4.6. Xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh thời gian vi sai và dự báo mức độ chấn
4.6.1. Giải pháp xây dựng thiết bị khởi nổ điện tử đa kênh độc lập
Yêu cầu hoạt động của thiết bị
Với yêu cầu của hệ thống đã được xây dựng, thiết bị khởi nổ đa kênh phải thực hiện được những yêu cầu sau:
- Kích nổ nhiều kênh độc lập
- Tạo vi sai giữa các kênh, cho phép hiệu chỉnh thời gian vi sai tới 1 mili giây. - Cài đặt các thông số vụ nổ, và các chỉ số định danh của các module tương ứng. - Kết nối truyền thông trực tuyến với các module cảm biến, quản lý dữ liệu các
module cảm biến gửi về theo chỉ số định danh của từng module.
- Kết nối mạng internet để gửi dữ liệu về cơ sở dữ liệu đám mây. Hoặc có thể kết nối trực tiếp với máy tính trung tâm.
Xây dựng cấu trúc, sơ đồ nguyên lý và lựa chọn thiết bị phần cứng
Theo như thông số kỹ thuật của các loại kíp điện, để kích nổ, cần đưa một dịng điện một chiều có cường độ 1-1,2 Ampe [19]. Điện trở cho phép của kíp điện bao gồm dây dẫn (1,9-2,1m) là 2-4 Ôm [19]. Điện trở của dây dẫn từ máy khởi nổ đến kíp coi là hằng số và bằng 20 Ôm. Nếu giả thiết rằng mỗi kênh máy khởi nổ có thể kích nổ được 20 kíp đấu nối tiếp/song song thì điện áp cần tạo ra trên mỗi kênh sẽ là khoảng 400 Volt.
Do tại khu vực khai thác thường khơng có điện lưới, các máy khởi nổ bắt buộc dùng nguồn ắc quy. Vì thế, mức điện áp khoảng 400VDC được tạo ra từ điện áp 12VDC qua một mạch tăng áp DC-DC. Để duy trì điện áp này cho phép tạo ra dịng theo yêu cầu, năng lượng được tích lũy vào hệ thống tụ điện ( do tụ điện cho phép tốc độ nạp, phóng nhanh, nhiều lần).
Một mạch kích sẽ cho phép hoặc ngăn chặn năng lượng từ hệ thống tụ đi tới kíp nổ để gây nổ. Các kíp nổ chỉ được kích nổ trong điều kiện cho phép ( theo yêu cầu, đảm bảo an tồn ), khi đó, mạch kích trên mỗi kênh sẽ nhận tín hiệu độc lập để cấp
năng lượng kích nổ tới từng kênh ra kíp. Khoảng thời gian giữa các thời điểm các mạch kích cấp năng lượng đi chính là khoảng thời gian vi sai giữa các kênh.
Để có thể kích nổ với thời gian vi sai linh hoạt đó cần một khối điều khiển trung tâm (CPU) để điều khiển mạch tăng áp và các mạch kích. CPU cũng cần có kết nối với màn hình, các phím nhấn để phục vụ cho việc cài đặt thơng số vụ nổ. Ngồi ra, với yêu cầu về khả năng kết nối truyền thông theo thời gian thực với các trạm cảm biến và kết nối truyền thông internet (hoặc kết nối trực tiếp máy tính), CPU cần sử dụng các module truyền thông thời gian thực và module kết nối internet.
Từ những phân tích đó, cấu trúc thiết bị khởi nổ điện tử đa kênh độc lập được xây dựng như Hình 4.10. Module CPU Màn hình và Bàn phím Mạch tăng áp DC-DC Tụ điện áp cao Nguồn ắc qui 12V Module kết nối trạm cảm biến Module kết nối internet Kíp nổ 400VDC
Đường điều khiển, truyền thông: điện áp thấp Đường nguồn: điện áp cao
400VDC Kênh 1 Kênh 2 Kênh 10 Mạch điều khiển kích
Hình 4.10 Sơ đồ cấu trúc thiết bị khởi nổ điện tử đa kênh độc lập
Theo cấu trúc các thành phần và chức năng của nó được mơ tả, nghiên cứu đề xuất các giải pháp về thiết bị và sơ đồ với từng khối.
Mạch tăng áp DC-DC sử dụng vi mạch băm xung có hồi tiếp cùng với biến áp xung có thể nâng điện áp. Điện áp sau kích được nạp vào hệ tụ điện đấu nối tiếp nhau. Sơ đồ chi tiết mạch tăng áp được thể hiện trong Phụ lục. Kết quả thực nghiệm đã lựa chọn linh kiện và biến áp xung cho mạch giúp mức điện áp sau khi tăng là 450Vdc. Khi đó, cặp tụ điện lưu trữ phải là loại chịu điện áp là 250V.
Mạch điều khiển kích của mỗi kênh cũng sử dụng một biến áp xung nhỏ để truyền tín hiệu xung kích từ CPU tới mạch điện áp cao đảm bảo sự cách ly tín hiệu. Mạch kích sử dụng một transitor trường FET để dẫn dịng kích nổ cho kíp. Sơ đồ chi tiết mạch kích được thể hiện trong Phụ lục.
Với các thiết bị hiện trường mang tính di động cao, giải pháp để kết nối internet khơng gì khác là sử dụng sim điện thoại di động. Tức là thiết bị khởi nổ cần có một module sim. Do lượng dữ liệu là không nhiều, quá trình gửi dữ liệu lên cơ sở dữ liệu đám mây có thể thực hiện sau khi kết thúc vụ nổ. Việc kết nối để gửi dữ liệu có thể sử dụng cơng nghệ GPRS. Có nhiều loại module sim có thể sử dụng (Phụ lục) tùy thuộc vào lựa chọn giải pháp kết nối internet. Tất cả đều có thể giao tiếp với CPU bằng truyền thông nối tiếp, thường theo chuẩn UART, một số là USB.
Để truyền tín hiệu đồng bộ thiết bị khởi nổ và trạm cảm biến đo chấn động, giải pháp kết nối u cầu có tính thời gian thực. Giải pháp kết nối mạng internet khơng đáp ứng được u cầu đó. Việc địa hình khu vực nổ có thể rất phức tạp nên việc kết nối trực tiếp, có dây giữa thiết bị khởi nổ và trạm cảm biến là giải pháp không khả thi. Tức là giải pháp kết nối điều khiển là khơng dây, khoảng cách có thể lên hàng kilomet. Với yêu cầu đó, module LORA là giải pháp hợp lý (Phụ lục). Các module Lora truyền dữ liệu trên nền tảng sóng điện từ với giải pháp mã hóa dữ liệu cho phép khoảng cách truyền xa ở công suất thấp ( module 100mW cho phép truyền tới 3km khơng vật cản). Các module này có thể giao tiếp với CPU qua truyền thông UART theo chuẩn RS232 hoặc RS485.
Module CPU, màn hình và bàn phím cũng có nhiều giải pháp có thể lựa chọn. Với tiện ích cao nhất, có thể lựa chọn các module máy tính nhúng (ví dụ như Raspberry), kết hợp với màn hình cảm ứng đáp ứng đầy đủ nhu cầu của CPU, màn hình và bàn phím. Ưu điểm là năng lực của CPU là rất cao, hoạt động ổn định, nhiều tiện ích, giao diện có thể thiết kế đẹp, tích hợp được thêm nhiều tính năng mở rộng. Nhược điểm của giải pháp này là năng lượng tiêu thụ sẽ lớn do cấu trúc dạng máy tính, và màn
hình lớn. Nguồn điện khuyến cáo cho riêng module Raspberry là 5V3A. Đây không phải là vấn đề đơn giản do nguồn năng lượng của thiết bị là ắc qui.
Yêu cầu điều khiển của thiết bị là không quá phức tạp. Giải pháp đơn giản và có thể phù hợp hơn là sử dụng vi điều khiển. Khi đó, phải sử dụng màn hình LCD và bàn phím rời. Cấu trúc này sẽ tiêu thụ rất ít năng lượng đảm bảo hoạt động thiết bị. Nhược điểm của cấu trúc này là phải xây dựng mạch điều khiển, kết nối hệ thống. Giao diện đơn giản. Cấu trúc và tính năng là cố định. Trong trường hợp cụ thể, nghiên cứu đề xuất sử dụng vi điều khiển Pic, là một loại vi điều khiển hoạt động ổn định, giá thành hợp lý, được sử dụng phổ biến ở Việt Nam.
Thuật tốn điều khiển
Hình 4.11 mơ tả thuật tốn điều khiển của thiết bị khởi nổ đa kênh. Nó cũng thể hiện cơ chế và quá trình hoạt động của thiết bị.
Khởi tạo các tham số Kết nối module Sim và module Lora
Đạt yêu cầu Bắt đầu Kết thúc Đ S Điện áp>=GT đặt S Đ Có tín hiệu kích nổ Đ S Đ Kết nối trạm S cảm biến Lưu thơng tin các trạm cảm biến (ID, vị trí tương ứng)
Thiết lập thơng số vụ nổ (thời gian vi sai, số kênh,...)
Cho phép tăng áp
Đ S
Kiểm tra điện trở từng nhánh
Dừng mạch tăng áp Kích hoạt mạch tăng áp
Gửi tín hiệu đồng bộ tới các trạm cảm biến. Kích hoạt lần lượt các kênh theo thứ tự đã cài đặt
Chờ 10 giây
Quét lần lượt dữ liệu từ các trạm cảm biến Gửi dữ liệu đo lên cơ sở dữ liệu