黑箱方法在掘進機電控系統故障檢測中的應用研究

張景超

（金鼎天地公司，山西 晉城 048000）

如何快速、準確地對電控系統進行檢測，及時解決電控系統故障，避免重復檢測，是現階段掘進機電控系統故障檢測方面的一個新課題。本文探索黑箱方法在電控系統故障檢測中的應用。

1 基本原理

黑箱是指只能在外部進行觀察，只知道其輸入、輸出信號，不能直接對其內部結構和運行機制進行觀察或識別的系統。

黑箱方法是通過從黑箱外部輸入控制信號，通過其內部結構進行信號處理后輸出信息，再根據其輸出信息來判斷其運行原理和特性的科學方法。在控制論的有關論述中，普遍使用“方框圖”（圖1）的形式來表現黑箱方法。

圖1 黑箱示意圖

方框內的“系統”表示需要研究和了解的對象，即“黑箱”，輸入表示可對系統產生影響的因素，輸出表示系統針對施加的影響而做出的反應，從而達到黑箱內外之間的聯動。

對掘進機電控系統而言，由于電子元器件的快速發展，其模塊化、集成化和小型化的程度越來越高，即保證相同產品功能的一致性，又提高了相同產品更換的便捷性。在處理掘進機電控系統故障時，主要以電子元器件更換為主，而整個故障處理的重中之重就是確定某一電路、電子元器件的功能是否正常，黑箱方法的運用也正是基于這個需求。

2 掘進機電控系統黑箱檢測方法設計

2.1 確定黑箱

掘進機電控系統故障一般是由于某一個或幾個元器件以及控制線路損壞等原因，無法實現正常的功能。但整個電控系統包含的元器件比較多，無法及時、準確地確定故障元器件，為降低檢測的復雜程度和難度，需對系統進行合理分割，便于準確、全面地對系統進行檢測，這就是確定黑箱。

在設置黑箱時，采取從大到小、從簡到繁的設置原則，即先將整個電控系統作為一個黑箱，對黑箱外的元器件進行檢測排除，然后逐步縮小黑箱范圍，將功能簡單、便于檢測的元器件，如繼電器、熔斷器等，按照線路的關聯性進行優先檢測排除，達到從整體到局部，再到單個故障元器件的目的。黑箱確認圖如下圖2。

圖2 黑箱確認圖

2.2 檢測黑箱之外的元器件和線路是否故障

對黑箱范圍之外的元器件進行檢測，若沒有故障，則進行信號的輸入；若存在問題，則進行故障處理。

2.3 更換損壞元器件

用安全、可靠的元器件對檢查出的故障元器件進行更換，維修損壞線路，完成后輸入信號。

2.4 輸入信號

嚴格按照掘進機用戶手冊，輸入電壓、電流信號，做好周圍環境觀測，防止其他因素影響信號輸入。一般進行多次相同信號輸入，避免信號處理的意外性。

2.5 信號處理

電路對輸入信號進行處理。

2.6 輸出信號

讀取輸出信號。

2.7 判斷信號是否正常

按照用戶手冊，對輸出信號進行比對，判斷信號是否符合要求。若信號正常，則表明故障已排除；若信號異常，返回確定黑箱步驟，繼續縮小電路范圍進行黑箱測試。

2.8 故障排除完畢

黑箱測試流程如圖3所示。

圖3 黑箱測試流程

3 黑箱方法在掘進機電控系統內的應用研究

以金鼎天地公司120型懸臂式掘進機為例，其電控系統圖如下圖4。

圖4 電控系統圖

其中，操作臺、急停按鈕和瓦斯斷電儀為主要的輸入裝置，電機、斷路器、顯示屏、電鈴和車載LED燈為主要的輸出裝置。

3.1 工作原理

該電控系統主要是通過PLC模塊接受輸入裝置的輸入信號，進行數據處理，然后輸出信號，控制輸出裝置完成相應動作。

（1）在掘進機電源開始供電后，PLC模塊通過變壓器啟動，并發出信號，打開車載LED燈，并將掘進機有關信息在顯示屏上進行顯示。

（2）按下操作臺“ON”開關，將信號輸入至PLC模塊，PLC模塊進行信號處理之后，向輸出裝置發出信號，控制電鈴發出聲音，斷路器由斷開轉換至閉合，電機啟動，車載LED燈繼續保持亮光，電機啟動相關信息在顯示屏上進行顯示。

（3）按下操作臺“OFF”開關、啟動急停按鈕或者模擬瓦斯斷電儀異常，將信號輸入至PLC模塊，PLC模塊進行信號處理之后，向輸出裝置發出信號，電鈴保持靜音，斷路器由閉合轉換至斷開，電機停止，車載LED燈繼續保持亮光，電機停止相關信息在顯示屏上進行顯示。

3.2 黑箱方法檢測

假設電控系統故障為操作臺無法控制電機啟動。

（1）黑箱檢測1

如圖5所示，將操作臺作為輸入裝置，電機、車載LED燈、顯示屏和電鈴作為輸出裝置，其余元器件作為黑箱。

圖5 黑箱確認圖1

分別對操作臺、電機、顯示屏、車載LED燈和電鈴及其關聯電路進行檢測，如發現故障元器件或故障線路，則進行更換或維修，并重新進行2～3次信號輸入，仔細核對輸出信號，確保故障處理完畢；如元器件均正常，未發現故障，則進行下一階段黑箱測試。

（2）黑箱檢測2

如圖6所示，將已檢查無誤的操作臺、電機、車載LED燈、顯示屏和電鈴排除，并保持線路正常連接。將急停按鈕和瓦斯斷電儀作為輸入裝置，斷路器作為輸出裝置，其余元器件為黑箱。

圖6 黑箱確認圖2

分別對急停按鈕、瓦斯斷電儀和斷路器及其關聯電路進行檢測，如發現故障元器件或故障線路，則進行更換或維修，并重新進行2～3次信號輸入，仔細核對輸出信號，確保故障處理完畢；如元器件均正常，未發現故障，則進行下一階段黑箱測試。

（3）黑箱檢測3

如圖7所示，將已檢查無誤的急停按鈕、瓦斯斷電儀和斷路器排除，并保持線路正常連接。該電路中僅剩下變壓器和PLC模塊，鑒于PLC模塊檢測的復雜性，首先對變壓器及其關聯線路進行檢測，如發現變壓器故障，則進行更換或維修，并重新進行2～3次信號輸入，仔細核對輸出信號，確保故障處理完畢；如變壓器及其關聯電路正常，未發現故障，則可確定此次為PLC模塊故障，對PLC模塊進行更換即可。

圖7 黑箱確認圖3

4 結論

使用黑箱方法對掘進機電控系統進行故障檢測，采用從外到內，層層剝離的方式，可最大程度地排除故障，并通過對關聯元器件的檢查，進一步消除排查盲點和死角，降低電控系統發生其他故障的可能性，對電控系統的故障排除和維修有著重要的意義。