基于通风需求的矿用水仓智能安全管控系统的研发

王云飞

（山西马堡煤业有限公司， 山西 长治 046300）

引言

水仓就是在煤矿井下排水系统中起着贮存全矿井井下涌水和沉淀涌水泥沙的作用[1]。在煤矿的生产采区，必须按要求对采区水仓进行设计施工。因此在煤矿建设和生产中，水仓起着重要的作用，人员进入水仓作业，快速开启水仓门锁显得尤为重要，传统的机械门锁钥匙管理很麻烦，而且还需要设置专门管理钥匙的人员岗位，钥匙丢失和人员更换都需要更换锁和钥匙，如果工作人员忘记携带钥匙，未能快速进入水仓工作，会耽误工作进度，引起不必要的危险。现如今，矿井安全己成为制约煤矿开采的重要关键问题。在煤炭开采过程中，一旦发生透水事故，轻则损坏机电设备，重则水淹巷道，危及工作人员生命。煤矿井下排水系统作为井下生产中一项重要系统，为确保矿井正常安全地生产，排水系统必须有足够的排水能力和较高运行可靠性。另外，在人员进入水仓作业时，要保证作业环境的安全，如果不能及时检测瓦斯，启动风机进行调控，将有可能造成人员伤亡事故，由此可见，解决水仓巷道瓦斯超限、人员进入自动启动风机等问题是很有必要的。

1 系统功能特点

1）矿用水仓门禁智能安全控制装置集刷卡开门、自动上锁，远程控制于一体，同时具备视频监控语音对讲以及地面控制栅栏电动锁的开启关闭功能。人员开启水仓栅栏门需刷卡，同时自动启动风机并延时开启栅栏门，保证人员安全进入。

2）矿用水仓门禁智能安全控制装置可以外接瓦斯超限闭锁断电传感器，同时具备控制风机起停的输出节点。正常情况下，当电动锁开启时，风机启动运行。装置具有水仓巷道瓦斯检测功能，当瓦斯超限时自动启动风机，同时闭锁栅栏门，禁止人员刷卡进入，直至瓦斯恢复正常。

3）矿用水仓门禁智能安全控制装置具备上电自检功能，可以自动正确处理断电到上电过程中引起的误上锁或者误开锁运动。

4）具备水仓作业人员监测功能，水仓内有人员作业时风机一直工作，直至作业人员离开水仓并自动上锁后，风机自动停止。

5）地面调度室设置了远程监控平台，远程控制自动开闭电动锁，工作人员需进入硐室未带门禁卡时，可通过就地端与地面视频对讲，确认准许进入后可由地面控制中心远程开锁，地面实时监控井下水仓作业情况。

装置流程图如图1所示。

图1 装置流程图

2 设备原理

矿用水仓门禁安全控制装置由电动锁、电气控制箱、门禁控制器[2]、门禁卡、LED显示屏、红外热释传感器、瓦斯传感器和风机组成，电动锁安装在水仓栅栏门上，门禁控制器安装在电动锁的上方或者巷道墙壁上，LED显示屏安装在水仓栅栏门的最上方，红外热释传感器和瓦斯传感器安装在水仓硐室内部上方，电气控制箱分别与电动锁、门禁控制器、LED显示屏、红外热释传感器、瓦斯传感器和风机控制连接。

矿用水仓门禁安全控制装置采用类似楼宇小区门禁系统设计，集刷卡开门、自动上锁，远程控制于一体的门禁装置，同时具备视频监控和语音对讲功能，可以实现与调度中心对讲等功能，可以智能监测并自动启停风机，有效避免水仓巷道瓦斯超限，实现水仓栅栏门的智能管理与风机联动控制。

3 系统软件功能的设计

根据系统实际应用环境和功能需求，提出系统的总体解决方案和软件功能设计。按功能主要分为信号采集转换模块和集成控制处理模块。首先红外成像探测器[3]将采集的模拟视频信号传送到图像采集盒中，经过AD转换，在此过程中进行隔行传送并内插处理，解决视频图像丢失问题，然后将待处理的数字视频信号传输到处理器中，处理器对到达的每一帧视频图像进行图像缩放处理，采用双线性插值算法对原始视频流进行缩放。然后对视频的每一帧进行图像预处理，图像增强，目标识别算法，完成对每一帧图像中行人目标的检测和定位，若判断作业人员在水仓区域，则进入软件保护控制处理模块中。预警保护策略为：对目标进行判断，若水仓区域内不存在工作人员，则不采取任何措施，系统继续保持监测；若作业人员进入水仓区域内进行工作，则发送控制指令，通过继电器控制报警灯进行声光报警，提示正有作业人员在水仓内作业，微处理机重新发送通讯控制指令，控制通风机持续工作，防止通风机停止工作。若检测到目标全部离开水仓，微处理机重新发送通讯控制指令，控制报警灯停止报警，系统继续保持监测。软件流程图如图2所示。

4 门禁系统的设计

矿用水仓门禁安全控制装置由电动锁、电气控制箱、门禁控制器、门禁卡、LED显示屏等组成。其中射频读/发卡器[4]是整个门禁系统的核心，在系统中负责读/发卡、向控制器发送控制信号等工作。门禁系统框图如图3所示。

4.1 发卡器

发卡器是一种专用的IC卡读写器，发卡器与卡片之间采用一对一通信方式，其作用是完成IC卡与PC机之间的信息交流。发卡器直接与PC机通过RS232串行口相连，由系统管理员操作，在PC机上设置好要写入的数据，发出特定的写卡命令后完成。

图2 系统软件流程图

图3 门禁系统框图

4.2 读卡器

读卡器在门禁系统中是核心的工作机，读卡方式属非接触式读卡，持卡人只需将卡片在读卡器感应区内快速晃动一次，读卡器便通过射频信号与IC卡通信，认证密码，读写卡中的数据，并将其存入读卡器系统的存储器中。整个过程只要在有效的刷卡范围内均可实现门禁管理功能。它可以独立工作，也可以联网工作，通过RS485或RS232串行口与主机相连。在联网的情况下，读卡器能应PC管理机的请求将存放在存储器中的数据一次性地传送给PC机。

射频读卡器采用单片机设计，由一台微处理机及相应的外围电路组成。本门禁系统采用AT89C52单片机作为射频读卡器的核心电路，配置射频读写芯片、天线耦合电路、天线、RS232通信接口等部分。系统的工作原理是先由微处理器AT89C52控制射频识别读写器读取IC卡的信号，然后AT89C52根据所得数据输出开关量信号，用于控制电控锁继电器的动作和读取门卡的磁信号，并且与整个上位PC机之间进行通讯，获得指令以及传输系统状态等。

5 结语

基于通风需求的矿用水仓智能安全管控系统的投入运行，可以实时监测水仓状态，确保水仓内的瓦斯浓度低于安全水平，操作方便，系统反应迅速可靠，能够确保水仓栅栏门打开后通风机运行，有效保障作业人员安全。对预防和避免水仓安全事故、提高煤矿自动化、数字化水平具有重要意义。系统总体可靠性强、灵敏度高、安装调试简单，有较大的推广价值和广泛的应用前景。