張立群

1煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京 100013

2煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心 北京 100013

3北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心 北京 100013

目前，煤礦井下變電所、水泵房、火藥庫(kù)等重要場(chǎng)所進(jìn)出需要安排專人開(kāi)鎖，這種方法不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且機(jī)械鎖容易被破壞，給礦上造成巨大的安全隱患。一旦非工作人員非法進(jìn)入，對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行誤操作，將造成無(wú)法彌補(bǔ)的損失。工作人員申請(qǐng)進(jìn)入礦用門(mén)，需要向有關(guān)部門(mén)申請(qǐng)審批，手續(xù)繁雜，降低勞動(dòng)效率，而專人專崗，又增加了煤礦生產(chǎn)成本。在礦井自動(dòng)化建設(shè)方面，現(xiàn)有礦用門(mén)自動(dòng)化程度低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，調(diào)度室無(wú)法監(jiān)控重要位置礦用門(mén)的工作狀態(tài)及人員出入情況。

針對(duì)上述問(wèn)題，煤礦井下門(mén)禁系統(tǒng)將成為智慧礦山建設(shè)的一個(gè)重要內(nèi)容。煤礦井下一卡通門(mén)禁系統(tǒng)建設(shè)，將大幅提高整個(gè)礦區(qū)礦用門(mén)管理的綜合自動(dòng)化水平，其推廣應(yīng)用前景廣闊。

1 國(guó)內(nèi)研究概況及發(fā)展趨勢(shì)

隨著數(shù)字化礦山的建設(shè)，全國(guó)各煤炭企業(yè)都致力于提高煤礦的信息化和自動(dòng)化水平，提高煤礦工人的工作效率，以淘汰落后產(chǎn)能。但在礦用門(mén)的安全保障和信息化管理方面，一直無(wú)企業(yè)涉足，是一個(gè)亟待開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域。

目前，部分煤炭企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了井上一卡通門(mén)禁系統(tǒng)應(yīng)用[1-2]，即以非接觸式 IC 感應(yīng)卡和軟件平臺(tái)為核心，專為煤礦定制的綜合管理平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)煤礦企業(yè)內(nèi)部常用燈房、出入井等場(chǎng)所的應(yīng)用管理，改善煤礦燈房、出入井的作業(yè)流程并提高便利性。

但在煤礦井下變電所、水泵房和火藥庫(kù)等重要場(chǎng)所，還未能實(shí)現(xiàn)井上這種數(shù)字化的管理方式，依然采用的是普通的機(jī)械鎖，存在需要專人值守、進(jìn)入手續(xù)繁瑣、容易從外部破壞、不能實(shí)現(xiàn)井上監(jiān)控等一系列問(wèn)題。因此，建設(shè)煤礦井下一卡通門(mén)禁系統(tǒng)已經(jīng)成為數(shù)字化礦山的發(fā)展趨勢(shì)。

通過(guò)一卡通門(mén)禁系統(tǒng)建設(shè)，在井上可以實(shí)現(xiàn)考勤、就餐、消費(fèi)、停車場(chǎng)出入多系統(tǒng)管理，在井下可實(shí)現(xiàn)井下變電所、水泵房等重要場(chǎng)所刷卡開(kāi)門(mén)，刷卡權(quán)限按礦井要求設(shè)定；實(shí)現(xiàn)調(diào)度室遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)，上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)門(mén)狀態(tài)和刷卡信息，并可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和查詢，為煤礦自動(dòng)化提供數(shù)據(jù)支持[3]。

具體建設(shè)目標(biāo)如下：

(1)實(shí)現(xiàn)一卡通功能 以一張門(mén)禁卡實(shí)現(xiàn)礦上所有讀卡系統(tǒng)通用，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)統(tǒng)一平臺(tái)管理。

(2)保證礦用門(mén)使用安全 一卡通門(mén)禁系統(tǒng)將采用礦用門(mén)和控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，所有布線采用隱蔽設(shè)計(jì)，采用電磁鎖，鑲嵌在門(mén)扇上，從而保證礦用門(mén)從外部無(wú)法破壞，保證礦用門(mén)的使用安全。

(3)提高管理自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守 一卡通門(mén)禁系統(tǒng)將采用刷卡或密碼的方式開(kāi)啟控制門(mén)。門(mén)卡的權(quán)限可根據(jù)礦井的要求設(shè)定，持卡人只有在正確的時(shí)間、地點(diǎn)才能開(kāi)啟被控門(mén)，從而簡(jiǎn)化申請(qǐng)手續(xù)，使開(kāi)門(mén)更加便捷。系統(tǒng)采用聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，調(diào)度室可遠(yuǎn)程開(kāi)啟被控門(mén)，監(jiān)控人員出入情況，實(shí)現(xiàn)礦用門(mén)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人化值守。

(4)為煤礦實(shí)現(xiàn)區(qū)域自動(dòng)化提供數(shù)據(jù)支持 一卡通門(mén)禁系統(tǒng)可以采集、存儲(chǔ)刷卡信息、監(jiān)控信息、門(mén)狀態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過(guò)井下環(huán)網(wǎng)上傳到井上調(diào)度室。門(mén)禁軟件可以存儲(chǔ)、分析、實(shí)時(shí)查詢和顯示這些數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)融合。

2 門(mén)禁系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

一卡通門(mén)禁系統(tǒng)如圖 1 所示，主要由新型礦用門(mén)、門(mén)禁控制分站、讀卡器、澆封電源、電磁鎖、出門(mén)按鈕及上位機(jī)等組成。

圖1 門(mén)禁系統(tǒng)Fig.1 Access control system

2.2 系統(tǒng)通信

一卡通門(mén)禁通信如圖 2 所示，門(mén)禁控制分站分別為讀卡器、電磁鎖供電，并與讀卡器、按鈕開(kāi)關(guān)和電磁鎖之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。門(mén)禁控制分站讀取讀卡器的刷卡信息并存儲(chǔ)，并控制礦用門(mén)開(kāi)啟。電磁鎖為門(mén)禁控制分站提供門(mén)狀態(tài)信號(hào)，門(mén)禁控制分站通過(guò)門(mén)狀態(tài)信號(hào)判斷門(mén)的開(kāi)、閉狀態(tài)。按鈕開(kāi)關(guān)為門(mén)禁控制分站提供開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

圖2 門(mén)禁通信Fig.2 Access control communication

門(mén)禁控制分站與讀卡器采用韋根通信或者 485 通信。當(dāng)讀卡器與門(mén)禁控制分站安裝距離＜100 m 時(shí)，采用韋根通信方式；當(dāng)距離≥100 m 時(shí)，采用 485 通信。

門(mén)禁控制分站與環(huán)網(wǎng)交換機(jī)采用 TCP/IP 通信或者 485 通信。當(dāng)門(mén)禁控制分站距離環(huán)網(wǎng)交換機(jī)＜100 m 時(shí)采用 TCP/IP 通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳；當(dāng)通信距離≥100 m 時(shí)，末端通過(guò) 485 轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊轉(zhuǎn)成網(wǎng)線接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

針對(duì)煤礦井下的工作環(huán)境，以上通信電路均采用抗干擾設(shè)計(jì)，可有效降低煤礦井下環(huán)境對(duì)通信傳輸?shù)挠绊?，保證傳輸?shù)木嚯x。

2.3 工作原理

門(mén)禁管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。工作人員在門(mén)外刷卡，讀卡器通過(guò)射頻識(shí)別門(mén)禁卡信息，通過(guò)韋根通信發(fā)送到門(mén)禁控制分站中，分站將韋根數(shù)據(jù)解析為門(mén)禁卡號(hào)，通過(guò)權(quán)限比對(duì)判斷刷卡人員是否有權(quán)進(jìn)入[4]。若刷卡人員有權(quán)限進(jìn)入，門(mén)禁控制分站控制電磁鎖開(kāi)啟，工作人員可進(jìn)入，門(mén)扇關(guān)閉后若干秒后，門(mén)禁控制分站控制電磁鎖吸合，鎖緊礦用門(mén)；若工作人員無(wú)權(quán)限，則刷卡無(wú)效，讀卡器報(bào)警，并發(fā)信息至監(jiān)測(cè)主機(jī)。

出門(mén)時(shí)按下出門(mén)按鈕，門(mén)禁控制器控制電磁鎖開(kāi)啟，控制門(mén)打開(kāi)，若干秒后，門(mén)禁控制分站控制電磁鎖吸合控制門(mén)閉開(kāi)。

一卡通門(mén)禁系統(tǒng)可單機(jī)使用，不需要聯(lián)網(wǎng)就可以實(shí)現(xiàn)本地刷卡開(kāi)門(mén)，實(shí)現(xiàn)本地控制，并可以記錄 24萬(wàn)條刷卡記錄，當(dāng)數(shù)據(jù)超出后，新數(shù)據(jù)將自動(dòng)覆蓋舊數(shù)據(jù)。

門(mén)禁系統(tǒng)的上位機(jī)可下發(fā)控制命令控制分站開(kāi)啟被控門(mén)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。上位機(jī)也可以向門(mén)禁控制分站下發(fā)刷卡人授權(quán)信息，設(shè)置刷卡人權(quán)限。門(mén)禁控制分站可以將采集到的刷卡信息、門(mén)的開(kāi)閉狀態(tài)和按鈕開(kāi)關(guān)信息等數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和查詢，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井下門(mén)禁系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。多個(gè)控制分站通過(guò)聯(lián)網(wǎng)組成了整個(gè)礦山的門(mén)禁管理系統(tǒng)。

3 門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)防爆

門(mén)禁系統(tǒng)所有產(chǎn)品均采用礦用本質(zhì)安全型防爆設(shè)計(jì)，產(chǎn)品輕便小巧，易于安裝和調(diào)試。所有產(chǎn)品均采用本安電路設(shè)計(jì)，每一次電壓變換間都有二級(jí)保護(hù)電路和穩(wěn)壓電路，保證電路在電源頻繁通斷或者電源正負(fù)極短路的情況下不會(huì)產(chǎn)生電火花，保證產(chǎn)品安全，適合在有瓦斯的環(huán)境中使用。

圖3 門(mén)禁管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of access control system

門(mén)禁控制分站采用 IP54 防護(hù)等級(jí)，可以承受滴水和濺水，可在高溫、低溫和交變濕熱的環(huán)境中工作。澆封電源、電磁鎖和讀卡器均采用澆封兼本安防爆型設(shè)計(jì)，一方面縮小了產(chǎn)品的體積，另一方面極大地提高了產(chǎn)品的防護(hù)等級(jí)。讀卡器外殼采用 ABS 工程塑料防靜電設(shè)計(jì)，在使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生靜電，滿足了煤礦井下使用要求。

3.2 電磁兼容

煤礦井下變電所高壓設(shè)備、電子設(shè)備眾多，容易產(chǎn)生電磁干擾。因此，門(mén)禁系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮了各類元件對(duì)信號(hào)的損耗或衰減特性，電容、電感和磁珠的濾波特性及共模濾波器的濾波特性。電路設(shè)計(jì)采用電磁屏蔽技術(shù)，能有效地抑制通過(guò)空間傳播的電磁干擾，一方面限制內(nèi)部輻射電磁能越過(guò)電路板，另一方面防止外來(lái)的輻射影響電路板信號(hào)。

考慮傳輸線所引發(fā)的電磁輻射 (EMI)干擾問(wèn)題，門(mén)禁系統(tǒng)各產(chǎn)品電路板采用 PCB 設(shè)計(jì)，布線時(shí)將線與線間的耦合輻射效應(yīng)降到最小。將高速 (＞150 kHz)數(shù)位平行線埋入內(nèi)層，利用大面積的屏蔽將輻射能量擋在內(nèi)層，同時(shí)降低內(nèi)層平行線的整體高頻對(duì)地阻抗；將 S 形布線埋入內(nèi)層，利用大面積的屏蔽將輻射能量阻擋在內(nèi)層，同時(shí)降低內(nèi)層 S 形布線的整體高頻對(duì)地阻抗。由于干擾信號(hào)本身的特性，接地時(shí)采用了單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合式接地的方式，有效降低了設(shè)備的電磁波輻射。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 礦用門(mén)改造

大柳塔礦原使用的是老式礦用門(mén)，其結(jié)構(gòu)為角鋼焊接。若在原有礦用門(mén)上進(jìn)行門(mén)禁系統(tǒng)改造，一方面原有礦用門(mén)防火、防塵效果差，改造難度大；另一方面，門(mén)禁系統(tǒng)布線裸露在墻壁外側(cè)，容易被破壞，難以保證系統(tǒng)安全。

新型礦用門(mén)采用焊接鋼管結(jié)構(gòu)，小門(mén)扇與大門(mén)扇之間充填有石棉密封條，可以耐高溫。

煤礦井下一卡通門(mén)禁系統(tǒng)采用新型礦用門(mén)設(shè)計(jì)，讀卡器和按鈕開(kāi)關(guān)安裝在左側(cè)門(mén)扇上，如圖 4 所示。其布線全部在門(mén)扇內(nèi)部，讀卡器安裝在門(mén)的外側(cè)，按鈕開(kāi)關(guān)安裝在門(mén)的內(nèi)側(cè)。在門(mén)外刷卡開(kāi)門(mén)，在門(mén)內(nèi)按按鈕開(kāi)門(mén)。

電磁鎖安裝如圖 5 所示。電磁鎖嵌在左側(cè)門(mén)扇上，銜鐵嵌在右側(cè)門(mén)扇，通電時(shí)產(chǎn)生的拉力達(dá)到 3.2 kN。

4.2 上位機(jī)軟件

圖4 新型礦用門(mén)Fig.4 New-type mine-used door

圖5 電磁鎖安裝Fig.5 Installation of electromagnetic lock

一卡通門(mén)禁系統(tǒng)上位機(jī)可以設(shè)置一卡通的持卡人信息和門(mén)禁控制權(quán)限，可以監(jiān)控刷卡信息，顯示門(mén)的開(kāi)閉狀態(tài)，進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)。

圖6 軟件監(jiān)控Fig.6 Software monitoring

上位機(jī)軟件監(jiān)控界面如圖 6 所示。門(mén)禁系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)門(mén)上電磁鎖內(nèi)的傳感器信號(hào)來(lái)判斷門(mén)的開(kāi)、閉狀態(tài)，在監(jiān)控界面上以圖標(biāo)的形式顯示。點(diǎn)擊左上角鎖的圖標(biāo)，可以從上位機(jī)打開(kāi)井下變電所的門(mén)。監(jiān)控信息欄可以監(jiān)控所有刷卡開(kāi)鎖信息。

5 結(jié)語(yǔ)

一卡通門(mén)禁系統(tǒng)通過(guò)在神東集團(tuán)大柳塔煤礦的實(shí)施和運(yùn)用，完成了礦用門(mén)的改造升級(jí)。新型礦用門(mén)堅(jiān)固、美觀，從外部難以破壞進(jìn)入，保證了硐室安全。礦用門(mén)現(xiàn)場(chǎng)已實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，提高了工作效率；調(diào)度室可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查詢門(mén)狀態(tài)和刷卡信息，并為區(qū)域自動(dòng)化提供數(shù)據(jù)支持，從而大幅提高整個(gè)礦區(qū)重要場(chǎng)所礦用門(mén)管理智能化水平。