一卡通門禁系統(tǒng)在大柳塔煤礦的應(yīng)用

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、火藥庫等重要場所進出需要安排專人開鎖，這種方法不僅費時、費力，而且機械鎖容易被破壞，給礦上造成巨大的安全隱患。一旦非工作人員非法進入，對運行設(shè)備進行誤操作，將造成無法彌補的損失。工作人員申請進入礦用門，需要向有關(guān)部門申請審批，手續(xù)繁雜，降低勞動效率，而專人專崗，又增加了煤礦生產(chǎn)成本。在礦井自動化建設(shè)方面，現(xiàn)有礦用門自動化程度低，無法實現(xiàn)遠程控制，調(diào)度室無法監(jiān)控重要位置礦用門的工作狀態(tài)及人員出入情況。

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

1 國內(nèi)研究概況及發(fā)展趨勢

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

目前，部分煤炭企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了井上一卡通門禁系統(tǒng)應(yīng)用[1-2]，即以非接觸式 IC 感應(yīng)卡和軟件平臺為核心，專為煤礦定制的綜合管理平臺，以實現(xiàn)煤礦企業(yè)內(nèi)部常用燈房、出入井等場所的應(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、水泵房和火藥庫等重要場所，還未能實現(xiàn)井上這種數(shù)字化的管理方式，依然采用的是普通的機械鎖，存在需要專人值守、進入手續(xù)繁瑣、容易從外部破壞、不能實現(xiàn)井上監(jiān)控等一系列問題。因此，建設(shè)煤礦井下一卡通門禁系統(tǒng)已經(jīng)成為數(shù)字化礦山的發(fā)展趨勢。

通過一卡通門禁系統(tǒng)建設(shè)，在井上可以實現(xiàn)考勤、就餐、消費、停車場出入多系統(tǒng)管理，在井下可實現(xiàn)井下變電所、水泵房等重要場所刷卡開門，刷卡權(quán)限按礦井要求設(shè)定；實現(xiàn)調(diào)度室遠程開門，上位機實時監(jiān)測門狀態(tài)和刷卡信息，并可實時存儲和查詢，為煤礦自動化提供數(shù)據(jù)支持[3]。

具體建設(shè)目標如下：

(1)實現(xiàn)一卡通功能 以一張門禁卡實現(xiàn)礦上所有讀卡系統(tǒng)通用，實現(xiàn)多系統(tǒng)統(tǒng)一平臺管理。

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

(3)提高管理自動化水平，實現(xiàn)無人值守 一卡通門禁系統(tǒng)將采用刷卡或密碼的方式開啟控制門。門卡的權(quán)限可根據(jù)礦井的要求設(shè)定，持卡人只有在正確的時間、地點才能開啟被控門，從而簡化申請手續(xù)，使開門更加便捷。系統(tǒng)采用聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，調(diào)度室可遠程開啟被控門，監(jiān)控人員出入情況，實現(xiàn)礦用門現(xiàn)場無人化值守。

(4)為煤礦實現(xiàn)區(qū)域自動化提供數(shù)據(jù)支持 一卡通門禁系統(tǒng)可以采集、存儲刷卡信息、監(jiān)控信息、門狀態(tài)等實時數(shù)據(jù)，并通過井下環(huán)網(wǎng)上傳到井上調(diào)度室。門禁軟件可以存儲、分析、實時查詢和顯示這些數(shù)據(jù)，實現(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)融合。

2 門禁系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

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

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

2.2 系統(tǒng)通信

一卡通門禁通信如圖 2 所示，門禁控制分站分別為讀卡器、電磁鎖供電，并與讀卡器、按鈕開關(guān)和電磁鎖之間進行數(shù)據(jù)通信。門禁控制分站讀取讀卡器的刷卡信息并存儲，并控制礦用門開啟。電磁鎖為門禁控制分站提供門狀態(tài)信號，門禁控制分站通過門狀態(tài)信號判斷門的開、閉狀態(tài)。按鈕開關(guān)為門禁控制分站提供開關(guān)量信號。

圖2 門禁通信Fig.2 Access control communication

門禁控制分站與讀卡器采用韋根通信或者 485 通信。當讀卡器與門禁控制分站安裝距離＜100 m 時，采用韋根通信方式；當距離≥100 m 時，采用 485 通信。

門禁控制分站與環(huán)網(wǎng)交換機采用 TCP/IP 通信或者 485 通信。當門禁控制分站距離環(huán)網(wǎng)交換機＜100 m 時采用 TCP/IP 通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳；當通信距離≥100 m 時，末端通過 485 轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊轉(zhuǎn)成網(wǎng)線接入網(wǎng)絡(luò)交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

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

2.3 工作原理

門禁管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。工作人員在門外刷卡，讀卡器通過射頻識別門禁卡信息，通過韋根通信發(fā)送到門禁控制分站中，分站將韋根數(shù)據(jù)解析為門禁卡號，通過權(quán)限比對判斷刷卡人員是否有權(quán)進入[4]。若刷卡人員有權(quán)限進入，門禁控制分站控制電磁鎖開啟，工作人員可進入，門扇關(guān)閉后若干秒后，門禁控制分站控制電磁鎖吸合，鎖緊礦用門；若工作人員無權(quán)限，則刷卡無效，讀卡器報警，并發(fā)信息至監(jiān)測主機。

出門時按下出門按鈕，門禁控制器控制電磁鎖開啟，控制門打開，若干秒后，門禁控制分站控制電磁鎖吸合控制門閉開。

一卡通門禁系統(tǒng)可單機使用，不需要聯(lián)網(wǎng)就可以實現(xiàn)本地刷卡開門，實現(xiàn)本地控制，并可以記錄 24萬條刷卡記錄，當數(shù)據(jù)超出后，新數(shù)據(jù)將自動覆蓋舊數(shù)據(jù)。

門禁系統(tǒng)的上位機可下發(fā)控制命令控制分站開啟被控門，實現(xiàn)遠程控制。上位機也可以向門禁控制分站下發(fā)刷卡人授權(quán)信息，設(shè)置刷卡人權(quán)限。門禁控制分站可以將采集到的刷卡信息、門的開閉狀態(tài)和按鈕開關(guān)信息等數(shù)據(jù)傳到上位機，實現(xiàn)實時顯示和查詢，從而實現(xiàn)對井下門禁系統(tǒng)的實時監(jiān)控。多個控制分站通過聯(lián)網(wǎng)組成了整個礦山的門禁管理系統(tǒng)。

3 門禁系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)防爆

門禁系統(tǒng)所有產(chǎn)品均采用礦用本質(zhì)安全型防爆設(shè)計，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，每一次電壓變換間都有二級保護電路和穩(wěn)壓電路，保證電路在電源頻繁通斷或者電源正負極短路的情況下不會產(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 門禁管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of access control system

門禁控制分站采用 IP54 防護等級，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，一方面縮小了產(chǎn)品的體積，另一方面極大地提高了產(chǎn)品的防護等級。讀卡器外殼采用 ABS 工程塑料防靜電設(shè)計，在使用過程中不會產(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，門禁系統(tǒng)在設(shè)計時綜合考慮了各類元件對信號的損耗或衰減特性，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)計采用電磁屏蔽技術(shù)，能有效地抑制通過空間傳播的電磁干擾，一方面限制內(nèi)部輻射電磁能越過電路板，另一方面防止外來的輻射影響電路板信號。

考慮傳輸線所引發(fā)的電磁輻射 (EMI)干擾問題，門禁系統(tǒng)各產(chǎn)品電路板采用 PCB 設(shè)計，布線時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，同時降低內(nèi)層平行線的整體高頻對地阻抗；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，同時降低內(nèi)層 S 形布線的整體高頻對地阻抗。由于干擾信號本身的特性，接地時采用了單點接地、多點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)場應(yīng)用

4.1 礦用門改造

大柳塔礦原使用的是老式礦用門，其結(jié)構(gòu)為角鋼焊接。若在原有礦用門上進行門禁系統(tǒng)改造，一方面原有礦用門防火、防塵效果差，改造難度大；另一方面，門禁系統(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。

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

煤礦井下一卡通門禁系統(tǒng)采用新型礦用門設(shè)計，讀卡器和按鈕開關(guān)安裝在左側(cè)門扇上，如圖 4 所示。其布線全部在門扇內(nèi)部，讀卡器安裝在門的外側(cè)，按鈕開關(guān)安裝在門的內(nèi)側(cè)。在門外刷卡開門，在門內(nèi)按按鈕開門。

電磁鎖安裝如圖 5 所示。電磁鎖嵌在左側(cè)門扇上，銜鐵嵌在右側(cè)門扇，通電時產(chǎn)生的拉力達到 3.2 kN。

4.2 上位機軟件

圖4 新型礦用門Fig.4 New-type mine-used door

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

一卡通門禁系統(tǒng)上位機可以設(shè)置一卡通的持卡人信息和門禁控制權(quán)限，可以監(jiān)控刷卡信息，顯示門的開閉狀態(tài)，進行遠程開門。

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

上位機軟件監(jiān)控界面如圖 6 所示。門禁系統(tǒng)通過檢測門上電磁鎖內(nèi)的傳感器信號來判斷門的開、閉狀態(tài)，在監(jiān)控界面上以圖標的形式顯示。點擊左上角鎖的圖標，可以從上位機打開井下變電所的門。監(jiān)控信息欄可以監(jiān)控所有刷卡開鎖信息。

5 結(jié)語

一卡通門禁系統(tǒng)通過在神東集團大柳塔煤礦的實施和運用，完成了礦用門的改造升級。新型礦用門堅固、美觀，從外部難以破壞進入，保證了硐室安全。礦用門現(xiàn)場已實現(xiàn)無人值守，提高了工作效率；調(diào)度室可遠程實時查詢門狀態(tài)和刷卡信息，并為區(qū)域自動化提供數(shù)據(jù)支持，從而大幅提高整個礦區(qū)重要場所礦用門管理智能化水平。