在礦山爆破中如何實現(xiàn)高精度無線同步控制起爆

行業(yè)背景

隨著現(xiàn)代社會工業(yè)化進程的不斷加快，人們對于礦山開采的規(guī)模和速度要求越來越高。為了快速推進礦山的開采作業(yè)，人們對于炸藥威力的要求越來越高。

考慮到生產、運輸和存儲等各個方面的安全性以及國家有關方面的強制要求，雷管的火藥填裝量是有嚴格限制的，不允許隨意加大。因此人們轉而采用將多個雷管“并聯(lián)”的方式來加大其爆炸威力；這樣在生產，運輸和存儲等各個環(huán)節(jié)雷管都是單獨管理的，可以滿足安全性方面的要求，到了礦山現(xiàn)場，將這些雷管密集的安裝在礦山的不同位置，然后讓他們同時起爆，就可以起到一個“超大型雷管”的效果，但是這種技術帶來了一個新的挑戰(zhàn)，那就是雷管的同步點火問題。

傳統(tǒng)有線同步爆破控制技術的困境

我們都知道雷管屬于一種烈性炸藥，其爆炸瞬間產生非常強烈的沖擊波，可將方圓十幾米范圍之內的土層掀翻，如果附近的雷管因為點火時間不同步，那么先爆炸的炸藥就會將還沒有來得及點火的炸藥給炸飛了，這些被炸飛的雷管就白白的被損壞掉，失去了任何爆炸的能力，因此為了確保這些分點安裝的炸藥能夠不被周圍的炸藥給炸飛，只能讓它們同時點火，同時起爆，這樣其爆炸威力才有一種強烈“共振”的效果，因此人們發(fā)明了一種通過雙絞線并聯(lián)組網(wǎng)的有線技術，來控制其同步點火過程。

雙絞線并聯(lián)組網(wǎng)的有線技術自誕生以來經過多年的不斷優(yōu)化迭代，其同步精度目前已經可以做到一毫秒，在大量的工業(yè)現(xiàn)場都取得了良好的爆炸效果，其爆炸威力比同等當量的單個雷管效果好得多，安全性也很不錯，經濟效益也十分明顯。但是同樣存在著如下的問題：

一、有線爆破的線路凌亂這種雙絞線并聯(lián)組網(wǎng)方式在施工過程中需要大量的引線將所有的雷管連接起來，這種連接方式可以是星型，也可以是樹形，也可以是菊花鏈狀，十分靈活；但是這也帶來了一個嚴重的問題，那就是現(xiàn)場混亂不堪；

二、有線爆破故障排查難一旦有的點位沒有接觸良好，有線的連接，會加大故障排查和驗證的難度；

三、有線爆破故障波及面廣 一旦有一個非末端的點位沒有接觸良好，可能導致部分炸點，甚至局部某一個片區(qū)完全脫網(wǎng)，這會導致該區(qū)域完全無法起爆，其整體爆炸效果大打折扣，嚴重情況下會使得爆破作業(yè)完全失敗，需要二次作業(yè)。

WiMi-net如何實現(xiàn)高精度無線同步控制爆破？

在大量的工程實踐中，人們發(fā)現(xiàn)很多的爆破失效都是因為負責組網(wǎng)的導線接觸不良所致，糟糕的是，一旦某根干線接觸不良，所有掛接在該干線下的分支節(jié)點都會因為脫離網(wǎng)絡而失去控制；近些年來無線技術的不斷發(fā)展引起了人們的重視，無線控制爆破在安全性、便捷性、經濟性方面具有獨特優(yōu)勢，是傳統(tǒng)爆破無法比擬的。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下的方面：

（1）組網(wǎng)能力強，可一次完成大規(guī)模爆破，采用快速無線連接，網(wǎng)絡連接方便快捷，加快工程進度，為爆破施工節(jié)約時間及人力、物力；

（2）延期精度高，通過合理的爆破設計，可減少5%～15%炸藥使用量，提高炸藥使用效率，降低爆破成本；

（3）能有效降低振動，減少對周邊生產設備及設施、房屋的破壞；

（4）施工成本低 減少礦石大塊率，減少鏟裝運輸成本，后期加工方便，節(jié)約耗電，提高綜合效率。

從理論上來講，無線技術可以擺脫導線連接方面的困擾，但是無線技術需要解決，電池供電和功耗、無線通信的穩(wěn)定和可靠性、無線通信的延時和同步精度這三個問題。

在傳統(tǒng)的有線組網(wǎng)方案中，導線既是信號傳輸線，也是電源線；在無線方案中，電力供應就成為首先需要解決的問題。近些年由于90納米以下的低功耗半導體技術的高速發(fā)展，支持電磁波喚醒技術的無線電通訊模塊已經可以做到微安級的功率消耗，完全可以依靠一節(jié) CR2032的紐扣電池待機數(shù)年時間，因此WiMi-net采用 90納米以下的低功耗半導體芯片，高性能低功耗的射頻芯片，與之相匹配的WiMi-net無線通信協(xié)議軟件，電池供電和功耗問題就完全可以解決了。

WiMinet經過多年的潛心研究，已經發(fā)展出一整套完整的WiMi-net無線組網(wǎng)通信協(xié)議棧，WiMi-net無線通信協(xié)議棧內置組網(wǎng)算法和TCP/UDP通訊協(xié)議，特別是構建于UDP數(shù)據(jù)包基礎之上的WOR（Wake On Radio）電磁波喚醒技術可高效解決雷管組網(wǎng)的高精度同步和無線傳輸穩(wěn)定可靠性問題。

那么WIMi-net是如何實現(xiàn)高精度無線同步起爆的？

礦山爆破執(zhí)行前，在預定地點安置完成炸點，這些炸點都具有獨立的無線信號接收裝置以及彼此獨立的無線喚醒機制。在單位時間內，均在休眠和喚醒之間切換。

如圖所示，每一個雷管都配置一個無線模塊，每個無線模塊都由一塊 CR2032的紐扣電池供電，在WiMi-net無線通信協(xié)議棧的控制下，炸點射頻感應電路被周期性的喚醒，在喚醒的過程中不斷的搜索空中是否有喚醒的無線電信號。圖片中黃色脈沖表示炸點的無線模塊處于休眠階段，綠色的脈沖表示炸點的無線模塊處于喚醒階段。

如果沒有發(fā)現(xiàn)電磁波喚醒信號則炸點轉入休眠狀態(tài)，等待下一個喚醒周期再次醒來，該過程如同圖中黃色的脈沖線所示。

一旦炸點檢測到發(fā)射機的電磁波喚醒信號，就會開始比較喚醒報文的安全特征碼；如果特征碼匹配，則該炸點進入安全接收過程，如圖中的綠色脈沖線所示。如果特征碼不匹配，則該炸點重新進入休眠狀態(tài)。

當爆破指令發(fā)出，每個炸點的接收裝置，在不同的時間節(jié)點接收到由無線發(fā)射機發(fā)出的無線起爆控制信號，待所有炸點均接收完成信號（如圖中綠色區(qū)域），便開始“炸前準備”。準備完成，進入爆炸階段，這一階段所有炸點均在相同的時間T時刻，同步爆炸。同步延遲可控制在0.5ms以內。

考慮到每一個無線模塊上電激活的時間不同，因此每一個無線模塊內部的計數(shù)器都是不一樣的，并且其定時休眠喚醒的時間也不可能完全同步，因此在收到發(fā)射機的同步點火起爆指令之后，無線模塊需要從任意接收時刻開始自動的推算喚醒報文的結束時間，然后執(zhí)行高精度的時鐘校準，在微秒計時器計時結束之后送出雷管點火指令，實現(xiàn)同步起爆。

無線爆破的通信技術是工業(yè)無線應用的一個縮影，無線通信技術在工業(yè)的應用及其廣泛，無線遠程控制的開發(fā)是將來工業(yè)信息化的重要途徑。WiMinet的優(yōu)勢項目是無線通信技術開發(fā)及應用，自始至終貫徹，安全、高效、可靠的企業(yè)理念和產品研發(fā)準則，力爭上游，精益求精。我們相信，在國內工業(yè)化發(fā)展勢頭強勁的大背景下，遠程無線通信控制技術及其應用必將大有可為。