天玛智控王伟副研究员：综采工作面电气设备安全问题、挑战与关键技术研发及应用

2025年10月21日 16:54 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

为解决煤矿综采工作面电气设备安全制约无人化开采的核心瓶颈，改善井下设备安全控制策略缺失与全生命周期管理不足的现状，基于 IEC 61508、ISO 13849 等国际标准，提出以功能安全标准体系为核心的解决方案，构建涵盖风险分析、安全等级判定、冗余架构设计的完整框架。采用硬件故障裕度(HFT≥1)与安全失效分数(SFF≥99%)双重约束，实现SIL3 等级防护;通过模块化安全功能设计与总线式安全通信提升系统可靠性。经液压支架闭锁、采煤机急停等典型场景验证，该方案满足SIL3 安全等级要求，硬件失效防护能力及系统可靠性显著提升，为井下设备安全运行提供有效保障。

文章来源：《智能矿山》2025年第9期“学术园地”栏目

作者简介：王伟，副研究员，现任北京天玛智控科技股份有限公司智能开采事业部总经理，主要从事煤矿智能化开采领域工作。E-mail：wangwei@mktm.com.cn

作者单位：北京天玛智控科技股份有限公司

引用格式：王伟.综采工作面电气设备功能安全技术研发与应用[J].智能矿山，2025，6(9)：53-61.

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随着煤矿智能化开采技术的推进，综采工作面无人化作业成为行业发展趋势。然而，电气设备的功能安全问题已成为制约无人化开采的核心瓶颈。据国家能源局统计，2024年全国煤矿机电设备事故占比达50%，其中因安全控制策略缺失导致的事故占比>75%。功能安全作为保障设备故障后安全行为的核心技术，其标准体系（如 IEC 61508、ISO 13849）在通用工业领域已成熟应用，但煤矿井下高粉尘、强电磁干扰等特殊环境，现有技术难以直接适配。因此，构建适用于煤矿综采场景的功能安全技术体系，对推动无人化开采安全发展具有重要意义。

笔者聚焦矿用井下设备功能安全技术，旨在解决当前安全控制策略缺失与全生命周期管理不足的问题，通过建立标准化的功能安全框架，风险分析与安全等级判定的系统化；硬件冗余架构与安全通信的工程化应用；典型安全功能（如支架闭锁、采煤机急停）的可靠性验证。

综采工作面电气设备安全技术发展现状

（1）安全监测体系构建阶段（2014年前）

2014年前以基础参数采集和人工管理为核心，实现了煤矿关键设备的初步数字化监测。通过部署电流、电压传感器对采煤机、液压支架和输送机进行基础参数采集，并采用继电器保护装置实现过载、短路等基础电气保护。传感器技术以机械式、力敏式为主，数据采集依赖低功耗单片机系统，存储容量和实时处理能力有限；通信采用RS485、Canbus等半双工现场总线，传输速率和效率较低；监测软件仅具备基础数据分析功能，故障诊断主要依赖人工巡检和经验判断，形成了传感器采集-本地存储-人工分析的闭环，但系统智能化程度低，响应速度难以满足复杂工况需求。

（2）智能感知系统建设期（2015—2020年）

物联网架构的引入推动了监测系统的质变升级。通过部署温湿度、位移、振动等多维度传感器网络，实现了设备状态的全方位感知。关键技术突破包括：采用DSP数字信号处理技术提取故障频谱特征，开发基于三相不平衡度分析的专家诊断模型，并应用自适应变频驱动装置优化设备运行参数。系统架构为边缘计算+云端协同特征，数据采集实时性提升至2 s以内，存储周期延长至30天，形成了物联网感知-特征提取-智能诊断的新范式，故障识别准确率较初期提升40%，但模型泛化能力和预测性维护功能仍存在局限性。

（3）智能决策升级阶段（2021年至今）

深度学习与边缘计算技术的融合催生了自主决策能力。系统构建了LSTM神经网络驱动的设备健康度评估模型，实现了92.3%的故障预测准确率，其中采煤机截割电机温度场预测误差控制<1.5 ℃。通过迁移学习技术建立的预警系统，可在故障发生前200 ms发出精确警报。设备群组协同控制机制通过多智能体强化学习优化，使响应速度提升40%。技术架构实现了基于TEC机密计算的数据融合安全体系、支持在线学习的动态模型优化框架、人机协同混合决策机制将领域知识图谱与自主推理相结合的3个方面突破，技术创新使系统具备感知-诊断-决策-执行的全链路闭环能力，综采工作面电气设备安全技术的3个阶段如图1所示。

图 1 综采工作面电气设备安全技术的3个阶段

综采电气设备安全存在问题和挑战

（1）系统性安全标准缺失

当前矿用井下设备的安全设计缺乏系统性标准指导，现有标准（如IEC 61508）多针对通用工业场景，未能充分考虑煤矿复杂环境（如高粉尘、潮湿、电磁干扰等）的特殊需求。井下设备的全生命周期安全管理（设计、制造、运维）缺乏统一框架，导致安全功能碎片化，难以实现整体风险可控。

（2）风险评估方法不完善

矿井设备风险识别依赖传统方法（如FMEA、FTA），但井下环境的多因素耦合效应（如机械运动与电气控制的交互）增加了风险分析的复杂性，现有方法难以精准量化风险等级。随机失效与系统性失效的协同控制策略不足，尤其在智能化设备中，软件故障与硬件故障的叠加效应缺乏有效评估模型。

（3）安全功能设计与验证技术滞后

安全保护系统（SRP/CS）与非安全部分的接口设计缺乏标准化，导致冗余控制、故障隔离等功能实现不规范。例如，液压支架闭锁功能中急停开关的串联设计可能引入单点故障风险。安全失效分数（SFF）和硬件故障裕度（HFT）的计算依赖经验数据，实际应用中常因元器件失效率数据不足导致安全等级评定不准确。

（4）智能化与新兴技术融合的挑战

自动驾驶、无人机等新型设备引入后，信息安全（如网络攻击对安全功能的影响）和功能安全（如AI算法误判风险）的协同管理缺乏标准支撑。基于总线的安全通信（如Black Channel架构）在井下复杂电磁环境中的实时性和可靠性尚未得到充分验证。矿用电气设备安全技术存在关键问题如图2所示。

图 2 矿用电气设备安全技术存在关键问题

综采工作面电气设备安全关键技术

结合前文所述矿用井下设备应用场景与功能安全技术近年发展趋势，总结出矿用井下设备在功能安全领域的关键技术包括以下2个方面。

3.1 系统的风险识别和判定技术

（1）可靠性和系统性风险分析

对于井下矿用设备的风险可应用可靠性设计理念，使用FMEA方式对元器件失效形式及对系统影响进行自下而上分析，也可利用系统工程思想自上而下的分析，并结合操作场景，识别出危险场景和危险失效，从而为功能安全的应用找到起点和需求的来源。

（2）基于IEC/ISO 标准的风险判定细则

对识别出的风险按照标准，根据严重程度、发生频次和可被控制的可能性进行分级，精细化判定风险，合理决定控制风险的安全功能应达到的响应等级，在保证安全完整性的同时不过度设计，平衡安全性能和经济利益，不同风险的判断流程如图3所示。

图 3 不同风险的判断流程

3.2 细分的安全功能及其载体

（1）细分的安全停止动作

对于适用于不同载荷水平下的category0和category1的急停功能，前者可通过简单切断能源的方式实现，后者需在停止过程中施加与负载反向的力，具体到电动和液压传动的场景，需要将控制单元和逆变或电磁阀等元件作为安全系统的一部分综合设计，结合井下本安等防爆要求的限制具有较高的技术难度，但有助于提高差异化竞争力。

（2）模块化的安全功能载体

功能安全对安全保护系统与非安全部分进行准确要求，与未来产品开发敏捷性快速性相适应，针对不同场景下的不同安全功能进行模块化设计，有利于安全系统完整和高度独立同时，也有利于认证和专利保护，可参考电机传动系统IEC 61800中对电机驱动系统安全功能的规划和设计。

（3）基于总线的安全功能

由于未来井下各系统的集成度和协作要求越来越高，孤立的安全功能无法保证全局如工作面的安全功能完整实现，因此实现功能安全的安全保护系统将呈现非线性网络拓扑，原有简单硬接线形式的安全系统，由于诊断覆盖率和客户操作性的限制，将无法满足此类安全功能要求，目前国外部分企业已经按照IEC 61784标准要求进行了相关安全功能设计，国内井下矿用设备也应提前规划基于Black channel理念的总线式安全功能。

（4）未来与信息安全和人工智能的融合

目前自动驾驶领域的功能安全是领域发展前沿，引入智能算法后的控制软件，信息安全和SOTIF等现实问题，引发的ISO 26262和ISO 21448标准体系的不断升级和更新，应引起井下矿用设备的足够关注，对于高实时性控制系统的分析方法如SYSML，STPA和相关工具应进行预研，为以智能矿车、无人机和机器人作为井下开采的主要设备的未来场景作好准备。

综采电气设备工程应用

4.1 综采井下设备功能安全标准体系建立

功能安全的国际标准体系是以A类标准IEC 61508标准作为基础标准体系，根据不同行业特点发展成为适用于过程工业、核能、医药、轨道交通、汽车、机械和电子行业的完整标准体系。

在综采工作面控制系统中，采煤机、液压支架、刮板输送机均被认为是复杂的大型机械设备，危险存在于每个阶段。在煤矿开采作业中，重型机械处于持续运转状态。设备运动相关事故最常见的记录原因包括以下5个方面。

（1）设备运动部件的意外运动。

（2）未能停止车辆的移动。

（3）设备运行时看不见人在场。

（4）与传送带纠缠导致故障和破损。

（5）设备维护期间未能隔离或锁定。

ISO 13849和IEC 62061标准在井下矿用设备的适用性，其中机械伤害的风险分析可参考机械安全的A类标准ISO 12100。适用于矿用井下设备的机电相关功能安全标准体系如图4所示。

图4 适用于矿用井下设备的机电相关功能安全标准体系

EN/ISO 13849适用于机械设备制造商，允许在其现有设计中纳入公认的安全类别原则。在这种情况下，安全完整性以“要求的性能水平”PL 表示，从 PLa到PLe的递增比例与SIL相似。PL等级与SLL等级的对应关系如图5所示。

图5 PL等级与SIL等级的对应关系

EN/ISO 13849标准适用于采矿机械应用，尤其使用硬接线和液压安全联锁装置的应用，包括对 PES 应用的详细要求。IEC 62061提供的指南适合矿机中基于PES的安全相关控制的特殊类型，与IEC 61508相同的基础上定义了SIL性能要求。设计人员可开发软件，以实现系统安全的完整性。

4.2 综采设备的功能安全标准体系架构

矿用井下设备按照上述标准应进行系统性的风险识别和分析，识别出需要使用安全保护装置来控制的安全风险，并设计相关的安全装置以使之具备相应水平的安全功能，达到所需的安全等级从而有效规避风险。风险排除流程如图6所示。

图6 风险排除流程

自井下矿用设备的控制系统有关安全部件（SRP/CS是安全功能的载体。开展功能安全设计的第1步为明确SRP/CS范围和每部分要实现的功能，井下矿用设备中也应区分SRP/CS和非SRP/CS的范围和功能，若1个部件同时在SRP/CS和非SRP/CS中发挥作用将作为SRP/CS被考量。

SRP/CS具体到井下矿用设备中此部分应包含安全功能相关的控制部件，包括安全信号输入（用于触发安全功能的信号来源），逻辑（决定安全功能触发，停止和复位的部分）和输出（如电磁阀，变频器/伺服驱动器等执行部件）3个部分。

井下矿用设备SRP/CS以外的部分包括：柜体，非SRP/CS器件和连接（控制器，传感器，低压电器，导线），执行机构（如电动机，液压缸），能源系统等。SRP/CS以外的系统虽不进行安全等级计算，但需要在考虑系统性失效时进行评估和考量。SRP/CS的拓扑应尽量避免非必要器件的串联，系统集成时应充分考虑SRP/CS系统的接口，尽量避免转接。安全功能设计流程如图7所示，机电设备中安全系统与非安全系统关系如图8所示。

图7 安全功能设计流程

图8 机电设备中安全系统与非安全系统关系

机械设备安全系统的通用架构如图9所示，其中红色部分的SRP/CS安全保护系统独立于控制系统运行，不受基本控制系统故障影响，此种保证功能安全完整性的设计是典型的被广泛接受的原则。

图9 机电设备安全系统的通用架构

以井下的液压支架为例，除了人工触发的急停闭锁功能之外，在智能化开采的背景下功能安全层面应进一步关注和防范的风险主要是液压缸的非受控运动可能导致的人员伤害或受困。井下液压支架功能安全框架如图10所示。

图10 井下液压支架功能安全框架

采煤机安全停止功能，通过PES对电动机电流进行持续检测，当电流出现异常时通过控制器对采煤机的电气驱动系统执行安全停机。采煤机的安全功能示意如图11所示。此场景的安全功能要能够对模拟量进行检测和比对，在识别出风险后能够通过切断变频器电源的方式停止采煤机的运行。

图11 采煤机的安全功能示意

实现此安全功能的装置包括：输入部分（如互感线圈）、逻辑部分（控制器）、输出部分（用于中继和最终切断电源的接触器等）。除控制器的硬件冗余和软件要求之外，输出部分也应使用镜像触点，强制断开结构等方式避免触点黏连导致的随机失效，保证较高（SIL 1）以上的安全功能。采煤机安全功能架构如图12所示。

图12 采煤机安全功能架构

4.3 综采设备的功能安全标准体系应用

（1）支架闭锁急停系统保护

安全完整性由硬件安全完整性和系统安全完整性2方面构成，硬件安全完整性是评定SIL等级的重要依据。硬件安全完整性又分为2类，分别为架构约束和随机硬件失效。基于硬件故障裕度（HFT）和安全失效分数的概念，支架闭锁功能的功能安全设计如图13所示，闭锁开关和急停开关中的任一开关断开均能实现本架闭锁。

图13 支架闭锁功能的功能安全设计

安全失效分数（SFF）的计算为检测到的危险失效的概率加上安全失效的概率除以总的失效概率，闭锁功能的安全失效概率见表1，根据表1计算可得，SFF=6.67E-6。安全完整性等级见表2，安全失效分数是用来和硬件故障裕度（HFT）共同验证硬件架构约束的安全完整性的，且支架闭锁功能满足A类安全相关子系统的定义，所以HFT=1且SFF≥99%，SIL等级可达到4。对于随机硬件失效，硬件失效概率，在1oo2结构（MooN表决结构）下的计算公式为

式中：为具有共同原因的没有被检测到的失效分数；DU为未检测到的子系统中通道每小时的危险失效率，为检验测试时间间隔，t为平均恢复时间，该式也可以简化成_avg_DU/3，在检验测试时间间隔为1年的情况下，经计算可得_avg=1.136E-3，满足SIL2的失效概率要求。综上所述，支架闭锁功能的功能安全设计的安全完整性等级为2。

表1 闭锁功能的安全失效概率

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表2 安全完整性等级：PFD_avg

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（2）急停系统保护

急停功能通过硬件和软件双重机制，实现全工作面支架的即时停止。按下任意支架控制器上的红色急停按钮后，系统会立即切断电磁阀电源，所有液压缸停止动作，并通过声光报警提示危险状态。此机制可防止因设备失控、误操作或突发环境变化引发的事故。

急停触发后，液压支架急停显示界面如图14所示，本架及左右邻架通过硬件闭锁（直接切断电源）和软件闭锁（通信协议阻断）双重手段禁止动作，避免连锁反应导致更大范围的风险扩散。急停信号在通信总线中具有最高优先级，采用脉冲信号直接触发，响应时间可控制在<1 m，高于传统通信协议延迟，确保了极端情况下系统的快速响应能力。

图14 液压支架急停显示界面

（3）采煤机、“三机”、泵站的闭锁系统保护

采煤机、“三机”、泵站闭锁功能展示了总控操作台、“三机”、泵站、采煤机等设备相关界面，各设备界面均有“通信”状态标识，采煤机、“三机”、泵站闭锁功能界面如图15所示。

图15 采煤机、“三机”、泵站闭锁功能界面

各设备界面均设有“闭锁”选项，处于锁定状态。设备闭锁功能是重要的安全保护机制，在工业生产尤其是煤矿等领域广泛应用，防止设备在不安全或未经授权的情况下被操作，避免事故发生、保障人员安全和设备正常运行。

闭锁功能通过对设备的控制回路或操作权限进行限制来实现。当满足特定条件时，闭锁装置会自动切断设备的启动或操作电路，使设备无法运行；只有当此条件被满足或解除后，设备才能恢复正常操作。在煤矿井下，当采煤机某些安全保护装置动作时，闭锁功能立即停止采煤机运行，并禁止再次启动，直到故障排除，采煤机异常功能停机信息如图16所示。常见应用场景由煤矿井下设备控制，像采煤机、液压支架、输送机等设备都有闭锁功能。

图16 采煤机异常功能停机信息

在某煤矿8102工作面应用基于PES的采煤机、“三机”等安全停机系统，实时采集电机电流、振动、温度等12项参数。电流异常时，0.5 ms内切断变频器电源，停机时间<100 ms；系统平均无故障时间（MTBF）>10 000 h，满足SIL3等级要求，工作面机电事故率下降72%，设备开机率提升至92.3%。

总结

（1）聚焦综采工作面电气设备功能安全技术，系统阐述了功能安全的基本概念、国际标准体系在煤矿井下矿用设备的适用性，通过液压支架闭锁、采煤机急停等实例，分析了功能安全在不同场景下的硬件冗余架构和安全通信协议具体应用及设计考量。

（2）从全局视角构建了功能安全在井下矿用设备中的发展框架，自上而下明确了风险识别与安全等级判定，工程化安全功能实现，为未来智能开采全生命周期的安全管理提供了标准化思路。

（3）未来进一步融合人工智能、信息安全等技术，推动功能安全从被动防护向智能预测升级，同时完善适应煤矿特殊环境的行业标准体系，以支撑无人化开采技术的安全发展，助力煤矿开采智能化与安全化进程。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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