一種礦用水倉智能安全管控系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

栗俊珉，陳 博

1山西三元福達(dá)煤業(yè)有限公司 山西長(zhǎng)治 046300

2太原科技大學(xué) 山西太原 030024

隨著煤炭需求量的增長(zhǎng)，煤炭企業(yè)加速推進(jìn)信息化、智能化建設(shè)。礦井水倉作為煤礦排水系統(tǒng)的重要設(shè)施，用來沉淀泥沙延長(zhǎng)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(jī)械門鎖，機(jī)械門鎖存在開啟費(fèi)時(shí)、緊急情況下來不及找鑰匙、工作時(shí)瓦斯監(jiān)測(cè)不及時(shí)、風(fēng)機(jī)響應(yīng)慢瓦斯超限以及作業(yè)人員中毒傷亡等問題。

智能門禁技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用于樓宇與辦公室等場(chǎng)合，目前只有少數(shù)煤炭企業(yè)采用智能水倉門禁。智能水倉門禁通過紅外行人檢測(cè)實(shí)現(xiàn)刷卡開門，遠(yuǎn)程開門，語音通信，同時(shí)檢測(cè)瓦斯?jié)舛?，及時(shí)通風(fēng)，保證人員安全。

1 智能水倉門禁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

1.1 智能水倉門禁

智能門禁由 LED 屏、通信、電源、無線監(jiān)控、射頻讀卡器、控制器以及電磁鎖組成，上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)、交換機(jī)與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，控制器對(duì)射頻讀卡器、電磁鎖進(jìn)行信息傳遞與控制，實(shí)現(xiàn)地面調(diào)度室遠(yuǎn)程控制電磁鎖，從而啟閉智能水倉門禁并顯示其狀態(tài)，設(shè)置通信設(shè)備以及視頻監(jiān)控[1-2]。

1.1.1 礦用智能門禁系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)瓦斯?jié)舛日r(shí)，風(fēng)機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，人員刷卡時(shí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行 2 min，智能門禁打開。電磁鎖關(guān)閉后風(fēng)機(jī)延時(shí) 2 min 停止，人體熱釋探頭探測(cè)硐室內(nèi)有人員活動(dòng)，則發(fā)送控制信號(hào)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)并讓智能門禁保持開啟狀態(tài)。

當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)，聲光報(bào)警裝置工作提醒人員離開硐室，風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)紅外檢測(cè)裝置檢測(cè)到硐室無人時(shí)，智能門禁關(guān)閉，禁止人員入內(nèi)，此時(shí)刷卡無效。瓦斯?jié)舛日２拍芩⒖ㄟM(jìn)入，智能門禁打開后風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

智能門禁系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程對(duì)講控制與事件記錄功能。井下作業(yè)人員可與地面監(jiān)控室進(jìn)行通信，信息確認(rèn)發(fā)出指令遠(yuǎn)程開啟智能門禁，同時(shí)記錄此次操作信息。遠(yuǎn)程開啟智能門禁后風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)執(zhí)行上述相同步驟。智能門禁系統(tǒng)工作流程如圖 1 所示。

圖1 智能門禁系統(tǒng)工作流程

1.1.2 智能門禁的數(shù)據(jù)傳輸

智能門禁由通信系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)兩部分組成，通信系統(tǒng)是基于 TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)控制器與地面調(diào)度室的數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制；智能門禁系統(tǒng)依靠射頻識(shí)別技術(shù) (Radio Frequency Identification，RFID)，讀卡器讀取射頻卡信息，識(shí)別權(quán)限決定是否打開電磁鎖[3]。

交換機(jī)與工業(yè)以太網(wǎng)負(fù)責(zé)傳感器與控制器之間的信息傳遞與交換、遠(yuǎn)程控制?？刂破魍ㄟ^傳感器的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制、傳輸，控制電磁鎖，并顯示其工作狀態(tài)。視頻監(jiān)控通過 DVR 由以太網(wǎng)直接與上位機(jī)互通。設(shè)備聯(lián)網(wǎng)至以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通信設(shè)備直接就近接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)端口實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，其工作流程和系統(tǒng)如圖 2 所示。

圖2 智能門禁系統(tǒng)

1.2 智能監(jiān)測(cè)

為實(shí)現(xiàn)水倉內(nèi)有人員作業(yè)時(shí)風(fēng)機(jī)可靠連續(xù)工作，采用紅外探測(cè)對(duì)人體熱量紅外光進(jìn)行收集成像，進(jìn)行預(yù)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(jí)篩選，采用 HOG 作為行人復(fù)雜特征的描述算子，判斷行人與識(shí)別[4]。

紅外成像探測(cè)器下置俯仰角可調(diào)安裝底座，便于監(jiān)測(cè)區(qū)域調(diào)節(jié)，內(nèi)部設(shè)計(jì)有溫度保護(hù)電路，傳感鏡頭前安裝有紅外窗口，紅外窗口的前方設(shè)計(jì)有除塵雨刷和風(fēng)扇，保證采集圖像的質(zhì)量和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.3 智能門禁系統(tǒng)的防通風(fēng)中斷和智能控制

作業(yè)人員在水倉區(qū)域作業(yè)時(shí)，保證正常通風(fēng)，設(shè)計(jì)中心處理器對(duì)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(nèi)置過流和反接保護(hù)，控制電流不超過 10 A、功率 2 000 W電路。

2 應(yīng)用效果

本項(xiàng)目以三元福達(dá)煤業(yè)有限公司的水倉安全管理為研究背景，采用智能控制設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，提出了一種水倉智能安全管控系統(tǒng)，具有操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)靈敏、較高的可靠性，并取得了良好的應(yīng)用效果。

(1) 系統(tǒng)刷卡風(fēng)機(jī)啟動(dòng) 2 min 打開門鎖保證了硐室內(nèi)部含氧量。

(2) 自動(dòng)開啟智能門禁前采集瓦斯傳感器狀態(tài)信號(hào)，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(jìn)入水倉。

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

(4) 熱釋傳感器保證硐室內(nèi)部有人活動(dòng)不會(huì)停止風(fēng)機(jī)和門禁閉鎖，當(dāng)智能門禁關(guān)閉，操作人員需要等待 2 min 后確認(rèn)硐室內(nèi)部沒有人員時(shí)，刷卡后才能停止風(fēng)機(jī)。

(5) 未刷卡使用智能門禁時(shí)風(fēng)機(jī)立即啟動(dòng)，智能門禁關(guān)閉 2 min 后，風(fēng)機(jī)停止。

(6) 智能門禁系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程對(duì)講控制與事件記錄、就地端與地面視頻對(duì)講功能，確認(rèn)準(zhǔn)許進(jìn)入后，可由地面控制中心遠(yuǎn)程開啟智能門禁。

(7) 智能門禁系統(tǒng)配備有 LED 顯示屏，便于判斷當(dāng)前系統(tǒng)正常狀態(tài)和“瓦斯超限禁止進(jìn)入”的故障工況。

3 結(jié)語

基于智慧礦山的發(fā)展理念，就礦業(yè)水倉作業(yè)安全問題提出一種礦用水倉智能安全管控系統(tǒng)，整體包括門禁與通風(fēng)兩個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)二者的智能聯(lián)動(dòng)，充分保障了作業(yè)人員的環(huán)境安全，在便捷了作業(yè)人員出入方式的同時(shí)，又避免了其他人員誤入的問題。該智能管理系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，在節(jié)省人員、預(yù)防和避免水倉安全事故上具有一定的借鑒和推廣意義。