基于单片机的多层组合式连续球磨机超细磨控制系统研发

宁翔，曾旭，罗宏斌

基于单片机的多层组合式连续球磨机超细磨控制系统研发

宁翔，曾旭，罗宏斌

(景德镇陶瓷大学 机械电子工程学院，江西 景德镇 333403)

球磨机是一种广泛应用于化学冶金、矿产开采、陶瓷等行业中的研磨设备。通过研磨，制备符合生产要求的物料。但球磨机在一定程度上存在能耗大、效率低的缺点。为改善球磨机的生产效率及降低能耗，实现球磨机控制系统自动化控制，通过单片机技术，PWM调速机理，搭建球磨机控制系统，以实现球磨机的自动控制，提高球磨机生产效率、降低能耗。

球磨机；单片机；变频调速；自动控制

0 引 言

球磨机在化学冶金、矿产开采、陶瓷等行业中有着广泛的应用[1-2]。但由于现有的球磨机设备机械结构及控制系统的特性[3-4]，使得球磨机一直存在一定程度的高能耗、高污染、高投入、低产出的“三高一低”的显著缺陷[5-6]。在提倡节能减排的新时期[7]，为有效地改善和提高球磨机的生产效率，减低能耗，对球磨机控制系统进行自动化改造，基于单片机技术，研发满足安全生产的控制系统。

针对球磨机机械结构及控制系统中存在的不足，国内外学者对球磨机的机械机构进行优化，研制球磨机自动化控制系统。尚雪莲等[8-9]基于内模控制方法，对球磨机控制系统仿真研究，内模控制能够较好地解决球磨机系统的时变性、耦合性和迟延性，取得了较好的控制效果；杨毅等[10-11]人通过Admas对球磨机进行动力学仿真分析，结合理论知识，分析球磨子填充率与球磨机运行时间的关系，确定球磨机转速交变规律，设计基于单片机的球磨机PWM电机调速控制模块，在提高效率的同时有效地降低能耗。

基于以上对球磨机控制系统的研究基础与单片机对多层组合式连续球磨机超细磨系统的控制系统进行研发，实现超细磨系统的启动、停止转动，加速、减速、正转、反转等功能及出料系统的正常运行，将球磨好的物料通过出料螺旋桨排出超细磨仓，完成物料的球磨工作。其研究成果对提高球磨机球磨效率、降低能耗具有一定的指导意义。

1 球磨机系统简介

多层组合式连续球磨机分为粗磨系统、细磨系统及超细磨系统，能使加工要求达到更高，满足更多的生成质量要求。

(1) 粗磨系统：在该球磨机中，粗磨系统主要由左端盖、进料机构、粗磨仓构成，浆料从左端盖进料口进入粗磨仓，经过粗磨后，符合标准的浆料，通过筛板进入细磨仓。

(2) 细磨系统：经粗磨仓研磨后达到标准的浆料进入细磨系统，细磨系统中研磨效果较佳，将浆料进一步的磨细，经过筛板进入超细磨系统。

(3) 超细磨系统：浆料进入超细磨系统后，主要进入研磨阶段，浆体在球磨子之间细磨，从而达到更进一步研磨。达到标准后，经筛板到达出料仓，在出料螺旋桨带动作用下，排出球磨机。进过三重研磨后，浆料通过最后的筛板，经出料螺旋桨作用排出，完成整个研磨过程。

1-粗磨仓；2- 球磨子；3-进料口；4-左端盖；5-细磨仓；6-筛板；7-细磨电机；8-右端盖；9-出料螺旋桨；10-超细磨仓

2 球磨机自动控制系统设计

2.1 整体控制系统的组成

综合球磨机的功能需求及生产实际情况，对比现有球磨机控制系统中常见的优缺点，采用单片机技术，PWM调速机理，实现对多层组合式连续球磨机超细磨系统运行的整体控制。球磨机的自动控制系统采用模块化结构，主要设有时钟电路模块、晶振电路模块、控制按键模块、指示模块、电机驱动模块。控制系统采用单片机作为核心控制元件，采用相应的控制按钮，便于对整个系统的操作控制。当相应功能按键按下时，给单片机输入相应的信号，单片机接受到信号后作出相应的反应，给对应引脚输出相应的高低电平。从而控制对应的模块，做出相应的控制，改变球磨机工作状态。

图2 控制系统总体方案框图

2.2 球磨机自动控制系统设计

(1) 自动控制系统硬件电路设计

根据设计需求，综合各项功能的实现方式，设计了控制系统硬件连线图，如图3所示。主要包含了时钟电路模块、晶振电路模块、控制按键模块、指示模块、电机驱动模块。

(2) 自动控制系统软件设计

综合需要实现的控制功能，理清程序编辑逻辑，绘制出对应的主程序流程图。如图4所示，在程序执行开始操作后，首先对整个控制系统初始化，将系统复位，一切归于正常。通过设计控制按钮程序，单片机识别按钮发送的高低电平，识别是否有功能按键按下，对控制系统进行操作。当确定有按键操作时，再判别对应的功能按键，单片机做出相应的反应，发出相应的指令，对相应的功能进行控制调整。绘制出主程序框图的目的主要是为了明确程序编写思路，确保在具体功能实现的过程中不出现逻辑错误，保证程序能实现相应的控制功能。

基于所需实现的功能，设计功能按键模块，主要是为了便于对整个系统的控制操作。实质上功能按键电路中的按键相当于一个开关，开关的闭合与断开，单片机会接受到不同的高低电平，从而影响单片机的整体控制。功能按键相当于外部的开关，当功能按键闭合时，按键所接单片机引脚为低电平，单片机识别低电平，执行延时子程序，控制系统延时10 ms，控制系统会再次确定是否真有按键按下。若所接引脚依旧为低电平，则单片机识别有按键闭合。通过对应的信号来源，确定对应的按下的控制按键，单片机识别信号后做出相应的反应。生成相应的控制指令，在将信号传输到对应功能模块接的引脚上，调节高低电平，执行功能按键所对应的功能。在功能按键子程序中采用了典型的延时程序，主要是消除按键在开关及闭合时抖动带来的影响。因在整个控制系统中，所采用的功能按键多为弹性开关，在按键闭合与开启的时候，并不会瞬间达到闭合和开启的状态。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，为了不产生这种现象，使用了延时程序。

图3 总硬件电路图

图4 主程序流程图

3 结 语

在传统球磨机的基础上，优化机械结构，设计多层组合式连续球磨机。通过单片机技术，PWM调速机理，搭建球磨机控制系统软硬件结构，以实现球磨机的自动控制，变频调速控制，降低技术成本，提高球磨机生产效率、降低能耗。

图5 按键程序流程图

[1] 曲星宇. 球磨机自动化控制系统的组成及搭建[J]. 科技创新与应用, 2016,(10): 99-99.

[2] 戴丽玲, 赵金萍, 王永骥, 等. 球磨机发展应用概述及轴承选用分析[J]. 企业技术开发, 2011, 30(7): 30-31.

[3] 赵旭哲, Leon, L.Shaw. 纳米粉球磨机的电力驱动方式及机械结构优化研究[J]. 机械科学与技术, 2015, 34(4): 512-517.

[4] 冯梅, 苏会忠. 球磨机控制系统改进[J]. 设备管理与维修, 2011(s1): 167-168.

[5] AINETO M, ACOSTA A, IGLESIAS I. The role of a coalgasification fly ash as clay additive in building ceramic [J]. Journalof the European Ceramic Society, 2006, 26(16): 3783-3787.

[6] 江竹亭, 段桃, 黄韩凌燕. 陶瓷墙地砖干法造粒几何参数与坯料颗粒压缩度的关系[J]. 中国陶瓷工业, 2019, 26(2): 1-4.

[7] 杨辉, 郭兴忠, 樊先平, 等. 我国建筑陶瓷的发展现状及节能减排[J]. 中国陶瓷工业, 2009, 16(2): 20-23.

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[9] 刘蓉, 吕震中. 基于内模——PID控制的球磨机负荷控制系统的设计[J]. 电力设备, 2005, 6(1): 30-33.

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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。

宁翔，男，硕士。

2019‒10‒20.

2019‒10‒23.

Ningxiang,male,Master.

1575596441@qq.com