煤礦限員智能管理系統的研發與應用

歐陽廣臣

（山東濟寧運河煤礦有限責任公司，山東 濟寧272055）

0 引言

根據《防治煤礦沖擊地壓細則》要求，人員進入沖擊地壓危險區域時必須嚴格執行“人員準入制度”，準入制度必須明確規定人員進入的時間、區域和人數，井下現場設立管理站。運河煤礦聯合山東馭光電子科技有限公司共同研發“煤礦限員管理系統”，實現了人員進入危險區域的在線實時監控。

運河煤礦隸屬濟寧能源發展集團，位于山東省濟寧市西北部，主采3煤，井田標高-200m～-900m，2016年定為沖擊地壓礦井。

1 國內沖擊地壓礦井限員管理現狀

國家煤炭安全監察局（煤安監行管【2018】38）下發的關于《煤礦井下單位單班作業人數規定（試行）》的通知，要求煤礦必須優化勞動組織，減少井下作業人員，從源頭上減少煤礦群死群傷事故風險的發生；山東省下發的《山東省煤礦沖擊地壓防治辦法》（山東省人民政府令第325號）明確規定了限員范圍、人數。目前大多沖擊地壓礦井針對限員管理的解決辦法有三種：①通過在工作面的限員（限制綜采工作面的工作人員數量）安全范圍之外設置、懸掛限員牌板，當有人進入時在限員牌板處拿一塊限員標牌，當工作人員在工作面出來時，再將限員牌掛回到限員牌板上；②采用無源的RFID卡與讀卡分站，當人員進入工作面時先主動去刷卡，進行記錄，工作完畢出工作面時再次進行刷卡，以記錄工作面實時人數。但以上兩種方案都存在弊端：工作人員進出時經常忘記刷卡，導致工作面人員數據不準確，并且當人數超過限定人數時，沒有響應的信息提示；③采用紅外的人員監測方式。這種方式最為簡單，但也存在著致命的弊端，無論是過人還是過物都會進行統計，造成多計情況的發生，當多人并排進入的時候，只統計了一次，造成少計數情況的發生。隨著時間的推移，這種誤差會累加的越大。

現有的技術缺陷：①無法實現自動檢測人員；②無源卡及限員牌無法攜帶不方便，影響正常的工作；③當人員超限時，無法進行報警；④忘記打卡，導致人員統計不準確；⑤無法進行身份判斷。

2 研發思路

煤礦限員管理系統采用分布式設計的思想，遵循“統一發卡、統一裝備、統一管理”的原則。以先進的嵌入式技術，有源RFID射頻身份識別技術為基礎，結合無線編碼通信技術，數據通信、處理以及穩定的組態軟件進行開發。

3 煤礦限員智能管理系統的設計與組成

3.1 系統構成

系統硬件主要由井下井上兩部分組成，每個指定的工人都佩戴有源防爆射頻卡（一卡一人，身份確定），并在每個施工巷道內裝2臺射頻信號接收基站，1臺裝在巷道的入口處，另一臺基站裝在巷道內20米處，根據基站讀到卡的先后順序來判斷煤礦工作人員的進出情況，工作人員何時進、何時出、巷道內有多少作業人員以及工作人員的身份都能反映到系統軟件中。工人將該系統考勤卡佩戴在身上（可放于安全帽處）即可，無須主動刷卡便能實現自動監測，方便省力、準確度高。系統結構組成如圖1所示：

圖1 系統結構組成原理

3.2 系統實現的功能

1）煤礦限員在線監測系統能夠自動感知巷道里人員的進出情況，實時統計巷道內作業人員數量、身份信息及在巷道內工作的時長。

2）當巷道內進入的人員超過規定數目時通過防爆揚聲器發生報警信息，提示人員禁止入內，同時將報警信息傳輸至地面計算機，使管理人員掌握巷道內人員情況。

3）遇到巷道內發生危險情況，可通過人員身上所佩戴的身份識別卡發出的射頻信號，迅速了解有關人員的基本情況，及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率。

4）可將為煤礦建設的安全生產和日常管理再上新臺階提供有力保障。可有效阻止人員違章進入，并將違章人員記錄在案。

5）可在井下LED顯示屏實時顯示各采面的目前人員數目，并且可根據時間段的不同動態調節采面的限員人數。

6）信息采集及監控分站和上位機上的參數設置在輸入正確密碼登陸后，可以在上位機上方便地進行報警參數（人數、時間段）的修改。

7）現場使用礦用防爆聲光報警器，其主要功能是提示人員進出危險區域（限員區域）及當人員超限時再有人員進入進行聲光報警，提示人員禁止入內。該聲光報警器包括三種自定義聲音：“您已進入限員區，請注意安全”，“您已離開限員區”，“人員已超限，禁止入內”并且根據讀卡器的邏輯控制，發布不同的聲音報警。

8）地面控制分站接入地面環網，與系統上位機組態軟件實現無縫對接，在監控主機上可實現遠程監控個采面的實時人數。

3.3 系統研發創新點

1）可實現工作面人員進出的自動檢測，無需親自刷卡，并且避免漏刷、重復刷卡的弊端，提高了工作效率及準確度；

2）通過射頻卡，在確定工作面人員數量的同時實現工作人員身份信息的確定；

3）可在井下、井上的工控機上實時顯示整個煤礦各個工作面的人員數量及信息；

4）當人數超限時，可在井上與井下實現聲光報警，提示人員禁止再次入內。

3.4 系統軟件設計

該系統運用各種設施及計算機控制技術，對井下限員管理系統的運行進行監控。井下控制器接入井下工業環網，在地面監控中心可實現遠程監視及控制功能。能顯示每個限員區的實時人數，刷卡記錄、報警記錄、參數設置、狀態查看等畫面，要求畫面友好，便于操作。如圖2所示。

圖2 系統運行主界面

煤礦限員智能管理系統采用了7個主要的軟件功能模塊，分別為井下人員的信息查詢功能、巷道人員實時監控功能、限員報警功能、人員信息管理、系統管理、狀態管理以及豐富的人員信息展示功能。煤礦限員在線監測系統功能結構如圖3所示：

圖2 煤礦限員智能管理系統功能結構

3.5 主要技術經濟指標

1）高速RFID智能讀卡器。研發具有私有協議的高速讀卡器，性能穩定，完全兼容ISO14443A協議，具有良好的EMC性能，頻率可達902.6-927.4MHz的射頻技術。

2）數據采集與傳輸分站。能與高速智能讀卡器進行通信與無縫鏈接，采集有關關鍵參數與預處理；具有多路RS-485通信口、一個以太網通信口；通信協議能夠滿足通信協議要求；環境溫度：-10℃-+70℃；供電電壓：12V-36V。

3）使用工業級光纖收發器。能自動適應100Mbps和1000Mbps環境，便于網絡的升級；內置高效交換核心，實現流量控制，減少廣播包；支持全雙工和半雙工傳輸模式，能自動協商；支持雙絞線口自動交叉，方便系統調試安裝；支持Link Failure Alert（LFA）鏈路失敗報警功能；支持FX半/全雙工和鏈路失敗功能報警開關選擇；支持開關選擇10/100Mbps存貯轉發或100Mbps直通傳輸模式（獨特的）；支持低延時傳輸；支持最長1600byte超長數據包傳輸；支持VLAN超長數據包傳輸；支持QOS，保證VOIP數據包傳輸；支持STP生成樹，構成冗余網絡；超低功耗（小于2W），低發熱，能長時間穩定工作；支持雙纖多模、雙纖單模和單纖單模多種光纖口選擇，便于擴展。

4 系統功能的先進性

1）可實現工作面人員進出的自動檢測，無需親自刷卡，并且避免漏刷、重復刷卡的弊端，提高了工作效率及準確度；

2）通過射頻卡，在確定工作面人員數量的同時實現工作人員身份信息的確定；

3）可在井下、井上的工控機上實時顯示整個煤礦各個工作面的人員數量及信息；

4）當人數超限時，可在井上與井下實現聲光報警，提示人員禁止再次入內。

5 系統的現場使用情況

煤礦限員智能管理系統分別安裝在運河煤礦6304綜放工作面、7304綜放工作面、7306綜放工作面、C5301充填工作面及9306皮順、9306軌順、7316皮順聯絡巷等掘進迎頭后方，自從安裝以來系統運行正常、穩定，達到設計要求及預期目標。

6 開發意義與推廣前景

結合沖擊地壓煤礦安全生產的實際情況研制了煤礦限員智能管理系統，該系統可自動感知煤礦巷道里人員的進出情況，實時統計巷道及工作面內作業人員的數量、身份信息及工作時長，并且當巷道內進入的人員超過規定數目時通過防爆揚聲器發生報警信息，提示人員禁止入內，同時將報警信息傳輸至地面計算機，使管理人員掌握巷道內人員情況。如遇到巷道內發生危險情況，可通過人員身上所佩戴的身份識別卡發出的射頻信號，迅速了解有關人員的基本情況，及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率。該系統的安裝使用，為保障煤礦安全生產和日常管理再上新臺階具有重要意義，該系統可應用于化工廠、隧道、金屬礦山、非金屬礦山等危險場所，具有較大推廣價值和較好的社會效益。