黑箱方法在掘进机电控系统故障检测中的应用研究

张景超

（金鼎天地公司，山西 晋城 048000）

如何快速、准确地对电控系统进行检测，及时解决电控系统故障，避免重复检测，是现阶段掘进机电控系统故障检测方面的一个新课题。本文探索黑箱方法在电控系统故障检测中的应用。

1 基本原理

黑箱是指只能在外部进行观察，只知道其输入、输出信号，不能直接对其内部结构和运行机制进行观察或识别的系统。

黑箱方法是通过从黑箱外部输入控制信号，通过其内部结构进行信号处理后输出信息，再根据其输出信息来判断其运行原理和特性的科学方法。在控制论的有关论述中，普遍使用“方框图”（图1）的形式来表现黑箱方法。

图1 黑箱示意图

方框内的“系统”表示需要研究和了解的对象，即“黑箱”，输入表示可对系统产生影响的因素，输出表示系统针对施加的影响而做出的反应，从而达到黑箱内外之间的联动。

对掘进机电控系统而言，由于电子元器件的快速发展，其模块化、集成化和小型化的程度越来越高，即保证相同产品功能的一致性，又提高了相同产品更换的便捷性。在处理掘进机电控系统故障时，主要以电子元器件更换为主，而整个故障处理的重中之重就是确定某一电路、电子元器件的功能是否正常，黑箱方法的运用也正是基于这个需求。

2 掘进机电控系统黑箱检测方法设计

2.1 确定黑箱

掘进机电控系统故障一般是由于某一个或几个元器件以及控制线路损坏等原因，无法实现正常的功能。但整个电控系统包含的元器件比较多，无法及时、准确地确定故障元器件，为降低检测的复杂程度和难度，需对系统进行合理分割，便于准确、全面地对系统进行检测，这就是确定黑箱。

在设置黑箱时，采取从大到小、从简到繁的设置原则，即先将整个电控系统作为一个黑箱，对黑箱外的元器件进行检测排除，然后逐步缩小黑箱范围，将功能简单、便于检测的元器件，如继电器、熔断器等，按照线路的关联性进行优先检测排除，达到从整体到局部，再到单个故障元器件的目的。黑箱确认图如下图2。

图2 黑箱确认图

2.2 检测黑箱之外的元器件和线路是否故障

对黑箱范围之外的元器件进行检测，若没有故障，则进行信号的输入；若存在问题，则进行故障处理。

2.3 更换损坏元器件

用安全、可靠的元器件对检查出的故障元器件进行更换，维修损坏线路，完成后输入信号。

2.4 输入信号

严格按照掘进机用户手册，输入电压、电流信号，做好周围环境观测，防止其他因素影响信号输入。一般进行多次相同信号输入，避免信号处理的意外性。

2.5 信号处理

电路对输入信号进行处理。

2.6 输出信号

读取输出信号。

2.7 判断信号是否正常

按照用户手册，对输出信号进行比对，判断信号是否符合要求。若信号正常，则表明故障已排除；若信号异常，返回确定黑箱步骤，继续缩小电路范围进行黑箱测试。

2.8 故障排除完毕

黑箱测试流程如图3所示。

图3 黑箱测试流程

3 黑箱方法在掘进机电控系统内的应用研究

以金鼎天地公司120型悬臂式掘进机为例，其电控系统图如下图4。

图4 电控系统图

其中，操作台、急停按钮和瓦斯断电仪为主要的输入装置，电机、断路器、显示屏、电铃和车载LED灯为主要的输出装置。

3.1 工作原理

该电控系统主要是通过PLC模块接受输入装置的输入信号，进行数据处理，然后输出信号，控制输出装置完成相应动作。

（1）在掘进机电源开始供电后，PLC模块通过变压器启动，并发出信号，打开车载LED灯，并将掘进机有关信息在显示屏上进行显示。

（2）按下操作台“ON”开关，将信号输入至PLC模块，PLC模块进行信号处理之后，向输出装置发出信号，控制电铃发出声音，断路器由断开转换至闭合，电机启动，车载LED灯继续保持亮光，电机启动相关信息在显示屏上进行显示。

（3）按下操作台“OFF”开关、启动急停按钮或者模拟瓦斯断电仪异常，将信号输入至PLC模块，PLC模块进行信号处理之后，向输出装置发出信号，电铃保持静音，断路器由闭合转换至断开，电机停止，车载LED灯继续保持亮光，电机停止相关信息在显示屏上进行显示。

3.2 黑箱方法检测

假设电控系统故障为操作台无法控制电机启动。

（1）黑箱检测1

如图5所示，将操作台作为输入装置，电机、车载LED灯、显示屏和电铃作为输出装置，其余元器件作为黑箱。

图5 黑箱确认图1

分别对操作台、电机、显示屏、车载LED灯和电铃及其关联电路进行检测，如发现故障元器件或故障线路，则进行更换或维修，并重新进行2～3次信号输入，仔细核对输出信号，确保故障处理完毕；如元器件均正常，未发现故障，则进行下一阶段黑箱测试。

（2）黑箱检测2

如图6所示，将已检查无误的操作台、电机、车载LED灯、显示屏和电铃排除，并保持线路正常连接。将急停按钮和瓦斯断电仪作为输入装置，断路器作为输出装置，其余元器件为黑箱。

图6 黑箱确认图2

分别对急停按钮、瓦斯断电仪和断路器及其关联电路进行检测，如发现故障元器件或故障线路，则进行更换或维修，并重新进行2～3次信号输入，仔细核对输出信号，确保故障处理完毕；如元器件均正常，未发现故障，则进行下一阶段黑箱测试。

（3）黑箱检测3

如图7所示，将已检查无误的急停按钮、瓦斯断电仪和断路器排除，并保持线路正常连接。该电路中仅剩下变压器和PLC模块，鉴于PLC模块检测的复杂性，首先对变压器及其关联线路进行检测，如发现变压器故障，则进行更换或维修，并重新进行2～3次信号输入，仔细核对输出信号，确保故障处理完毕；如变压器及其关联电路正常，未发现故障，则可确定此次为PLC模块故障，对PLC模块进行更换即可。

图7 黑箱确认图3

4 结论

使用黑箱方法对掘进机电控系统进行故障检测，采用从外到内，层层剥离的方式，可最大程度地排除故障，并通过对关联元器件的检查，进一步消除排查盲点和死角，降低电控系统发生其他故障的可能性，对电控系统的故障排除和维修有着重要的意义。