牙轮钻供电安全远程监控系统开发及应用

李梅芬 黄 波

(云南华联锌铟股份有限公司)

牙轮钻在露天采矿场运行，温湿度比较大，雨季时电缆卷筒内的湿度达到90%以上，造成电缆卷筒内的滑环和碳刷充满水珠；夏天时矿山的温度高，电缆卷筒密闭不通风，造成碳刷和滑环等接触位置温度较高，经常造成高压系统短路跳闸，不但影响了正常生产，还存在较大的人员和设备安全隐患，因此，考虑通过对电缆卷筒内的温湿度进行实时监测，在电缆卷筒内安装的加热器和风机来保障电缆卷筒内的温湿度达到设备安全运行的要求，当加热器和风机无法保障电缆卷筒内的温湿度要求，温湿度达到极限跳闸值后，通过2台GPRS模块之间的实时通讯，跳停移动变电站的高压开关，停止牙轮钻供电，确保人员及设备的安全。

1 设备情况

某矿山为露天开采，拥有各类大型铲装设备、运输设备、挖掘设备、钻孔设备110多台，其中，钻孔设备采用南昌凯马有限公司生产的KY-250DY型牙轮钻机。

牙轮钻机是在旋转钻机基础上发展起来的一种新型钻孔设备，采用三牙轮钻头作为破岩刀具，旋转、冲击式破碎岩石。机体通过钻杆给钻头施加足够大的轴压力和回转扭矩，牙轮钻头在岩石上边推进边回转，使牙轮在孔底滚动中连续地切削、冲击破碎岩石，被破碎的岩渣由通过钻杆中心孔和钻头喷嘴到达孔底的压缩空气将其不断地吹至孔外，从而形成炮孔，牙轮钻的动力采用10 kV高压电源供电，通过10 kV移动电缆送至牙轮钻的滑环上，经高压开关柜、钻机自带变压器降压后，输出380 V、220 V 工作及控制电源。

2 供电安全远程控制系统

供电安全远程控制系统由电缆卷筒控制部分、移动变电站控制部分、远程监控部分组成，见图1。通讯网络部分是由Modbus、MPI、GPRS网络构成。电缆卷筒控制部分是整个系统的核心，通过温湿度传感器对卷筒内的温湿度进行实时采集后，传送到PLC系统，经过程序编写控制加热器和散热风机运行，同时将数据传送到GPRS模块供上位机监控。移动变电站控制部分采用2块GPRS模块实时数据交换后，达到设定值触发南瑞综保，跳停移动变电站高压开关。远程监控部分采用西门子WINCC上位机和移动手机对电缆卷筒和移动变电站的数据和运行状态进行实时监控。

2.1 电缆卷筒部分

电缆卷筒控制部分由S7-200 PLC控制柜组成，安放在牙轮钻配电室内。硬件结构由温湿度传感器(LT-CG-S10-010-M20221-12)、加热器、散热风机、S7-200PLC(6ES7 214-2BD23-OXB8)、巨控GPRS模块(GRM504-N2YW)构成，对电缆卷筒进行控制。

温湿度传感器安装在电缆卷筒内，采用四线制连接方式，红色和黑色连接24 V直流电源，蓝色和黄色连接到S7-200PLC的通讯接口上，作为Modbus Rtu从站实时将卷筒内的温度和湿度值传送到S7-200PLC内，S7-200PLC作为MODBUS RTU主站[1]通过图2的PLC程序编写，实时读取从站温湿度传感器内的温湿度值，经过程序编写后与预设定温湿度值进行比较，当达到预设定湿度上限值时触发Q0.0控制加热器运行，达到预设定湿度下限值时断开Q0.0停止加热器运行，当达到预设定温度上限值时触发Q0.1控制散热风机运行，达到预设定温度下限值时断开Q0.1停止散热风机运行。当温湿度达到极限值时，加热器和散热风机在短时间内都无法确保电缆卷筒的供电安全，将触发Q0.2输出跳停移动变电站的供电回路。为了能够在远程实时监控卷筒内的温湿度值，并且能够根据环境的变化方便地调整温湿度的预设定值，选择巨控GPRS模块编程后(图3)，采用西门子MPI协议，将PLC内的数据读到GPRS模块内存储，以便提供上位机设备访问。

图1 供电安全远程控制系统构架

图2 PLC梯形图

图3 GPRS编程界面

2.2 移动变电站部分

移动变电站通过高压断路器的闭合，输出10 kV 高压电源为牙轮钻提供动力。该部分的控制功能主要是通过温湿度的极限值连锁跳停高压断路器，停止为牙轮钻提供动力电源，确保设备和人员的安全，控制系统由巨控GPRS模块(GRM203G-4D4I4Q)和南瑞综保(RCS-9621CS)站用变保护测控装置、高压断路器构成，安装在变电站控制柜内。

本站GPRS模块通过与电缆卷筒控制站的GPRS模块进行数据交换(图4)，读取S7-200PLC内Q0.2的状态，当Q0.2被触发输出后，本站GPRS模块接收信号，触发本模块自带的输出继电器，控制南瑞综保测控装置，跳停移动变电站高压断路器，停止为牙轮钻提供动力电源，达到保护人身和设备安全的目的。

图4 GPRS模块间通讯状态

2.3 远程监控部分

远程监控部分采用西门子WINCC上位机组态软件及OPC协议[2]，通过互联网与2块GPRS模块进行数据通讯，读写模块内的数据，从而设定温湿度的控制值和极限跳闸值，并读取电缆卷筒内的实时温湿度值，也可以通过手机APP软件访问和设定GPRS模块内的数据。

3 结 语

牙轮钻供电安全远程监控系统有机地结合了传感器技术、自动化技术、通讯技术等，实现了整个控制系统数据共享，程序可扩展性比较强，监控方式灵活方便，可以直接在WINCC中修改程序，也可以通过手机界面进行修改，从而控制电缆卷筒。在没有使用本系统之前，每年会发生3～4起因电缆卷筒温湿度过大造成的短路跳闸，不仅损坏设备，还造成整个供电线路跳停，矿山停产经济损失较大；本系统研发应用1 a多来，再也没有发生过类似跳闸故障，有效地确保了牙轮钻供电安全，提高了设备生产效率，降低了操作和维护人员的劳动强度，创造直接和间接经济价值达到100多万元。