西门子PLC模块6ES7510-1DJ01-0AB0技术参数
查找国内外关于斜井提升机调速电控系统的有关资料发现，煤矿提升机的驱动电动机一般采用三相绕线式异步电动机，其调速方法是在电动机转子回路中接入金属电阻，用主令控制器逐段切除电阻来达到加减速和调速的目的。采用转子串电阻调速的电控系统，这种系统的制动方式为能耗制动，制动所产生的能量全部消耗在电阻上。电动机转子串电阻调速系统的调速属有级调速，开环控制，调速范围小，调速精度低，爬行速度不易控制，尤其是重物下放时，需要动力制动与转子串电阻及制动闸配合操作，司机不易控制，安全性能差。在减速时和下放重物时，投入动力制动，不仅消耗外加直流电能，而且还将电动机上的再生电能消耗在转子串接的电阻上，浪费了大量的电能，且运行维护量大，维护费用高。还有一种控制方式是变频控制，但于660V或380V低压等级系统。
目前国内外通用变频技术，四象限变频技术，PLC绞车电控技术已很成熟，应用已非常广泛。但6000V绞车变频电控系统未见报道和应用。
据调查了解，国内外至今没有适用于我国煤矿井下提升机的6000V绞车变频电控系统。将6000V四象限变频技术、PLC绞车电控技术在井下斜井提升机上进行综合应用并满足《煤矿安全规程》的要求，使设备达到各项保护完善的目的是事在必行的，也是矿井斜井提升机安全、高效提升的有效途径。
1 技术关键
（1）数字本安电路实现斜井防爆提升机的双线制运行。
（2）将创造单元串联多重化技术的国产高压变频器应用于矿山提升机的记录。
（3）变频调速实现斜井提升能耗制动转为发电反馈制动。
（4）采用矢量控制技术，实现低速大转矩，起动力矩大的目的。
（5）充分发挥PLC的数字化、网络化及计算功能，使提升机具有更完善的软硬件保护功能，各主要保护实现双线制。
（6）满足提升机频繁起停要求。
（7）满足井下的湿度要求。
2 项目实施情况
（1）现有技术及基础条件
峰峰集团九龙矿是年设计能力120万吨的矿井,目前开采一水平煤层,正在为二水平开采做开拓延伸工程。
高压变频器在风机、泵类应用已经比较成熟,PLC技术和低压变频器在提升机的应用也日趋成熟。
（2）现场设备情况
峰峰集团九龙矿井下南二绞车环境恶劣，电控系统改造时，正值夏日，井下雾气大，车房潮湿度极高；同时受我矿矸石电厂影响，电压波动范围高达5700V-6800V，南二坡巷道破坏严重，6KV提升绞车四象限高压变频电控系统能否适应如此恶劣的环境，经受住工业性试验的考验，是三方攻关人员面临的挑战。经过三方共同的努力，解决了实验中出现的问题，使绞车的各项运行指标达到了设计要求，绞车达到了改造的目标。
·南二车运行参数及环境条件
型号JK-2K
主电机功率240KW
额定电压:三相AC6KV
大速度4m/s
斜坡长度930m
该绞车承担九龙矿井下南二地区物料、人员、设备的运输任务，负荷在15吨范围内无规律变化，南二轨道坡有7个片口，绞车启动停止频繁。
（3）6KV绞车变频调速电控系统
6KV绞车变频调速电控系统主要有变频器、操作台和传感器。现分述如下：
①新风光电子公司JD-BP37型高压提升变频调速器
JD-BP37型高压提升变频调速器采用新型IGBT为主控器件，全数字化，彩色液晶触摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标，采用**的矢量控制变频调速技术完成提升机的四象限运行，用于鼠笼式电机或绕线式转子串电阻电机控制，即可用于新矿井安装，也可用于老矿井改造。风光高压提升变频器，采用若干个低压逆变器功率单元串联的方式实现直接高压输出，所用的6kv高压提升变频器，变压器有18组付边绕组，每相分为6个功率单元，三相共18个单元，采用36脉冲整流，输入端的谐波成分远低于国标规定。高压提升变频器系统结构图如下图1示.。功率单元电路结构2示。
图1高压提升变频器系统结构图
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图2功率单元电路结构
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高压提升变频器是整个电控系统的一个核心部分，它具有与电控系统相适配的各种接口。它接受电控系统的操作命令，包括开停机、正反转、抱闸信号及速度命令，按照操作命令进行，同时它又将运行状态，包括工作频率、电机电流、电源电压、电流及故障信息随时送给电控系统。变频器本身又将工作信号及工作状态自动记录以备查阅。变频器的所有输入、输出接口均进行了隔离，也避免对变频器引入干扰。
手持操作器根据操作员对按钮及摇杆的不同操作，通过IO口及AD转换进行采集，采集后的信息进行数字编码后形成指令，以ASCII码的形式通过串口发送到无线数传模块，无线数传模块再将指令以无线方式发出;机械手上的控制系统的数传模块接收到发送来的指令编码后通过串口总线传送至PLC，PLC对指令编码进行解码，分解出不同的操作指令，然后进行逻辑运算，根据不同的指令得到不同的需要执行的动作，再通过数字输出和模拟输出控制相应的继电器或阀动作，从而实现对机械手各关节的远程无线操作。通过信号电缆连接到PLC的按钮操作输入及摇杆操作输入保留在机械手本体上，作为备份或检修使用。同时，在PLC数字输入口和手持操作器上均设置遥控操作切换按钮，可以进入或退出遥控操作模式。PLC上的按钮操作应具有更高的优先级。
由于摇杆操作采集的对象为摇杆的比例位置状态，它采用的是自动对中的设计的。因此在控制系统软件结构上，采用循环发送指令的方式。即进入无线控制状态后，手持操作器就定时地将采集到的状态发送出来，而不管此时有没有操作人员的操作输入。
图2遥控型机械手控制系统功能框图
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2.通信模式选择
无线数传模块一般具备三种接口模式：TTL电平UART接口，可直接与单片机或其它芯片的串口管脚相连;标准的RS-232接口;标准的RS-485接口。其中232接口模式与485接口模式通过跳线进行切换。西门子的S7-200系列PLC具备一个或两个RS-485标准的接口，因此可以采用后两种方式，将PLC直接与无线数传模块的485接口相连;或者利用与PLC相配的PC/PPI电缆将PLC的485接口转换为232接口后，再与无线数传模块的232接口相连。
针对多关节工业机械手的比例和开关控制，以PLC作为其控制器，通过无线数传模块进行数据传输，实现远程无线遥控操作。手持操作器采用16位单片机，对检测到的按钮和摇杆操作进行数据编码后通过无线的方式发送至PLC，PLC对其解码后获得指令实现对机械手各关节运动的控制。该方案成本低，具有良好的通用性和可扩展性。
关键词：无线遥控;无线数传模块;PLC;机械手
0.前言
可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是一种适用性强的工业用控制器，广泛应用于各类工业生产线，移动机械设备的控制等环境较恶劣的工业场合。其工作性能稳定，可扩展性强，应用简便。根据不同的模块配置，可以进行逻辑及算数运算，对数字开关量、模拟量等进行控制和采集，同时具有丰富的总线接口形式，可以利用公开的协议与不同设备构成复杂的系统。在我们所研制的工业机械手中，各关节由比例阀或开关阀构成开环液压控制回路，实现比例调速或开关动作，因此我们选用了西门子的S7-200系列PLC作为其控制器。[1>[2>
在一些环境复杂的应用场合，尤其是对于移动机械设备，控制系统的布线受到诸多限制，操作人员与控制系统的位置安排不方便。因此，具有高度灵活性的无线遥控操作系统的应用得到了推广。目前工业上应用的无线遥控操作系统一般采用无线电数字传输方式。一些芯片厂商如Infineon、Micrel、RFMonolithics、Melexis、CML、ATMEL等也都推出了各种适应于不同场合和要求的RF芯片[3>。
无线数传模块是一种集成式的专用于无线数据收发的模块，可直接通过数据总线与其它控制、采集等模块连接完成无线数据收发功能，广泛应用于工业遥控、遥测，无线抄表，自动化数据采集等场合。具有可靠性高，功耗低，协议透明使用方便等优点。传输距离可以达到几十至上百米，有些甚至可以到上千米的距离。目前很多厂商推出了工业化、系列化的产品，可以根据不同的使用场合和要求选择合适的产品。
目前一些厂家推出了专用的基于嵌入式处理器的工业用无线遥控器，其性能优异，集成度高。如HBC、JAY等，应用于混凝土泵车、装载机等场合。但由于其一般针对专用工程设备，不具有较好的通用性及可扩展性，且主要是国外厂家，价格高昂，其应用推广受到限制。
在我们研制的多关节工业机械手中，采用PLC作为其主控制器，完成对液压泵站和各关节液压阀的开关及比例控制，实现机械手的基本功能。采用无线数传模块通过无线通信方式收发数字信号，实现远程无线遥控功能，所设计的手持遥控器的输入开关量及模拟量由16位单片机采集并编码输出。
1.总体方案
该机械手用于巷道内进行混凝土喷浆作业，有自动和手动操作两种模式。自动模式下，PLC控制机械手各关节按程序预定的轨迹运动，调整机械手末端的方位与角度，使喷浆喷头按设定轨迹运动，且始终垂直于受喷的巷道面，完成巷道表面的喷浆作业。手动模式下，由操作员分别采用按钮和比例摇杆对开关阀和比例阀进行控制，驱动各关节运动，控制混凝土喷头的方位及角度。其中按钮控制泵站的启停及开关阀的方向切换，比例摇杆则根据操作人员的控制，形成一个±10V范围内的模拟量，比例阀根据模拟量的大小及方向，控制关节运动速度的大小及方向。其控制系统功能框图如图1所示。
图1机械手控制系统功能框图
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在布线方便的情况下，按钮操作及摇杆操作的开关及比例信号可通过电缆直接输入到PLC的数字量及模拟量输入模块。这种方式结构简单、成本低、可靠性高，控制系统的硬件设计及软件编程极为简化。但在实际工业现场中，布线受到诸多限制，尤其是对于移动型设备，采用有线控制方式人员操作不够方便灵活。由于我们研制的机械手需要在轨道上长距离运动，且操作距离较远，因此必须采用无线遥控操作的方式。为此我们采用无线数传模块作为通信模块，并设计了基于16位单片机的手持式操作器，改进后的遥控型机械手控制系统总体功能框图如图2所示。无线数传模块成对使用，在手持操作器端和机械手本体上的控制系统端各有一块，分别完成数据的无线发送及接收功能。在控制系统需要的时候，也可以双向收发，即同一端的数传模块在数据接收和数据发送功能中切换。此时需要注意，数传模块的发送与接收功能的切换需要一定的时间。