自动化水位控制器在矿井排水系统中的应用研究

2022-01-25王彬发

机械管理开发 2021年11期

王彬发，王博

（陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西咸阳 713500）

引言

煤矿排水系统是保障矿工安全和有序生产的重要设施[1]，水位控制器作为供排水设备的核心，对确保排水稳定可靠、提高矿井自动化管理水平具有重要作用[2]。小庄矿由于采掘排水点分散、出水量变化复杂，人工操作排水存在较大安全隐患，亟需配备自动化排水设备。为实现采掘点自动化排水，提高系统可靠性，以小庄矿排水系统为工程背景，对采掘点自动化排水设备应用展开研究。

1 工程背景

小庄矿位于陕西省彬长矿区，水文地质条件复杂，矿井出水量为1 300 m3/h。目前该矿井已经建成中央泵房、盘区泵房、白家宫排水泵房三个永久排水泵房，副井底强排和二盘区强排两个永久强排设施，永久排水设施已全部实现远程自动化排水。矿井出水主要通过分散在各采掘工作面的临时、半永久排水设施接力排水至永久泵房。矿井现阶段采掘排水点包括40204水仓排水点、40309泄水巷排水点和各掘进工作面排水点。

目前，各采掘排水点均为人工现场操作。部分工作面出水量变化较大，排水数据无法及时上传，发生水患事故概率较高；各排水点较分散，均需专人看守；空间狭小、作业环境较差。

综上可知，为保障矿井排水系统安全稳定、减少排水点工作人员，亟需提高采掘排水点自动化水平。水位控制器可通过机械或电子方式控制水仓水位，是目前矿井排水系统提高自动化水平的首选[3-4]。

2 水位控制器选型

2.1 水位控制器选型依据

水位控制器作为供排水控制系统的关键节点，为实现自动化控制，尽可能减少排水工作人员，选型水位控制器不仅要实现潜水泵和离心泵的启停顺序控制，还应当对设备具有全面的保护功能，通过断相保护确保设备的安全可靠运行，同时必须具备水位信息数据采集、存储和实时上传等功能。

2.2 水位控制器功能特点

水位控制器选用KXJ-2×200/1140（660）S双回路水泵水位控制器，该水泵水位控制器可以应用于爆炸性气体的煤矿井下，也可用于远距离控制相应频率和电压等级的矿用隔爆型电动机起动、停止并，可在停止时进行换向之。

KXJ-2×200/1140（660）S双回路水泵水位控制器实现了矿用水泵控制的一用一备，可以实现控制矿用潜水泵、多级离心泵控制的互相切换，如图1所示。该控制器集成了电磁启动器与PLC控制两个主要功能于一体，具有体积小、可控性强、自身监测、远程传输等功能，能够很好地适应于采掘排水点的水泵控制。

图1 KXJ-2系列矿用隔爆兼本质安全型双回路水泵水位控制器

该水泵水位控制器以西门子系列PLC作为主控制器，克服了传统启动器不能控制的缺陷，通过主控器，控制开关分合闸，同时兼顾各类传感器，确保排水稳定可靠。具备以下主要功能：电流、电压检测，高、低水位故障声光报警，中文液晶显示；配备RS-485接口、RJ45以太网通讯接口，通过以太环网对设备对接，实现地面调度控制中心的远程监控功能；设备稳定、抗干扰能力强，可适应井下环境；水泵设备及排水系统工作状态参数可以实时反馈至主控室，为技术人员提供操作信息；就地控制模式下，工作人员可通过控制器按钮直接操作；自动控制模式下：通过水位传感器监测，可实现水泵的自动控制和无人职守；单台监控功能，控制器能够在通信损坏状态下进行控制操作；远程程序修改功能，可定制特殊的水泵工作流程以满足特殊情况下供排水控制。

2.3 水位控制器工作原理

KXJ系列矿用隔爆兼本质安全型水泵水位控制器主体由交流真空接触器、隔离开关、控制按钮、控制变压器、QBS保护器、熔断器及阻容器等元件组成。具体电气原理见图2。

图2 KXJ系列水泵水位控制器电气原理图

如图2所示，控制器主要操作及原理为：控制器起动前，隔离换向开关DH打到正或反转时控制器有电，QBZ-63S电子保护器触点A10，B9闭合；控制器起动，按下起动按钮QA，则中间继电器ZJ吸合，控制电压经全波整流后使真空接触器CJ吸合，并利用CJ1常开触点实现自锁，同时断开漏电检测回路；控制器停止，按下停止按钮TA，则中间继电器ZJ失电，常开触头断开，真空接触器KM线圈失电使主触头脱开分断主线路。在起动运行过程中，当线路发生短路、过载、断相等故障时，保护器触头动作，使吸合线圈释放而起保护作用。控制器漏电检测，保护器通过常闭触点对负载进行漏电检测，当主回路对地绝缘电阻低于规定值时，保护器实行漏电闭锁，起动器无法起动；水位自动控制，9号、8号和13号线分别与外接水位探头连接（9号接地，8号接低水位，13号接高水位），当达到高水位时，内部继电器KB吸合，CJ得电吸合，当降到低水位以下时，真空接触器CJ失电，负载断开，或可通过就地停止铵钮TA1停止。

3 水位控制器控制排水过程

水位控制器通过高、低位检测探头实时监测水仓水位，将水位信号转换为电信号控制水泵开停，根据监测水位深度和预设液位限值的关系，水位控制器发出相应指令，如表1所示。

表1 水位控制器控制排水设定

表1中各预设限值均在0~5 m范围内可调节。根据小庄矿排水点需求，主回路控制1号水泵启停，副回路控制2号水泵启停。当控制器主、副回路均可正常工作时，水位控制器依照表1设定程序控制水泵。当监测水位已达到超高限水位状态下，主回路工作，1号水泵启动，但若主回路出现故障，则主回路自动停止工作，控制1号水泵停车，切换至副回路工作，2号水泵启动，当水位下降到低限水位以下后，副回路停止工作，2号水泵停车。

4 应用效果分析

现已将KXJ-2×200/1140（660）S矿用隔爆兼本质安全型双回路水泵水位控制器应用于小庄矿井40205回风顺槽1 650 m处排水点，共安装2台水位控制器，控制4台水泵的运行。工作人员可就地操作水位控制器，也可通过地面集控中心对排水点进行远距离监控，实现了电流及水位监测、远程开泵停泵和远程编辑水泵启动流程等功能。通过自动化水位控制器实现了无人值守、有人巡检排水，矿井排水自动化水平得到有效提高，减少了水害事故隐患，确保了采掘排水点的排水安全。