黑箱方法在掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)故障檢測(cè)中的應(yīng)用研究

張景超

（金鼎天地公司，山西 晉城 048000）

如何快速、準(zhǔn)確地對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)解決電控系統(tǒng)故障，避免重復(fù)檢測(cè)，是現(xiàn)階段掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)故障檢測(cè)方面的一個(gè)新課題。本文探索黑箱方法在電控系統(tǒng)故障檢測(cè)中的應(yīng)用。

1 基本原理

黑箱是指只能在外部進(jìn)行觀察，只知道其輸入、輸出信號(hào)，不能直接對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行觀察或識(shí)別的系統(tǒng)。

黑箱方法是通過(guò)從黑箱外部輸入控制信號(hào)，通過(guò)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)處理后輸出信息，再根據(jù)其輸出信息來(lái)判斷其運(yùn)行原理和特性的科學(xué)方法。在控制論的有關(guān)論述中，普遍使用“方框圖”（圖1）的形式來(lái)表現(xiàn)黑箱方法。

圖1 黑箱示意圖

方框內(nèi)的“系統(tǒng)”表示需要研究和了解的對(duì)象，即“黑箱”，輸入表示可對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的因素，輸出表示系統(tǒng)針對(duì)施加的影響而做出的反應(yīng)，從而達(dá)到黑箱內(nèi)外之間的聯(lián)動(dòng)。

對(duì)掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)而言，由于電子元器件的快速發(fā)展，其模塊化、集成化和小型化的程度越來(lái)越高，即保證相同產(chǎn)品功能的一致性，又提高了相同產(chǎn)品更換的便捷性。在處理掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)故障時(shí)，主要以電子元器件更換為主，而整個(gè)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(yùn)用也正是基于這個(gè)需求。

2 掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)黑箱檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

2.1 確定黑箱

掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)故障一般是由于某一個(gè)或幾個(gè)元器件以及控制線路損壞等原因，無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常的功能。但整個(gè)電控系統(tǒng)包含的元器件比較多，無(wú)法及時(shí)、準(zhǔn)確地確定故障元器件，為降低檢測(cè)的復(fù)雜程度和難度，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理分割，便于準(zhǔn)確、全面地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，這就是確定黑箱。

在設(shè)置黑箱時(shí)，采取從大到小、從簡(jiǎn)到繁的設(shè)置原則，即先將整個(gè)電控系統(tǒng)作為一個(gè)黑箱，對(duì)黑箱外的元器件進(jìn)行檢測(cè)排除，然后逐步縮小黑箱范圍，將功能簡(jiǎn)單、便于檢測(cè)的元器件，如繼電器、熔斷器等，按照線路的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行優(yōu)先檢測(cè)排除，達(dá)到從整體到局部，再到單個(gè)故障元器件的目的。黑箱確認(rèn)圖如下圖2。

圖2 黑箱確認(rèn)圖

2.2 檢測(cè)黑箱之外的元器件和線路是否故障

對(duì)黑箱范圍之外的元器件進(jìn)行檢測(cè)，若沒(méi)有故障，則進(jìn)行信號(hào)的輸入；若存在問(wèn)題，則進(jìn)行故障處理。

2.3 更換損壞元器件

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

2.4 輸入信號(hào)

嚴(yán)格按照掘進(jìn)機(jī)用戶(hù)手冊(cè)，輸入電壓、電流信號(hào)，做好周?chē)h(huán)境觀測(cè)，防止其他因素影響信號(hào)輸入。一般進(jìn)行多次相同信號(hào)輸入，避免信號(hào)處理的意外性。

2.5 信號(hào)處理

電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理。

2.6 輸出信號(hào)

讀取輸出信號(hào)。

2.7 判斷信號(hào)是否正常

按照用戶(hù)手冊(cè)，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，判斷信號(hào)是否符合要求。若信號(hào)正常，則表明故障已排除；若信號(hào)異常，返回確定黑箱步驟，繼續(xù)縮小電路范圍進(jìn)行黑箱測(cè)試。

2.8 故障排除完畢

黑箱測(cè)試流程如圖3所示。

圖3 黑箱測(cè)試流程

3 黑箱方法在掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用研究

以金鼎天地公司120型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為例，其電控系統(tǒng)圖如下圖4。

圖4 電控系統(tǒng)圖

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

3.1 工作原理

該電控系統(tǒng)主要是通過(guò)PLC模塊接受輸入裝置的輸入信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后輸出信號(hào)，控制輸出裝置完成相應(yīng)動(dòng)作。

（1）在掘進(jìn)機(jī)電源開(kāi)始供電后，PLC模塊通過(guò)變壓器啟動(dòng)，并發(fā)出信號(hào)，打開(kāi)車(chē)載LED燈，并將掘進(jìn)機(jī)有關(guān)信息在顯示屏上進(jìn)行顯示。

（2）按下操作臺(tái)“ON”開(kāi)關(guān)，將信號(hào)輸入至PLC模塊，PLC模塊進(jìn)行信號(hào)處理之后，向輸出裝置發(fā)出信號(hào)，控制電鈴發(fā)出聲音，斷路器由斷開(kāi)轉(zhuǎn)換至閉合，電機(jī)啟動(dòng)，車(chē)載LED燈繼續(xù)保持亮光，電機(jī)啟動(dòng)相關(guān)信息在顯示屏上進(jìn)行顯示。

（3）按下操作臺(tái)“OFF”開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)急停按鈕或者模擬瓦斯斷電儀異常，將信號(hào)輸入至PLC模塊，PLC模塊進(jìn)行信號(hào)處理之后，向輸出裝置發(fā)出信號(hào)，電鈴保持靜音，斷路器由閉合轉(zhuǎn)換至斷開(kāi)，電機(jī)停止，車(chē)載LED燈繼續(xù)保持亮光，電機(jī)停止相關(guān)信息在顯示屏上進(jìn)行顯示。

3.2 黑箱方法檢測(cè)

假設(shè)電控系統(tǒng)故障為操作臺(tái)無(wú)法控制電機(jī)啟動(dòng)。

（1）黑箱檢測(cè)1

如圖5所示，將操作臺(tái)作為輸入裝置，電機(jī)、車(chē)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(rèn)圖1

分別對(duì)操作臺(tái)、電機(jī)、顯示屏、車(chē)載LED燈和電鈴及其關(guān)聯(lián)電路進(jìn)行檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)故障元器件或故障線路，則進(jìn)行更換或維修，并重新進(jìn)行2～3次信號(hào)輸入，仔細(xì)核對(duì)輸出信號(hào)，確保故障處理完畢；如元器件均正常，未發(fā)現(xiàn)故障，則進(jìn)行下一階段黑箱測(cè)試。

（2）黑箱檢測(cè)2

如圖6所示，將已檢查無(wú)誤的操作臺(tái)、電機(jī)、車(chē)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(rèn)圖2

分別對(duì)急停按鈕、瓦斯斷電儀和斷路器及其關(guān)聯(lián)電路進(jìn)行檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)故障元器件或故障線路，則進(jìn)行更換或維修，并重新進(jìn)行2～3次信號(hào)輸入，仔細(xì)核對(duì)輸出信號(hào)，確保故障處理完畢；如元器件均正常，未發(fā)現(xiàn)故障，則進(jìn)行下一階段黑箱測(cè)試。

（3）黑箱檢測(cè)3

如圖7所示，將已檢查無(wú)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(cè)的復(fù)雜性，首先對(duì)變壓器及其關(guān)聯(lián)線路進(jìn)行檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)變壓器故障，則進(jìn)行更換或維修，并重新進(jìn)行2～3次信號(hào)輸入，仔細(xì)核對(duì)輸出信號(hào)，確保故障處理完畢；如變壓器及其關(guān)聯(lián)電路正常，未發(fā)現(xiàn)故障，則可確定此次為PLC模塊故障，對(duì)PLC模塊進(jìn)行更換即可。

圖7 黑箱確認(rèn)圖3

4 結(jié)論

使用黑箱方法對(duì)掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)，采用從外到內(nèi)，層層剝離的方式，可最大程度地排除故障，并通過(guò)對(duì)關(guān)聯(lián)元器件的檢查，進(jìn)一步消除排查盲點(diǎn)和死角，降低電控系統(tǒng)發(fā)生其他故障的可能性，對(duì)電控系統(tǒng)的故障排除和維修有著重要的意義。