文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2025）12-098-04中圖分類號：TP277

★朱惠正（湖南省漣邵機械制造有限公司，湖南婁底417000）

★侯黎超，黃良沛（湖南科技大學機電工程學院，湖南湘潭411201）

★匡梅坤（湖南省漣邵機械制造有限公司，湖南婁底417000）

關鍵詞：鑿井絞車；吊盤控制；KingSCADA；工業以太網；智能監控

隨著自動化與計算機技術的發展，以及國家對礦山安全生產的重視和智能化建設要求的提高，建設數字礦山與智能礦山，推進礦山企業技術升級改造與智能化開采已成為行業共識^[1~3]。立井施工吊盤穩車系統中吊盤依靠多根纜索懸掛，在提升下放過程中容易受到橫向振動。特別是在自由懸掛過程中，吊盤和吊桶之間的耦合振動會進一步加劇，嚴重影響人員與物資的輸送^[4~5]。同時傳統的繼電器控制或人工操作存在同步性差、響應滯后等問題，容易導致吊盤傾斜、載荷不均甚至斷繩事故^[6~8]。當前國內外對傳統吊盤絞車協調控制與互聯網云平臺都有較多的研究與發展，如盤繼松等^[9]基于LabVIEW開發了三維測控系統，結合模糊控制算法達到了吊盤位姿監測與調平的目的；邵杏國^[10]建立了吊盤逆向運動學模型，設計了基于位姿和張力反饋的控制器，通過調節穩車電機速度實現了快速調平與張力均衡；王峰等人^[11]采用SIMATIC Win CC組態軟件，構建了礦井提升機智能化遠程監控系統，實現了礦井開采過程中的智能運行、遠程監控與故障診斷；李龍等^[12]為增加礦井運輸過程中的安全性，通過AI輔助判別與多種傳感器相結合開發出一種輔助監控系統。針對傳統鑿井絞車吊盤穩車系統依賴人工經驗調平且存在響應滯后、運行成本高、可靠性差等問題，本文融合了PLC控制技術與工業以太網應用技術，對JZ-16/800型鑿井絞車控制系統進行改造升級，并基于KingSCADA軟件研發設計了鑿井絞車穩車群智能監控系統，可方便實現吊盤穩車系統智能化運行、遠程監控與故障診斷。

1　鑿井絞車穩車控制系統組成

鑿井絞車是多種礦產開發時豎井施工中的重要懸吊設施。在豎井開采中通常需要多臺絞車懸吊吊盤和液壓鋼模，還需配置若干臺鑿井絞車用來懸吊井筒內施工所必須的壓風管、動力電纜、風筒、供水管、排水管及安全梯等設備。這些鑿井絞車在施工過程中需要相互配合協同作業，形成穩車群集中控制系統。

1.1　鑿井絞車

鑿井絞車通常由主軸裝置、中間軸裝置、制動器以及電氣控制系統等組成，如圖1所示為該鑿井絞車外形圖。其中主軸裝置包括主軸、軸承、軸承座、齒輪、制動輪和卷筒等部件。卷筒與齒輪、制動輪通過緊配鋼套和螺栓連接，確保傳動系統的穩定性。中間軸裝置則通過浮動聯軸器與渦輪減速器連接，既能增加結構強度，又能傳遞扭矩。

1.2　變頻調速同步控制

吊盤在起吊過程中易因絞車不一致、懸吊繩長度偏差、吊盤質心偏離等因素發生各類事故，并導致懸吊繩張力分布不均，威脅施工安全^[13～15]。因此，控制需同時解決姿態調平和張力均衡，其核心在于通過多臺絞車的協同工作，保證吊盤在起吊時的姿態調平、懸吊繩張力分布均勻和運行穩定性。因此，可采用PLC技術通過編程控制絞車電機速度，消除運行差異，實現多臺絞車的電氣聯動，確保各穩車同步運行。對于吊盤的實時修正，可采用閉環反饋控制，通過吊盤傾角作為反饋信號，調節絞車轉速實時修正偏差。

圖1 JZ-16/800型鑿井絞車外形圖

1.3　主控單元

主控單元采用雙PLC控制方式，能夠通過外部冗余切換模塊進行切換運行。鑿井絞車一般采用工作制動器和安全制動器相結合的設計：工作制動器采用電力液壓式制動器，通電即松閘，斷電即制動；安全制動器則采用重錘下落進行制動，確保設備在非工作狀態下安全停駐。電氣控制系統則是為實現對絞車的精確控制和安全保護，包括操作臺、變頻器柜等。鑿井絞車通過電機將動力經減速器傳遞到中間軸，再驅動卷筒，實現懸吊繩的纏繞或松開，從而控制升降。主控系統還需具備以下功能：（1）同時控制多臺絞車，根據吊盤位置、傾斜角等，自動調整絞車速度，使吊盤穩定運行。（2）通過編碼器反饋絞車工況數據，采用PID算法及時調整變頻器輸出頻率，確保絞車的穩定運行。（3）根據具體的作業需求對變頻器做出調整，實現絞車的無極調速。

2　鑿井穩車集控系統硬件設計

2.1　PLC選型及I/O端口地址

本系統控制核心采用三菱FX3U系列PLC。三菱FX3U系列PLC采用第三代高性能CPU，內置64K程序存儲器，可存儲大量數據，最多可連接8臺特殊功能單元/模塊，最多可同時使用3個通信口，支持多種網絡協議。其采用GX Works2進行編程。GX Works2是三菱公司研發的PLC編程軟件，適配多種語言，內置仿真模塊，并能夠適配高速脈沖輸出。其中控制柜PLC采用雙PLC負責調控與檢測，兩PLC相互冗余與保護。當PLC配置完成后，根據吊盤、鋼模、壓風管、風筒、供水管、排水管及安全梯等實際設備控制需要，在PLC中共分配I/O接口146個。I0.0～I10.3為操作臺PLC輸入地址，I11.0～I12.0與I21.0～I22.0分別為兩控制柜PLC輸入地址，1Q0.0～1Q3.2與Q20.0～Q23.2為兩控制柜PLC輸出地址。

2.2　鑿井穩車監控系統通信設計

鑿井穩車監控系統主要由服務器、客戶端、PLC、終端設備（PC、移動設備）等組成，服務器、客戶端、PLC之間都使用基于TCP/IP協議的工業以太網通訊。服務器IP地址為192.168.110.5，客戶端IP地址為192.168.110.6，將PLC的MAC地址和計算機IP地址設在同一網段，完成后下載到PLC，再重新設置TCP/IP協議。

由于原來鑿井絞車集中監控系統采用串口通訊，本文選用BCNet-FX三菱FX系列PLC以太網通訊處理器進行網絡改造升級。BCNet-FX是一款為滿足日益增多的工廠設備信息化需求而設計的以太網通訊處理器，適配于三菱FX3U系列的數據采集。BCNetFX模塊支持三菱的以太網協議，可直接通過不同軟件（KingSCADA、IFIX、INTOUCH等）訪問三菱FX系列PLC的內部數據區。安裝好串口/以太網轉化器，升級亞控驅動，在I/Oserver進行設備地址設置：192.168.110.15:5551:1，點擊編譯運行，啟動數據采集即可獲得PLC運行數據。

3　鑿井絞車吊盤控制系統軟件設計

3.1　PLC程序設計

在立井施工過程中，往往要求多臺模板、吊盤鑿井絞車同時或分別頻繁啟動、停止。集控系統誤操作或旋鈕不到位，往往導致施工中模板、吊盤鑿井絞車起落升降誤動作。模板、吊盤鑿井絞車的不同步運行，會給井下面施工人員帶來重大安全隱患，甚至造成重大安全事故。

對于吊盤鑿井絞車，要控制其啟停需要先控制吊盤變頻器的接觸器開閉，再選擇正反轉運行從而控制絞車的升降運動。我們為此編寫了吊盤的油泵控制、升降移動控制程序等運動控制程序，如圖2所示。

圖2 吊盤運行控制程序

該程序包含了單個絞車的升降控制和總體絞車的升降控制。當出現緊急情況，可通過控制開關，對單臺絞車進行控制。同時我們設計了單臺絞車的甩保護和安全回路功能，每個功能通過相應繼電器的邏輯運算對機械進行精密控制。

3.2　鑿井穩車監控系統上位機設計

上位機采用KingSCADA組態軟件。該軟件通過內部完備的驅動庫和數據處理工具，能實現以組態畫面實時顯示運行過程中的各種參數與報表、報警及歷史信息，最大程度幫助用戶管理智能監控系統。為保證上下位機的通訊、數據采集和實時控制，在I/Oserver數據庫中設置與PLC存儲器一一對應的端口地址。上位機采集下位機中來自現場的數據，經過處理后再將控制命令傳給下位機。上位機能夠控制穩車系統的各種設備升降啟停，對整個系統實時進行監控。

穩車監控系統主界面如圖3所示，主要包括三大模塊，即運行工況數據顯示模塊、指示燈報警模塊、界面切換按鈕模塊。

圖3 穩車監控系統主界面

數據顯示模塊主要顯示鋼模天輪承受重量、吊盤深度、吊盤速度、鋼模深度、鋼模速度以及各子系統的運行電流。報警四個按鈕，可以通過指示燈報警模塊包括各子系統的三段式過流速斷保護、盤閘檢測故障、油泵啟停及上下狀態、甩保護。三段式過流速斷保護包括瞬時電流速斷保護、限時電流速斷保護和過電流保護；盤閘檢測故障包括閘瓦磨損故障、油壓過低，當故障產生時指示燈為紅色，正常狀態下為綠色；油泵啟停及上下狀態指示燈包括油泵的啟停、各子系統的上、下狀態；對每個子系統的甩保護指示燈，當子系統運行電流正常時為藍色，當出現短路電流過大時指示燈變為紅色。

界面切換模塊主要包含實時曲線、歷史數據、返回登錄、故障報警四個按鈕，通過點擊不同的按鈕進行界面切換。點擊穩車集控系統監控主界面的實時曲線按鈕可以進入穩車集控實時曲線界面，如圖4所示，界面包含1～3#稱重重量、1～4#吊盤電流、5～8#吊盤電流、1～4#鋼模電流、4～6#稱重重量、通風排水電流、風水安全梯電流、放炮動力電纜電流的實時曲線。歷史數據、故障報警等其他畫面可以相互切換。

圖4 穩車集控實時曲線界面

4　結束語

通過實際運行檢驗，該鑿井絞車吊盤控制系統能及時監測立井施工吊盤的運行特性和狀況，并能改善其在不同復雜環境下的設備運行平穩性，保護了人員及物料運輸的安全性。該監控系統功能完善，操作方便，響應快速，控制效果穩定，數據傳輸實時可靠，調試與維護方便，能夠實現網絡發布與遠程監控。本文開發的鑿井絞車穩車智能監控系統不僅能夠有效促進礦產資源開發，而且為傳統鑿井絞車的改造升級提供了參考，具有較強的推廣應用價值。

作者簡介：

朱惠正（1967-），男，湖南婁底人，高級工程師，學士，現就職于湖南省漣邵機械制造有限公司，主要從事礦山機電設備設施的設計制造維修、技術升級改造及管理工作。

參考文獻：

[1] 李偉. 礦井提升機控制系統設計[D]. 太原: 太原理工大學, 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] 劉建鋒. 煤礦井下絞車的控制系統研究及應用[J]. 機械管理開發, 2023, 38 (12) : 212 - 213 + 218.

[4] 王進杰. 施工立井提升系統動態特性研究[D]. 徐州: 中國礦業大學, 2016.

[5] 黃亞立, 王清. 多繩摩擦提升系統動力學分析[J]. 現代商貿工業, 2014, 26 (09) : 197 - 198.

[6] 李薔薇. 遠程監控技術在礦井絞車監控系統中的應用研究[J]. 機械工程與自動化, 2024, (03) : 190 - 191 + 194.

[7] 李鐵軍, 孫會貞. 本溪思山嶺鐵礦1500m深立井鑿井絞車集中控制技術[J]. 建井技術, 2018, 39 (06) : 44 - 47 + 29.

[8] 高鑫. PLC技術在鑿井絞車群控制系統中的應用研究[J]. 自動化應用, 2020, (06) : 121 - 122.

[9] 盤繼松, 曹國華, 王彥棟, 等. 基于LabVIEW的立井吊盤位姿三維測控系統設計[J]. 煤炭科學技術, 2014, 42 (S1) : 200 - 202.

[10] 邵杏國. 吊盤穩車機構非光滑動力學行為及調平控制策略研究[D]. 徐州: 中國礦業大學, 2012.

[11] 王峰, 張旭隆, 王中華, 等. 礦井提升機智能化遠程監控系統設計與應用[J]. 煤礦機械, 2023, 44 (01) : 208 - 212.

[12] 李龍, 程亮. 礦用提升機輔助智能監控系統的研發[J]. 山西焦煤科技, 2023, 47 (09) : 35 - 38.

[13] 牛小山. 煤礦井下無極繩絞車動態監控系統研究與應用[J]. 機械管理開發, 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. 礦用提升機的節能變頻調速控制技術相關研究[J]. 能源與節能, 2022, (08): 69 - 71.

摘自《自動化博覽》2025年12月刊