速控制，降低技術(shù)成本，提高球磨機(jī)生產(chǎn)效率、降低能耗。

圖5 按鍵程序流程圖

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Research and Development of Multi-layer Combination Continuous Ball Mill Ultrathin Control System Based on SCM

NING Xiang , ZENG Xu, LUOHongbin

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403,Jiangxi, China)

Ball mill is a kind ofgrinding equipmentwidely used in chemical metallurgy, mineral exploration, and Ceramic industry, etc. By grinding, material required can be prepared. However, the ball mill has the disadvantages of large energy consumption and low efficiency to some extent. To improve the production efficiency of ball mill and reduce the energy consumption and realize automatic control for ball mill system,monolithic integrated circuit technology, PWM speed regulating mechanism are applied to build a ball mill control system and thus realize the automatic control of ball mill and accordingly improve production efficiency and reduce energy consumption.

ball mill; SCM; variable frequency and variable velocity; automatic control

TQ174.6+11

A

1006-2874(2020)04-0006-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2020.04.002

2019?10?20。

2019?10?23。

寧翔，男，碩士。

2019?10?20.

2019?10?23.

Ningxiang,male,Master.

1575596441@qq.com