自動化水位控制器在礦井排水系統中的應用研究

王彬發，王 博

（陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 咸陽 713500）

引言

煤礦排水系統是保障礦工安全和有序生產的重要設施[1]，水位控制器作為供排水設備的核心，對確保排水穩定可靠、提高礦井自動化管理水平具有重要作用[2]。小莊礦由于采掘排水點分散、出水量變化復雜，人工操作排水存在較大安全隱患，亟需配備自動化排水設備。為實現采掘點自動化排水，提高系統可靠性，以小莊礦排水系統為工程背景，對采掘點自動化排水設備應用展開研究。

1 工程背景

小莊礦位于陜西省彬長礦區，水文地質條件復雜，礦井出水量為1 300 m3/h。目前該礦井已經建成中央泵房、盤區泵房、白家宮排水泵房三個永久排水泵房，副井底強排和二盤區強排兩個永久強排設施，永久排水設施已全部實現遠程自動化排水。礦井出水主要通過分散在各采掘工作面的臨時、半永久排水設施接力排水至永久泵房。礦井現階段采掘排水點包括40204水倉排水點、40309泄水巷排水點和各掘進工作面排水點。

目前，各采掘排水點均為人工現場操作。部分工作面出水量變化較大，排水數據無法及時上傳，發生水患事故概率較高；各排水點較分散，均需專人看守；空間狹小、作業環境較差。

綜上可知，為保障礦井排水系統安全穩定、減少排水點工作人員，亟需提高采掘排水點自動化水平。水位控制器可通過機械或電子方式控制水倉水位，是目前礦井排水系統提高自動化水平的首選[3-4]。

2 水位控制器選型

2.1 水位控制器選型依據

水位控制器作為供排水控制系統的關鍵節點，為實現自動化控制，盡可能減少排水工作人員，選型水位控制器不僅要實現潛水泵和離心泵的啟停順序控制，還應當對設備具有全面的保護功能，通過斷相保護確保設備的安全可靠運行，同時必須具備水位信息數據采集、存儲和實時上傳等功能。

2.2 水位控制器功能特點

水位控制器選用KXJ-2×200/1140（660）S雙回路水泵水位控制器，該水泵水位控制器可以應用于爆炸性氣體的煤礦井下，也可用于遠距離控制相應頻率和電壓等級的礦用隔爆型電動機起動、停止并，可在停止時進行換向之。

KXJ-2×200/1140（660）S雙回路水泵水位控制器實現了礦用水泵控制的一用一備，可以實現控制礦用潛水泵、多級離心泵控制的互相切換，如圖1所示。該控制器集成了電磁啟動器與PLC控制兩個主要功能于一體，具有體積小、可控性強、自身監測、遠程傳輸等功能，能夠很好地適應于采掘排水點的水泵控制。

圖1 KXJ-2系列礦用隔爆兼本質安全型雙回路水泵水位控制器

該水泵水位控制器以西門子系列PLC作為主控制器，克服了傳統啟動器不能控制的缺陷，通過主控器，控制開關分合閘，同時兼顧各類傳感器，確保排水穩定可靠。具備以下主要功能：電流、電壓檢測，高、低水位故障聲光報警，中文液晶顯示；配備RS-485接口、RJ45以太網通訊接口，通過以太環網對設備對接，實現地面調度控制中心的遠程監控功能；設備穩定、抗干擾能力強，可適應井下環境；水泵設備及排水系統工作狀態參數可以實時反饋至主控室，為技術人員提供操作信息；就地控制模式下，工作人員可通過控制器按鈕直接操作；自動控制模式下：通過水位傳感器監測，可實現水泵的自動控制和無人職守；單臺監控功能，控制器能夠在通信損壞狀態下進行控制操作；遠程程序修改功能，可定制特殊的水泵工作流程以滿足特殊情況下供排水控制。

2.3 水位控制器工作原理

KXJ系列礦用隔爆兼本質安全型水泵水位控制器主體由交流真空接觸器、隔離開關、控制按鈕、控制變壓器、QBS保護器、熔斷器及阻容器等元件組成。具體電氣原理見圖2。

圖2 KXJ系列水泵水位控制器電氣原理圖

如圖2所示，控制器主要操作及原理為：控制器起動前，隔離換向開關DH打到正或反轉時控制器有電，QBZ-63S電子保護器觸點A10，B9閉合；控制器起動，按下起動按鈕QA，則中間繼電器ZJ吸合，控制電壓經全波整流后使真空接觸器CJ吸合，并利用CJ1常開觸點實現自鎖，同時斷開漏電檢測回路；控制器停止，按下停止按鈕TA，則中間繼電器ZJ失電，常開觸頭斷開，真空接觸器KM線圈失電使主觸頭脫開分斷主線路。在起動運行過程中，當線路發生短路、過載、斷相等故障時，保護器觸頭動作，使吸合線圈釋放而起保護作用。控制器漏電檢測，保護器通過常閉觸點對負載進行漏電檢測，當主回路對地絕緣電阻低于規定值時，保護器實行漏電閉鎖，起動器無法起動；水位自動控制，9號、8號和13號線分別與外接水位探頭連接（9號接地，8號接低水位，13號接高水位），當達到高水位時，內部繼電器KB吸合，CJ得電吸合，當降到低水位以下時，真空接觸器CJ失電，負載斷開，或可通過就地停止銨鈕TA1停止。

3 水位控制器控制排水過程

水位控制器通過高、低位檢測探頭實時監測水倉水位，將水位信號轉換為電信號控制水泵開停，根據監測水位深度和預設液位限值的關系，水位控制器發出相應指令，如表1所示。

表1 水位控制器控制排水設定

表1中各預設限值均在0~5 m范圍內可調節。根據小莊礦排水點需求，主回路控制1號水泵啟停，副回路控制2號水泵啟停。當控制器主、副回路均可正常工作時，水位控制器依照表1設定程序控制水泵。當監測水位已達到超高限水位狀態下，主回路工作，1號水泵啟動，但若主回路出現故障，則主回路自動停止工作，控制1號水泵停車，切換至副回路工作，2號水泵啟動，當水位下降到低限水位以下后，副回路停止工作，2號水泵停車。

4 應用效果分析

現已將KXJ-2×200/1140（660）S礦用隔爆兼本質安全型雙回路水泵水位控制器應用于小莊礦井40205回風順槽1 650 m處排水點，共安裝2臺水位控制器，控制4臺水泵的運行。工作人員可就地操作水位控制器，也可通過地面集控中心對排水點進行遠距離監控，實現了電流及水位監測、遠程開泵停泵和遠程編輯水泵啟動流程等功能。通過自動化水位控制器實現了無人值守、有人巡檢排水，礦井排水自動化水平得到有效提高，減少了水害事故隱患，確保了采掘排水點的排水安全。

5 結論

1）配備自動化水位控制器可以有效解決小莊礦采掘排水點水患事故危險系數高的問題。

2）根據井下排水條件，確定采掘排水點選用KXJ-2×200/1140（660）S礦用隔爆兼本質安全型雙回路水泵水位控制器。

3）配備水位控制器后，可以滿足排水點實時監測及自動化控制需求，確保采掘排水點排水安全。