基于異構并行技術的智能起爆系統

段冉 錢葉剛

【摘 要】 本文設計了一種基于異構并行技術的起爆系統，起爆網絡主機通過RS-485 串行通信電纜與若干起爆網絡從機依序串聯連接；每個網絡起爆從機與數碼電子雷管群相連。起爆網絡主機對整個起爆網絡從機進行故障檢測、指令控制、信息查詢和顯示，每個起爆網絡從機根據起爆網絡主機指令，對連接的數碼電子雷管群供電和發送指令信息碼，并進行相應的供電控制動作—充電和起爆及反饋相應的通信信息。本系統能夠實現大型復雜爆破的可視化操作，提高了起爆安全系數，減少危險操作，降低環境污染，實現良好的經濟、社會效益，尤其適合于高精度微差爆破場合的使用。

【關鍵詞】 異構并行 起爆系統 RS-485 GPRS 電子開關

1 引言

目前，傳統的大型爆破工程主要依靠電雷管起爆系統。爆破工程項目越大，雷管使用量越多；所需起爆電壓越高，現場使用安全性越低。并且，一般電雷管只需要普通的電源即可引爆，容易被非法爆破者利用，不利于雷管使用的安全監管。

另外，在大型爆破工程中，由于現場地形復雜，為達到最佳的爆破效果，對爆破工藝控制嚴格，要求起爆系統具有極高的延時控制精度，能精確地控制整個工程爆破過程。傳統的雷管起爆系統不具備聯網自檢功能，現場檢查工作量大而繁瑣，容易形成雷管連接遺漏和錯誤，造成現場丟炮或啞炮，影響爆破工程進度和爆破作業的質量，且存在著較大的安全隱患。

基于異構并行技術的智能起爆系統使用專用起爆裝置，可根據設計的起爆網絡對對每一發電子雷管進行延時設定及在線檢測，并且必須進行“起爆授權認證”方可完成起爆，起爆器具有GPS/GPRS功能，可通過GPRS將爆破現場的使用情況上傳到相關監管部門。

2 起爆系統構成

系統共有三部分組成：起爆網絡主機、起爆網絡從機和電子雷管控制器。

起爆網絡包括1臺起爆網絡主機，1～15個起爆網絡從機（根據實際爆破需要確定數量），每個起爆網絡從機可連接1～200發電子雷管（根據實際爆破需要確定數量）。

2.1 電子雷管控制器

電子雷管的基本原理與傳統延期藥雷管相同，可以把它看做由傳統瞬發雷管外掛電子電路構成，示意圖如圖2所示。替代以前延期雷管的延期藥，以前雷管的延時靠延期藥，延期時間在廠家做好，分成不同的段別，客戶根據現場爆破需要的延期時間選擇產品，電子雷管控制器改變這一不便的現狀，產品一致，現場根據不同的要求設定不同的延期時間，精度大大提高。

電子延期控制電路可分為：供電通信模塊、延期模塊、控制儲能、起爆儲能、儲能器件放電、起爆點火控制模塊等。

為保持同傳統雷管接線方式一致性，電子延期雷管通常采用供電線和通信線復合使用的方式（直流載波通信）；為提高電子雷管的使用可靠性，保證在爆破過程中，供電線路由于某種原因出現故障的情況下，仍能按設定的延期時間完成爆破操作，采用儲能電容C1與C2分別儲存控制芯片工作和點火藥頭所需的能量；為提高電子雷管的抗干擾（靜電、射頻、雜散電流）的能力，提高電子延期雷管的安全性，采用電子開關K1控制對起爆電能的充電，使其只有在起爆準備（連接、檢測、延期時間設定等）完成后，才處于待起爆狀態。

在緊急情況下，需要終止爆破操作時，由電子開關K1把C2的儲能釋放；在延期時間到達后，電子開關K2控制把C2的儲能釋放到電子點火頭上，從而完成電子雷管的起爆工作。

2.2 起爆網絡叢機

起爆網絡從機是整個起爆網絡的中端控制儀器，上與起爆網絡主機連接，下與要起爆的電子雷管群連接，其主要功能有：橋絲檢測、故障檢測、密碼授權延時起爆等功能。組成框圖如下圖4所示：

2.3 起爆網絡主機

起爆網絡主機由可充電鋰亞電池、電源處理模塊、操作面板、通信接口模塊、處理模塊、液晶顯示模塊等部分組成。

3 智能起爆系統工作流程

起爆系統工作流程如下：

1）通過操作起爆網絡從機或專用設備對每一個待爆電子雷管設置延遲時間，所有電子雷管并行連接；

2）通過操作起爆網絡主機對網絡連接的起爆網絡從機及地址編號進行查詢， 即在線檢測，檢測到在線的起爆網絡從機編號點亮相應的指示燈和進行液晶顯示，查看檢測結果是否與人工實際連接的從機數量及設定地址有誤， 對于有故障的起爆網絡從機， 再進行人工檢查與糾正；

3）起爆網絡主機對各起爆網絡從機進行內部故障查詢，如出現故障起爆網絡從機欠壓、輸出短路、輸出短路、起爆網絡主機欠壓等信息，起爆網絡主機通過顯示告警，操作人員根據告警顯示信息，檢查相應的整個起爆網絡相應的故障點，及時快速排除故障，故障排除后，重新從在線檢測開始操作；

4）當整個網絡無錯誤地完成上述操作后， 按下起爆按鈕，輸入起爆授權密碼按下確定鍵，所有起爆網絡從機給連接的電子雷管發出充電指令及授權，授權正確啟動充電過程定時， 起爆網絡主機顯示20s 起爆倒計時，當計時充電時間到，向電子雷管發出起爆命令，各電子雷管按各自設定時間延時，延時時間到，發出起爆動作；

5）起爆動作完成后，電子雷管給起爆儲能電容放電，當起爆電容充完電而沒接收到起爆指令，也給起爆電容儲能放電，確保電子雷管事后現場處理安全。

4 系統安全性、可靠性設計

系統采用低功耗設計思路，盡量降低設備功耗，在起爆網絡主機和起爆網絡從機尺寸、重量等指標滿足條件下選用容量大的鋰亞電池，爭取系統較長的一次充電連續工作時間，為野外工作打下更好的基礎。所選鋰亞可充電電池和電路設計滿足連續工作大于10小時。電子雷管控制器工作電流≤0.4mA（+5VDC供電），斷電后可連續工作時間≥10s。

從硬件、軟件和通信組網采取措施提高RS-485通信可靠性，通信接口芯片選用MAXIM公司的MAX1480E集成電路。 MAX1480E是完整的電氣隔離型RS-485半雙工通信數據通信接口方案，采用一種混合微電路結構。RS-485側的I/O引腳上配備了±15kV靜電放電（ESD）沖擊保護，不會發生鎖定。由收發器、光耦和變壓器構成的完整的隔離接口被整合到了一片標準的DIP封裝內。驅動器的短路電流受到限制，并且當功率耗散過大時熱關斷電路可將驅動器輸出置為高阻態，以防器件損壞。接收器輸入具有故障保護特性，當輸入開路時可以保證已知的輸出狀態。并具備擺率限制實現無差錯數據傳輸功能，通過該設計滿足系統起爆網絡主機與起爆網絡從機之間的通訊可靠性。在波特率為9600bps，通訊距離1200m的工作條件下，實現誤碼率≤10-5。

5 結束語

本系統采用異構并行及RS-485總線通信技術設計了智能起爆系統，并且已在大中型起爆工程進行試用，其延時精度高、使用安全可靠，能夠實現大型復雜爆破的可視化操作，提高了起爆安全系數，減少危險操作，降低環境污染，實現良好的經濟、社會效益，尤其適合于高精度微差爆破場合的使用。

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