為解決煤礦綜采工作面電氣設備安全制約無人化開采的核心瓶頸，改善井下設備安全控制策略缺失與全生命周期管理不足的現狀，基于 IEC 61508、ISO 13849 等國際標準，提出以功能安全標準體系為核心的解決方案，構建涵蓋風險分析、安全等級判定、冗余架構設計的完整框架。采用硬件故障裕度(HFT≥1)與安全失效分數(SFF≥99%)雙重約束，實現SIL3 等級防護;通過模塊化安全功能設計與總線式安全通信提升系統(tǒng)可靠性。經液壓支架閉鎖、采煤機急停等典型場景驗證，該方案滿足SIL3 安全等級要求，硬件失效防護能力及系統(tǒng)可靠性顯著提升，為井下設備安全運行提供有效保障。

文章來源：《智能礦山》2025年第9期“學術園地”欄目

作者簡介：王偉，副研究員，現任北京天瑪智控科技股份有限公司智能開采事業(yè)部總經理，主要從事煤礦智能化開采領域工作。E-mail：wangwei@mktm.com.cn

作者單位：北京天瑪智控科技股份有限公司

引用格式：王偉.綜采工作面電氣設備功能安全技術研發(fā)與應用[J].智能礦山，2025，6(9)：53-61.

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隨著煤礦智能化開采技術的推進，綜采工作面無人化作業(yè)成為行業(yè)發(fā)展趨勢。然而，電氣設備的功能安全問題已成為制約無人化開采的核心瓶頸。據國家能源局統(tǒng)計，2024年全國煤礦機電設備事故占比達50%，其中因安全控制策略缺失導致的事故占比>75%。功能安全作為保障設備故障后安全行為的核心技術，其標準體系（如 IEC 61508、ISO 13849）在通用工業(yè)領域已成熟應用，但煤礦井下高粉塵、強電磁干擾等特殊環(huán)境，現有技術難以直接適配。因此，構建適用于煤礦綜采場景的功能安全技術體系，對推動無人化開采安全發(fā)展具有重要意義。

筆者聚焦礦用井下設備功能安全技術，旨在解決當前安全控制策略缺失與全生命周期管理不足的問題，通過建立標準化的功能安全框架，風險分析與安全等級判定的系統(tǒng)化；硬件冗余架構與安全通信的工程化應用；典型安全功能（如支架閉鎖、采煤機急停）的可靠性驗證。

綜采工作面電氣設備安全技術發(fā)展現狀

（1）安全監(jiān)測體系構建階段（2014年前）

2014年前以基礎參數采集和人工管理為核心，實現了煤礦關鍵設備的初步數字化監(jiān)測。通過部署電流、電壓傳感器對采煤機、液壓支架和輸送機進行基礎參數采集，并采用繼電器保護裝置實現過載、短路等基礎電氣保護。傳感器技術以機械式、力敏式為主，數據采集依賴低功耗單片機系統(tǒng)，存儲容量和實時處理能力有限；通信采用RS485、Canbus等半雙工現場總線，傳輸速率和效率較低；監(jiān)測軟件僅具備基礎數據分析功能，故障診斷主要依賴人工巡檢和經驗判斷，形成了傳感器采集-本地存儲-人工分析的閉環(huán)，但系統(tǒng)智能化程度低，響應速度難以滿足復雜工況需求。

（2）智能感知系統(tǒng)建設期（2015—2020年）

物聯(lián)網架構的引入推動了監(jiān)測系統(tǒng)的質變升級。通過部署溫濕度、位移、振動等多維度傳感器網絡，實現了設備狀態(tài)的全方位感知。關鍵技術突破包括：采用DSP數字信號處理技術提取故障頻譜特征，開發(fā)基于三相不平衡度分析的專家診斷模型，并應用自適應變頻驅動裝置優(yōu)化設備運行參數。系統(tǒng)架構為邊緣計算+云端協(xié)同特征，數據采集實時性提升至2 s以內，存儲周期延長至30天，形成了物聯(lián)網感知-特征提取-智能診斷的新范式，故障識別準確率較初期提升40%，但模型泛化能力和預測性維護功能仍存在局限性。

（3）智能決策升級階段（2021年至今）

深度學習與邊緣計算技術的融合催生了自主決策能力。系統(tǒng)構建了LSTM神經網絡驅動的設備健康度評估模型，實現了92.3%的故障預測準確率，其中采煤機截割電機溫度場預測誤差控制<1.5 ℃。通過遷移學習技術建立的預警系統(tǒng)，可在故障發(fā)生前200 ms發(fā)出精確警報。設備群組協(xié)同控制機制通過多智能體強化學習優(yōu)化，使響應速度提升40%。技術架構實現了基于TEC機密計算的數據融合安全體系、支持在線學習的動態(tài)模型優(yōu)化框架、人機協(xié)同混合決策機制將領域知識圖譜與自主推理相結合的3個方面突破，技術創(chuàng)新使系統(tǒng)具備感知-診斷-決策-執(zhí)行的全鏈路閉環(huán)能力，綜采工作面電氣設備安全技術的3個階段如圖1所示。

圖 1 綜采工作面電氣設備安全技術的3個階段

綜采電氣設備安全存在問題和挑戰(zhàn)

（1）系統(tǒng)性安全標準缺失

當前礦用井下設備的安全設計缺乏系統(tǒng)性標準指導，現有標準（如IEC 61508）多針對通用工業(yè)場景，未能充分考慮煤礦復雜環(huán)境（如高粉塵、潮濕、電磁干擾等）的特殊需求。井下設備的全生命周期安全管理（設計、制造、運維）缺乏統(tǒng)一框架，導致安全功能碎片化，難以實現整體風險可控。

（2）風險評估方法不完善

礦井設備風險識別依賴傳統(tǒng)方法（如FMEA、FTA），但井下環(huán)境的多因素耦合效應（如機械運動與電氣控制的交互）增加了風險分析的復雜性，現有方法難以精準量化風險等級。隨機失效與系統(tǒng)性失效的協(xié)同控制策略不足，尤其在智能化設備中，軟件故障與硬件故障的疊加效應缺乏有效評估模型。

（3）安全功能設計與驗證技術滯后

安全保護系統(tǒng)（SRP/CS）與非安全部分的接口設計缺乏標準化，導致冗余控制、故障隔離等功能實現不規(guī)范。例如，液壓支架閉鎖功能中急停開關的串聯(lián)設計可能引入單點故障風險。安全失效分數（SFF）和硬件故障裕度（HFT）的計算依賴經驗數據，實際應用中常因元器件失效率數據不足導致安全等級評定不準確。

（4）智能化與新興技術融合的挑戰(zhàn)

自動駕駛、無人機等新型設備引入后，信息安全（如網絡攻擊對安全功能的影響）和功能安全（如AI算法誤判風險）的協(xié)同管理缺乏標準支撐?；诳偩€的安全通信（如Black Channel架構）在井下復雜電磁環(huán)境中的實時性和可靠性尚未得到充分驗證。礦用電氣設備安全技術存在關鍵問題如圖2所示。

圖 2 礦用電氣設備安全技術存在關鍵問題

綜采工作面電氣設備安全關鍵技術

結合前文所述礦用井下設備應用場景與功能安全技術近年發(fā)展趨勢，總結出礦用井下設備在功能安全領域的關鍵技術包括以下2個方面。

3.1 系統(tǒng)的風險識別和判定技術

（1）可靠性和系統(tǒng)性風險分析

對于井下礦用設備的風險可應用可靠性設計理念，使用FMEA方式對元器件失效形式及對系統(tǒng)影響進行自下而上分析，也可利用系統(tǒng)工程思想自上而下的分析，并結合操作場景，識別出危險場景和危險失效，從而為功能安全的應用找到起點和需求的來源。

（2）基于IEC/ISO 標準的風險判定細則

對識別出的風險按照標準，根據嚴重程度、發(fā)生頻次和可被控制的可能性進行分級，精細化判定風險，合理決定控制風險的安全功能應達到的響應等級，在保證安全完整性的同時不過度設計，平衡安全性能和經濟利益，不同風險的判斷流程如圖3所示。

圖 3 不同風險的判斷流程

3.2 細分的安全功能及其載體

（1）細分的安全停止動作

對于適用于不同載荷水平下的category0和category1的急停功能，前者可通過簡單切斷能源的方式實現，后者需在停止過程中施加與負載反向的力，具體到電動和液壓傳動的場景，需要將控制單元和逆變或電磁閥等元件作為安全系統(tǒng)的一部分綜合設計，結合井下本安等防爆要求的限制具有較高的技術難度，但有助于提高差異化競爭力。

（2）模塊化的安全功能載體

功能安全對安全保護系統(tǒng)與非安全部分進行準確要求，與未來產品開發(fā)敏捷性快速性相適應，針對不同場景下的不同安全功能進行模塊化設計，有利于安全系統(tǒng)完整和高度獨立同時，也有利于認證和專利保護，可參考電機傳動系統(tǒng)IEC 61800中對電機驅動系統(tǒng)安全功能的規(guī)劃和設計。

（3）基于總線的安全功能

由于未來井下各系統(tǒng)的集成度和協(xié)作要求越來越高，孤立的安全功能無法保證全局如工作面的安全功能完整實現，因此實現功能安全的安全保護系統(tǒng)將呈現非線性網絡拓撲，原有簡單硬接線形式的安全系統(tǒng)，由于診斷覆蓋率和客戶操作性的限制，將無法滿足此類安全功能要求，目前國外部分企業(yè)已經按照IEC 61784標準要求進行了相關安全功能設計，國內井下礦用設備也應提前規(guī)劃基于Black channel理念的總線式安全功能。

（4）未來與信息安全和人工智能的融合

目前自動駕駛領域的功能安全是領域發(fā)展前沿，引入智能算法后的控制軟件，信息安全和SOTIF等現實問題，引發(fā)的ISO 26262和ISO 21448標準體系的不斷升級和更新，應引起井下礦用設備的足夠關注，對于高實時性控制系統(tǒng)的分析方法如SYSML，STPA和相關工具應進行預研，為以智能礦車、無人機和機器人作為井下開采的主要設備的未來場景作好準備。

綜采電氣設備工程應用

4.1 綜采井下設備功能安全標準體系建立

功能安全的國際標準體系是以A類標準IEC 61508標準作為基礎標準體系，根據不同行業(yè)特點發(fā)展成為適用于過程工業(yè)、核能、醫(yī)藥、軌道交通、汽車、機械和電子行業(yè)的完整標準體系。

在綜采工作面控制系統(tǒng)中，采煤機、液壓支架、刮板輸送機均被認為是復雜的大型機械設備，危險存在于每個階段。在煤礦開采作業(yè)中，重型機械處于持續(xù)運轉狀態(tài)。設備運動相關事故最常見的記錄原因包括以下5個方面。

（1）設備運動部件的意外運動。

（2）未能停止車輛的移動。

（3）設備運行時看不見人在場。

（4）與傳送帶糾纏導致故障和破損。

（5）設備維護期間未能隔離或鎖定。

ISO 13849和IEC 62061標準在井下礦用設備的適用性，其中機械傷害的風險分析可參考機械安全的A類標準ISO 12100。適用于礦用井下設備的機電相關功能安全標準體系如圖4所示。

圖4 適用于礦用井下設備的機電相關功能安全標準體系

EN/ISO 13849適用于機械設備制造商，允許在其現有設計中納入公認的安全類別原則。在這種情況下，安全完整性以“要求的性能水平”PL 表示，從 PLa到PLe的遞增比例與SIL相似。PL等級與SLL等級的對應關系如圖5所示。

圖5 PL等級與SIL等級的對應關系

EN/ISO 13849標準適用于采礦機械應用，尤其使用硬接線和液壓安全聯(lián)鎖裝置的應用，包括對 PES 應用的詳細要求。IEC 62061提供的指南適合礦機中基于PES的安全相關控制的特殊類型，與IEC 61508相同的基礎上定義了SIL性能要求。設計人員可開發(fā)軟件，以實現系統(tǒng)安全的完整性。

4.2 綜采設備的功能安全標準體系架構

礦用井下設備按照上述標準應進行系統(tǒng)性的風險識別和分析，識別出需要使用安全保護裝置來控制的安全風險，并設計相關的安全裝置以使之具備相應水平的安全功能，達到所需的安全等級從而有效規(guī)避風險。風險排除流程如圖6所示。

圖6 風險排除流程

自井下礦用設備的控制系統(tǒng)有關安全部件（SRP/CS是安全功能的載體。開展功能安全設計的第1步為明確SRP/CS范圍和每部分要實現的功能，井下礦用設備中也應區(qū)分SRP/CS和非SRP/CS的范圍和功能，若1個部件同時在SRP/CS和非SRP/CS中發(fā)揮作用將作為SRP/CS被考量。

SRP/CS具體到井下礦用設備中此部分應包含安全功能相關的控制部件，包括安全信號輸入（用于觸發(fā)安全功能的信號來源），邏輯（決定安全功能觸發(fā)，停止和復位的部分）和輸出（如電磁閥，變頻器/伺服驅動器等執(zhí)行部件）3個部分。

井下礦用設備SRP/CS以外的部分包括：柜體，非SRP/CS器件和連接（控制器，傳感器，低壓電器，導線），執(zhí)行機構（如電動機，液壓缸），能源系統(tǒng)等。SRP/CS以外的系統(tǒng)雖不進行安全等級計算，但需要在考慮系統(tǒng)性失效時進行評估和考量。SRP/CS的拓撲應盡量避免非必要器件的串聯(lián)，系統(tǒng)集成時應充分考慮SRP/CS系統(tǒng)的接口，盡量避免轉接。安全功能設計流程如圖7所示，機電設備中安全系統(tǒng)與非安全系統(tǒng)關系如圖8所示。

圖7 安全功能設計流程

圖8 機電設備中安全系統(tǒng)與非安全系統(tǒng)關系

機械設備安全系統(tǒng)的通用架構如圖9所示，其中紅色部分的SRP/CS安全保護系統(tǒng)獨立于控制系統(tǒng)運行，不受基本控制系統(tǒng)故障影響，此種保證功能安全完整性的設計是典型的被廣泛接受的原則。

圖9 機電設備安全系統(tǒng)的通用架構

以井下的液壓支架為例，除了人工觸發(fā)的急停閉鎖功能之外，在智能化開采的背景下功能安全層面應進一步關注和防范的風險主要是液壓缸的非受控運動可能導致的人員傷害或受困。井下液壓支架功能安全框架如圖10所示。

圖10 井下液壓支架功能安全框架

采煤機安全停止功能，通過PES對電動機電流進行持續(xù)檢測，當電流出現異常時通過控制器對采煤機的電氣驅動系統(tǒng)執(zhí)行安全停機。采煤機的安全功能示意如圖11所示。此場景的安全功能要能夠對模擬量進行檢測和比對，在識別出風險后能夠通過切斷變頻器電源的方式停止采煤機的運行。

圖11 采煤機的安全功能示意

實現此安全功能的裝置包括：輸入部分（如互感線圈）、邏輯部分（控制器）、輸出部分（用于中繼和最終切斷電源的接觸器等）。除控制器的硬件冗余和軟件要求之外，輸出部分也應使用鏡像觸點，強制斷開結構等方式避免觸點黏連導致的隨機失效，保證較高（SIL 1）以上的安全功能。采煤機安全功能架構如圖12所示。

圖12 采煤機安全功能架構

4.3 綜采設備的功能安全標準體系應用

（1）支架閉鎖急停系統(tǒng)保護

安全完整性由硬件安全完整性和系統(tǒng)安全完整性2方面構成，硬件安全完整性是評定SIL等級的重要依據。硬件安全完整性又分為2類，分別為架構約束和隨機硬件失效?；谟布收显６龋℉FT）和安全失效分數的概念，支架閉鎖功能的功能安全設計如圖13所示，閉鎖開關和急停開關中的任一開關斷開均能實現本架閉鎖。

圖13 支架閉鎖功能的功能安全設計

安全失效分數（SFF）的計算為檢測到的危險失效的概率加上安全失效的概率除以總的失效概率，閉鎖功能的安全失效概率見表1，根據表1計算可得，SFF=6.67E-6。安全完整性等級見表2，安全失效分數是用來和硬件故障裕度（HFT）共同驗證硬件架構約束的安全完整性的，且支架閉鎖功能滿足A類安全相關子系統(tǒng)的定義，所以HFT=1且SFF≥99%，SIL等級可達到4。對于隨機硬件失效，硬件失效概率，在1oo2結構（MooN表決結構）下的計算公式為

式中：為具有共同原因的沒有被檢測到的失效分數；DU為未檢測到的子系統(tǒng)中通道每小時的危險失效率，為檢驗測試時間間隔，t為平均恢復時間，該式也可以簡化成_avgDU/3，在檢驗測試時間間隔為1年的情況下，經計算可得_avg=1.136E-3，滿足SIL2的失效概率要求。綜上所述，支架閉鎖功能的功能安全設計的安全完整性等級為2。

表1 閉鎖功能的安全失效概率

表2 安全完整性等級：PFD_avg

（2）急停系統(tǒng)保護

急停功能通過硬件和軟件雙重機制，實現全工作面支架的即時停止。按下任意支架控制器上的紅色急停按鈕后，系統(tǒng)會立即切斷電磁閥電源，所有液壓缸停止動作，并通過聲光報警提示危險狀態(tài)。此機制可防止因設備失控、誤操作或突發(fā)環(huán)境變化引發(fā)的事故。

急停觸發(fā)后，液壓支架急停顯示界面如圖14所示，本架及左右鄰架通過硬件閉鎖（直接切斷電源）和軟件閉鎖（通信協(xié)議阻斷）雙重手段禁止動作，避免連鎖反應導致更大范圍的風險擴散。急停信號在通信總線中具有最高優(yōu)先級，采用脈沖信號直接觸發(fā)，響應時間可控制在<1 m，高于傳統(tǒng)通信協(xié)議延遲，確保了極端情況下系統(tǒng)的快速響應能力。

圖14 液壓支架急停顯示界面

（3）采煤機、“三機”、泵站的閉鎖系統(tǒng)保護

采煤機、“三機”、泵站閉鎖功能展示了總控操作臺、“三機”、泵站、采煤機等設備相關界面，各設備界面均有“通信”狀態(tài)標識，采煤機、“三機”、泵站閉鎖功能界面如圖15所示。

圖15 采煤機、“三機”、泵站閉鎖功能界面

各設備界面均設有“閉鎖”選項，處于鎖定狀態(tài)。設備閉鎖功能是重要的安全保護機制，在工業(yè)生產尤其是煤礦等領域廣泛應用，防止設備在不安全或未經授權的情況下被操作，避免事故發(fā)生、保障人員安全和設備正常運行。

閉鎖功能通過對設備的控制回路或操作權限進行限制來實現。當滿足特定條件時，閉鎖裝置會自動切斷設備的啟動或操作電路，使設備無法運行；只有當此條件被滿足或解除后，設備才能恢復正常操作。在煤礦井下，當采煤機某些安全保護裝置動作時，閉鎖功能立即停止采煤機運行，并禁止再次啟動，直到故障排除，采煤機異常功能停機信息如圖16所示。常見應用場景由煤礦井下設備控制，像采煤機、液壓支架、輸送機等設備都有閉鎖功能。

圖16 采煤機異常功能停機信息

在某煤礦8102工作面應用基于PES的采煤機、“三機”等安全停機系統(tǒng)，實時采集電機電流、振動、溫度等12項參數。電流異常時，0.5 ms內切斷變頻器電源，停機時間<100 ms；系統(tǒng)平均無故障時間（MTBF）>10 000 h，滿足SIL3等級要求，工作面機電事故率下降72%，設備開機率提升至92.3%。

總 結

（1）聚焦綜采工作面電氣設備功能安全技術，系統(tǒng)闡述了功能安全的基本概念、國際標準體系在煤礦井下礦用設備的適用性，通過液壓支架閉鎖、采煤機急停等實例，分析了功能安全在不同場景下的硬件冗余架構和安全通信協(xié)議具體應用及設計考量。

（2）從全局視角構建了功能安全在井下礦用設備中的發(fā)展框架，自上而下明確了風險識別與安全等級判定，工程化安全功能實現，為未來智能開采全生命周期的安全管理提供了標準化思路。

（3）未來進一步融合人工智能、信息安全等技術，推動功能安全從被動防護向智能預測升級，同時完善適應煤礦特殊環(huán)境的行業(yè)標準體系，以支撐無人化開采技術的安全發(fā)展，助力煤礦開采智能化與安全化進程。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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