一卡通門禁系統在大柳塔煤礦的應用

張立群

1煤炭科學技術研究院有限公司 北京 100013

2煤礦應急避險技術裝備工程研究中心 北京 100013

3北京市煤礦安全工程技術研究中心 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，需要向有關部門申請審批，手續繁雜，降低勞動效率，而專人專崗，又增加了煤礦生產成本。在礦井自動化建設方面，現有礦用門自動化程度低，無法實現遠程控制，調度室無法監控重要位置礦用門的工作狀態及人員出入情況。

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

1 國內研究概況及發展趨勢

隨著數字化礦山的建設，全國各煤炭企業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，以淘汰落后產能。但在礦用門的安全保障和信息化管理方面，一直無企業涉足，是一個亟待開發的領域。

目前，部分煤炭企業已經實現了井上一卡通門禁系統應用[1-2]，即以非接觸式 IC 感應卡和軟件平臺為核心，專為煤礦定制的綜合管理平臺，以實現煤礦企業內部常用燈房、出入井等場所的應用管理，改善煤礦燈房、出入井的作業流程并提高便利性。

但在煤礦井下變電所、水泵房和火藥庫等重要場所，還未能實現井上這種數字化的管理方式，依然采用的是普通的機械鎖，存在需要專人值守、進入手續繁瑣、容易從外部破壞、不能實現井上監控等一系列問題。因此，建設煤礦井下一卡通門禁系統已經成為數字化礦山的發展趨勢。

通過一卡通門禁系統建設，在井上可以實現考勤、就餐、消費、停車場出入多系統管理，在井下可實現井下變電所、水泵房等重要場所刷卡開門，刷卡權限按礦井要求設定；實現調度室遠程開門，上位機實時監測門狀態和刷卡信息，并可實時存儲和查詢，為煤礦自動化提供數據支持[3]。

具體建設目標如下：

(1)實現一卡通功能 以一張門禁卡實現礦上所有讀卡系統通用，實現多系統統一平臺管理。

(2)保證礦用門使用安全 一卡通門禁系統將采用礦用門和控制系統一體化設計，所有布線采用隱蔽設計，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，實現無人值守 一卡通門禁系統將采用刷卡或密碼的方式開啟控制門。門卡的權限可根據礦井的要求設定，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，使開門更加便捷。系統采用聯網設計，調度室可遠程開啟被控門，監控人員出入情況，實現礦用門現場無人化值守。

(4)為煤礦實現區域自動化提供數據支持 一卡通門禁系統可以采集、存儲刷卡信息、監控信息、門狀態等實時數據，并通過井下環網上傳到井上調度室。門禁軟件可以存儲、分析、實時查詢和顯示這些數據，實現區域數據融合。

2 門禁系統

2.1 系統組成

一卡通門禁系統如圖 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Fig.1 Access control system

2.2 系統通信

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、按鈕開關和電磁鎖之間進行數據通信。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信號，門禁控制分站通過門狀態信號判斷門的開、閉狀態。按鈕開關為門禁控制分站提供開關量信號。

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。

門禁控制分站與環網交換機采用 TCP/IP 通信或者 485 通信。當門禁控制分站距離環網交換機＜100 m 時采用 TCP/IP 通信方式實現數據上傳；當通信距離≥100 m 時，末端通過 485 轉網口模塊轉成網線接入網絡交換機實現數據上傳。

針對煤礦井下的工作環境，以上通信電路均采用抗干擾設計，可有效降低煤礦井下環境對通信傳輸的影響，保證傳輸的距離。

2.3 工作原理

門禁管理系統結構如圖 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，通過韋根通信發送到門禁控制分站中，分站將韋根數據解析為門禁卡號，通過權限比對判斷刷卡人員是否有權進入[4]。若刷卡人員有權限進入，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；若工作人員無權限，則刷卡無效，讀卡器報警，并發信息至監測主機。

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。

一卡通門禁系統可單機使用，不需要聯網就可以實現本地刷卡開門，實現本地控制，并可以記錄 24萬條刷卡記錄，當數據超出后，新數據將自動覆蓋舊數據。

門禁系統的上位機可下發控制命令控制分站開啟被控門，實現遠程控制。上位機也可以向門禁控制分站下發刷卡人授權信息，設置刷卡人權限。門禁控制分站可以將采集到的刷卡信息、門的開閉狀態和按鈕開關信息等數據傳到上位機，實現實時顯示和查詢，從而實現對井下門禁系統的實時監控。多個控制分站通過聯網組成了整個礦山的門禁管理系統。

3 門禁系統設計

3.1 系統防爆

門禁系統所有產品均采用礦用本質安全型防爆設計，產品輕便小巧，易于安裝和調試。所有產品均采用本安電路設計，每一次電壓變換間都有二級保護電路和穩壓電路，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生電火花，保證產品安全，適合在有瓦斯的環境中使用。

圖3 門禁管理系統結構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計，一方面縮小了產品的體積，另一方面極大地提高了產品的防護等級。讀卡器外殼采用 ABS 工程塑料防靜電設計，在使用過程中不會產生靜電，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備、電子設備眾多，容易產生電磁干擾。因此，門禁系統在設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。電路設計采用電磁屏蔽技術，能有效地抑制通過空間傳播的電磁干擾，一方面限制內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。

考慮傳輸線所引發的電磁輻射 (EMI)干擾問題，門禁系統各產品電路板采用 PCB 設計，布線時將線與線間的耦合輻射效應降到最小。將高速 (＞150 kHz)數位平行線埋入內層，利用大面積的屏蔽將輻射能量擋在內層，同時降低內層平行線的整體高頻對地阻抗；將 S 形布線埋入內層，利用大面積的屏蔽將輻射能量阻擋在內層，同時降低內層 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，有效降低了設備的電磁波輻射。

4 現場應用

4.1 礦用門改造

大柳塔礦原使用的是老式礦用門，其結構為角鋼焊接。若在原有礦用門上進行門禁系統改造，一方面原有礦用門防火、防塵效果差，改造難度大；另一方面，門禁系統布線裸露在墻壁外側，容易被破壞，難以保證系統安全。

新型礦用門采用焊接鋼管結構，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采用新型礦用門設計，讀卡器和按鈕開關安裝在左側門扇上，如圖 4 所示。其布線全部在門扇內部，讀卡器安裝在門的外側，按鈕開關安裝在門的內側。在門外刷卡開門，在門內按按鈕開門。

電磁鎖安裝如圖 5 所示。電磁鎖嵌在左側門扇上，銜鐵嵌在右側門扇，通電時產生的拉力達到 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

一卡通門禁系統上位機可以設置一卡通的持卡人信息和門禁控制權限，可以監控刷卡信息，顯示門的開閉狀態，進行遠程開門。

圖6 軟件監控Fig.6 Software monitoring

上位機軟件監控界面如圖 6 所示。門禁系統通過檢測門上電磁鎖內的傳感器信號來判斷門的開、閉狀態，在監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。監控信息欄可以監控所有刷卡開鎖信息。

5 結語

一卡通門禁系統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。礦用門現場已實現無人值守，提高了工作效率；調度室可遠程實時查詢門狀態和刷卡信息，并為區域自動化提供數據支持，從而大幅提高整個礦區重要場所礦用門管理智能化水平。