CN101733188B - 球磨机定位停车控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球磨机定位停车控制系统及其控制方法。它旨在实现节能、安全和环保三大目标，以确保其可靠经济地运行。其结构为：包括单片机，单片机与电动机转速传感器、球磨机0点位置检测装置和球磨机位置检测装置连接，输出端与继电器连接，继电器与接触器连接，接触器控制电动机同时与电源连接；单片机还与控制键盘连接；单片机通过控制接触器来控制球磨机停车位置。

Description

球磨机定位停车控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种球磨机定位停车控制系统及其控制方法。

背景技术

球磨机是一种工业生产中十分重要的制粉设备，广泛用于水泥、发电、选矿、陶瓷、冶金等各个行业，既是一种大型昂贵设备，同时属于一种大噪音、高能耗和低效率的设备。由于陶瓷生产工艺的特殊要求，陶瓷生产企业上所用的球磨机绝大部分都是间歇式作业模式的球磨机。如图1a、图1b所示，间歇式球磨机14有一个进出料口13，球磨机14运行前进出料口13位置应置于向上，便于原料仓装料操作，物料填装完毕启动磨机开始工作，加工完毕后需将成品从磨机内卸出，因此必须将进出料口13置于朝下，使得物料卸到输送小车或者其他运送装置，从而完成间歇式作业模式的操作。

间歇式作业模式的特点决定了需要对磨机停车位置实现准确控制，即对磨机的进出料口的装料位置(如：向上)和卸料位置(如：向下)的准确控制。在我国中小企业中拥有大量的这种间歇性作业的球磨机，工人对磨机进出料口的位置控制全凭借经验，一次装卸料操作往往对磨机的启停进行反复操作，从而保证进出料口的位置。因为磨机属于大惯量设备，频繁启停会造成对磨机电动机的损耗，以及对电网电压的影响，甚至影响到其他正常工作的设备，是对电力资源的浪费，不符合国家的节能降耗政策。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种旨在实现节能、安全和环保三大目标，以确保其可靠经济地运行的球磨机定位停车控制系统及其控制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种球磨机定位停车控制系统，它包括单片机，单片机与电动机转速传感器、球磨机0点位置检测装置和球磨机位置检测装置连接，输出端与继电器连接，继电器与接触器连接，接触器控制电动机同时与电源连接；单片机还与控制键盘连接；单片机通过控制接触器来控制球磨机停车位置。

所述控制键盘包括启动按钮、停止按钮、进料口位置按钮、出料口位置按钮和检修位置按钮。

所述球磨机0点位置检测装置包括设置在球磨机进料口正上方的0点位置感应点及其0点位置感应器；所述球磨机位置检测装置包括设置在球磨机圆周方向均匀分布的若干个圆周位置感应点，及其相配合的圆周位置感应器。

一种球磨机定位停车控制系统的控制方法，它的步骤为：

步骤1，系统初始化，测量球磨机转速和运行时间，计算球磨机的摩擦转矩与转动惯量比；

步骤2，根据磨机断电前的初速度以及球磨机的转矩惯量比，对球磨机的断电以后所转过的角度可以进行预测；

步骤3，发出停车命令时，电动机并不马上停止，而是将停车命令发给单片机，单片机根据当前转速及起动过程得到的转矩惯量比计算得出自由停车后的角位移量，并根据当前位置，判定当磨机在何位置时关闭电动机使得磨机停止之后转到指定位置，从而实现磨机停车位置的准确控制。

所述步骤2中，预测过程为：

建立机电传动系统的运动方程式(1)：

$\left[T_M\right]-\left[T_L\right]=J\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

T_M——电动机产生的转矩；

T_L——传动系统的负载转矩；

J——传动系统的转动惯量；

n——传动系统的转速；

t——转动时间

所述电机转矩T_M：

$T_M=K\frac{{\mathrm{SR}}_2{U}^2}{{R^2}_2+{\left(S{X}_{20}\right)}^2}---\left(2\right)$

式中，K为与电动机结构参数，是与电源频率有关的常量；S为电动机转差率，且

n₀为电动机同步转速，n为电动机转速；U为定子绕组电压，电源相电压；R₂转子每相绕组的电阻；X₂₀电动机(n＝0)时转子每相绕组的感抗；将启动过程分成若干时间段，则在每个时间段内，电动机转矩T_M与转速n之间具有近似线性关系，

因此，求解方程组(3)得到[T_L]′和[J]：

$\left\{\begin{array}{c}{\left[T_M\right]}_1-{\left[T_L\right]}^{\′}=\left[J\right]\frac{{\mathrm{\Δn}}_1}{\mathrm{\Δt}}\\ {\left[T_M\right]}_2-{\left[T_L\right]}^{\′}=\left[J\right]\frac{{\mathrm{\Δn}}_2}{\mathrm{\Δt}}\\ {\left[T_M\right]}_3-{\left[T_L\right]}^{\′}=\left[J\right]\frac{\mathrm{\Δ}{n}_3}{\mathrm{\Δt}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

Δn₁、Δn₂、Δn₃、Δt为测量得到，而[T_M]₁、[T_M]₂和[T_M]₃在启动过程中是变化的，为了求解方程组(3)，必须对[T_M]将进行约束，利用T＝f(n)的线性关系式，在此线性关系上得到n₁、n₂、n₃、Δn₁、Δn₂、Δn₃、[T_M]₁、[T_M]₂和[T_M]₃代入方程组求解得出[T_L]′和[J]。

当磨机停车时，电动机产生的转矩[T_M]＝0，因此可以得到公式(4)：

$-\left[T_L\right]=J\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

进而得到加速度公式：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}=\frac{-\left[T_L\right]}{J}---\left(5\right)$

ε——停车时加速度；

测得停车时刻电动机的初速度n_s，

为系统的固有特性是由起动过程计算得到的值，得到公式(6)：

$\mathrm{\θ}=\frac{n_s^2-n^2}{-2\mathrm{\ϵ}}---\left(6\right);$

从而预测磨机从开始停车的运动状态n_s到自由停车n＝0所经过的角位移量，根据角位移量得到磨机停车位置的准确控制。

本发明的有益效果是：通过对球磨机动力学模型的建立，分析球磨机的运行特点，实现磨机停车位置的准确控制。该控制系统通过对每次启动过程特性的自学习，利用归一化处理和系数修正方法，得到磨机运动过程中的近似等效负载扭矩和转动惯量等关键运行参数，从而预测其停止特性，根据该特性实现了大惯量磨机停止位置的准确控制。该控制系统所需硬件设备简单，安装方便，可适用于现有磨机准停控制的改造。

附图说明

图1a为进料位置；

图1b为出料位置；

图2为球磨机运动模型；

图3为定位原理图；

图4为启动速度曲线；

图5为机械特性曲线；

图6为转速测量方法；

图7a为磨机滚筒位置检测装置；

图7b为图7a的侧面视图；

图8为球磨机启动过程运动曲线；

图9为间歇式球磨机控制系统；

图10为控制流程图。

其中，1.电动机转速传感器，2.球磨机0点位置检测装置，3.球磨机位置检测装置，4.单片机，5.继电器，6.接触器，7.电源，8.启动按钮，9.停止按钮，10.进料口位置按钮，11.出料口位置按钮，12.检修位置按钮，13.进出料口，14.球磨机，15.电动机，16.圆周位置感应点，17.0点位置感应点，18.圆周位置感应传感器。19.0点位置感应器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图9中，本发明的球磨机大惯量转子定位停车控制系统，它包括单片机4，单片机4与电动机转速传感器1、球磨机0点位置检测装置2和球磨机位置检测装置3连接，输出端与继电器5连接，继电器5与接触器6连接，接触器6控制电动机15同时与电源7连接；单片机4还与控制键盘连接；单片机4通过控制接触器6来控制球磨机14停车位置。控制键盘包括启动按钮8、停止按钮9、进料口位置按钮10、出料口位置按钮11和检修位置按钮12。

图7a、图7b中，球磨机0点位置检测装置2包括设置在球磨机14进出料口13正上方的0点位置感应点17及其相应的0点位置感应器19；球磨机位置检测装置3包括设置在球磨机14圆周方向均与分布的若干个圆周位置感应点16及其圆周位置感应器18。为了检测球磨机14滚体位置，首先要设置0点位置，以球磨机14进出料口13的中心作为0点位置，在该处设置0点位置感应点，并在此处设置接近开关传感器作为0点位置感应器19，如图7a、图7b所示，通过该接近开关可判断磨机的0点位置。球磨机14转过角度数值的判断通过圆周位置感应点16和圆周位置感应传感器18决定。圆周位置感应点16均匀地分布在滚体端面圆周上，分布得越多则角位移检测的精度就越高。

图10给出了本发明的控制流程图，它的步骤为：

步骤1，系统初始化，测量球磨机转速和运行时间；为了测量电动机15转速在电动机15的转轴上套上一个脉冲编码器，当电机轴转动时，脉冲信号通过光电转换，经放大、滤波引入单片机。测量方法如图6所示，转速的过程为：在转速输出脉冲的下降沿启动单片机4定时器，定时长度Tc，同时记取转速输出脉冲个数m1和时钟脉冲个数m2。测量时间到，先停止对转速输出脉冲个数的计数，待下一个转速输出脉冲下降沿到来时，再停止对时钟脉冲计数，以保证测到整个转速传感器的输出脉冲。计算得出电动机15转速。根据磨机断电前的初速度以及球磨机的转矩惯量比，对球磨机的断电以后所转过的角度可以进行预测；

步骤2，发出停车命令时，电动机并不马上停止，而是将停车命令发给单片机，单片机根据当前转速计算得出自由停车后的角位移量，并根据当前位置，判定当磨机在何位置时关闭电动机使得磨机停止之后转到指定位置，从而实现磨机停车位置的准确控制。

图8为球磨机启动过程的实测运动曲线，从启动过程的加速度曲线上可以看出，启动过程经历了两个阶段：第一阶段为加速度增加的阶段，第二阶段为加速度减小的加速阶段，直到加速度减小为零，磨机进入匀速阶段。在第二阶段的加速过程中，由于球磨机的速度增加到一定值，球磨机的转差率很小，可以在启动阶段过程第二段加速过程中对测得的速度值和通过对速度值进行差分运算获得的角加速度进行一次曲线拟合，得到角加速度与角速度在第二阶段加速过程中的方程。

Claims (3)

1.一种球磨机定位停车控制系统，其特征是，它包括单片机，单片机与电动机转速传感器、球磨机0点位置检测装置和球磨机位置检测装置连接，输出端与继电器连接，继电器与接触器连接，接触器控制电动机同时与电源连接；单片机还与控制键盘连接；单片机通过控制接触器来控制球磨机停车位置；单片机的控制过程为：

步骤1，系统初始化，测量球磨机转速和运行时间；

步骤2，根据磨机断电前的初速度以及球磨机的转矩惯量比，对球磨机的断电以后所转过的角度可以进行预测；预测过程为：利用公式

$\mathrm{\θ}=\frac{n_s^2-n^2}{-2\mathrm{\ϵ}}$

预测磨机从开始停车的运动状态n_s到自由停车n＝0所经过的角位移量θ，根据角位移量θ得到磨机停车位置的准确控制；其中，ε为停车时加速度；

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}=\frac{-\left[T_L\right]}{J}$

式中，n为电动机转速，t为转动时间，

为系统的固有特性是由起动过程计算得到的值，机电传动系统的运动方程式：

${[T}_M]-[T_L]=J\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}$

T_M——电动机产生的转矩；T_L——传动系统的负载转矩；J——传动系统的转动惯量；

n——传动系统的转速；t——转动时间；

步骤3，发出停车命令时，电动机并不马上停止，而是将停车命令发给单片机，单片机根据当前转速计算得出自由停车后的角位移量，并根据当前位置，判定当磨机在何位置时关闭电动机使得磨机停止之后转到指定位置，从而实现磨机停车位置的准确控制。

2.如权利要求1所述的球磨机定位停车控制系统，其特征是，所述控制键盘包括启动按钮、停止按钮、进料口位置按钮、出料口位置按钮和检修位置按钮。

3.如权利要求1所述的球磨机定位停车控制系统，其特征是，所述球磨机0点位置检测装置包括设置在球磨机进料口正上方的0点位置感应点及其0点位置感应器；所述球磨机位置检测装置包括设置在球磨机圆周方向均匀分布的若干个圆周位置感应点，及其相配合的圆周位置感应器。

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