黃灘煤礦井下人員定位係統設計方案

目 錄

一、 前言 1

二、 係統概述 1

三、 係統設計依據 2

四、 係統主要功能 2

1. 數據采集 2

2. 顯示及報警功能 2

3. 存儲備份功能 3

4. 通信功能 3

5. 擴展功能 4

五、 係統結構 4

六、 係統子設備介紹 5

七、 係統技術簡介 5

八、 係統主要設備性能技術指標 7

1. 通訊傳輸接口 7

2. 人員定位讀卡分站 8

3. 人員識別卡 10

4. 係統使用條件 11

九、 方案設計 11

1. 地麵監控中心設計 11

2. 井下係統設計 12

3. 詳細配置表 13

　4．附圖------------黃灘人員定位係統安裝示意圖

前言

　　　隨著我國經濟體製改革不斷深入，現代化進程不斷加快，國家對煤礦安全日益重視，監管力度不斷加強，大中型煤礦和眾多鄉鎮小煤礦均已大量裝備了煤礦安全監控係統，有效遏製了重大瓦斯爆炸事故的發生。但是，缺乏對井下人員位置信息的監控，目前還普遍存在入井人員管理困難，井上人員難以及時準確掌握井下人員的分 布和作業情況，一旦發生事故，搶險救災、安全救護的效率低，特別是事故發生後對礦井人員的搶救缺乏可靠的位置信息，嚴重地製約了搶險救災的效率，失去最寶貴地搶救時機。安全生產的核心是人的安全。因此，煤礦對利用相應的礦井人員跟蹤定位設備，全天候對煤礦入井人員進行實時自動跟蹤和考勤，隨時掌握每個員工在井下的位置及活動軌跡、全礦井下人員的位置分布情況等需求迫切。

　　　井下人員定位係統是集井下人員考勤、跟蹤定位、災後急救、日常管理等於一體的綜合性應用係統。這一科技成果的實現，將為煤炭企業的安全生產和日常管理上台階，為事故急救帶來可靠指揮依據。

係統概述

　　　“KJ129井下人員定位管理係統”是集計算機技術、信息采集處理技術、無線數據傳輸技術、語音通信技術、網絡數據通訊技術、機械電子自動控製技術於一體的係統產品，可實現礦井各類車輛、人員在不同狀態（移動、靜止）下的自動識別和管理。

　　　本係統嚴格按照國家煤礦安全標準進行的安全技術設計，係統共包括十個產品，完全符合井下使用的設備防爆安全要求。係統共包括10個產品，能夠實現井下以太網組建、無線語音通信、人員定位、井下視頻監控的功能，是一套實時高效可靠，高度集成化、智能化的的綜合性係統。是集數據通信、處理、采集、控製、協調、綜合智能判斷、圖文顯示為一體的綜合數據應用軟件係統，能在各種情況下準確、可靠、迅捷地作出反應，達到實時、合理監控的目的。具有“集中管理，分散控製；監控全麵，使用方便”的特點，是一套符合現代煤礦生產集中控製的綜合性係統。

係統設計依據

GB 3836.1-2000 爆炸性環境用防爆電氣設備通用要求

GB 3836.2-2000 爆炸性環境用防爆電氣設備

GB 3836.4-2000 爆炸性環境用防爆電氣設備本質安全型電路和電氣設備“i”

GB/T 4924.2-93 低壓電器外殼防護等級

MT/T1004-2006 煤礦安全生產監控係統通用技術條件

MT/T1005-2006 礦用分站

MT/T1006-2006 礦用信號轉換器

MT/T1007-2006 礦用信息通訊接口

MT/T1008-2006 煤礦安全生產監控係統軟件通用技術要求

MT209-90 煤礦通信、檢測、控製用電工電子產品通用技術

MT210-90 煤礦通信、檢測、控製基本試驗方法

AQ6210-2007 煤礦井下作業人員管理係統通用技術條件

AQ1048-2007 煤礦井下作業人員管理係統使用與管理規範

　　　　　　　　　　煤礦監控係統性能測試方法

係統主要功能

數據采集

　　　1）中心站主機能實時地采集由各接收分站傳送來的數據；

　　　2）分站按程序設置及時地把讀卡器采集到的信息傳送到地麵中心站。

顯示及報警功能

　　　1）井下被監控人員或移動目標的實時動態跟蹤和運行軌跡顯示；

　　　2）井下人員的曆史軌跡回放及打印功能；

　　　3）井下被監控站點人員具體數量及身份實時確認、顯示；

　　　4）地圖與人員檔案的雙向查詢；

　　　5）在地圖中看到某個人後，可以在這個人（代表人員的小圖片）上可以看到這個人的詳細情況（姓名、職務、照片，出勤情況等）；

　　　6）也可以根據人員的姓名、標識卡編號等查找到某個人，然後在地圖中自動定位到這個人，從而了解到這個人在井下的具體位置；

　　　7）具有門禁功能。根據需要在煤礦井下特殊區域限製員工非法進入。如果有未經許可人員接近該區域可發出聲光報警信號，同時地麵監控主機也會發出報警信號。

　　　8）可以對下井人員限製人數、出入時間及地點，如果超過區域限製人數、授權時間或進入未經授權的地點都會觸發報警設備發出警示，以便控製人員迅速做出反映，采取安全措施。

　　　9）可自動檢測分站故障，當分站出現故障時會發出提示信息。當係統中的設備出現供電不足(電池欠壓)時，會自動產生低壓報警。

存儲備份功能

　　　1）係統所接收的數據直接進入數據庫，中心站主機可采用雙機熱備份，配合具有實時數據存儲處理、多端口轉發功能的智能數據通訊接口，實現監測數據信息雙機自動備份；

　　　2）係統總線出現故障時，分站可以將讀卡器采集到的信息存儲2小時以上。

通信功能

　　　1) 係統可使用CAN總線，TCP/IP，無線信號等多種通信方式傳輸；

　　　2) 尋人或緊急情況時，地麵控製中心可向井下發送呼叫信息 ，可以呼叫單獨一個人，也可以成組呼叫，可以呼叫某個區域的人員，也可以呼叫多個區域或全礦，呼叫信息有尋人呼叫、緊急呼叫、緊急撤離呼叫等多種類型，報警級別通過指示燈的閃爍和馬達震動頻率來區別。

　　　3）當井下出現緊急情況時，井下礦工可通過識別卡向地麵監控中心發送呼救信息。

　　　4) 係統支持無線視頻傳輸業務。

　　　5) 係統支持遠程管理功能。係統內設備均為網絡設備，可通過井下網絡直接訪問，設備的操作、參數修改、軟件升級等工作均可通過遠程完成。

擴展功能

　　　1）在人員出、入井口設置人員定位分站，用於出入井人員考勤管理和檢測出入井人員標識卡的完好性，保證係統的正常運行；

　　　2）係統具備檢驗入井人員攜帶的卡是否唯一的功能；

　　　3）係統采用ZIGBEE技術定位，定位精確度高。

　　　4）係統具有災變救援，和事故後搜救功能

　　　5）係統具備人體生命特征信號探測功能，可實現人體體溫探測和環境溫度探測；

　　　6）漏讀率低、抗衝突能力強；

　　　7）無線通訊速率250K，同時200人以10m/s速度通過無漏讀；

　　　8）識別卡可實時上報位置信息、溫度、電壓等。

　　　9）係統具有災變救援，和事故後搜救功能

　　　10）單台目標識別器可瞬間同時識別200個以上的人員標識卡。

　　　11）乘車出入的工作人員無需下車，在車輛進入監測區域後，就可自動完成人員定位及考勤功能。

　　　12）識別區域無方向性、無盲區，對人體沒有電磁輻射傷害。

係統結構

　　　KJ129井下人員管理係統全套包括井下人員定位係統、語音通信係統、以及視頻監控係統等，此次設計根據金穀煤業的實際情況，隻采用標準化井下人員定位管理係統，語音、視頻等子係統如將來需要擴容擴建再另行設計。

　　　KJ129井下人員定位管理係統的組成包括地麵設備和井下設備：

　　　1）地麵設備主要由工業監控主機、數據通訊接口與軟件、打印機、工作站等組成。

　　　2）井下設備主要由礦用隔爆兼本安型分站、礦用本質安全型讀卡器、識別卡、井下電纜等組成。

　　　人員配備了人員識別卡，並且隨身攜帶。在礦井中通過在井下和井上的巷道不同的采集點布置讀卡器，實現數據采集的功能。例如分別在入口，巷道口，廢棄巷道口等重要位置安裝讀卡器，每個讀卡器可以采集檢測一定範圍內人員識別卡的情況。通訊接口把具體人員情況傳送給監控主機進行數據處理和整理，井上人員通過監控主機或聯網的PC就可以方便的了解到井下人員情況。

係統子設備介紹

　　　1）KJ129-J通訊接口

　　　接口具有與分站等設備雙向通信及指示功能。接口應具有與主機等設備雙向通信及其指示功能。接口應具有故障診斷和指示功能。接口應具有電源指示。接口應支持係統的雙機切換功能並有相應的指示。

　　　2）KJ129-F礦用隔爆兼本安型讀卡分站

　　　分站具有與通訊接口（KJ129-J）CAN雙向通信及工作狀態指示功能。分站具有CAN中繼功能。

　　　分站具備讀卡器功能，可將接收到的各識別卡(KJ129-K)信息，收集並向上傳輸。

　　　3）KJ129-K人員識別卡

　　　識別卡具備被KJ129-K讀卡分站識別，並可將人員相關信息上傳到讀卡分站並最終傳輸入地麵井下人員定位管理係統，識別卡具備雙向通訊功能和聲、光、振動報警功能。

係統技術簡介

采用ZigBee無線通信技術，符合IEEE 802.15.4國際標準，具有以下特點：

功耗低：在低耗電待機模式下，2節5號幹電池可支持1個節點工作6-24個月；

通信可靠：KJ129係統針對煤礦的實際用途，通過對ZigBee通信協議進行了有效設計簡化，形成了一套煤礦獨有的通信協議，降低了對通信控製器的要求，使數據傳輸更加穩定可靠；

高速率：ZigBee技術無線通信速率可達250k/s，較一般RFID通訊速率100k/s為快；

高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若幹子節點，最多一個主節點可管理254個子節點，同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000個節點的大網。

中心站與分站之間可采用以太網搭配CAN總線方式，通訊距離大於15km

可實現人員的區域定位、精確定位及路徑跟蹤

遠距離識別，識別卡無需靠近基站，識別距離10-100米可調

抗衝突力強，同時200人以5m/s速度通過無漏讀，識別誤碼率小於10-6，係統巡檢周期小於30秒

具有雙向通訊功能，便於井上與井下人員及時溝通

具有放炮監控功能（擴展）

可實現網絡共享供多個領導同事在不同地點查看

采用2.4G免費通信頻段，無需繳納頻率占用費

采用全球最先進的無線射頻芯片，芯片集成度高、外圍器件少、傳輸距離遠、抗幹擾能力強、可靠性高等諸多優點

係統可考性高

　　　設備具有存儲通信數據的能力，在係統出現故障時可以有效避免數據的丟失，並且在通信過程中采用特殊的手段來提高係統自身的糾錯能力，從而大大提高了數據傳輸的可靠性。同時較大的網絡容量保證了網絡強大的數據采集能力，使得在個別節點出現故障時整個網絡仍然可以繼續工作。係統中各個設備在動力交流電停電的情況下依靠後備電池能夠保持正常工作在2小時以上。

超低功耗

　　　無線識別卡識別卡采用定時休眠工作方式，休眠時間可以通過上層軟件靈活的設置。該種工作方式大大的減少了識別卡能源消耗，確保了在雙向通訊條件下電池的工作時間長達1年以上。識別卡無需外接任何電源、無需充電、無輻射，對人體健康和環境無任何影響。

係統具有精確的定位時間，定位信息加蓋毫秒級時間戳，確保信息在時間上的準確無誤

係統可連續穩定運行720小時不死機。

監控一體化指揮平台需要和各種監控硬件設備進行通信，用以滿足廣泛的用戶要求，適應用戶的多種設備選擇，本監控指揮平台軟件使用Visual C++開發了支持市場上主流設備的通訊接口，例如：現場設備通訊的RS232協議、RS485協議，OPC2.0協議等等。使係統的用戶在應用級別上可以使用更廣泛的功能接口。

係統框架構件為應用程序提供了總體結構和顯示方式，它是一套預製好的軟件的軟件的集合。開發人員可以使用、修改、擴充、定製框架中的構建，以滿足其具體的應用需求。最大的好處是開發人員不必每次都從草稿開始設計應用係統，而可以直接重用框架中的這些構件。監控台軟件使用係統框架構件作為基礎，內部的每一個子係統都作為一個構件，可以單獨維護，避免了牽一發而動全身的情況；而且係統框架的動態加載技術使整個監控軟件便於升級和擴展。

係統主要設備性能技術指標

通訊傳輸接口

條件 參數

供電電壓 AC380/660V

通信接口 千兆網絡接口、光纖接口、SHDSL接口

環境要求 存在瓦斯、煤塵等爆炸危險的煤礦井下，無強烈震動、強磁場和淋水的場所

工作溫度 -20～40℃

相對濕度 ≤96%（+25℃）

大氣壓力 80～120Kpa

風速 0～8m/s

儲存溫度 -20～+40℃

無線傳輸速率 大於2.3Mbps

無線覆蓋距離 ＞200m

最大傳輸距離 ＞10km（光纜）

＞5km（電纜）



人員定位讀卡分站

　　　（1)工作條件

條件 參數

環境要求 存在瓦斯、煤塵等爆炸危險的煤礦井下，無強烈震動、強磁場和淋水的場所

工作溫度 -20～40℃

相對濕度 ≤96%（+25℃）

大氣壓力 80～120Kpa

風速 0～8m/s

儲存溫度 -20～+40℃

分站與地麵中心站的傳輸距離 ≥15km

可掛接的讀卡器的數量 20個

　　　（2)CAN總線技術標準

　　技術指標 　　參數說明

　　接口電平 　　5v

　　通信電流 　　20mA

　　終端匹配電阻 　　等於傳輸電纜的特性阻抗，雙絞線的特性阻抗為120Ω

　　隔離電壓 　　3000Vrms

　　通信協議 　　支持CAN2.0A、CAN2.0B協議，與ISO11898兼容

　　傳輸速率 　　波特率可編程，最高1Mbps

　　　（3)無線電技術指標

　　技術指標 　　參數說明

　　發射功率 　　0 dBm

　　發射識別距離 　　0－150 米

　　發射時間 　　小於1ms

　　定時休眠時間 　　4s-30s

　　發送電流 　　25mA

　　接收電流 　　27mA

　　休眠電流 　　在休眠模式時僅0．9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒係統；在待機模式時少於0．6 μA的流耗，外部的中斷能喚醒係統；

　　發射角度 　　水平麵發射標識角度：120度

　　垂直麵發射標識角度：90度

　　深度休眠/激活狀態 　　小於54μs

　　能量強度感知 　　數字化的RSSI／LQI支持

　　接受靈敏度 　　-94dBm

　　CSMA／CA功能 　　硬件支持

　　協議標準 　　集成符合IEEE802．15．4標準的2．4 GHz的RF無線電收發機

　　調製方式 　　DSSS （O-QPSK）

　　傳輸速率 　　250k bps

　　頻段 　　2.4-2.483GHz

　　　（4)天線技術指標

　　技術指標 　　參數說明

　　輸入阻抗 　　50Ω

　　極化方式 　　垂直 Vertical

　　輻射方向 　　全向 Omni

　　高度 　　110mm

　　　（5)無線通信協議標準

　　協議標準 　　參數說明

　　MAC層協議 　　IEEE 802.15.4

　　網絡層協議 　　ZigBee V1.1

　　　（6)直流供電電源要求

　　技術指標 　　參數說明

　　輸出電壓 　　+8v - +18v

　　輸出電流 　　不小於200mA

　　輸入紋波要求 　　小於300mV

人員識別卡

　　技術指標 　　參數說明

　　工作溫度 　　-5℃-+40℃

　　通信方式 　　間歇式通信，支持雙向通信

　　工作電源 　　LR03 1.5V幹電池2節，可更換電池使用壽命半年以上

　　發射功率 　　0 dBi

　　識別距離 　　0－150 米

　　發射時間 　　小於1ms

　　定時休眠時間 　　4s-30s

　　發送電流 　　25mA

　　接收電流 　　27mA

　　休眠電流 　　在休眠模式時僅0．9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒係統；在待機模式時少於0．6 μA的流耗，外部的中斷能喚醒係統；

　　發射角度 　　水平麵發射標識角度：120度

　　垂直麵發射標識角度：90度

　　深度休眠/激活狀態 　　小於54μs

　　能量強度感知 　　數字化的RSSI／LQI支持

　　接受靈敏度 　　-94dBm

　　CSMA／CA功能 　　硬件支持

　　協議標準 　　集成符合IEEE802．15．4標準的2．4 GHz的RF無線電收發機

　　調製方式 　　DSSS （O-QPSK）

　　傳輸速率 　　250k bps

　　工作頻段 　　2.4-2.483GHz

　　防爆型式 　　礦用本質安全型

　　防護等級 　　IP54

係統使用條件

　　　地麵部分：

電源： AC220V±10% 50Hz

相對濕度： 40－70%

環境：無強磁場幹擾，無粉塵，無腐蝕氣體。

　　　井下部分：

電源： AC 127/380/660V，-20%～10% 50Hz

溫度：－5～40℃

相對濕度：≤95%

大氣壓力： 85～106kPa

環境：允許在有瓦斯、粉塵爆炸危險環境中使用，周圍無

腐蝕性氣體。

方案設計

　　　根據黃灘煤礦現有規模和管理水平，基於煤礦的實際環境，並結合我公司產品特點，做出如下係統設計方案：

地麵監控中心設計

　　　根據黃灘煤礦現有規模和管理水平，我們的監控中心設計采用2台2.4G 雙核工控機作為整個係統的監測主機，用於人員考勤、定位管理係統數據的存儲、調用、瀏覽實際采集命令的發送，同時也是人員信息的錄入終端。數據通訊接口是井上監控中心與井下數據采集讀卡器信息調製的主要設備，因此配置2台數據通訊接口。

井下係統設計

　　　我們在井下係統設計時考慮到以下原則：

對進出礦井的人員完成考勤管理功能；

對井下主要行人通道、硐室的人員進行監測；

對井下主要采區、工作地點進行人員監測；

　　　根據實際情況我們人為將井下係統劃分為4個區域，共設計4台讀卡分站，每個區域配備一台分站電源負責該區域內所有分站的供電，總計4台分站供電電源。

　　　設計用例：

井口區域1台讀卡分站可用於考勤用,以及判斷人員是否入井；



在巷道區域設置4台讀卡分站，用以判斷人員走向

　　　其他區域設計與上述設計思路類似，詳細請參照CAD礦圖設計圖紙。









詳細配置表

KJ129井下人員定位係統跟蹤考勤管理係統（CAN通訊電纜型）設備配置清單與概算表

序號 設備名稱 型號和規格 單位 數量 單價 總價

(元) (元)

1 工業監控主機 IPC-8106，含顯示器 台 1

2 UPS 山特MT1000.2個電池，配套1個電池機櫃 套 1

3 人員定位係統軟件 KJ129 套 1

4 數據通信接口 KJ129-J 台 1

5 礦用隔爆兼本安型分站 KJ129-F 台 4

6 礦用本安型讀卡器 KJ129-D 台 20

7 識別卡 KJ129-K 張 100

8 通訊電纜 MHYV1*4*7/0.43 米

9 通訊電纜 MHYV1*2*7/0.43 米

10 三通接線盒 本安型 個

11 二通接線盒 本安型 個

12 信號避雷器 　 個 1

13 電源避雷器 　 個 1

A 小計材料費

B 安裝費 A*10%

C 稅金 A*17% 宗

D 設備總價