一種礦用水倉智能安全管控系統的研發及應用

栗俊珉，陳 博

1山西三元福達煤業有限公司 山西長治 046300

2太原科技大學 山西太原 030024

隨著煤炭需求量的增長，煤炭企業加速推進信息化、智能化建設。礦井水倉作為煤礦排水系統的重要設施，用來沉淀泥沙延長水泵使用壽命和正常排水，因此保證水倉的有效容水量意義重大。

水倉通常安裝機械門鎖，機械門鎖存在開啟費時、緊急情況下來不及找鑰匙、工作時瓦斯監測不及時、風機響應慢瓦斯超限以及作業人員中毒傷亡等問題。

智能門禁技術成熟，廣泛應用于樓宇與辦公室等場合，目前只有少數煤炭企業采用智能水倉門禁。智能水倉門禁通過紅外行人檢測實現刷卡開門，遠程開門，語音通信，同時檢測瓦斯濃度，及時通風，保證人員安全。

1 智能水倉門禁的結構設計及功能實現

1.1 智能水倉門禁

智能門禁由 LED 屏、通信、電源、無線監控、射頻讀卡器、控制器以及電磁鎖組成，上位機通過工業以太網、交換機與控制器進行數據通信，控制器對射頻讀卡器、電磁鎖進行信息傳遞與控制，實現地面調度室遠程控制電磁鎖，從而啟閉智能水倉門禁并顯示其狀態，設置通信設備以及視頻監控[1-2]。

1.1.1 礦用智能門禁系統的工作原理

當瓦斯濃度正常時，風機處于停止狀態，人員刷卡時風機啟動運行 2 min，智能門禁打開。電磁鎖關閉后風機延時 2 min 停止，人體熱釋探頭探測硐室內有人員活動，則發送控制信號啟動風機并讓智能門禁保持開啟狀態。

當瓦斯濃度超標時，聲光報警裝置工作提醒人員離開硐室，風機自動啟動運行。當紅外檢測裝置檢測到硐室無人時，智能門禁關閉，禁止人員入內，此時刷卡無效。瓦斯濃度正常才能刷卡進入，智能門禁打開后風機運行。

智能門禁系統還具有遠程對講控制與事件記錄功能。井下作業人員可與地面監控室進行通信，信息確認發出指令遠程開啟智能門禁，同時記錄此次操作信息。遠程開啟智能門禁后風機自動啟動執行上述相同步驟。智能門禁系統工作流程如圖 1 所示。

圖1 智能門禁系統工作流程

1.1.2 智能門禁的數據傳輸

智能門禁由通信系統和遠程控制系統兩部分組成，通信系統是基于 TCP/IP 協議進行數據傳輸，實現控制器與地面調度室的數據交互實現網絡控制；智能門禁系統依靠射頻識別技術 (Radio Frequency Identification，RFID)，讀卡器讀取射頻卡信息，識別權限決定是否打開電磁鎖[3]。

交換機與工業以太網負責傳感器與控制器之間的信息傳遞與交換、遠程控制?？刂破魍ㄟ^傳感器的數字信號進行擴頻調制、傳輸，控制電磁鎖，并顯示其工作狀態。視頻監控通過 DVR 由以太網直接與上位機互通。設備聯網至以太網網絡拓撲結構，通信設備直接就近接入網絡交換機端口實現聯網，其工作流程和系統如圖 2 所示。

圖2 智能門禁系統

1.2 智能監測

為實現水倉內有人員作業時風機可靠連續工作，采用紅外探測對人體熱量紅外光進行收集成像，進行預處理和局部雙閾值圖像分割處理，利用一維 Haarlike 特征作為頭部次級篩選，采用 HOG 作為行人復雜特征的描述算子，判斷行人與識別[4]。

紅外成像探測器下置俯仰角可調安裝底座，便于監測區域調節，內部設計有溫度保護電路，傳感鏡頭前安裝有紅外窗口，紅外窗口的前方設計有除塵雨刷和風扇，保證采集圖像的質量和系統的正常運行。

1.3 智能門禁系統的防通風中斷和智能控制

作業人員在水倉區域作業時，保證正常通風，設計中心處理器對各子模塊的控制，采用四路繼電器控制子模塊的通斷樞紐，輸入 12 V 直流電壓，內置過流和反接保護，控制電流不超過 10 A、功率 2 000 W電路。

2 應用效果

本項目以三元福達煤業有限公司的水倉安全管理為研究背景，采用智能控制設計與現場試驗相結合的方法，提出了一種水倉智能安全管控系統，具有操作簡單、反應靈敏、較高的可靠性，并取得了良好的應用效果。

(1) 系統刷卡風機啟動 2 min 打開門鎖保證了硐室內部含氧量。

(2) 自動開啟智能門禁前采集瓦斯傳感器狀態信號，判斷是否可以打開智能門禁，避免工作人員在瓦斯超限的工況下進入水倉。

(3) 正常情況由刷卡來控制風機的啟停，能夠避免非持卡工作人員誤停風機的情況。

(4) 熱釋傳感器保證硐室內部有人活動不會停止風機和門禁閉鎖，當智能門禁關閉，操作人員需要等待 2 min 后確認硐室內部沒有人員時，刷卡后才能停止風機。

(5) 未刷卡使用智能門禁時風機立即啟動，智能門禁關閉 2 min 后，風機停止。

(6) 智能門禁系統還具有遠程對講控制與事件記錄、就地端與地面視頻對講功能，確認準許進入后，可由地面控制中心遠程開啟智能門禁。

(7) 智能門禁系統配備有 LED 顯示屏，便于判斷當前系統正常狀態和“瓦斯超限禁止進入”的故障工況。

3 結語

基于智慧礦山的發展理念，就礦業水倉作業安全問題提出一種礦用水倉智能安全管控系統，整體包括門禁與通風兩個方面，實現二者的智能聯動，充分保障了作業人員的環境安全，在便捷了作業人員出入方式的同時，又避免了其他人員誤入的問題。該智能管理系統自動化程度高，在節省人員、預防和避免水倉安全事故上具有一定的借鑒和推廣意義。