CN100520445C - 智能联锁起爆系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿爆破控制领域，具体来说是一种智能联锁起爆系统及其控制方法。本发明通过系统控制器整体协调控制本质安全型发爆器、联锁控制单元、起爆点控制单元和现场环境检测单元，能够保证多个责任人的联锁控制、保证本质安全型发爆器操作人员能够到达指定的安全起爆地点、环境条件超标时不能起爆，以及发炮过程中对环境的控制，从而保证整个起爆过程能够严格按照规程中的规定进行，大大提高了的安全性，且整个系统采用智能控制，也保证了控制过程的可靠性，降低了发生故障的可能性，也大大提高了系统的使用寿命。

Description

智能联锁起爆系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及煤矿爆破控制领域，具体来说是一种智能联锁起爆系统及其控制方法。

技术背景

放炮事故是煤矿的最主要的事故之一，放炮事故的种类主要有三大类：一是由放炮直接引起的人员伤害事故；二是由放炮引起的瓦斯爆炸事故和煤层突出事故，三是又放炮引起的煤尘爆炸事故，这些事故发生在空间较为密闭的矿井中，往往会造成恶性重大的事故。

深入分析放炮事故发生的原因，就会发现，所有放炮事故无一例外的都是由违章作业，违章指挥引起。因此，控制放炮事故的根本途径就是要确保放炮过程的科学化、规范化、程序化、标准化，消灭违章。

要促进放炮过程的科学化、规范化、程序化、标准化管理工作，许多安全管理工作者都作了大量的工作，并已经将放炮的过程、流程进行了全面的、仔细的分析，制定了非常科学、完整的流程化的规范，这些成果都已经体现在《煤矿安全规程》、《放炮操作规程》等规范性的文件之中。在这种条件下，放炮事故仍旧还是时有发生，其中根本的原因就在于，我们没有确保人员确实执行这些科学的、规范的、标准的放炮流程的手段---有效的设备和管理方法。例如：《煤矿安全规程》规定的“三人联锁”放炮制度，在没有设备制约的条件下，就非常难以实现。再例如：对于起爆距离参数，目前没有切实的控制措施，结果常常是距离不够，因此频频发生伤亡事故。

为解决这一问题，现有的一些起爆控制装置采用了简单的机械原理实现了两人的连锁放炮，但机械传动为保证较高的可靠性往往需要较复杂的机构，不但成本较高，安装、维护都很困难，而在矿井中这种恶劣的空气环境，也容易对设备的寿命造成的影响。

发明内容

本发明克服了上述缺点，提供一种可靠性高、安装维护方便的智能联锁起爆系统及其控制方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种智能联锁起爆系统，包括：

联锁控制单元：用于接收多人联锁控制信号，包括一个联锁读卡器和多个与所述联锁读卡器通信的联锁卡；

起爆点控制单元：用于接收本质安全型发爆器位置信号，包括一个设置在指定起爆位置的起爆点读卡器，并与所述本质安全型发爆器中设置的起爆认证卡实现通信；

本质安全型发爆器：用于根据系统控制器的信号控制起爆，包括微控制器和分别与所述微控制器相连的用于接收起爆允许信号的信号接收电路、用于发出起爆信号的发爆电路以及电源电路、时钟电路、存储器、复位电路，还包括起爆认证卡；

现场环境检测单元：用于检测起爆现场环境，将各检测信号分别送往所述系统控制器；

系统控制器：用于根据各信号实现协调控制；

所述本质安全型发爆器分别与所述联锁控制单元起爆点控制单元和现场环境检测单元相连，所述系统控制器分别与所述本质安全型发爆器和现场环境检测单元相连。

所述联锁读卡器可为射频卡读卡器，所述对应的连锁卡为非接触式射频卡。

所述起爆认证卡可为非接触式射频卡，对应的所述起爆点读卡器为射频卡读卡器。

所述现场环境检测单元可包括至少一个定位分站，每个定位分站包括粉尘检测单元、风速检测单元、瓦斯检测单元。

所述每个定位分站可设置有一个定位分站控制器，所述定位分站控制器设置在所述各检测单元与所述系统控制器之间，同时连接有包括洒水装置和风机的环境控制设备，用于将所在定位分站的检测信号上传至系统控制器，及控制所述环境控制设备工作。

所述本质安全型发爆器还可连接有一个用于信息自动记录和分析的黑匣子。

一种智能联锁起爆控制方法，包括如下步骤：

1)本质安全型发爆器就位并发出就绪报文；

2)下载本地起爆所需条件信息并采集起爆条件信号：所述起爆条件包括：

联锁控制信号：如果有至少一个控制信号未就绪则保持本质安全型发爆器闭锁，阻止起爆，如果所有联锁控制信号就绪，则发出允许起爆信号；

环境检测信号：如果环境条件超限，则保持本质安全型发爆器闭锁，阻止起爆，如果环境条件无超限，则发出允许起爆信号。

3)本质安全型发爆器接收到所有允许起爆信号，做起爆准备，等待本地起爆控制信号。

所述步骤2)、3)之间还可包括发出启动环境控制设备信号。

本发明通过系统控制器整体协调控制本质安全型发爆器、联锁控制单元、起爆点控制单元和现场环境检测单元，能够保证多个责任人的联锁控制、保证本质安全型发爆器操作人员能够到达指定的安全起爆地点、环境条件超标时不能起爆，以及发炮过程中对环境的控制，从而保证整个起爆过程能够严格按照规程中的规定进行，大大提高了的安全性，且整个系统采用智能控制，也保证了控制过程的可靠性，降低了发生故障的可能性，也大大提高了系统的使用寿命。

附图说明

图1为本发明中实施例1的系统结构示意图，

图2为本发明中实施例2的系统结构示意图，

图3为本发明中实施例3的系统结构示意图，

图4为本发明中本质安全型发爆器的电路原理图，

图5为本发明中位置检测单元电路原理图，

图6为本发明中所述位置检测单元使用示意图，

图7为本发明中的控制流程图。

具体实施方式

本发明中所述系统的实施例1如图1所示，本发明中的智能联锁起爆系统以一个系统控制器为控制核心，本质安全型发爆器中设置有用作起爆认证的射频卡，并能与所述起爆点读卡器进行通信，所述本质安全型发爆器与所述系统控制器相连，并通过所述系统控制器向所述本质安全型发爆器发出控制信号，在指定起爆位置设置有起爆点读卡器，并与所述本质安全型发爆器相连，所述本质安全型发爆器还连接有一个黑匣子(未在图中标示)，能够自动记录整个起爆过程中的各项数据，能够在事后对放炮过程进行详细调查分析，以便改进设备和管理，也可在事故后对事故分析提供准确的原始数据。所述本质安全型发爆器还连接有联锁读卡器，并设置有六个能够与所述联锁读卡器进行通信的联锁卡1～6，当设定几人联锁控制，所述联锁卡则由几个责任人持有，因此最多可达六人联锁。所述系统控制器还连接有多个定位分站控制器，每个定位分站控制器分别设置在矿井内的发炮点附近，并各自连接有粉尘检测单元、风速检测单元、瓦斯检测单元、洒水装置和风机。此外，还有一个位置跟踪检测单元，与所述系统控制器相连，能够实时检测所述本质安全型发爆器或操作人员所在的位置，从而保证起爆地点和人员的安全。

实施例2如图2中所示，与实施例1相似，其区别仅在于，所述定位分站控制器也可利用矿井内现有的安全检测分站控制器替换实现，还有一个人员检测单元与所述安全检测分站控制器相连，所述人员检测单元也可为射频卡读卡器。

实施例3如图3中所示，以本质安全型发爆器为控制核心，并连接有环境检测单元、联锁读卡器、定位跟踪单元、黑匣子以及起爆点读卡器，上述各部分或单元的电路结构与实施例1相同，这里不再赘述，只是所述本质安全型发爆器中的微控制器需要具有更强的处理能力。

以实施例3为例，本质安全型发爆器的原理图如图4中所示，包括CPU和分别与所述CPU相连的扩展接口电路、复位电路、发爆电路、电源电路、存储器和时钟电路。

所述CPU U1为一个8位控制器，所述存储器U3为异步静态RAM，并通过缓冲存储器U2与所述CPU U1相连，所述时钟电路包括时钟芯片U6，并与所述复位电路中的看门狗芯片U5相连。

所述起爆点读卡器即为远距离读卡器电路，通过端口JP2与缓存电路的端口JP1相连，并通过包含有缓冲存储器U7的所述缓存电路与所述CPU U1相连，所述远距离读卡器电路包括顺次连接的高速光电耦合器U19、U20、CAN控制器U21、射频收发芯片U13及其外围电路，所述高速光电耦合器与所述端口JP2相连，所述远距离读卡器用于与引爆点的射频卡建立通讯。

所述联锁读卡器即为短距离读卡器电路由射频接收器U15及其外围电路构成，通过端口JP与所述缓存电路的端口JP3相连，用于读取多个责任人持有的射频卡，从而实现多人连锁控制起爆。

所述电源电路包括由两级稳压块DC1、DC2构成的稳压电路，且分别输出+12V和+6V两级电压，通过将本质安全电源(简称本安电源)输入滤波并稳压，给整个发爆器中的各部分电路提供正常工作电能。这种稳压电路能够利用现有的本安电源，大大降低了发爆器本身的重量和体积，还能够保证发爆器能够安装在规定的位置范围内，此外，所述电源电路也可包含有电池电源电路，通过充电电池给整个发爆器的各部分电路提供正常工作电能。由于电池电源电路是现有发爆器所采用的常规电源电路，这里不再赘述，图中也未标示，所述电池电源电路保留了发爆器的灵活性，能够放置在没有本安电源的位置。所述本质安全型发爆电路采用上述两种电源电路形式，能够保证任何情况下，发爆器都能够正常工作。

所述发爆电路包括触发电路和充电电路，所述触发电路包括三极管BG1、BG2、场效应管BG3，所述充电电路包括串联的电解电容C1～C4，通过充电电路获得高电压，通过所述触发电路的触发，将所述高电压引爆雷管实现起爆。

所述扩展接口电路与所述CPU相连，包括通用的计算机接口DB9，能够通过与计算机相连实现数据通讯，例如一旦发生起爆事故，通过所述扩展接口电路将CPU的历史控制信息导出，从而通过对获取数据的处理分析事故发生的原因，实现黑匣子功能。由于这部分电路为常规设计，这里不再赘述。

所述CPU还可以通过一个控制端连接一个检测电路，所述检测电路包括串联的连接端S1、发光二极管D1和隔离电阻R1、R2，所述检测电路的两端分别连接到CPU的两个控制端，所述连接端S1与连接有雷管的起爆线路相连，能够通过CPU自动检测起爆线路的电阻值，所述CPU还连接有一个液晶显示电路，能够将检测到的起爆线路的电阻情况，显示到液晶显示电路中，从而判断起爆线路是否发生故障，进而决定是否能够安全起爆。

此外，还包括扩展控制电路，所述控制电路包括多个继电器K1～K4，所述继电器由CPU的输出经过驱动后控制或直接控制，能够扩展外围设备，例如控制矿道内的风扇和洒水装置等。还有一个总线收发器U4和一组开关电路SW1构成地址编码电路，并与所述存储器U3相连，能够给每个发爆器进行编码，便于对多个本质安全型发爆器的监控和管理。

基于上述结构，所述本质安全型发爆器的工作过程如下，首先，与外接的本质安全型电源(简称本安电源)相连，通过所述电源电路的处理后获得稳定工作电源使各部分电路正常工作，当所述远距离读卡器电路接收到起爆点位置的射频卡信号时，说明所述起爆装置已经到达指定的位置，同时由所述近距离读卡器电路读取各责任人持有的射频卡的连锁信号，此时所述发爆电路充电进入充电准备，当所述起爆装置获得起爆信号后，最后由人工通过触发所述发爆电路中的充电电路放电，好像卫星发射时的最后升空操作，并引爆外接的雷管等爆炸物，从而实现安全起爆。

所述位置检测单元如图5所示，包括作为主控单元的MCU，多个读卡器1、2......n分别与所述MCU的各输入输出端相连，串行通讯接口与所述MCU的串行通讯端口相连，一个射频卡K设置在被跟踪的发爆器中。

所述各读卡器分布在进行爆破的矿井内，并自矿道入口至起爆点沿矿道分布，在矿道内形成“跟踪网”，带有射频卡的发爆器，由操作人员持有，并携带进入矿井，在操作人员携带发爆器在矿井内行进的过程中，射频读卡器不断接收到射频卡发出的信号，例如在每个读卡器所在位置的周围为其有效读取范围内，当射频卡移动至此范围内时，由对应的读卡器检测到，所述读卡器将获得的射频卡信号发往所述MCU，并由MCU根据读卡器的设置位置，计算并获得所述射频卡所在的位置范围。

例如，如图6中所示，当操作人员携带所述带有射频卡K的发爆器刚刚进入矿井时，并进入读卡器1的有效读取范围21，所述读卡器1检测到所述射频卡信号并向所述MCU发出信号，所述MCU获知所述读卡器所在的位置信息，判断出发爆器当前所在的位置。当操作人员继续沿矿道行进，并离开所述读卡器1的有效读取范围21而进入读卡器2的有效读取范围22内，所述读卡器2检测到所述射频卡信号并向所述MCU发出信号，所述MCU获知所述读卡器所在的新的位置信息，判断出发爆器当前所在的位置，依次类推，直到操作人员携带所述起爆其达到指定的起爆地点(例如A点)，即在读卡器4的有效读取范围24内。从而实现对发爆器的有效追踪，同时，所述MCU可将获得的位置信息，通过所述通讯单元实时传送到上级控制器中，并设定只有所述读卡器4接收到射频卡信号，即视为所述发爆器已经到达指定的起爆范围24内，才允许控制起爆，从而有效地实现起爆安全控制。

依据上述系统，控制过程如图7中所示，当本质安全型发爆器到达指定位置后与所述起爆认证卡与所述起爆点读卡器进行通信，在认证为正确的起爆认证卡后进行初始化，如步骤201，从而保证操作人员能够确实将本质安全型发爆器防止在确定的位置，所述起爆读卡器向所述系统控制器发出就绪报文，如步骤202，所述系统控制器接收到信号后下载本地起爆所需的条件信息，如步骤203，对于不同的起爆点，可能会有不同的起爆条件，例如不同的责任人，不同的环境要求等，因此需要在一个预设的安全检测系统库中将当前要实施爆破的地点所需的条件信息。采集到的信息中包括联锁控制信号，如步骤204，当联锁读卡器读取到了包含当前条件信息中的所有责任人的联锁卡信号后，向所述系统控制器发出允许起爆信号，如步骤205，同时当采集到包括粉尘、风速、瓦斯等在内的环境信息，如步骤206，当采集到的各数据满足当前条件信息中的安全要求，即不存在超限时，则发出允许起爆信号，如步骤207，如果环境信息存在超标，则可向系统控制器或本质安全型发爆器发出具体的超限信息，从而指导操作人员及时排除引起超限的原因，如步骤208，当所有起爆条件都满足后，所述本质安全型发爆器做起爆准备，并等待持有本质安全型发爆器的操作人员的起爆动作，如步骤209，当操作人员启动本质安全型发爆器的同时，向包括洒水装置、风机在内的环境控制设备发出控制信号，如步骤210，洒水装置启动向发生放炮的矿道洒水，降低矿道内粉尘浓度，同时风机启动向矿道内吹风，如步骤211，降低了因矿道内煤粉和瓦斯浓度过高引起的爆炸危险。起爆结束，如步骤212。

本发明通过上述设计，能够实现：

1.固定起爆地点，实现地点闭锁，可以有效解决现场人员不按照《煤矿安全规程》《放炮操作规程》规定的起爆距离起爆的问题，切实做到起爆距离不够无法起爆。

2.实现多人的联锁管理，系统可以根据《煤矿安全规程》《放炮操作规程》设定三人、四人、五人、六人，或者六大责任联锁。真正从根本上解决《煤矿安全规程》《放炮操作规程》的执行问题，确保责任明确，安全放炮。

3、自动收集和分析放炮的信息，可以事后对放炮过程进行详细分析，以便于改进设备和管理，就像一个“黑匣子”，可用于分析事故。

4.给现场的防尘洒水控制系统提供开启信号，控制洒水、喷雾。煤矿除尘的有效方式，就是洒水和喷雾。由于在起爆前启动环境控制设备，避免了以往起爆装置中，在起爆发生后，通过震动或声控启动环境控制设备而造成的环境控制措施滞后，降低了起爆后环境引起的危险。规程要求放泡前必须冲尘、必须打开各个喷雾设施。让放炮器给控制洒水的安全监测系统一个开关信号，在充电时就给一个洒水命令，做到放炮洒水。

5.本质安全型发爆器与系统控制连接，通过所述系统控制器整体分析、监测各项起爆条件和数据，给本质安全型发爆器发出指令，使本质安全型发爆器在瓦斯、风速、粉尘超限的条件下，在水幕没有打开、在风机没有打开等等的条件下不能启动。

此外，还可以在现场设置固定的放炮无后备电源的本安电源，所述本质安全型发爆器可在到达起爆现场后，采用现场的电源供电，因此还能够实现三个作用：一是，因为只有通电，才允许风机和喷雾洒水设备启动，采用现场供电，可以避免一些无风无水放炮的安全隐患；二是，通过固定放炮电源可以控制安全的起爆距离；三是可以减少放炮器的电池，减轻放炮器的重量，减少这方面的成本。

本发明还可以通过所述系统控制器的整体控制，对矿井下的防尘设施、安全设施进行自动控制。例如，我们可以通过起爆器给系统发出控制信号，打开水幕。在现场有人有设备的条件下，系统可以控制起爆器，在瓦斯、风速、人员等等不安全的条件下，系统就不给起爆器发出同意起爆的信号，起爆器就不能工作，从而使整个发爆过程中，从人员到环境的多方面安全机制得到保证。

以上对本发明所提供的智能联锁起爆系统及其控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种智能联锁起爆系统，其特征在于：包括：

联锁控制单元：用于接收多人联锁控制信号，包括一个联锁读卡器和多个与所述联锁读卡器通信的联锁卡；

起爆点控制单元：用于接收本质安全型发爆器位置信号，包括一个设置在指定起爆位置的起爆点读卡器，并与所述本质安全型发爆器中设置的起爆认证卡实现通信；

本质安全型发爆器：用于根据系统控制器的信号控制起爆，包括微控制器和分别与所述微控制器相连的用于接收起爆允许信号的信号接收电路、用于发出起爆信号的发爆电路以及电源电路、时钟电路、存储器、复位电路，还包括起爆认证卡；

现场环境检测单元：用于检测起爆现场环境，将各检测信号分别送往所述系统控制器；

系统控制器：用于根据各信号实现协调控制；

所述本质安全型发爆器分别与所述联锁控制单元起爆点控制单元和现场环境检测单元相连，所述系统控制器分别与所述本质安全型发爆器和现场环境检测单元相连。

2.根据权利要求1所述的智能联锁起爆系统，其特征在于：所述联锁读卡器为射频卡读卡器，所述对应的连锁卡为非接触式射频卡。

3.根据权利要求1所述的智能联锁起爆系统，其特征在于：所述起爆认证卡为非接触式射频卡，对应的所述起爆点读卡器为射频卡读卡器。

4.根据权利要求1所述的智能联锁起爆系统，其特征在于：所述现场环境检测单元包括至少一个定位分站，每个定位分站包括粉尘检测单元、风速检测单元、瓦斯检测单元。

5.根据权利要求4所述的智能联锁起爆系统，其特征在于：所述每个定位分站设置有一个定位分站控制器，所述定位分站控制器设置在所述各检测单元与所述系统控制器之间，同时连接有包括洒水装置和风机的环境控制设备，用于将所在定位分站的检测信号上传至系统控制器，及控制所述环境控制设备工作。

6.根据权利要求1所述的智能联锁起爆系统，其特征在于：所述本质安全型发爆器还连接有一个用于信息自动记录和分析的黑匣子。

7.一种智能联锁起爆控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)本质安全型发爆器就位并发出就绪报文；

2)下载本地起爆所需条件信息并采集起爆条件信号：所述起爆条件包括：

联锁控制信号：如果有至少一个控制信号未就绪则保持本质安全型发爆器闭锁，阻止起爆，如果所有联锁控制信号就绪，则发出允许起爆信号；

环境检测信号：如果环境条件超限，则保持本质安全型发爆器闭锁，阻止起爆，如果环境条件无超限，则发出允许起爆信号。

3)本质安全型发爆器接收到所有允许起爆信号，做起爆准备，等待本地起爆控制信号。

8.根据权利要求7所述的智能联锁起爆控制方法，其特征在于：所述步骤2)、3)之间还包括发出启动环境控制设备信号。

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