一卡通门禁系统在大柳塔煤矿的应用

张立群

1煤炭科学技术研究院有限公司 北京 100013

2煤矿应急避险技术装备工程研究中心 北京 100013

3北京市煤矿安全工程技术研究中心 北京 100013

目前，煤矿井下变电所、水泵房、火药库等重要场所进出需要安排专人开锁，这种方法不仅费时、费力，而且机械锁容易被破坏，给矿上造成巨大的安全隐患。一旦非工作人员非法进入，对运行设备进行误操作，将造成无法弥补的损失。工作人员申请进入矿用门，需要向有关部门申请审批，手续繁杂，降低劳动效率，而专人专岗，又增加了煤矿生产成本。在矿井自动化建设方面，现有矿用门自动化程度低，无法实现远程控制，调度室无法监控重要位置矿用门的工作状态及人员出入情况。

针对上述问题，煤矿井下门禁系统将成为智慧矿山建设的一个重要内容。煤矿井下一卡通门禁系统建设，将大幅提高整个矿区矿用门管理的综合自动化水平，其推广应用前景广阔。

1 国内研究概况及发展趋势

随着数字化矿山的建设，全国各煤炭企业都致力于提高煤矿的信息化和自动化水平，提高煤矿工人的工作效率，以淘汰落后产能。但在矿用门的安全保障和信息化管理方面，一直无企业涉足，是一个亟待开发的领域。

目前，部分煤炭企业已经实现了井上一卡通门禁系统应用[1-2]，即以非接触式 IC 感应卡和软件平台为核心，专为煤矿定制的综合管理平台，以实现煤矿企业内部常用灯房、出入井等场所的应用管理，改善煤矿灯房、出入井的作业流程并提高便利性。

但在煤矿井下变电所、水泵房和火药库等重要场所，还未能实现井上这种数字化的管理方式，依然采用的是普通的机械锁，存在需要专人值守、进入手续繁琐、容易从外部破坏、不能实现井上监控等一系列问题。因此，建设煤矿井下一卡通门禁系统已经成为数字化矿山的发展趋势。

通过一卡通门禁系统建设，在井上可以实现考勤、就餐、消费、停车场出入多系统管理，在井下可实现井下变电所、水泵房等重要场所刷卡开门，刷卡权限按矿井要求设定；实现调度室远程开门，上位机实时监测门状态和刷卡信息，并可实时存储和查询，为煤矿自动化提供数据支持[3]。

具体建设目标如下：

(1)实现一卡通功能 以一张门禁卡实现矿上所有读卡系统通用，实现多系统统一平台管理。

(2)保证矿用门使用安全 一卡通门禁系统将采用矿用门和控制系统一体化设计，所有布线采用隐蔽设计，采用电磁锁，镶嵌在门扇上，从而保证矿用门从外部无法破坏，保证矿用门的使用安全。

(3)提高管理自动化水平，实现无人值守 一卡通门禁系统将采用刷卡或密码的方式开启控制门。门卡的权限可根据矿井的要求设定，持卡人只有在正确的时间、地点才能开启被控门，从而简化申请手续，使开门更加便捷。系统采用联网设计，调度室可远程开启被控门，监控人员出入情况，实现矿用门现场无人化值守。

(4)为煤矿实现区域自动化提供数据支持 一卡通门禁系统可以采集、存储刷卡信息、监控信息、门状态等实时数据，并通过井下环网上传到井上调度室。门禁软件可以存储、分析、实时查询和显示这些数据，实现区域数据融合。

2 门禁系统

2.1 系统组成

一卡通门禁系统如图 1 所示，主要由新型矿用门、门禁控制分站、读卡器、浇封电源、电磁锁、出门按钮及上位机等组成。

图1 门禁系统Fig.1 Access control system

2.2 系统通信

一卡通门禁通信如图 2 所示，门禁控制分站分别为读卡器、电磁锁供电，并与读卡器、按钮开关和电磁锁之间进行数据通信。门禁控制分站读取读卡器的刷卡信息并存储，并控制矿用门开启。电磁锁为门禁控制分站提供门状态信号，门禁控制分站通过门状态信号判断门的开、闭状态。按钮开关为门禁控制分站提供开关量信号。

图2 门禁通信Fig.2 Access control communication

门禁控制分站与读卡器采用韦根通信或者 485 通信。当读卡器与门禁控制分站安装距离＜100 m 时，采用韦根通信方式；当距离≥100 m 时，采用 485 通信。

门禁控制分站与环网交换机采用 TCP/IP 通信或者 485 通信。当门禁控制分站距离环网交换机＜100 m 时采用 TCP/IP 通信方式实现数据上传；当通信距离≥100 m 时，末端通过 485 转网口模块转成网线接入网络交换机实现数据上传。

针对煤矿井下的工作环境，以上通信电路均采用抗干扰设计，可有效降低煤矿井下环境对通信传输的影响，保证传输的距离。

2.3 工作原理

门禁管理系统结构如图 3 所示。工作人员在门外刷卡，读卡器通过射频识别门禁卡信息，通过韦根通信发送到门禁控制分站中，分站将韦根数据解析为门禁卡号，通过权限比对判断刷卡人员是否有权进入[4]。若刷卡人员有权限进入，门禁控制分站控制电磁锁开启，工作人员可进入，门扇关闭后若干秒后，门禁控制分站控制电磁锁吸合，锁紧矿用门；若工作人员无权限，则刷卡无效，读卡器报警，并发信息至监测主机。

出门时按下出门按钮，门禁控制器控制电磁锁开启，控制门打开，若干秒后，门禁控制分站控制电磁锁吸合控制门闭开。

一卡通门禁系统可单机使用，不需要联网就可以实现本地刷卡开门，实现本地控制，并可以记录 24万条刷卡记录，当数据超出后，新数据将自动覆盖旧数据。

门禁系统的上位机可下发控制命令控制分站开启被控门，实现远程控制。上位机也可以向门禁控制分站下发刷卡人授权信息，设置刷卡人权限。门禁控制分站可以将采集到的刷卡信息、门的开闭状态和按钮开关信息等数据传到上位机，实现实时显示和查询，从而实现对井下门禁系统的实时监控。多个控制分站通过联网组成了整个矿山的门禁管理系统。

3 门禁系统设计

3.1 系统防爆

门禁系统所有产品均采用矿用本质安全型防爆设计，产品轻便小巧，易于安装和调试。所有产品均采用本安电路设计，每一次电压变换间都有二级保护电路和稳压电路，保证电路在电源频繁通断或者电源正负极短路的情况下不会产生电火花，保证产品安全，适合在有瓦斯的环境中使用。

图3 门禁管理系统结构Fig.3 Structure of access control system

门禁控制分站采用 IP54 防护等级，可以承受滴水和溅水，可在高温、低温和交变湿热的环境中工作。浇封电源、电磁锁和读卡器均采用浇封兼本安防爆型设计，一方面缩小了产品的体积，另一方面极大地提高了产品的防护等级。读卡器外壳采用 ABS 工程塑料防静电设计，在使用过程中不会产生静电，满足了煤矿井下使用要求。

3.2 电磁兼容

煤矿井下变电所高压设备、电子设备众多，容易产生电磁干扰。因此，门禁系统在设计时综合考虑了各类元件对信号的损耗或衰減特性，电容、电感和磁珠的滤波特性及共模滤波器的滤波特性。电路设计采用电磁屏蔽技术，能有效地抑制通过空间传播的电磁干扰，一方面限制内部辐射电磁能越过电路板，另一方面防止外来的辐射影响电路板信号。

考虑传输线所引发的电磁辐射 (EMI)干扰问题，门禁系统各产品电路板采用 PCB 设计，布线时将线与线间的耦合辐射效应降到最小。将高速 (＞150 kHz)数位平行线埋入内层，利用大面积的屏蔽将辐射能量挡在内层，同时降低内层平行线的整体高频对地阻抗；将 S 形布线埋入内层，利用大面积的屏蔽将辐射能量阻挡在内层，同时降低内层 S 形布线的整体高频对地阻抗。由于干扰信号本身的特性，接地时采用了单点接地、多点接地和混合式接地的方式，有效降低了设备的电磁波辐射。

4 现场应用

4.1 矿用门改造

大柳塔矿原使用的是老式矿用门，其结构为角钢焊接。若在原有矿用门上进行门禁系统改造，一方面原有矿用门防火、防尘效果差，改造难度大；另一方面，门禁系统布线裸露在墙壁外侧，容易被破坏，难以保证系统安全。

新型矿用门采用焊接钢管结构，小门扇与大门扇之间充填有石棉密封条，可以耐高温。

煤矿井下一卡通门禁系统采用新型矿用门设计，读卡器和按钮开关安装在左侧门扇上，如图 4 所示。其布线全部在门扇内部，读卡器安装在门的外侧，按钮开关安装在门的内侧。在门外刷卡开门，在门内按按钮开门。

电磁锁安装如图 5 所示。电磁锁嵌在左侧门扇上，衔铁嵌在右侧门扇，通电时产生的拉力达到 3.2 kN。

4.2 上位机软件

图4 新型矿用门Fig.4 New-type mine-used door

图5 电磁锁安装Fig.5 Installation of electromagnetic lock

一卡通门禁系统上位机可以设置一卡通的持卡人信息和门禁控制权限，可以监控刷卡信息，显示门的开闭状态，进行远程开门。

图6 软件监控Fig.6 Software monitoring

上位机软件监控界面如图 6 所示。门禁系统通过检测门上电磁锁内的传感器信号来判断门的开、闭状态，在监控界面上以图标的形式显示。点击左上角锁的图标，可以从上位机打开井下变电所的门。监控信息栏可以监控所有刷卡开锁信息。

5 结语

一卡通门禁系统通过在神东集团大柳塔煤矿的实施和运用，完成了矿用门的改造升级。新型矿用门坚固、美观，从外部难以破坏进入，保证了硐室安全。矿用门现场已实现无人值守，提高了工作效率；调度室可远程实时查询门状态和刷卡信息，并为区域自动化提供数据支持，从而大幅提高整个矿区重要场所矿用门管理智能化水平。