詳談基于無線射頻的礦井爆破智能化方案

爆破解決方案公司Davey Bickford Enaex在法國研究中心CEA Leti的幫助下，開發(fā)了一種無線雙向通信系統(tǒng)，用于遠(yuǎn)程控制礦井中的電子雷管。這套解決方案利用了專有的有源射頻協(xié)議，使爆破控制器能夠在觸發(fā)每個爆破裝置之前與數(shù)千個雷管進(jìn)行通信。

該方案的開發(fā)目的是為了取消采礦現(xiàn)場地面布線的需要，并通過無線方式實現(xiàn)從安全的單一位置對多個電子雷管的雙向控制，從而降低爆破過程的風(fēng)險，提高效率。Davey Bickford公司的產(chǎn)品營銷經(jīng)理艾默里克·德努埃爾（Aymeric Denuelle）說，將無線技術(shù)集成到其爆破系統(tǒng)中一直是公司發(fā)展策略的核心，“始終提供更安全的解決方案，使我們的客戶能夠從遠(yuǎn)程發(fā)射點觸發(fā)更多的爆破作業(yè)”。

這兩家公司開發(fā)的系統(tǒng)包括安裝在電子雷管中的Davey Bickford無線電模塊，以及一個爆破控制器，該控制器向每個單獨的雷管發(fā)送指令，并要求每個裝置在引爆前作出適當(dāng)反應(yīng)。這套系統(tǒng)可以傳輸數(shù)公里，使其能夠適應(yīng)數(shù)字爆破系統(tǒng)與露天礦區(qū)實際爆破點之間相對較長的距離。

爆破作業(yè)歷來對采礦環(huán)境構(gòu)成威脅。采礦公司員工會在開始爆破前手動檢查爆破條件并確保周邊環(huán)境的安全，這一過程被稱為“起爆排查”。排查時間有限，若發(fā)生人為錯誤也會有風(fēng)險。此外，一旦開始清理爆破后產(chǎn)生的渣土堆，負(fù)責(zé)爆破的工作人員必須避免可能引發(fā)的失火。但主要問題是，工作人員無法確定是否有雷管未能引爆。

上世紀(jì)90年代末，一些爆破產(chǎn)品主要供應(yīng)商率先推出了新一代雷管，里面裝有電子元件。電子芯片使這些裝置能夠在爆破前后與發(fā)射人員通信，直到爆破觸發(fā)前的最后時刻。德努埃爾說，這為連接所有雷管和爆破機(jī)的電線實現(xiàn)了基本的安全功能，但這也是該系統(tǒng)的一個致命弱點，在實施復(fù)雜性和網(wǎng)絡(luò)漏電方面。

Davey Bickford公司為地表和地下采礦、采石、建筑和勘探應(yīng)用提供各種爆破系統(tǒng)，服務(wù)于歐洲、亞洲、澳大利亞、新西蘭以及北美洲、南美洲和中美洲。在與法國CEA-Leti會面時，該公司試圖為客戶開發(fā)一種解決方案，在爆破發(fā)生前為雷管提供無線雙向通信。所有雷管直到最后一刻都保持正常工作，等待“起爆”指令。最終的解決方案被稱為DaveyTronic Edge。

CEA Leti位于法國格勒諾布爾，是一家專注于電子和信息技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)，為無線解決方案提供微電子方面的應(yīng)用研究，例如紡織品制造商生產(chǎn)的RFID紗線用于服裝零售業(yè)以及某些不適合粘貼標(biāo)簽的工業(yè)領(lǐng)域，法國手球隊訓(xùn)練時使用的可穿戴RFID傳感器等。

2014年，CEA Leti實驗室首次與Davey Bickford進(jìn)行了對話。實驗室業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理杰羅姆（Swan Gerome）說：“這次對話的主題是拆除控制單元和雷管之間的電線?！彼赋觯m然電子雷管并不新鮮，但用于計時的無線連接是最近才有的創(chuàng)新。

杰羅姆回憶說，“當(dāng)我們準(zhǔn)備開發(fā)時，發(fā)現(xiàn)無線系統(tǒng)很少。”那些正在使用的系統(tǒng)也是單向的，換句話說，引爆信號可以發(fā)送到雷管，但無法接收到雷管的任何響應(yīng)。

CEA Leti智能對象通信實驗室負(fù)責(zé)人文森特？伯格（Vincent Berg）表示，公司在新的無線系統(tǒng)上有兩個目標(biāo)。其一是提高引爆過程的效率，他指出礦場的重點是采礦，而不是引爆。“在這個行業(yè)，時間就是金錢。礦區(qū)需要花費更多的時間來采礦，而不是進(jìn)行爆破?！?/p>

其二是雙向通信。“為了正確控制引爆，用戶需要有關(guān)雷管狀態(tài)的反饋，需要非常精確地對引爆進(jìn)行計時和協(xié)調(diào)，這樣沖擊波才能同步?！痹撓到y(tǒng)開發(fā)工作始于2017年。

在新系統(tǒng)中，無線雷管有一個內(nèi)置的圓柱形裝置，包括LoRa無線電和基于LPWAN協(xié)議的天線。該模塊可以接收在指定時間內(nèi)引爆的指令，但在真正引爆之前，需要監(jiān)控雷管的狀態(tài)。例如，如果雷管未能正確響應(yīng)，操作人員可以取消爆破并更換不工作或不穩(wěn)定的裝置。每個電池供電的雷管中的裝置都有自己獨特的標(biāo)識，它在雷管和爆破控制器之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，距離可長達(dá)幾公里。

控制器有兩種模式，一種用于編程，另一種用于爆破。要設(shè)置起爆時，用戶可以訪問編程模式，為每個雷管選擇爆破參數(shù)。然后，該裝置收到每個雷管的回應(yīng)，確認(rèn)其指令。一旦確認(rèn)每個雷管都做出了適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，用戶就可以切換到爆破模式進(jìn)行爆破。

雷管在爆破后會化為粉末，因此當(dāng)雷管在引爆后再被詢問時，雷管不應(yīng)作出回應(yīng)。杰羅姆說，該解決方案利用了基于LoRa的專有協(xié)議，而CEA Leti設(shè)計的天線使用專有協(xié)議，以符合戶外采礦環(huán)境特有的規(guī)范。

在開發(fā)解決方案時，研究團(tuán)隊考慮了許多無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，但受到采礦業(yè)要求的限制。他們需要一個長期的方案，并希望專注于一個雙向的選擇。他們還要求傳輸速度要快，因為在發(fā)送持久觸發(fā)器時，每個雷管都要有相同的爆破起始時間基準(zhǔn)，這一點至關(guān)重要。爆破指令數(shù)據(jù)全部在控制器設(shè)備上管理，不保存。

2019年12月，該系統(tǒng)在智利安托法加斯塔地區(qū)的采礦場成功演示，涉及約200枚雷管。隨后爆破公司和法國實驗室簽署無線爆破系統(tǒng)的聯(lián)合協(xié)議，將繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)，并計劃將該技術(shù)商業(yè)化。正在開發(fā)的工作將在法國半導(dǎo)體器件和通信技術(shù)研發(fā)財團(tuán)IRT Nanoelec的協(xié)助下進(jìn)行。

德努埃爾說：“這個解決方案致力于使采礦人性化，并為客戶提供更好的安全和更高的效率?！边@項技術(shù)減輕了員工的作業(yè)負(fù)擔(dān)，確保了爆破作業(yè)按時進(jìn)行，出錯率低，同時保持了雙向通信，符合安全標(biāo)準(zhǔn)?！安鸪砻骐娋€和非接觸定時有助于雷管的部署，同時故障排除變得更容易，爆破規(guī)模不再受所需電線數(shù)量等電氣因素的限制?！?br /> 責(zé)編AJX