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[原创] 如何实现高精度无线同步控制矿山爆破?

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发表于 2024-1-25 14:19:34 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 甘肃省兰州市
       随着现代社会工业化进程的不断加快,人们对于矿山开采的规模和速度要求越来越高。为了快速推进矿山的开采作业,人们对于炸药威力的要求越来越高。

       考虑到生产、运输和存储等各个方面的安全性以及国家有关方面的强制要求,雷管的火药填装量是有严格限制的,不允许随意加大。因此人们转而采用将多个雷管“并联”的方式来加大其爆炸威力;这样在生产,运输和存储等各个环节雷管都是单独管理的,可以满足安全性方面的要求,到了矿山现场,将这些雷管密集的安装在矿山的不同位置,然后让他们同时起爆,就可以起到一个“超大型雷管”的效果,但是这种技术带来了一个新的挑战,那就是雷管的同步点火问题。

传统有线同步爆破控制技术的困境

       双绞线并联组网的有线技术自诞生以来经过多年的不断优化迭代,其同步精度目前已经可以做到一毫秒,在大量的工业现场都取得了良好的爆炸效果,其爆炸威力比同等当量的单个雷管效果好得多,安全性也很不错,经济效益也十分明显。但是同样存在着如下的问题:

       一、有线爆破的线路凌乱      这种双绞线并联组网方式在施工过程中需要大量的引线将所有的雷管连接起来,这种连接方式可以是星型,也可以是树形,也可以是菊花链状,十分灵活;但是这也带来了一个严重的问题,那就是现场混乱不堪;

       二、有线爆破故障排查难      一旦有的点位没有接触良好,有线的连接,会加大故障排查和验证的难度;

       三、有线爆破故障波及面广    一旦有一个非末端的点位没有接触良好,可能导致部分炸点,甚至局部某一个片区完全脱网,这会导致该区域完全无法起爆,其整体爆炸效果大打折扣,严重情况下会使得爆破作业完全失败,需要二次作业。


爆破图1.png


如何实现高精度无线同步控制爆破?


       在大量的工程实践中,人们发现很多的爆破失效都是因为负责组网的导线接触不良所致,糟糕的是,一旦某根干线接触不良,所有挂接在该干线下的分支节点都会因为脱离网络而失去控制;近些年来无线技术的不断发展引起了人们的重视,无线控制爆破在安全性、便捷性、经济性方面具有独特优势,是传统爆破无法比拟的。其优势主要体现在以下的方面:

      1)组网能力强,可一次完成大规模爆破,采用快速无线连接,网络连接方便快捷,加快工程进度,为爆破施工节约时间及人力、物力;

      2)延期精度高,通过合理的爆破设计,可减少5%15%炸药使用量,提高炸药使用效率,降低爆破成本;

      3)能有效降低振动,减少对周边生产设备及设施、房屋的破坏;

     4)施工成本低   减少矿石大块率,减少铲装运输成本,后期加工方便,节约耗电,提高综合效率。

       从理论上来讲,无线技术可以摆脱导线连接方面的困扰,但是无线技术需要解决,电池供电和功耗、无线通信的稳定和可靠性、无线通信的延时和同步精度这三个问题。

       在传统的有线组网方案中,导线既是信号传输线,也是电源线;在无线方案中,电力供应就成为首先需要解决的问题。近些年由于90纳米以下的低功耗半导体技术的高速发展,支持电磁波唤醒技术的无线电通讯模块已经可以做到微安级的功率消耗,完全可以依靠一节 CR2032 的纽扣电池待机数年时间,因此WiMi-net采用 90纳米以下的低功耗半导体芯片,高性能低功耗的射频芯片,与之相匹配的WiMi-net无线通信协议软件,电池供电和功耗问题就完全可以解决了。

       WiMinet经过多年的潜心研究,已经发展出一整套完整的WiMi-net无线组网通信协议栈,WiMi-net无线通信协议栈内置组网算法和TCP/UDP通讯协议,特别是构建于UDP数据包基础之上的WORWake On Radio)电磁波唤醒技术可高效解决雷管组网的高精度同步和无线传输稳定可靠性问题。

       矿山爆破执行前,在预定地点安置完成炸点,这些炸点都具有独立的无线信号接收装置以及彼此独立的无线唤醒机制。在单位时间内,均在休眠和唤醒之间切换。



爆破2.png




      如图所示,每一个雷管都配置一个无线模块,每个无线模块都由一块 CR2032的纽扣电池供电,在WiMi-net无线通信协议栈的控制下,炸点射频感应电路被周期性的唤醒,在唤醒的过程中不断的搜索空中是否有唤醒的无线电信号。图片中黄色脉冲表示炸点的无线模块处于休眠阶段,绿色的脉冲表示炸点的无线模块处于唤醒阶段。

      如果没有发现电磁波唤醒信号则炸点转入休眠状态,等待下一个唤醒周期再次醒来,该过程如同图中黄色的脉冲线所示。

      一旦炸点检测到发射机的电磁波唤醒信号,就会开始比较唤醒报文的安全特征码;如果特征码匹配,则该炸点进入安全接收过程,如图中的绿色脉冲线所示。如果特征码不匹配,则该炸点重新进入休眠状态。

      当爆破指令发出,每个炸点的接收装置,在不同的时间节点接收到由无线发射机发出的无线起爆控制信号,待所有炸点均接收完成信号(如图中绿色区域),便开始“炸前准备”。准备完成,进入爆炸阶段,这一阶段所有炸点均在相同的时间T时刻,同步爆炸。同步延迟可控制在0.5ms以内。

      考虑到每一个无线模块上电激活的时间不同,因此每一个无线模块内部的计数器都是不一样的,并且其定时休眠唤醒的时间也不可能完全同步,因此在收到发射机的同步点火起爆指令之后,无线模块需要从任意接收时刻开始自动的推算唤醒报文的结束时间,然后执行高精度的时钟校准,在微秒计时器计时结束之后送出雷管点火指令,实现同步起爆。

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