基于異構(gòu)并行技術(shù)的智能起爆系統(tǒng)

段冉 錢葉剛

【摘 要】 本文設(shè)計(jì)了一種基于異構(gòu)并行技術(shù)的起爆系統(tǒng)，起爆網(wǎng)絡(luò)主機(jī)通過RS-485 串行通信電纜與若干起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)依序串聯(lián)連接；每個(gè)網(wǎng)絡(luò)起爆從機(jī)與數(shù)碼電子雷管群相連。起爆網(wǎng)絡(luò)主機(jī)對整個(gè)起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)進(jìn)行故障檢測、指令控制、信息查詢和顯示，每個(gè)起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)根據(jù)起爆網(wǎng)絡(luò)主機(jī)指令，對連接的數(shù)碼電子雷管群供電和發(fā)送指令信息碼，并進(jìn)行相應(yīng)的供電控制動(dòng)作—充電和起爆及反饋相應(yīng)的通信信息。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大型復(fù)雜爆破的可視化操作，提高了起爆安全系數(shù)，減少危險(xiǎn)操作，降低環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)、社會效益，尤其適合于高精度微差爆破場合的使用。

【關(guān)鍵詞】 異構(gòu)并行 起爆系統(tǒng) RS-485 GPRS 電子開關(guān)

1 引言

目前，傳統(tǒng)的大型爆破工程主要依靠電雷管起爆系統(tǒng)。爆破工程項(xiàng)目越大，雷管使用量越多；所需起爆電壓越高，現(xiàn)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(jiān)管。

另外，在大型爆破工程中，由于現(xiàn)場地形復(fù)雜，為達(dá)到最佳的爆破效果，對爆破工藝控制嚴(yán)格，要求起爆系統(tǒng)具有極高的延時(shí)控制精度，能精確地控制整個(gè)工程爆破過程。傳統(tǒng)的雷管起爆系統(tǒng)不具備聯(lián)網(wǎng)自檢功能，現(xiàn)場檢查工作量大而繁瑣，容易形成雷管連接遺漏和錯(cuò)誤，造成現(xiàn)場丟炮或啞炮，影響爆破工程進(jìn)度和爆破作業(yè)的質(zhì)量，且存在著較大的安全隱患。

基于異構(gòu)并行技術(shù)的智能起爆系統(tǒng)使用專用起爆裝置，可根據(jù)設(shè)計(jì)的起爆網(wǎng)絡(luò)對對每一發(fā)電子雷管進(jìn)行延時(shí)設(shè)定及在線檢測，并且必須進(jìn)行“起爆授權(quán)認(rèn)證”方可完成起爆，起爆器具有GPS/GPRS功能，可通過GPRS將爆破現(xiàn)場的使用情況上傳到相關(guān)監(jiān)管部門。

2 起爆系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)共有三部分組成：起爆網(wǎng)絡(luò)主機(jī)、起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)和電子雷管控制器。

起爆網(wǎng)絡(luò)包括1臺起爆網(wǎng)絡(luò)主機(jī)，1～15個(gè)起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)（根據(jù)實(shí)際爆破需要確定數(shù)量），每個(gè)起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)可連接1～200發(fā)電子雷管（根據(jù)實(shí)際爆破需要確定數(shù)量）。

2.1 電子雷管控制器

電子雷管的基本原理與傳統(tǒng)延期藥雷管相同，可以把它看做由傳統(tǒng)瞬發(fā)雷管外掛電子電路構(gòu)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(shí)靠延期藥，延期時(shí)間在廠家做好，分成不同的段別，客戶根據(jù)現(xiàn)場爆破需要的延期時(shí)間選擇產(chǎn)品，電子雷管控制器改變這一不便的現(xiàn)狀，產(chǎn)品一致，現(xiàn)場根據(jù)不同的要求設(shè)定不同的延期時(shí)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(diǎn)火控制模塊等。

為保持同傳統(tǒng)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(fù)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(xiàn)故障的情況下，仍能按設(shè)定的延期時(shí)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(diǎn)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(guān)K1控制對起爆電能的充電，使其只有在起爆準(zhǔn)備（連接、檢測、延期時(shí)間設(shè)定等）完成后，才處于待起爆狀態(tài)。

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

2.2 起爆網(wǎng)絡(luò)叢機(jī)

起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)是整個(gè)起爆網(wǎng)絡(luò)的中端控制儀器，上與起爆網(wǎng)絡(luò)主機(jī)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(quán)延時(shí)起爆等功能。組成框圖如下圖4所示：

2.3 起爆網(wǎng)絡(luò)主機(jī)

起爆網(wǎng)絡(luò)主機(jī)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(tǒng)工作流程

起爆系統(tǒng)工作流程如下：

1）通過操作起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)或?qū)Ｓ迷O(shè)備對每一個(gè)待爆電子雷管設(shè)置延遲時(shí)間，所有電子雷管并行連接；

2）通過操作起爆網(wǎng)絡(luò)主機(jī)對網(wǎng)絡(luò)連接的起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)及地址編號進(jìn)行查詢， 即在線檢測，檢測到在線的起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)編號點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈和進(jìn)行液晶顯示，查看檢測結(jié)果是否與人工實(shí)際連接的從機(jī)數(shù)量及設(shè)定地址有誤， 對于有故障的起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)， 再進(jìn)行人工檢查與糾正；

3）起爆網(wǎng)絡(luò)主機(jī)對各起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)進(jìn)行內(nèi)部故障查詢，如出現(xiàn)故障起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)欠壓、輸出短路、輸出短路、起爆網(wǎng)絡(luò)主機(jī)欠壓等信息，起爆網(wǎng)絡(luò)主機(jī)通過顯示告警，操作人員根據(jù)告警顯示信息，檢查相應(yīng)的整個(gè)起爆網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的故障點(diǎn)，及時(shí)快速排除故障，故障排除后，重新從在線檢測開始操作；

4）當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無錯(cuò)誤地完成上述操作后， 按下起爆按鈕，輸入起爆授權(quán)密碼按下確定鍵，所有起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)給連接的電子雷管發(fā)出充電指令及授權(quán)，授權(quán)正確啟動(dòng)充電過程定時(shí)， 起爆網(wǎng)絡(luò)主機(jī)顯示20s 起爆倒計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)充電時(shí)間到，向電子雷管發(fā)出起爆命令，各電子雷管按各自設(shè)定時(shí)間延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到，發(fā)出起爆動(dòng)作；

5）起爆動(dòng)作完成后，電子雷管給起爆儲能電容放電，當(dāng)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(xiàn)場處理安全。

4 系統(tǒng)安全性、可靠性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)思路，盡量降低設(shè)備功耗，在起爆網(wǎng)絡(luò)主機(jī)和起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)尺寸、重量等指標(biāo)滿足條件下選用容量大的鋰亞電池，爭取系統(tǒng)較長的一次充電連續(xù)工作時(shí)間，為野外工作打下更好的基礎(chǔ)。所選鋰亞可充電電池和電路設(shè)計(jì)滿足連續(xù)工作大于10小時(shí)。電子雷管控制器工作電流≤0.4mA（+5VDC供電），斷電后可連續(xù)工作時(shí)間≥10s。

從硬件、軟件和通信組網(wǎng)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(shù)據(jù)通信接口方案，采用一種混合微電路結(jié)構(gòu)。RS-485側(cè)的I/O引腳上配備了±15kV靜電放電（ESD）沖擊保護(hù)，不會發(fā)生鎖定。由收發(fā)器、光耦和變壓器構(gòu)成的完整的隔離接口被整合到了一片標(biāo)準(zhǔn)的DIP封裝內(nèi)。驅(qū)動(dòng)器的短路電流受到限制，并且當(dāng)功率耗散過大時(shí)熱關(guān)斷電路可將驅(qū)動(dòng)器輸出置為高阻態(tài)，以防器件損壞。接收器輸入具有故障保護(hù)特性，當(dāng)輸入開路時(shí)可以保證已知的輸出狀態(tài)。并具備擺率限制實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸功能，通過該設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)起爆網(wǎng)絡(luò)主機(jī)與起爆網(wǎng)絡(luò)從機(jī)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(shí)現(xiàn)誤碼率≤10-5。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用異構(gòu)并行及RS-485總線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了智能起爆系統(tǒng)，并且已在大中型起爆工程進(jìn)行試用，其延時(shí)精度高、使用安全可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)大型復(fù)雜爆破的可視化操作，提高了起爆安全系數(shù)，減少危險(xiǎn)操作，降低環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)、社會效益，尤其適合于高精度微差爆破場合的使用。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 謝勝，劉博.電子雷管起爆網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及其應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代礦業(yè)，2014（9）：183184.

[2] 劉星，徐棟，顏景龍. I-Kon 電子起爆系統(tǒng)[J]. 火工品，2004（4）：1820.

[3] 王鵬. 可編程電子延期雷管研究[D]. 武漢理工大學(xué)，2007.