文献标识码：B文章编号：1003-0492（2025）12-098-04中图分类号：TP277

★朱惠正（湖南省涟邵机械制造有限公司，湖南娄底417000）

★侯黎超，黄良沛（湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭411201）

★匡梅坤（湖南省涟邵机械制造有限公司，湖南娄底417000）

关键词：凿井绞车；吊盘控制；KingSCADA；工业以太网；智能监控

随着自动化与计算机技术的发展，以及国家对矿山安全生产的重视和智能化建设要求的提高，建设数字矿山与智能矿山，推进矿山企业技术升级改造与智能化开采已成为行业共识^[1~3]。立井施工吊盘稳车系统中吊盘依靠多根缆索悬挂，在提升下放过程中容易受到横向振动。特别是在自由悬挂过程中，吊盘和吊桶之间的耦合振动会进一步加剧，严重影响人员与物资的输送^[4~5]。同时传统的继电器控制或人工操作存在同步性差、响应滞后等问题，容易导致吊盘倾斜、载荷不均甚至断绳事故^[6~8]。当前国内外对传统吊盘绞车协调控制与互联网云平台都有较多的研究与发展，如盘继松等^[9]基于LabVIEW开发了三维测控系统，结合模糊控制算法达到了吊盘位姿监测与调平的目的；邵杏国^[10]建立了吊盘逆向运动学模型，设计了基于位姿和张力反馈的控制器，通过调节稳车电机速度实现了快速调平与张力均衡；王峰等人^[11]采用SIMATIC Win CC组态软件，构建了矿井提升机智能化远程监控系统，实现了矿井开采过程中的智能运行、远程监控与故障诊断；李龙等^[12]为增加矿井运输过程中的安全性，通过AI辅助判别与多种传感器相结合开发出一种辅助监控系统。针对传统凿井绞车吊盘稳车系统依赖人工经验调平且存在响应滞后、运行成本高、可靠性差等问题，本文融合了PLC控制技术与工业以太网应用技术，对JZ-16/800型凿井绞车控制系统进行改造升级，并基于KingSCADA软件研发设计了凿井绞车稳车群智能监控系统，可方便实现吊盘稳车系统智能化运行、远程监控与故障诊断。

1　凿井绞车稳车控制系统组成

凿井绞车是多种矿产开发时竖井施工中的重要悬吊设施。在竖井开采中通常需要多台绞车悬吊吊盘和液压钢模，还需配置若干台凿井绞车用来悬吊井筒内施工所必须的压风管、动力电缆、风筒、供水管、排水管及安全梯等设备。这些凿井绞车在施工过程中需要相互配合协同作业，形成稳车群集中控制系统。

1.1　凿井绞车

凿井绞车通常由主轴装置、中间轴装置、制动器以及电气控制系统等组成，如图1所示为该凿井绞车外形图。其中主轴装置包括主轴、轴承、轴承座、齿轮、制动轮和卷筒等部件。卷筒与齿轮、制动轮通过紧配钢套和螺栓连接，确保传动系统的稳定性。中间轴装置则通过浮动联轴器与涡轮减速器连接，既能增加结构强度，又能传递扭矩。

1.2　变频调速同步控制

吊盘在起吊过程中易因绞车不一致、悬吊绳长度偏差、吊盘质心偏离等因素发生各类事故，并导致悬吊绳张力分布不均，威胁施工安全^[13～15]。因此，控制需同时解决姿态调平和张力均衡，其核心在于通过多台绞车的协同工作，保证吊盘在起吊时的姿态调平、悬吊绳张力分布均匀和运行稳定性。因此，可采用PLC技术通过编程控制绞车电机速度，消除运行差异，实现多台绞车的电气联动，确保各稳车同步运行。对于吊盘的实时修正，可采用闭环反馈控制，通过吊盘倾角作为反馈信号，调节绞车转速实时修正偏差。

图1 JZ-16/800型凿井绞车外形图

1.3　主控单元

主控单元采用双PLC控制方式，能够通过外部冗余切换模块进行切换运行。凿井绞车一般采用工作制动器和安全制动器相结合的设计：工作制动器采用电力液压式制动器，通电即松闸，断电即制动；安全制动器则采用重锤下落进行制动，确保设备在非工作状态下安全停驻。电气控制系统则是为实现对绞车的精确控制和安全保护，包括操作台、变频器柜等。凿井绞车通过电机将动力经减速器传递到中间轴，再驱动卷筒，实现悬吊绳的缠绕或松开，从而控制升降。主控系统还需具备以下功能：（1）同时控制多台绞车，根据吊盘位置、倾斜角等，自动调整绞车速度，使吊盘稳定运行。（2）通过编码器反馈绞车工况数据，采用PID算法及时调整变频器输出频率，确保绞车的稳定运行。（3）根据具体的作业需求对变频器做出调整，实现绞车的无极调速。

2　凿井稳车集控系统硬件设计

2.1　PLC选型及I/O端口地址

本系统控制核心采用三菱FX3U系列PLC。三菱FX3U系列PLC采用第三代高性能CPU，内置64K程序存储器，可存储大量数据，最多可连接8台特殊功能单元/模块，最多可同时使用3个通信口，支持多种网络协议。其采用GX Works2进行编程。GX Works2是三菱公司研发的PLC编程软件，适配多种语言，内置仿真模块，并能够适配高速脉冲输出。其中控制柜PLC采用双PLC负责调控与检测，两PLC相互冗余与保护。当PLC配置完成后，根据吊盘、钢模、压风管、风筒、供水管、排水管及安全梯等实际设备控制需要，在PLC中共分配I/O接口146个。I0.0～I10.3为操作台PLC输入地址，I11.0～I12.0与I21.0～I22.0分别为两控制柜PLC输入地址，1Q0.0～1Q3.2与Q20.0～Q23.2为两控制柜PLC输出地址。

2.2　凿井稳车监控系统通信设计

凿井稳车监控系统主要由服务器、客户端、PLC、终端设备（PC、移动设备）等组成，服务器、客户端、PLC之间都使用基于TCP/IP协议的工业以太网通讯。服务器IP地址为192.168.110.5，客户端IP地址为192.168.110.6，将PLC的MAC地址和计算机IP地址设在同一网段，完成后下载到PLC，再重新设置TCP/IP协议。

由于原来凿井绞车集中监控系统采用串口通讯，本文选用BCNet-FX三菱FX系列PLC以太网通讯处理器进行网络改造升级。BCNet-FX是一款为满足日益增多的工厂设备信息化需求而设计的以太网通讯处理器，适配于三菱FX3U系列的数据采集。BCNetFX模块支持三菱的以太网协议，可直接通过不同软件（KingSCADA、IFIX、INTOUCH等）访问三菱FX系列PLC的内部数据区。安装好串口/以太网转化器，升级亚控驱动，在I/Oserver进行设备地址设置：192.168.110.15:5551:1，点击编译运行，启动数据采集即可获得PLC运行数据。

3　凿井绞车吊盘控制系统软件设计

3.1　PLC程序设计

在立井施工过程中，往往要求多台模板、吊盘凿井绞车同时或分别频繁启动、停止。集控系统误操作或旋钮不到位，往往导致施工中模板、吊盘凿井绞车起落升降误动作。模板、吊盘凿井绞车的不同步运行，会给井下面施工人员带来重大安全隐患，甚至造成重大安全事故。

对于吊盘凿井绞车，要控制其启停需要先控制吊盘变频器的接触器开闭，再选择正反转运行从而控制绞车的升降运动。我们为此编写了吊盘的油泵控制、升降移动控制程序等运动控制程序，如图2所示。

图2 吊盘运行控制程序

该程序包含了单个绞车的升降控制和总体绞车的升降控制。当出现紧急情况，可通过控制开关，对单台绞车进行控制。同时我们设计了单台绞车的甩保护和安全回路功能，每个功能通过相应继电器的逻辑运算对机械进行精密控制。

3.2　凿井稳车监控系统上位机设计

上位机采用KingSCADA组态软件。该软件通过内部完备的驱动库和数据处理工具，能实现以组态画面实时显示运行过程中的各种参数与报表、报警及历史信息，最大程度帮助用户管理智能监控系统。为保证上下位机的通讯、数据采集和实时控制，在I/Oserver数据库中设置与PLC存储器一一对应的端口地址。上位机采集下位机中来自现场的数据，经过处理后再将控制命令传给下位机。上位机能够控制稳车系统的各种设备升降启停，对整个系统实时进行监控。

稳车监控系统主界面如图3所示，主要包括三大模块，即运行工况数据显示模块、指示灯报警模块、界面切换按钮模块。

图3 稳车监控系统主界面

数据显示模块主要显示钢模天轮承受重量、吊盘深度、吊盘速度、钢模深度、钢模速度以及各子系统的运行电流。报警四个按钮，可以通过指示灯报警模块包括各子系统的三段式过流速断保护、盘闸检测故障、油泵启停及上下状态、甩保护。三段式过流速断保护包括瞬时电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护；盘闸检测故障包括闸瓦磨损故障、油压过低，当故障产生时指示灯为红色，正常状态下为绿色；油泵启停及上下状态指示灯包括油泵的启停、各子系统的上、下状态；对每个子系统的甩保护指示灯，当子系统运行电流正常时为蓝色，当出现短路电流过大时指示灯变为红色。

界面切换模块主要包含实时曲线、历史数据、返回登录、故障报警四个按钮，通过点击不同的按钮进行界面切换。点击稳车集控系统监控主界面的实时曲线按钮可以进入稳车集控实时曲线界面，如图4所示，界面包含1～3#称重重量、1～4#吊盘电流、5～8#吊盘电流、1～4#钢模电流、4～6#称重重量、通风排水电流、风水安全梯电流、放炮动力电缆电流的实时曲线。历史数据、故障报警等其他画面可以相互切换。

图4 稳车集控实时曲线界面

4　结束语

通过实际运行检验，该凿井绞车吊盘控制系统能及时监测立井施工吊盘的运行特性和状况，并能改善其在不同复杂环境下的设备运行平稳性，保护了人员及物料运输的安全性。该监控系统功能完善，操作方便，响应快速，控制效果稳定，数据传输实时可靠，调试与维护方便，能够实现网络发布与远程监控。本文开发的凿井绞车稳车智能监控系统不仅能够有效促进矿产资源开发，而且为传统凿井绞车的改造升级提供了参考，具有较强的推广应用价值。

作者简介：

朱惠正（1967-），男，湖南娄底人，高级工程师，学士，现就职于湖南省涟邵机械制造有限公司，主要从事矿山机电设备设施的设计制造维修、技术升级改造及管理工作。

参考文献：

[1] 李伟. 矿井提升机控制系统设计[D]. 太原: 太原理工大学, 2010.

 [2] Wang L, Cao G, Wang N, et al. Dynamic Behavior Analysis of a High - Rise Traction System with Tensioned Pulley Acting on Compensating Rope[J]. Symmetry, 2020, 12 (1) : 129 - 155.

 [3] 刘建锋. 煤矿井下绞车的控制系统研究及应用[J]. 机械管理开发, 2023, 38 (12) : 212 - 213 + 218.

[4] 王进杰. 施工立井提升系统动态特性研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2016.

[5] 黄亚立, 王清. 多绳摩擦提升系统动力学分析[J]. 现代商贸工业, 2014, 26 (09) : 197 - 198.

[6] 李蔷薇. 远程监控技术在矿井绞车监控系统中的应用研究[J]. 机械工程与自动化, 2024, (03) : 190 - 191 + 194.

[7] 李铁军, 孙会贞. 本溪思山岭铁矿1500m深立井凿井绞车集中控制技术[J]. 建井技术, 2018, 39 (06) : 44 - 47 + 29.

[8] 高鑫. PLC技术在凿井绞车群控制系统中的应用研究[J]. 自动化应用, 2020, (06) : 121 - 122.

[9] 盘继松, 曹国华, 王彦栋, 等. 基于LabVIEW的立井吊盘位姿三维测控系统设计[J]. 煤炭科学技术, 2014, 42 (S1) : 200 - 202.

[10] 邵杏国. 吊盘稳车机构非光滑动力学行为及调平控制策略研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2012.

[11] 王峰, 张旭隆, 王中华, 等. 矿井提升机智能化远程监控系统设计与应用[J]. 煤矿机械, 2023, 44 (01) : 208 - 212.

[12] 李龙, 程亮. 矿用提升机辅助智能监控系统的研发[J]. 山西焦煤科技, 2023, 47 (09) : 35 - 38.

[13] 牛小山. 煤矿井下无极绳绞车动态监控系统研究与应用[J]. 机械管理开发, 2019, 34 (07) : 230 - 232.

[14] Cong T, Xiwen W, Peng P, et al. Optimization Design and Simulation of Frequency Conversion and Speed Control Integrated Machine[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2022, 2396 (1) : 14 - 22.

 [15] 姜根慧. 矿用提升机的节能变频调速控制技术相关研究[J]. 能源与节能, 2022, (08): 69 - 71.

摘自《自动化博览》2025年12月刊