一种煤矿许用电子雷管起爆控制器故障自诊断方法及系统与流程

本发明涉及故障检测，尤其涉及一种煤矿许用电子雷管起爆控制器故障自诊断方法及系统。

背景技术：

1、目前，煤矿井下爆破作业前，起爆控制器普遍采用在线自检方式判断起爆母线与电子雷管的连接状态。通常做法是先通过防爆安全栅将储能电容与起爆母线隔离，再施加低压直流或低频测试信号，测量回路两线间的稳态电阻值，并根据预设的电阻阈值区间进行判断。若电阻值落在正常范围内则认为连接完好，允许后续起爆流程；若超出上限则判定为断路并报警锁定。该方式仅依赖单一直流电阻判据，在测试能量严格受限的条件下，无法捕捉连接点上接触电阻的渐变劣化与高频阻抗特征，对长线分布参数和现场电磁环境也缺乏感知识别。

2、例如，当起爆母线与雷管脚线因潮湿、氧化或机械疲劳而形成高电阻虚接时，回路总电阻可能仅增大数十至数百欧姆，仍然处于传统通断检测所设定的正常范围之内，控制器会错误地将此虚接状态判定为合格。实际起爆瞬间，数百安培脉冲电流流经虚接点时，由于局部电流密度过大，接触区域瞬间发热甚至熔融，绝大部分起爆能量无法有效传递至雷管桥丝，最终导致拒爆事故。同时，煤矿井下变频设备、对讲机及大功率开关动作产生的强电磁传导与辐射干扰极易耦合至长距离起爆母线，引起直流电阻采样的瞬时剧烈波动，导致控制器频繁触发断路误报警，增加不必要的故障排查工作，延误爆破作业进度。

3、因此，亟需一种在强电磁干扰严重、长线分布参数复杂且连接器存在老化的煤矿井下环境中，仍能够在线定量检测起爆回路连接阻抗、根据阻抗幅值与相位特征及反射波特征准确区分正常、虚接与完全断开三种状态的方法及系统，以提高起爆控制器自诊断对虚接隐患的辨识能力与诊断可靠性，从根本上降低因虚接未检出而引发的拒爆事故风险。

技术实现思路

1、针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提出一种煤矿许用电子雷管起爆控制器故障自诊断方法，旨在解决现有技术中简单通断检测无法区分母线与雷管脚线的虚接和完全断开，尤其是在煤矿井下强电磁干扰和长线分布参数影响下，无法实现虚接故障在线定量诊断的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：本发明提供一种煤矿许用电子雷管起爆控制器故障自诊断方法。

3、所述一种煤矿许用电子雷管起爆控制器故障自诊断方法包括：

4、步骤s10：获取起爆母线端残余电压，基于所述起爆母线端残余电压采用安全隔离与预充电自检机制执行起爆母线安全接入及直流回路电阻测量任务，输出直流回路电阻值；

5、步骤s20：基于所述直流回路电阻值采用多频点跳频探测脉冲注入机制执行测试信号施加任务，输出母线测试端电压响应波形；

6、步骤s30：基于所述母线测试端电压响应波形采用基于维纳与辛钦定理的频域加速滑动互相关机制执行时域反射特征预处理及提取任务，输出互相关特征轨迹；

7、步骤s40：基于所述互相关特征轨迹采用二阶差分过零检测与线路衰减补偿机制执行反射特征估计任务，输出补偿反射特征参数，所述补偿反射特征参数包括补偿反射系数和反射峰时延；

8、步骤s50：基于所述直流回路电阻值、所述补偿反射特征参数以及所述母线测试端电压响应波形，采用列文伯格与马夸尔特非线性最小二乘模型匹配与分类决策机制执行起爆母线连接状态诊断任务，输出母线连接状态诊断结果，所述母线连接状态诊断结果包括连接状态类型，以及在连接状态类型为虚接故障时对应的虚接位置。

9、优选地，步骤s10中，获取起爆母线端残余电压，基于所述起爆母线端残余电压采用安全隔离与预充电自检机制执行起爆母线安全接入及直流回路电阻测量任务，输出直流回路电阻值的步骤，具体包括：

10、步骤s101：起爆控制器上电后，通过高压继电器和防爆安全隔离单元将内部储能电容与起爆母线进行物理隔离，并接通串联有限流电阻的低压直流测试通道；其中，所述限流电阻的标称阻值和所述低压直流测试通道的测试电压满足预设本质安全测试能量要求；

11、步骤s102：检测所述起爆母线端残余电压；当所述起爆母线端残余电压高于预设归零电压阈值时，通过预设泄放回路对所述起爆母线端残余电压执行重复放电操作，直至所述起爆母线端残余电压低于所述预设归零电压阈值；

12、步骤s103：在所述起爆母线端残余电压低于所述预设归零电压阈值后，向所述低压直流测试通道施加预设低压直流偏置电压，采集稳态测试电流，并将所述预设低压直流偏置电压减去所述稳态测试电流与所述限流电阻的标称阻值的乘积后，再除以所述稳态测试电流，得到所述直流回路电阻值。

13、优选地，步骤s20中，基于所述直流回路电阻值采用多频点跳频探测脉冲注入机制执行测试信号施加任务，输出母线测试端电压响应波形的步骤，具体包括：

14、步骤s201：将所述直流回路电阻值与预设开路预警阈值进行比较；当所述直流回路电阻值不大于所述预设开路预警阈值时，采集低压直流测试过程中的初始充电电流斜率和环境噪声有效值，根据所述初始充电电流斜率确定起爆母线分布电容，并将所述环境噪声有效值和所述起爆母线分布电容输入预存的贝叶斯工况分类器，输出与当前环境工况对应的诊断参数组；当所述直流回路电阻值大于所述预设开路预警阈值时，生成携带开路预警标识的预设诊断参数组；

15、步骤s202：基于所述诊断参数组，利用预设级数的线性反馈移位寄存器生成伪随机二进制序列，并根据预设跳频表对所述伪随机二进制序列进行双极性符号调制和载波跳频调制，输出双极性多频点探测脉冲串；

16、步骤s203：将所述双极性多频点探测脉冲串经所述低压直流测试通道注入起爆母线，并以不低于所述双极性多频点探测脉冲串中最高有效频率分量两倍的采样频率，对起爆母线测试端进行同步采样，输出所述母线测试端电压响应波形。

17、优选地，步骤s202中，所述线性反馈移位寄存器根据对应的本原多项式生成所述伪随机二进制序列，所述伪随机二进制序列的序列周期根据所述诊断参数组对应的环境工况在127个码片和511个码片中选择；

18、所述预设跳频表包括100khz、500khz、2mhz和5mhz四个特征频率，其中，100khz对应低频稳态测量频段，500khz对应集肤效应过渡频段，2mhz对应氧化膜电容效应显著频段，5mhz对应脉冲反射主频频段；

19、所述双极性多频点探测脉冲串的码片宽度根据起爆母线预期长度、电磁波传播速度以及预设最小待检虚接距离确定，且所述码片宽度小于所述预设最小待检虚接距离对应的信号往返传播时延。

20、优选地，步骤s30中，基于所述母线测试端电压响应波形采用基于维纳与辛钦定理的频域加速滑动互相关机制执行时域反射特征预处理及提取任务，输出互相关特征轨迹的步骤，具体包括：

21、步骤s301：利用与所述双极性多频点探测脉冲串的注入动作同步触发的高速模数转换器，对所述母线测试端电压响应波形进行连续采样，得到离散电压响应序列；

22、步骤s302：将所述离散电压响应序列与本地存储的、与所述双极性多频点探测脉冲串相对应的参考伪随机序列进行滑动互相关运算，并基于维纳与辛钦定理通过快速傅里叶变换执行频域加速处理，得到原始互相关序列；

23、步骤s303：对所述原始互相关序列进行实时滑动窗口峭度分析，将峭度大于预设动态峭度阈值的序列片段标记为噪声污染片段；采用卡尔曼平滑算法对未被标记为噪声污染片段的序列片段进行噪声统计估计，得到噪声均方根值；基于预设检测系数与所述噪声均方根值生成自适应检测门限，并根据去除所述噪声污染片段后的原始互相关序列以及所述自适应检测门限，输出所述互相关特征轨迹。

24、优选地，步骤s40中，基于所述互相关特征轨迹采用二阶差分过零检测与线路衰减补偿机制执行反射特征估计任务，输出补偿反射特征参数的步骤，具体包括：

25、步骤s401：根据所述互相关特征轨迹和所述自适应检测门限构建二阶差分序列，基于所述二阶差分序列的过零位置定位首个显著反射峰，提取所述首个显著反射峰的反射峰时延、反射极性和反射峰幅度；根据所述反射峰幅度与注入脉冲参考幅度之比，得到初始反射系数；

26、步骤s402：根据所述首个显著反射峰对应的特征频率，从预设频率衰减模型中获得线路幅度衰减系数；获取起爆母线的单位长度分布电感和单位长度分布电容，根据起爆母线的单位长度分布电感和单位长度分布电容，得到起爆母线中的电磁波传播速度；

27、步骤s403：利用所述初始反射系数、所述线路幅度衰减系数、所述电磁波传播速度和所述反射峰时延计算补偿反射系数，并将所述补偿反射系数与所述反射峰时延组成所述补偿反射特征参数；其中，所述补偿反射系数满足：

28、

29、其中，为所述补偿反射系数；为所述初始反射系数；为特征频率下的线路幅度衰减系数，单位为距离的倒数；为所述首个显著反射峰对应的特征频率；为所述电磁波传播速度；为所述反射峰时延；为无量纲量。

30、优选地，步骤s50中，基于所述直流回路电阻值、所述补偿反射特征参数以及所述母线测试端电压响应波形，采用列文伯格与马夸尔特非线性最小二乘模型匹配与分类决策机制执行起爆母线连接状态诊断任务，输出母线连接状态诊断结果的步骤，具体包括：

31、步骤s501：根据所述母线测试端电压响应波形以及与所述双极性多频点探测脉冲串相对应的预设注入电流参考波形，在所述四个特征频率处分别执行连续小波同步解调和离散傅里叶变换，得到各特征频率对应的电压基波分量和电流基波分量；根据所述电压基波分量与所述电流基波分量，得到实测阻抗特征组，所述实测阻抗特征组包括实测阻抗幅值向量和实测阻抗相位角向量；

32、步骤s502：将所述实测阻抗特征组输入预存的标准化虚接阻抗谱模型库，采用列文伯格与马夸尔特非线性最小二乘算法对等效接触电阻参数和界面电容参数进行迭代拟合，得到最优模型阻抗特征组；基于所述实测阻抗幅值向量和所述最优模型阻抗特征组中的模型阻抗幅值向量，计算皮尔逊匹配相关系数，输出模型匹配结果；

33、步骤s503：基于所述直流回路电阻值、所述补偿反射特征参数、所述实测阻抗特征组和所述模型匹配结果，对起爆母线连接状态进行分类；当所述皮尔逊匹配相关系数大于预设匹配相关系数阈值时，结合所述直流回路电阻值、所述补偿反射系数和所述实测阻抗相位角向量，将起爆母线连接状态分类为正常、串联阻性虚接、并联电容性虚接或断路；

34、当起爆母线连接状态被分类为所述串联阻性虚接或所述并联电容性虚接时，根据所述反射峰时延和所述电磁波传播速度的乘积的一半，确定所述虚接位置，并输出所述母线连接状态诊断结果。

35、本发明还提供一种煤矿许用电子雷管起爆控制器故障自诊断系统包括：

36、安全接入与电阻测量模块，用于获取起爆母线端残余电压，基于所述起爆母线端残余电压采用安全隔离与预充电自检机制执行起爆母线安全接入及直流回路电阻测量任务，输出直流回路电阻值；

37、多频点探测模块，用于基于所述直流回路电阻值采用多频点跳频探测脉冲注入机制执行测试信号施加任务，输出母线测试端电压响应波形；

38、时域反射特征提取模块，用于基于所述母线测试端电压响应波形采用基于维纳与辛钦定理的频域加速滑动互相关机制执行时域反射特征预处理及提取任务，输出互相关特征轨迹；

39、反射特征估计模块，用于基于所述互相关特征轨迹采用二阶差分过零检测与线路衰减补偿机制执行反射特征估计任务，输出补偿反射特征参数；

40、连接状态诊断模块，用于基于所述直流回路电阻值、所述补偿反射特征参数以及所述母线测试端电压响应波形，采用列文伯格与马夸尔特非线性最小二乘模型匹配与分类决策机制执行起爆母线连接状态诊断任务，输出母线连接状态诊断结果。

41、本发明还提供一种煤矿许用电子雷管起爆控制器故障自诊断设备，所述煤矿许用电子雷管起爆控制器故障自诊断设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的煤矿许用电子雷管起爆控制器故障自诊断程序，所述煤矿许用电子雷管起爆控制器故障自诊断程序被所述处理器执行时实现上述方法。

42、本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括煤矿许用电子雷管起爆控制器故障自诊断程序，所述煤矿许用电子雷管起爆控制器故障自诊断程序被处理器执行时实现上述方法。

43、本发明的有益效果在于：

44、本发明通过安全隔离与预充电机制进行直流回路电阻测量，并在判断回路未开路后注入多频点跳频探测脉冲，融合时域反射与频率阻抗谱分析技术，在不破坏电路本质安全特性的前提下，全面获取回路的直流电阻、线路衰减因素以及多频点阻抗响应特征。由此对起爆母线连接状态实现多维度、精细化的量化描述，为后续故障分类提供丰富且可靠的特征数据。

45、通过二阶差分过零检测与线路衰减补偿机制，反射波中微弱虚接信息得到有效增强和距离校正，配合基于柯尔-柯尔阻抗谱模型的列文伯格-马夸尔特非线性拟合与分类判决树，能够将连接状态准确区分为正常、串联阻性虚接、并联电容性虚接或断路，并输出虚接故障位置。该方法克服了传统简单通断检测无法分辨虚接类型和定位的不足，增强了对煤矿恶劣电磁环境下连接状态自诊断的分辨力和鲁棒性。