基于异构并行技术的智能起爆系统

段冉 钱叶刚

【摘 要】 本文设计了一种基于异构并行技术的起爆系统，起爆网络主机通过RS-485 串行通信电缆与若干起爆网络从机依序串联连接；每个网络起爆从机与数码电子雷管群相连。起爆网络主机对整个起爆网络从机进行故障检测、指令控制、信息查询和显示，每个起爆网络从机根据起爆网络主机指令，对连接的数码电子雷管群供电和发送指令信息码，并进行相应的供电控制动作—充电和起爆及反馈相应的通信信息。本系统能够实现大型复杂爆破的可视化操作，提高了起爆安全系数，减少危险操作，降低环境污染，实现良好的经济、社会效益，尤其适合于高精度微差爆破场合的使用。

【关键词】 异构并行 起爆系统 RS-485 GPRS 电子开关

1 引言

目前，传统的大型爆破工程主要依靠电雷管起爆系统。爆破工程项目越大，雷管使用量越多；所需起爆电压越高，现场使用安全性越低。并且，一般电雷管只需要普通的电源即可引爆，容易被非法爆破者利用，不利于雷管使用的安全监管。

另外，在大型爆破工程中，由于现场地形复杂，为达到最佳的爆破效果，对爆破工艺控制严格，要求起爆系统具有极高的延时控制精度，能精确地控制整个工程爆破过程。传统的雷管起爆系统不具备联网自检功能，现场检查工作量大而繁琐，容易形成雷管连接遗漏和错误，造成现场丢炮或哑炮，影响爆破工程进度和爆破作业的质量，且存在着较大的安全隐患。

基于异构并行技术的智能起爆系统使用专用起爆装置，可根据设计的起爆网络对对每一发电子雷管进行延时设定及在线检测，并且必须进行“起爆授权认证”方可完成起爆，起爆器具有GPS/GPRS功能，可通过GPRS将爆破现场的使用情况上传到相关监管部门。

2 起爆系统构成

系统共有三部分组成：起爆网络主机、起爆网络从机和电子雷管控制器。

起爆网络包括1台起爆网络主机，1～15个起爆网络从机（根据实际爆破需要确定数量），每个起爆网络从机可连接1～200发电子雷管（根据实际爆破需要确定数量）。

2.1 电子雷管控制器

电子雷管的基本原理与传统延期药雷管相同，可以把它看做由传统瞬发雷管外挂电子电路构成，示意图如图2所示。替代以前延期雷管的延期药，以前雷管的延时靠延期药，延期时间在厂家做好，分成不同的段别，客户根据现场爆破需要的延期时间选择产品，电子雷管控制器改变这一不便的现状，产品一致，现场根据不同的要求设定不同的延期时间，精度大大提高。

电子延期控制电路可分为：供电通信模块、延期模块、控制储能、起爆储能、储能器件放电、起爆点火控制模块等。

为保持同传统雷管接线方式一致性，电子延期雷管通常采用供电线和通信线复合使用的方式（直流载波通信）；为提高电子雷管的使用可靠性，保证在爆破过程中，供电线路由于某种原因出现故障的情况下，仍能按设定的延期时间完成爆破操作，采用储能电容C1与C2分别储存控制芯片工作和点火药头所需的能量；为提高电子雷管的抗干扰（静电、射频、杂散电流）的能力，提高电子延期雷管的安全性，采用电子开关K1控制对起爆电能的充电，使其只有在起爆准备（连接、检测、延期时间设定等）完成后，才处于待起爆状态。

在紧急情况下，需要终止爆破操作时，由电子开关K1把C2的储能释放；在延期时间到达后，电子开关K2控制把C2的储能释放到电子点火头上，从而完成电子雷管的起爆工作。

2.2 起爆网络丛机

起爆网络从机是整个起爆网络的中端控制仪器，上与起爆网络主机连接，下与要起爆的电子雷管群连接，其主要功能有：桥丝检测、故障检测、密码授权延时起爆等功能。组成框图如下图4所示：

2.3 起爆网络主机

起爆网络主机由可充电锂亚电池、电源处理模块、操作面板、通信接口模块、处理模块、液晶显示模块等部分组成。

3 智能起爆系统工作流程

起爆系统工作流程如下：

1）通过操作起爆网络从机或专用设备对每一个待爆电子雷管设置延迟时间，所有电子雷管并行连接；

2）通过操作起爆网络主机对网络连接的起爆网络从机及地址编号进行查询， 即在线检测，检测到在线的起爆网络从机编号点亮相应的指示灯和进行液晶显示，查看检测结果是否与人工实际连接的从机数量及设定地址有误， 对于有故障的起爆网络从机， 再进行人工检查与纠正；

3）起爆网络主机对各起爆网络从机进行内部故障查询，如出现故障起爆网络从机欠压、输出短路、输出短路、起爆网络主机欠压等信息，起爆网络主机通过显示告警，操作人员根据告警显示信息，检查相应的整个起爆网络相应的故障点，及时快速排除故障，故障排除后，重新从在线检测开始操作；

4）当整个网络无错误地完成上述操作后， 按下起爆按钮，输入起爆授權密码按下确定键，所有起爆网络从机给连接的电子雷管发出充电指令及授权，授权正确启动充电过程定时， 起爆网络主机显示20s 起爆倒计时，当计时充电时间到，向电子雷管发出起爆命令，各电子雷管按各自设定时间延时，延时时间到，发出起爆动作；

5）起爆动作完成后，电子雷管给起爆储能电容放电，当起爆电容充完电而没接收到起爆指令，也给起爆电容储能放电，确保电子雷管事后现场处理安全。

4 系统安全性、可靠性设计

系统采用低功耗设计思路，尽量降低设备功耗，在起爆网络主机和起爆网络从机尺寸、重量等指标满足条件下选用容量大的锂亚电池，争取系统较长的一次充电连续工作时间，为野外工作打下更好的基础。所选锂亚可充电电池和电路设计满足连续工作大于10小时。电子雷管控制器工作电流≤0.4mA（+5VDC供电），断电后可连续工作时间≥10s。

从硬件、软件和通信组网采取措施提高RS-485通信可靠性，通信接口芯片选用MAXIM公司的MAX1480E集成电路。 MAX1480E是完整的电气隔离型RS-485半双工通信数据通信接口方案，采用一种混合微电路结构。RS-485侧的I/O引脚上配备了±15kV静电放电（ESD）冲击保护，不会发生锁定。由收发器、光耦和变压器构成的完整的隔离接口被整合到了一片标准的DIP封装内。驱动器的短路电流受到限制，并且当功率耗散过大时热关断电路可将驱动器输出置为高阻态，以防器件损坏。接收器输入具有故障保护特性，当输入开路时可以保证已知的输出状态。并具备摆率限制实现无差错数据传输功能，通过该设计满足系统起爆网络主机与起爆网络从机之间的通讯可靠性。在波特率为9600bps，通讯距离1200m的工作条件下，实现误码率≤10-5。

5 结束语

本系统采用异构并行及RS-485总线通信技术设计了智能起爆系统，并且已在大中型起爆工程进行试用，其延时精度高、使用安全可靠，能够实现大型复杂爆破的可视化操作，提高了起爆安全系数，减少危险操作，降低环境污染，实现良好的经济、社会效益，尤其适合于高精度微差爆破场合的使用。

【参考文献】

[1] 谢胜，刘博.电子雷管起爆网络的构建及其应用[J]. 现代矿业，2014（9）：183184.

[2] 刘星，徐栋，颜景龙. I-Kon 电子起爆系统[J]. 火工品，2004（4）：1820.

[3] 王鹏. 可编程电子延期雷管研究[D]. 武汉理工大学，2007.