RS20070036A - SISTEM ZA PROGRAMIRANO INICIRANjE MREŽA ELEKTRIČNIH I NEELEKTRIČNIH DETONATORA PRIMENOM RF SISTEMA PRENOSA - Google Patents

Abstract

Sistem se sastoji od: uređaja za iniciranje (UI), koji predstavlja mašinu za iniciranje mreže električnih detonatora sa programibilnim vremenima kašnjenja. Vremena kašnjenja se postavlja heksadecimalnim preklopnicima i može se vizualno čitati vrednosti postavljenih kašnjenja na svakom UI pojedinačno. Predviđeno je uvezivanje 16 UI na jedan uredaj za upravljanje i punjenje (UUP). UI su spojeni petožičnom vezom preko koje se napajaju električnom energijom iz baterije 12V 1,3 Ač iz UUP.Uređaj za upravljanje i punjenje ima DC-DC konvertor koji napaja kondenzatore u UI energijom za iniciranje na napon Uc=350V.

Description

Sistem za programirano iniciranje mreža električnih i neelektričnih

detonatora primenom RF sistema prenosa

Oblast tehnike:

Iniciranje eksploziva u bušotinama se odnosi na oblast tehnike F42C15/40 po međunarodnoj klasifikaciji patenata.

Tehnički problem:

Kod sekvencijalnih sistema iniciranja intervali kašnjenja se postavljaju prenosom digitalnih podataka po serijskoj žičnoj vezi do uređaja za iniciranje, gde se pamte u mikrokontroleru za kašnjenje. Rukovalac miniranja ne može imati optički uvid u intervale kašnjenja na mestu miniranja, što ga čini nesigurnim pri izboru odgovarajućih intervala na osnovu uočenih svojstava i rasporeda stenske mase na terenu. Potreban je vidljiv zapis vremena kašnjenja.

Udaljenost rukovaoca miniranja od mesta miniranja treba da bude bezbedna (što veća), što zahteva dugačku kablovsku liniju. Upravljanje iniciranjem RF prenosom digitalnih podataka rešava problem dugačkih kablovskih linija ali unosi problem bezbednog i pouzdanog upravljanja, što se može rešiti izborom sistema sa skokovttim prenosom na više kanala prenosa (hoping metoda) i primenu kripto metode na podatke upravljanja.

Stanje tehnike:

U sekvencijalnim sistemima iniciranja prenos digitalnih podataka upravljanja se uglavnom vrši po žičnoj vezi sa uređaja za upravljanje i programiranje (UUP) na uređaj za iniciranje (Ul). Na UUP se pohranjuju (pamte) podaci kašnjenja i podaci stanja Ul i šalju na ručni terminal (RT) gde se i prikazuju. Prikazivanje podataka kašnjenja na uređaju za iniciranje se ne vrše zbog potrebe da taj uređaj bude jednostavan i jeftin, pošto je najbliži mestu eksplozije (veća verovatnoća oštećenja).

RF prenos digitalnih podataka je primenjen u mnogim sistemima upravljanja i nadzora ali za primenu unutar prostora gde se vrše eksplozije treba izvršiti izbor pouzdanog i bezbednog metoda RF prenosa.

Uvezivanje RF sistema prenosa podataka na uređaje za upravljanje sistemom (ručni terminal i slično) je jedan tehnički problem koji se rešava odgovarajućim softverskim i hardverskim načinima.

Opis pronalaska:

Sistem u celini se može sagledati iz blok šeme na sl.1. Uvezivanje heksa - decimalnih preklopnika na uređaj za iniciranje (Ul) je prikazano na slici 2.

Uvezivanje digitalnog sakupljača podataka sa pokazivačom (TDC-Recon) sa 9Xtend RF modulom je prikazano na slici 7. Sprega formira ručni terminal (RT).

Sistem se sastoji od uređaja za iniciranje (Ul), koji predstavlja mašinu za iniciranje mreže električnih detonatora sa programibilnim vremenima kašnjenja. Vreme kašnjenja se postavlja heksadecimalnim preklopnicima i mogu se vizuelno čitati vrednosti postavljenih kašnjenja na svakom Ul pojedinačno. Predviđeno je uvezivanje 16 Ul na jedan uređaj za upravljanje i punjenje (UUP). Ul su spojeni petožičnom vezom preko koje se napajaju električnom energijom iz baterije 12V 1,3 Ah iz UUP. Uredjaj za upravljanje i punjenje ima DC-DC konvertor koji napaja kondezatore u Ul energijom za iniciranje na napon Uc=350V. Svaki Ul indicira i pamti stedeća stanja: mreža: uklj./isklj., napon Uc : puno/polupuno/prazno, vreme kašnjenja: 0000 do 9999 milisekundi. Zapamćene podatke stanja prikuplja UUP za svaku Ul pojedinačno i šalje na ručni terminal (RT) preko svog 9Xter»d RF modula. Ručni terminal prima podatke i prikazuje na pokazivaču TDC-Recon. Na osnovu prikazanih podataka rukovalac miniranja daje naredbe PUNI, PALI ili PRAZNI.

9XTend RF modul koristi hopping metodu na 10 RF kanala sa mogućnošću sekvenci i kripto koda zbog bezbednog i pouzdanog prenosa digitalnih podataka. RF sistem stalno prikazuje kvalitet veze na prikazivaču ručnog terminala što daje mogućnost rukovaocu miniranja da sa sigurnošću izvrši pouzdano iniciranje mreža detonatora.

Opis crteža:

Pronalazak je detaljno opisan na primeru i prikazan na nacrtu u kojem:

Slika 1 - predstavlja blok šemu sistema za programirano iniciranje mreža električnih i neelektričnih detonatora primenom RF sistema prenosa podataka upravljanja

Slika 2 - predstavlja električnu šemu uređaja za iniciranje (Ul) sa

heksadecimalnim prekidačem podataka kašnjenja

Slika 3 - predstavlja spajanje heksadecimalnog preklopnika na mikrokontroler Slika 4 - predstavlja dijagram toka za mikrokontroler u Ul

Slika 5 - predstavlja električnu šemu uređjaja za upravljanje i punjenje (UUP) i

9xTend modulom

Slika 6 - predstavlja dijagram toka za mikrokontroler u UUP

Slika 7 - predstavlja blok šemu ručnog terminala RT sa TDC-Recon i 9xTend

modulom

Slilka 8 - dijagram toka za ručni terminal

Slilka 8a - dijagram toka za ručni terminal

Uređaj za iniciranje, slika2, se napaja naponom od 12 V iz akumulatora koji se nalazi u UUP preko petožilnog kabla. Uređaj je baziran na Microchip-ovom mikrokontroleru 18F452 (U2).

Da bi obezbedili pravilan rad potrebno je da napon od 12V smanjimo i stabilizujemo na 5V, a to radimo primenom integrisanog stabilizatora U1 LM7805, elektrolitskih kondezatora C2 i C4, kao i blok kondeztorima C1 i C3 od 100 nF za sprečavanje da U1 proosciluje i smanji eventualne smetnje koje se mogu javiti. Dioda D1 služi da bi sprečila eventualno pogrešno spajanje Ul i tako štiti osetljive delove. Osnova ovog uređaja je mikrokontroler U2 čiji oscilator čine kvarcni kristal X1 od 20 Mhz i kondezatori C5 i C6.Kondezator C7 služi da bi blokirao pojavu eventualnih smetnji na napajanju od 5V. Elektrolit C9 i otpornik R3 imaju zadatak da prilikom uključivanja Ul resetuju mikrokotroler i obezbede njegov pravilan rad.

Adresa Ul bira se DIP prekidačima S1 i to od 1 do 5. Adrese se mogu birati u intervalu od 0 do 32 ( 2<5>).Prilikom izbora adrese treba paziti da se adrese ne ponavljaju i da je adresa 0 rezervisana za UUP.

Šesti prekidač DIP prekidača se koristi da bi se postavila terminacija od 120 oma R10 na kraj RS 485 mreže. Ovaj otpornik se uključuje samo kod zadnjeg uređaja za iniciranje, dok kod drugih treba da je Ul na mreži on mora biti isključen.

Komunikacija od UUP i kotrola UUP vrši se serijskom komunikacijom koristeći RS 485. Mikrokontrolerov UART preko U3 vrši serijsku komunikaciju i prilagođenje na mrežu. Otpornik R4 je pull-up otpornik na pinu U3 koji služi za odabir smera komunikacije Ul.

Postavljanje vremena kašnjenja Ul vrši se odabirom vrednosti na HEX prekidačima JP1, JP2, JP3 i JP4. Svaka sekcija prekidača se sastoji od 4 HEX prekidača gde vrednost svakog pojedinog možemo da menjamo od 0 do 9 (slika 3). Za čitanje postavljenih vrednosti koriste se dva 8-bitna porta U2 (port B i port D). R1 i R2 je mreža poll-up otpornika koja se koristi u kombinaciji sa HEX prekidačima.

Deo uređaja kojim upravlja mikrokontroler, a služi za detekciju spojenosti mreže, merenje vrednosti napona na kondenzatoru C10, pražnjenja kondezatora C10 i opaljivanje mreže spojenih detonatora, čine komponente U4, U5, U6 i U7.

Dioda D2 služi da bi obezbedila punjenje C10, a sprečila njegovo pražnjenje. Otpornici R8 i R9 su naponski delitelj, koji smanjuje napon od 350V na 3.5V da bi bio merljiv sa A-D konvertorom mikrokontrolera U2. Kondezator C8 služi kao filter. Da bi izvršio merenje mikrokontroler postavlja napon od 5V preko R17 na LED optokapler U4 i tako se dobija napon na delitelju R8, R9. Ovo merenje se vrši na zahtev UUP.

Da bi ispraznili kondezator C10 (npr. odustajemo od iniciranja), mikrokontroler U2 postavlja 5V na pin C3 i preko otpornika R13 upravlja radom optokaplera U5 i dovodi do toga da trijak optokaplera provede i C10 počinje da se prazni preko R10 i R12.

Otpornik R11 je snage 5W i on služi da bi zaštitio trijak Tr1 BT138 od kratkog spoja. Upravljanje sa Tr1 i samimm tim iniciranjem detonatora vrši se mikrokontrolerom preko optokaplera U6. Optokapler U7 4N35 služi da bi mikrokontroler znao da li je mreža spojena na izlazne priključnice uređaja za iniciranje. Signalizacija prisutnosti mreže je crvena LED D3, koja svetli kada su spojeni detonatori na priključnice Ul.

Po startu programa, čiji dijagram toka vidimo na slici 4, vrši se inicijalizacija tj. definisanje koji su to ulazni, a koji izlazni portovi mikrokontrolera i definisanje promenjivih u programu. Nakon toga čitamo logičke vrednosti na ulazima na kojima je priključen DIP prekidač i određujemo adresu uređaja za iniciranje. Zatim definišemo parametre serijske komunikacije na RS485, definišući izlaz, tj. ulazne pinove mikrokontrolera i parametre protokola same komunikacije (brzina, ...). Nakon toga čitamo vrednosti HEX prekidača za kašnjenje i definišemo njenu vrednost. Program dalje ulazi u petlju gde očekuje da li je primljeni podatak za njega (svaki UI ima svoju jedinstvenu adresu) i prelazi na izvršavanje traženih komandi, u suprotnom i dalje se vraća u petlju. Ako se adresa poruke poklapa sa adresom uređaja, program kreće sa ispitivanjem koja je komanda u pitanju i na osnovu nje odrađuje neku akciju. Komande mogu biti zahtevi za slanje bajtova kašnjenja, komanda za merenje napona na kondezatoru C10 i proveru da li je mreža detonatora spojena na priključnice Ul. Program u ovom delu zavisno od veličine napona na C10 postavlja prva tri bita u bajtu STATUS kojom se vidi koliki je napon na kondezatoru C10 i definiše tri stanja PRAZNO, POLUPUNO i PUNO. Ako je primljena komanda PRAZNI vrši se pražnjenje kondezatora preko dva otpornika od 1k, a ako je primljena komanda PALI vrši se iniciranje mreže detonatora tako što se preko trijaka prazni C10 na mrežu detonatora.

Uređaj za upravljanje i punjenje, slika 5, napaja se naponom od 12 V iz akumulatora koji se nalazi u kutiji UUP Uređaj je baziran na Microchip-ovom mikrokontroleru 18F452 (U2).

Da bi obezbedili pravilan rad potrebno je da napon od 12V smanjimo i stabilizujemo na 5V, a to radimo primenom integrisanog stabilizatora U1 LM7805, elektrolitskih kondezatora C2 i C4, kao i blok kondeztorima C1 i C3 od 100 nF za sprečavanje da U1 proosciluje i smanji eventualne smetnje koje se mogu javiti. Dioda D1 služi da bi sprečila eventualno pogrešno spajanje UUP i tako štiti osetljive delove.

Osnova ovog uređaja je mikrokontroler U2 čiji oscilator čine kvarcni kristal X1 od 20 Mhz i kondezatori C8 i C9. Kondezator C12 služi da bi blokirao pojavu eventualnih smetnji na napajanju od 5V. Elektrolit C7 i otpornik R5 imaju zadatak da prilikom uključivanja UUP resetuju mikrokotroler i obezbede njegov pravilan rad.

Deo za stvaranje napona od 350V se sastoji od: oscilatora sa 4 NI kola U6 i pogonskih tranzistora Q4 i Q5 koji rade kao prekidači napajanja primara transformatora T1. Na sekundaru indukuje se visoki napon. Napon se isparavlja sa diodnim mostom D3, D4, D5, D6 i puni kondezator C11 preko optokaplera U7. Frekvencija oscilatora je određena RC konstantom R12, P1 i C5, a iznosi oko 18 KHz.

Da bi se sprečilo da napon na C11 pređe potrebnih 350V i izazove havariju uređaja, brine se deo uređaja sa komparatorom U5 LM311. Na ulaze dovodimo napon sa kondezatora C11 i delitelja R17 i R18 i referentni napon koji definišemo deliteljima R10 i R9. Ukoliko napon na kondezatoru C11 pređe napon od 350V izlaz komparatora menja stanje i preko Q3 pobuđuje optokapler U3, koji delovanjem na bazu Q2 prekida napajanje oscilatora U6.

Tranzistor Q1 služi kao prekidač pomoću kojeg mikrokontroler U2 uključuje oscilator za generisanje napona od 350V. Oscilator radi sve dok U2 ne dobije komandu za iniciranje ili komandu za pražnjenje.

Komunikacija od UUP sa UI vrši se dvosmernom serijskom komunikacijom koristeći RS 485. Mikrokontroler U2 preko U3 vrši serijsku komunikaciju i prilagođenje na mrežu. Otpornik R10 je pull-up otpornik na pinu U3 koji služi za odabir smera komunikacije sa Ul. Optornici R29 i R31 služe za smanjivanje smetnji na liniji ,a otpornik R30 je otpornik koji služi za terminisanje početka linije.

Komunikacija mikrokontrolera sa RF modulom vrši se također serijskom komunikacijom upotrebom IC U4 MAX232 i to preko RS232.

Deo uređaja koji se upravlja mikrokontrolerom , a služi za detekciju spojenosti mreže, merenje vrednosti napona na i pražnjenja kondezatora C10 i iniciranje mreže spojenih detonatora čine U8, U9, U10 i U7.

Otpornici R17 i R18 su naponski delitelj, koji smanjuju napona od 350V na 3.5V da bi bio merljiv sa A-D konvertorom mikrokontrolera U2.Kondezator C10 služi kao filter.Da bi izvršio merenje mikrokontroler postavlja napon od 5V preko R19 na LED optokaplera U8 i tako se dobija napon na delitelju R17.R18. Ovo merenje se vrši na zahtev sa RT.

Da bi ispraznili kondezator C11 (npr. odustajemo od iniciranja), mikrokontroler U2 postavlja 5V na pin C3 i preko otpornika R23 upravlja radom optokaplera U9 i dovodi do toga da trijak optokaplera provede i C11 počinje da se prazni preko R20 i R21.

Otpornik R22 je snage 5W i on služi da bi zaštitio trijak Tr1 BT138 od kratkog spoja na izlaznim priključnicama. Upravljanje sa Tr1 i samimm tim iniciranje detonatora vrši se mikrokontrolerom preko optokaplera U9. Optokapler U10 služi da bi mikrokontroler znao da li je mreža spojena na izlazne priključnice uređaja za iniciranje na UUP. Signalizacija prisutnosti mreže je crvena LED D8, koja svetli kada su spojeni detonatori na priključnice UUP.

Sastavni deo uređaja za upravljanje i punjenje UUP je i RF modul preko kojeg se vrši komunikacija sa ručnim terminalom koji se nalazi kod korisnika. U UUP je korišćen gotov fabrički modul koji ima nekoliko vrsta zaštita podataka, na smetnje i namerno ometanje. Frekvencija na kojoj modul radi je 900 MHz, snage od 10 mW do 1 W, a napon napajanja je 5V. Struja potrošnje ovisi o snazi kojom se vrši predaja. Komunikacija sa mikrokontrolerom je dvosmerna i obavlja se brzinom od 9600 bita/s. Ručni terminal RT takođe je spojen na identičan RF modul.

Po startu programa, čiji dijagram toka vidimo na slici 6, vrši se definisanje ulaznih i izlaznih portova mikrokontrolera kao i definisanje promenjivih u programu. Nakon toga definišemo parametre serijske komunikacije na RS485 ka uređajima za iniciranje i parametre serijske komunikacije RS232 sa RF modulom, definišući izlazne i ulazne pinove mikrokontrolera kao i parametre protokola same komunikacije (brzina, ...). Program dalje ulazi u petlju gde očekuje da li je primljeni podatak za njega (svaka UUP ima svoju jedinstvenu adresu u sistemu). U slučaju da je primljena poruka za UUP, prelazi se na izvršavanje traženih komandi, u suprotnom program se vraća u petlju. Ako se adresa poruke poklapa sa adresom uređaja, program kreće sa ispitivanjem koja je komanda u pitanju i na osnovu nje odrađuje neku akciju. Komande mogu biti zahtevi za slanje bajtova kašnjenja, komanda za merenje napona na kondezatorima u Ul i proveru da li je mreža detonatora spojena na priključnice Ul. Nakon prijema bajtova sa vremenima kašnjenja i vrednostima napona i stanju mreže na Ul, UUP te podatke šalje ručnom terminalu. Ukoliko je pristigla komanda sa RT PUNJENJE , mikrokontroler uključuje preko tranzistora Q1 DC-DC pretvarač i počinje sa punjenjem kondezatora u Ul. Ako je pristigla komanda PRAZNI , mikrokontroler šalje svim priključenim uređajima za iniciranje komandu preko serijske komunikacije i oni prazne svoje kondezatore ,a prazni i svoj interni kondezator C11 preko optokaplera U8. Ako pristigla komanda odgovara komandi PALI , šalje se komanda ka Ul , koja vrši sinhrono iniciranje mreža detonatora, a ujedno se i vrši iniciranje u samoj UUP koje nema kašnjenje.

Da bi se olakšala upotreba sistema za daljinsko miniranje, koristimo ručni terminal (RT), slika 7. Ručni terminal je realizovan upotrebom PALM računara ,sa operativnim sistemom VVindos Mobile 5.0, TDC-Recon sa posebno napisanim programom i RF modulom 9Xtend . Komunikacija izmedju ovog malog računara i sistema za miniranje se obavlja preko RF modula MaxStream 9Xtend. Komunikacija je serijska i dvosmerna i koristi se RS232 protokol, a napajanje RF modula je izvršeno akumulatorskom baterijom od 12V kapaciteta 1,3 Ah.

Zadatak programa je da šalje komande ka uređajima za upravljanje i punjenje i da prikuplja informacije o stanjima pojedinih uređaja za iniciranje preko UUP. Prikljupljene informacije u vidu kašnjenja, napunjenosti kondezatora i priključenosti mreže detonatora, kvalitetu RF signala i stanju akumulatora, prikazuje se na ekranu TDC-Recona.

Po pokretanju programa RT.exe, čiji dijagram toka vidimo na slikama 8 i 8a, vrši se definisanje promenljivih i postavljanje parametara serijske komunikacija sa RF modulom. Odabirom operacije traženja stanja uređaja za iniciranje ručni terminal RT šalje adresu uređaja za upravljanje i punjenje UUP na kojoj se nalaze priključene Ul. Nakon prikupljenih podataka sa Ul, UUP ih šalje preko svog RF modula na RT. Kad RT primi podatke on na osnovu adrese zna o kom UUP se radi i izvrši analizu i razvrstavanje prikupljenih podataka i njihov grafički prikaz na ekranu RT-a. Ukoliko pritisnemo dugme PUNI , ručni terminal svim UUP u okruženju šalje zajedničku komandu koju prepoznaju svi uređaji za upravljanje i punjenje i DC-DC konverteri počinju sa radom generišući visoki napon na kondezatorima uređaja za iniciranje. U toku punjenja RT i UUP stalno razmenjuju podatke o stanju mreže i napona na kondezatorima na spojenim Ul. Ti primljeni podaci se prikazuju na ekranu RT i rukovalac u svakom trenutku može da prati proces punjenja. Ako je stanje regularno i želi da izvrši miniranje, rukovalac pritiskom na dugme PALI šalje svim UUP komandu i UUP dalje šalju sinhrono komandu sa tačnošću od +/- 0.1 ms, ka Ul koji 7 iniciraju mrežu detonatora sa kašnjenjem. Nakon izvršenog iniciranja UUP šalje stanja o naponima na kondezatorima i stanju mreže, tako da na ekranu imamo pregled napona na kondezatorima i imamo pregled da li su mreže pravilno inicirane. Prilikom pritiska na taster PRAZNI ručni terminal svim UUP u okruženju šalje zajedničku komandu koja prazni kondezatore u Ul i nakon završene operacije UUP šalje ka RT vrednosti napona na kondezatorima i stanju mreža koje su spojene na Ul.

Claims (6)

1. Sistem za programibilno iniciranje mreža električnih i neelektričnih detonatora primenom RF sistema prenosa podataka upravljanja naznačen time što se najviše : 16x16=256, redno povezanih mreža električnih i neelektričnih detonatora istog tipa, priključuju svaka na svoj uređaj za iniciranje (Ul).

2. Sistem za programibilno iniciranje prema zahtevu 1., naznačen time što se svaki uređaj za iniciranje programira vlastitim heksadecimalnim preklopnikom.

3. Sistem za programirano iniciranje prema zahtevu 2 naznačen time što se interval kašnjenja postavlja na opsegu 0 do 9999 milisekundi sa rezolucijom od 1 milisekunde.

4. Sistem prema zahtevu 1 naznačen time što sadrži najviše 16 uređaja za upravljanje i punjenje preko svojih mreža upravljani za na njih priključene uređaje za iniciranje.

5. Sistem prema zahtevu 4 naznačen time što je ručni terminal sa pridruženim 9xTend RF modulom predstavlja vezu rukovaoca miniranjem sa sistemom u celini preko najviše 16 uređaja za upravljanje sa svojim 9xTend RF modulom.

6. Sistem prema zahtevu 1. naznačen time se programiranje intervalalima kašnjenja svake mreže pojedinačno vrši i vizuelno brojevima obeležava na mestu iniciranja bez prisustva električne energije za iniciranje.