制动技术论文范文

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一、引言

在通用变频器、异步电动机和机械负载所组成的变频调速传统系统中，当电动机所传动的位能负载下放时，电动机将可能处于再生发电制动状态；或当电动机从高速到低速（含停车）减速时，频率可以突减，但因电机的机械惯性，电机可能处于再生发电状态，传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路中。此时的逆变器处于整流状态。这时，如果变频器中没采取消耗能量的措施，这部分能量将导致中间回路的储能电容器的电压上升。如果当制动过快或机械负载为提升机类时，这部分能量就可能对变频器带来损坏，所以这部分能量我们就应该考虑考虑了。

在通用变频器中，对再生能量最常用的处理方式有两种：(1)、耗散到直流回路中人为设置的与电容器并联的“制动电阻”中，称之为动力制动状态；(2)、使之回馈到电网，则称之为回馈制动状态（又称再生制动状态）。还有一种制动方式，即直流制动，可以用于要求准确停车的情况或起动前制动电机由于外界因素引起的不规则旋转。

在书籍、刊物上有许多专家谈论过有关变频器制动方面的设计与应用，尤其是近些时间有过许多关于“能量回馈制动”方面的文章。今天，笔者提供一种新型的制动方法，它具有“回馈制动”的四象限运转、运行效率高等优点，也具有“能耗制动”对电网无污染、可靠性高等好处。

二、能耗制动

利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电机的再生电能的方式称为能耗制动。

其优点是构造简单；对电网无污染（与回馈制动作比较），成本低廉；缺点是运行效率低，特别是在频繁制动时将要消耗大量的能量且制动电阻的容量将增大。

一般在通用变频器中，小功率变频器（22kW以下）内置有了刹车单元，只需外加刹车电阻。大功率变频器（22kW以上）就需外置刹车单元、刹车电阻了。

三、回馈制动

实现能量回馈制动就要求电压同频同相控制、回馈电流控制等条件。它是采用有源逆变技术，将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，从而实现制动。回馈制动的优点是能四象限运行,如图3所示，电能回馈提高了系统的效率。其缺点是：(1)、只有在不易发生故障的稳定电网电压下（电网电压波动不大于10%），才可以采用这种回馈制动方式。因为在发电制动运行时，电网电压故障时间大于2ms，则可能发生换相失败，损坏器件。(2)、在回馈时，对电网有谐波污染。(3)、控制复杂，成本较高。

四、新型制动方式（电容反馈制动）

1、主回路原理

整流部分采用普通的不可控整流桥进行整流，滤波回路采用通用的电解电容，延时回路采用接触器或可控硅都行。充电、反馈回路由功率模块IGBT、充电、反馈电抗器L及大电解电容C（容量约零点几法，可根据变频器所在的工况系统决定）组成。逆变部分由功率模块IGBT组成。保护回路，由IGBT、功率电阻组成。

(1)电动机发电运行状态

CPU对输入的交流电压和直流回路电压νd的实时监控，决定向VT1是否发出充电信号，一旦νd比输入交流电压所对应的直流电压值（如380VAC—530VDC）高到一定值时，CPU关断VT3，通过对VT1的脉冲导通实现对电解电容C的充电过程。此时的电抗器L与电解电容C分压，从而确保电解电容C工作在安全范围内。当电解电容C上的电压快到危险值（比如说370V），而系统仍处于发电状态，电能不断通过逆变部分回送到直流回路中时，安全回路发挥作用，实现能耗制动（电阻制动），控制VT3的关断与开通，从而实现电阻R消耗多余的能量，一般这种情况是不会出现的。

(2)电动机电动运行状态

当CPU发现系统不再充电时，则对VT3进行脉冲导通，使得在电抗器L上行成了一个瞬时左正右负的电压（如图标识），再加上电解电容C上的电压就能实现从电容到直流回路的能量反馈过程。CPU通过对电解电容C上的电压和直流回路的电压的检测，控制VT3的开关频率以及占空比,从而控制反馈电流，确保直流回路电压νd不出现过高。

2、系统难点

(1)电抗器的选取

（a）、我们考虑到工况的特殊性，假设系统出现某种故障，导致电机所载的位能负载自由加速下落，这时电机处于一种发电运行状态，再生能量通过六个续流二极管回送至直流回路，致使νd升高，很快使变频器处于充电状态，这时的电流会很大。所以所选取电抗器线径要大到能通过此时的电流。

（b）、在反馈回路中，为了使电解电容在下次充电前把尽可能多的电能释放出来，选取普通的铁芯（硅钢片）是不能达到目的的，最好选用铁氧体材料制成的铁芯，再看看上述考虑的电流值如此大，可见这个铁芯有多大，素不知市面上有无这么大的铁氧体铁芯，即使有，其价格也肯定不会很低。所以笔者建议充电、反馈回路各采用一个电抗器。

(2)控制上的难点

（a）、变频器的直流回路中，电压νd一般都高于500VDC，而电解电容C的耐压才400VDC，可见这种充电过程的控制就不像能量制动（电阻制动）的控制方式了。其在电抗器上所产生的瞬时电压降为，电解电容C的瞬时充电电压为νc=νd-νL，为了确保电解电容工作在安全范围内（≤400V），就得有效的控制电抗器上的电压降νL，而电压降νL又取决于电感量和电流的瞬时变化率。

（b）、在反馈过程中，还得防止电解电容C所放的电能通过电抗器造成直流回路电压过高，以致系统出现过压保护。

3、主要应用场合及应用实例

正是由于变频器的这种新型制动方式（电容反馈制动）所具有的优越性，近些来，不少用户结合其设备的特点，纷纷提出了要配备这种系统。由于技术上有一定的难度，国外还不知有无此制动方式？国内目前只有山东风光电子公司由以前采用回馈制动方式的变频器（仍有2台在正常运行中）改用了这种电容反馈制动方式的新型矿用提升机系列。

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2构建“四阶递进、工学结合”人才培养模式

人才培养模式的构建可以依据不同专业的特点和不同学院的实际情况进行设计。自2011年起，学院先后与数家业内知名企业签署“订单”培养协议。依托订单合作企业，以工作过程为载体，建立“四阶递进、工学结合”人才培养模式。其中“四阶递进”是指职业能力培养分解为四个阶段逐级进阶，即第1、2学期在校内实训基地进行，完成专业基础能力培养；第3、4学期校企交替进行，完成专业核心能力培养；第5学期校企交替进行，完成协岗能力训练；第6学期到企业进行顶岗能力实习“。工学结合”是指第1、2学期利用校企共建的移动通信综合实训平台，开展“教学做一体”的仿真实训；第3、4学期聘请企业技术人员担任指导教师，开展“教学做一体”的全真实训；第5学期在企业技术人员的指导下，协助完成基本岗位工作；在第6学期在校外实习基地开展顶岗综合实习。

3设计以工作过程为导向的课程体系

通过对移动通信运营商、移动通信设备供应商、移动代维公司等企业实地走访及毕业生的跟踪调研，确定移动通信行业面向高职院校毕业生的岗位群。邀请企业技术人员与校内专家组一起对岗位群进行分析，归纳整理典型工作任务。基于这些典型工作任务分析从业所需的职业能力，典型工作任务分解过程如表1所示。再将这些职业能力按照专业能力、方法能力和社会能力进行分类、汇总，并以此为依据构建移动综合职业能力课程体系。由于移动系统有GSM/WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA等，需要从典型岗位任务推演到各系统的典型工作任务，选取岗位工作技能为逻辑载体，分别以对象系统、工作顺序为线索，提炼学习领域课程，形成专业核心课程。

4实施一体化教学模式改革

依托实训条件，创设情境，实施专业核心课“教学做”一体化教学模式改革，启发学生思维、学生在教师的引导下完成各子项目任务，利用情境进行真实配置、在线实际处理，激发学生学习动力和兴趣，并在教学做的过程中锻炼协作、分析、整理的方法能力和社会能力。丰富教学案例视频，展现特色教学方法。充分发挥校企合作的优势，结合实践，收集整理更多案例素材，制作更多的实际案例教学视频，丰富教学内容和教学方法。利用专业教学资源信息化，建成开放、共享的专业与课程资源库，可随时学习自学。搭建资源服务平台，为院校、教师、学生和企业从业人员提供服务，移动通信技术专业教师、学生和从业人员，免费共享个性化学习。改变传统的反馈及测试方式，提高学习质量，激发学生创新思维。通过专业资源平台在线答疑，反馈信息。

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2计算机远动控制技术的应用分析

计算机远动控制技术的应用主要是通过遥测、遥信、遥控以及遥调等功能实现的，计算机远动控制技术是电力系统自动化技术中的核心技术，其在电力系统运行中发挥着重要的作用，尤其是在电力系统中的数据采集、通信传输以及信道编译码等环节中占据着重要的地位。其中，计算机远动控制技术的工作原理如图1所示。2．1远动控制技术中的数据采集技术远动控制技术中的数据采集技术主要有A／D技术和变送器技术等，其处理的信号多数为0～5V的TTL电平信号，而在电力系统自动化技术中，多数采用大功率参数，为了实现采用远动控制技术处理电力系统中的信号，只有通过变送器将大功率参数转变为TTL电平信号，从而达到遥信信息的编码和遥测信息的采集任务。其中在电力系统中，其遥信信息需要经过采集遥信对象的状态，将采集到的描述遥信对象状态的二进制位编进具体的遥信码中这2个途径进行传送，然后再通过数字多路开关将电力系统各路的遥信状态输出到接口电路中，最后通过接口电路将遥信信息送入到CPU系统中进行处理，从而实现遥信信息编码。2．2信道编译码技术分析在计算机远动控制技术中的信道编译码技术主要有编码、译码以及信息传输协议（规约）等。在电力系统自动化控制中，想要实现采用远动控制技术进行信息采集，则必须通过通信信道传输到调控中心才能使用。因此在电力系统自动化控制中，为了进一步保证传送的信息具有非常好的抗干扰能力，必须要对信息进行信道编译码，其中数字传输系统模型如图2所示。在上述电力系统自动化系统中，通过采用远动控制进行数字传输中，其干扰是不可避免的，而通过信道编译码能够有效克服通道中的干扰，其中，信道编译码的方法主要采用线性分组码中的循环码进行编译码。2．3循环式数据传送规约远动控制技术在变电站、电厂以及调度中心的数据通信应用中，首先需要在信道编译码前，预先设定通信方式和数据格式，也就是通信信息传输协议（规约），以保证电力系统中数据通信的可行性。另外，在电力系统远动控制技术中，其数据传输主要是以帧结构的形式进行传输的，其中重要的遥测信息主要安排在A帧，次要遥测信息安排在B帧，一般遥测信息安排在C帧。通过采用帧格式进行包装后，电力系统中的数据就能够有效按照规约进行传送，从而实现信道全部编译工作，实现对电力系统的全方位监控。

3电力系统自动化技术的发展及建议

对于电力系统自动化的发展方向，应从以下几点出发：（1）兼顾提高经济效益和改善自动化服务水平，我们追求的自动化技术应向着更优化、更具实效性、更加智能化、区域覆盖更广的方向前进。（2）加强电力自动化系统的设备稳定性，有效保障其安全运行，尽量减少大面积停电，建立一系列行之有效的处理机制，将停电损失降到最低。（3）开拓电力系统自动化的数字化之路，使数据更加全面，数字更加精准，力求节省更多时间和人力。（4）随着科技的不断进步，各种先进设备相继出现，对电力企业的工作人员提出了更高的要求，加强电力企业人员的技能培训和技术队伍建设，注重对新技术高素质人才的引进和吸收，培养全面发展的技术人才，鼓励员工以先进的理论知识和丰富的实践武装自身，投入更多精力到电力自动化的发展中去，推进电力自动化的发展进程。（5）在全球能源危机的严峻形势下，正是挑战电气自动化进程的关键时期，要以可持续的发展观，改善传统的管理模式，从整体化逐步转变为分布式、集约化的运营模式，实现能源利用的最大化、功耗的最小化、资金节约化。

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1.1.1现场总线及网络技术的普及和应用现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统，其主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器和执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。目前世界上存在着大约40余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司的Profibus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGavazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），Modbus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。现场总线技术改变了整个工业控制过程的系统结构，使仪表信号（4～20mA）过渡到全数字通讯信号。这个改变对于造纸传动自动化是颠覆性的，使整个控制系统结构和方式进入到了一个信息化和智能化的崭新阶段。

1.1.2人机界面取代按钮和操作器由人机交互式操作屏全面取代传统的按钮操作，也彻底改变了造纸传动工业现场。操作屏不仅可以任意设置按钮的功能和数量，还可以实时监视系统的各个运行状态以及参数等。在系统结构方面，目前普遍采用双端口网络系统，其中一个端口用于传动系统及各个执行单元，另一个用于操作屏进行数据传输，提高抗干扰能力。操作屏的使用，使用户节省了大量的现场电缆的铺设以及操作台的安装，节约了自然资源和工作量。目前由于自然资源的价格上涨，显示操作屏的价格下降，在一次成本投入上已经十分相近，如果考虑辅助传动控制的按钮连线，操作屏的投入成本更具优势。

1.2公共直流母线的推广和应用

1.2.1公共直流母线与交流母线的区别与特点公共直流母线系统的应用在造纸传动自动化技术领域具有标志性作用。所谓公共直流母线，简单地说就是将变频器的交直交内部结构，变为交直交外部系统结构。图1和图2是公共直流母线和交流母线的原理结构图，以说明两者的区别。从图中可以看出，交流母线变频器是各个变频器分别与交流电网连接，各自工作是独立的；而公共直流母线结构则是有一个总的进线整流单元，通过直流向各个逆变器单元供电。这种结构上的变化，导致其工作方式和效果不同。从相关资料和研究分析可以归纳这两者的主要区别和特点如下：(1）由于烘缸等大惯性负载的存在，在交流母线系统中往往会出现过压跳闸等情况。但在公共直流母线系统中，因为能量可以通过直流母线在所有电机之间互相流动，从而解决因为负载波动引起的跳闸，很好地克服多电机间电动状态和发电状态之间的矛盾。(2）通过集中整流，可以使公共直流母线电压在技术手段上做得更加可靠，降低故障率。但是事物总是利弊相伴，集中整流尽管可以通过技术手段提高可靠性，但毕竟是一个单机运行，一旦整流单元故障，也会造成整个系统停机。而交流母线系统，由于每台变频器都是独立的，因此，一台故障不影响整个生产线的运行，排除故障相对简单。(3）关于节能和降低成本。由于在技术上明显复杂，如果不采用特殊手段，公共直流母线的价格目前高于交流母线的价格。关于节能的观点，目前尚没有理论和实验数据证明这一说法。(4）关于谐波抑制问题。变频器的谐波主要来源于高频开关的脉冲电流，使电网的电流波形失真，导致大量谐波产生。从统计学的角度看，当采用公共直流母线后，母线上的电流是多台变频器不规则的脉冲电流叠加，各个变频器的电容相当于并联，理论上比交流母线电流波形好，谐波影响会得到改善。但由于整流单元的集中，对变压器的影响比交流母线要大，特别是普通六脉波系统，会在电网侧产生很大的5次谐波，甚至达到干扰其他用电设备的程度。因此，当功率超过2000kW时，建议采用12脉波整流单元，这样可以有效减小谢波干扰的影响。而交流母线系统，由于没有集中大功率整流，因此5次谐波的影响要小。关于回馈制动问题。由于纸机传动是一种长期稳速运行的系统，是否考虑增加回馈制动单元，应当根据系统的总投资、运行车速及停机的要求综合考虑。一种说法是通过能量回馈可以节省能源，但实际上纸机正常生产后是很少需要紧急停车的，因此用相当增加一套整流系统的代价来解决回馈能量的回收问题值得权衡利弊。当车速1000m/min以上时，为使惯性部分尽快停下来，适当增加一定功率的能耗制动，也是一个不错的选择。

1.2.2公共直流母线实现方案及运行维护成本分析目前在ABB、AB和西门子公司的标准产品系列中，都有标准的直流母线系统。除AB系统在直流母线产品和交流母线产品中差别不大以外，其他两家公司的直流母线系统都比交流母线系统价格要高。特别是整流逆变单元，比国产产品价格要高出数倍。因此，目前普遍解决方案是在不带逆变回馈单元时较多采用的是国产整流单元，配以上述公司的逆变器或变频器，这已经在国内许多造纸生产线上使用。当然如果系统投资资金充足，客户要求，采用更高性能的PWM整流逆变系统，既可以实现整流回馈，又可以降低谐波影响。现将可能的方案介绍如下：(1）可控硅整流逆变回馈供电系统。这种系统是目前各大公司主推的系统，造价较高，具有能量回馈能力，谐波影响根据功率大小、6脉波和12脉波而不同。(2）国产整流单元，配逆变器加能耗制动公共直流母线系统。这种系统经济性较好，性能与整流回馈相同，谐波影响与上一方案相同。(3）国产整流单元，配变频器加能耗制动公共直流母线系统。这种方案是国内的系统集成商，在激烈竞争下采用的一种降低成本的方案。这种方案适合于当变频器价格低于逆变器价格时，具有一定竞争力，但如果与逆变器价格相当，则与方案（2）相同。(4）局部直流母线方案，其是在交流母线系统的基础上，为了解决惯性负载的过电压跳闸问题或针对某些负荷分配点需要能耗制动的情况下而采取的方案。整个系统仍然是交流母线即通常的变频器系统方案，但是将惯性负载传动点的变频器外接制动单元的端子通过一定的技术手段相互连接，在相连接的变频器之间形成公共直流母线。其性能和工作特点与集中整流直流母线相当，只不过集中整流由分散整流代替。特点是简单、低成本，但系统接线复杂，给系统的可靠性和维护带来不便，在小系统中应用比较适合。总之，从目前来看，公共直流母线、网络通讯和操作屏等现代信息技术已经成为纸机传动自动化的发展趋势；以AB公司等为代表的工业以太网技术以及远程监控和服务等将成为下一步技术发展的大方向，甚至无线网络和远程调试等在今后的发展中都是可能的；对纸机传动自动化来说，还有优化设计、程序化的安装和调试，以及精准的故障诊断与维护等问题。

2现代纸机传动自动化系统的组成与设计特点

2.1现代纸机装备的最新技术动向从2014CIPTE国际造纸技术报告会获悉，以芬兰维美德公司、德国福伊特公司为代表的纸机装备制造商，分别从各种不同的角度为纸机装备的发展提出了多种解决方案。其中，优化概念模块化纸机实际上是在整个系统中，将不同纸机的各个部分部件，用统一的设计和规划方案，尤其是连接部分、通用部件的标准方面，如同组装模块一样，可以批量生产适合各种不同纸机的产品部件。在需要的时候，可以迅速地通过模块组装和连接形成不同的造纸机生产线，这就是优化和模块化的核心所在。在纸机装备的模块化和优化设计的推动下，纸机传动自动化其实也正在朝着这个方向发展和变化。无论是从软件设计还是硬件结构，国外的大公司以及国内的一些企业已经在不同程度上实施并推进这一方法的实现。所谓面向对象的设计方法和解决方案，实际上是从软件工程的开发角度，来设计和构建电气传动系统的软件和硬件系统，从而最大限度地减少重复性工作和最大限度地降低制造和设备采购成本，提高工作效率，降低系统的故障率和增加可靠性。

2.2硬件模块化、通用化设计根据模块化的设计思想和标准化的系统目标，ABB和西门子的大功率变频器就是一个典型的实例。在ABB的大功率变频器设计中即采用了模块化的设计，一台大功率变频器可以由若干个硬件功率模块组成。当某个模块故障时，可以在不停机的状态下降低功率继续使用，直至更换新的模块以后恢复原功率运行。西门子S120变频器系统则在模块化方面体现更加彻底，不但主回路模块化，连控制回路也一起模块化了。在新的系统中变频器本身就组成了一个小型分布式控制系统，控制中心管理着变频器的各个主回路模块，每个模块仅相当于一个功率单元。如果说ABB变频器是变频器并联运行的话，西门子变频器就是一个小型集散控制系统。控制单元独立于功率单元，一台控制器可以管理多个功率单元。这种硬件结构的设计使模块化达到了电力电子装置的最新高度。除此之外，在诸如电控柜、操作台以及辅助传动的控制回路设计方面，模块化的设计也体现了面向对象的特征。将一台电控柜从柜体设计到安装板以及柜内的每一个部件和回路，统统按照对象描述和封装模块的思想进行设计。在硬件的选择上尽可能做到对于整个公司的硬件系统要求做到模块化设计，即凡是运转方式、功率等级基本一致的对象，采用一样的模块加以控制，同时在对比较重要的控制单元的柜体设计中，凡是控制模块在条件许可的情况下再增加一块备用的控制模块（与厂家协调），这样当某个受控对象的控制回路出现故障时，抽出故障模块，换上备用模块，系统先恢复运行再维修故障模块。在整个系统的硬件设计中，类的设计即每一种抽屉状模块的设计中，系统面向对象所必须具备的封装及数据隐藏得以着重体现。在这里，我们强调的是每个受控对象（独立的用电负载）不仅仅要有一个实实在在的硬件类与之对应，在PLC程序中也会存在一个相对应软件类与硬件类对应，这样，每一个受控的实体对象都在控制系统对这两个相互依存的类对象的调用中，实现工艺的要求。而在此时面对纸机装备的优化概念模块化处理中，对于相对应的控制系统，我们也应该有同等的要求。在面向对象的硬件系统设计中，最大的特点就是控制回路的模块化，使其在强电回路封装的基础上继续封装控制回路，从而使得系统具有以下特点：(1）尽管模块受到被控对象功率的不同、运行方式的差异导致具体电路上的差别，但在外观上尽量标准化，使得除了模块之外，柜体也可柔性化设计；(2）从元器件到模块，应尽量体现出最大程度的通用与互换性；(3）模块的接口尽量简单，互换时简单方便；(4）模块设计应尽量使得可靠性足够高。在面向对象的硬件系统设计中，我们可以做到：(1）大大简化系统构建及设计过程的难度；(2）形成柔性化的控制系统；(3）更加利于专业化分工；(4）更有利于系统未来的扩容和改造。在这里，我们以最为常见的电动机控制回路的设计来详细说明面向对象的硬件系统如何实现：首先分析普通电机（对象）的特性：(1）电机直接启动，自由停止；(2）无反接制动及能耗制动的需求；(3）电机内无报警装置，提供额外异常信号指示；(4）短时间的电机堵转等异常情况在热保护等手段作用之前，不会给电机带来伤害。下面以一个简单的电机控制系统为例，说明我们在硬件设计时采用的方法，如图3、图4。我们将一个普通的电机作为对象，对它进行分析，从而得到控制要求，利用面向对象技术，将跟它有关系的操作封装在一个结构系统，使得在一张图纸上可以看到它的全部信息，并且全部模块化设计，利用端子接线。对于图4，我们可以在它的基础上，针对具体的工控要求，很快进行修改而不破坏其内部封装，改造成适用于变频和软启等硬件设计，几乎没有什么太大的变化，这一现象，体现面向对象中继承的思想。同样的设计完全可以在电控柜和操作台上实现，从而将我们的关注点完全放在这样一个个对象上，而不是一个庞大系统的每一个细节，可以极大地节省设计时间，简化设计步骤。而对于相同或者差异不大的对象或者项目，完全可以很方便的完成，而不用再担心改动错误。因为在封装对象的时候，我们投入了极大的精力，使得每一个对象里面的每个元件都有跟随作用。如果封装后有错误，是无法通过测试的。这首先保证了自己所使用的“元件”是无误的，而不像面向过程中每一步都没有电气属性，改动完之后不知道是否正确的尴尬局面。目前，对于整个造纸机传动自动化来讲，我们往往对于辅助传动的着力点过少，从现在这个行业的故障率来讲，目前应该将辅助传动控制与主传动进行一体化设计。对此，我们还是针对于每一个项目进行具体设计，因为辅助传动在各自的分布可能要求不一致，系统之间又没有具体的联系，还是采用面向过程的设计思路，简单方便、可靠性高。

2.3软件模块化、通用化设计在国外，1999年Benitez等人提出面向对象方法在PLC程序设计应用中的必然性。2010年ChiacchioP．等人提出IEC61131标准中的PLC程序设计方法已无法满足自动化系统的发展需求，提出面向对象的编程方法。AdnanSalihbegović等人也提出将软件工程方法运用到工业自动化控制中。在国内，2000年陈娟等人将面向对象方法运用到粮食储运自动化系统中，讨论了类的抽象和封装的实现。2009年张逸群等人将面向对象方法运用到煤炭输送机控制系统的PLC程序设计中，阐述了基于STEP7的面向对象程序设计方法。2009年12月，祝瓛冰出版了《面向对象的现代工业控制系统的实用设计技术》一书，更是取得突破性技术，使得面向对象的方法更加实用于PLC程序设计。综上所述，在国内外研究中面向对象方法已经在工业控制中崭露头角。但在此时，纸机传动自动化软件设计还是处于传统的阶段，对于此次当代纸机装备制造商提出的优化概念模块化纸机，为了提高工业效率的适应性，还是难以满足，所以我们将面向对象方法引入纸机传动自动化行业，在硬件上加以强类封装，同时相对于每一个硬件类，都有一个相对应的软件类。这样对于一个控制系统的对象，我们只要通过接口，操作硬件类与软件类相互联系，就可以很好地完成控制任务。下面以普通电机为例，介绍其每个环节的做法：(1）建立需求分析表，如表1。其作用就是以控制系统对此类目标的需求，对未来对象所执行的任务进行反向递推，将需求层层细化。(2）建立变量表，如表2。这个需要好好琢磨，以至于反复修改。(3）编制类的梯形图，测试修改，反复多次。这样，所有编程均基于所述接口，对于每一个具体的工程对象，仅仅只需要修改相对应的外部变量，而不需要在所封装的程序内部做修改。当然这个过程是循环往复的，它需要我们有足够的测试对象以及测试次数，但这一点，相对于以往工程项目毫无头绪的修改，导致的出错率还是可以接受的。

3现代纸机传动系统常见技术问题分析与处理方法

纸机在运行中，由于机械、电气紧密联系，相互配合，因而故障出现时，往往会导致很难确定是何原因。作为电气技术人员，在对所管设备充分了解后，理应对于其工作原理以及设计思想有所了解，最后依据现象做出分析判断，区分故障，从而解决问题。在造纸生产中，不可避免地会出现一些类似操作失灵、频繁断纸等表面现象，操作人员往往第一时间会认为是出现了电气故障。此时，作为电气工程师则必须首先对故障现象进行仔细分析，完整描述，准确判断。要做到一看、二想、三检验，即：一看就是先看准问题的部位和现象，进行细致分析和准确描述，分清问题所在。二想就是对于问题表现的现象，要冷静思考、综合判断，特别是结合公共和电气参数的记录值，对现象的产生原因做出判断，防止误判。三检验就是在可能情况下，通过一些参数的人为变化，检验和核对问题的原因，最终确定问题的原因和处理方法。下面通过对几种常见问题的分析和判断，以说明问题的处理方法。

3.1速度不稳、断纸、引纸困难这类问题在早期的新纸机调试和二手机开机过程以及更换产品品种时较易发生。由于目前机械和传动设备都已经设计比较完善，操作人员也已经比较熟练。在设备和工艺以及电气之间发生问题梳理不清的情况已经减少。但是，从电气技术原理的角度分析问题的根源和找出解决办法仍然是电气工程师应当具备的基本能力。面对速度不稳、断纸这样的现象，往往会伴随着工艺和机械设备等相互交织的问题。有经验的车间主任、班组长可以很快判断问题的原因所在。以下通过电气传动的参数数据分析来说明逻辑分析方法：(1）仔细观察上位机记录的转速和转矩变化曲线，在反应的断纸点观察是否有速度的突变和转矩突变以及突变的方向和规律。这一点非常重要，传动参数的记录数据，特别是实时数据对分析判断至关重要。(2）基本分析和判断：如果在断纸附近速度曲线变化不明显，而转矩或电流在断纸附近显著波动，通常可以认为调速系统是正常的。可以不予理会关于速度波动的说法，这是因为如果速度没有明显变化而转矩或电流有明显波动，则恰恰说明调速系统是正常的。在双闭环系统中，速度反馈是外环，电流或转矩是内环。内环的响应要远远大于外环，因此正是电流的波动才抑制了或抵消了速度的波动，是正常的响应。(3）反之如果先有速度的变化，不论是缓慢变化还是突变，之后才是电流的变化，那么可以怀疑调速系统或在设备的某些部位存在问题。可能的问题有：编码器或速度反馈干扰或不稳定，引起速度波动；可以进一步观察速度反馈系统或电机和编码器的连接部位，进行必要的检修和加固，对导线连线以及屏蔽等进行检查和再次接线；如果电气系统检查无误，则可以怀疑设备或安装存在的可能问题。在某厂的系统中曾经发现过施胶部在施胶过程中主传动点速度缓慢变化的情况，后经检查发现是由于主从控制的安装不当引起，当胶辊在受热后形变较大时，会发生直径增加的情况因而导致线速度缓慢增加。引起不稳定或张力增加而出现断纸，更改主从配置后问题得以解决。(4）另外，在压榨部也会出现莫名其妙断纸的现象。在观察电气记录后如果没有发现问题，则可以提醒操作人员注意真空度和湿纸的干度，真空度的变化也会引起纸的强度变化。同时，应当充分注意速度环PID参数整定要合适。举例说明，如图5。此为卷取部换卷时的曲线记录。从曲线上看，当换卷时从三烘到卷取的纸幅所承受的拉力减小，从而导致三烘部的负荷加大，引起速度下降，在速度闭环系统的控制下，变频器进行了自动调节，但是此过程持续时间较长，从而可以明显看到三烘之前的纸幅下垂现象。从图5（上）明显还可以看出，速度控制的调节时间太长，速度下跌较大，因此需要增大速度环的比例系数，缩短积分时间。从图5（下）明显可以看到，同样在进行换卷时，速度有波动，但是速度下跌较小，而且调节过程的时间明显缩短，纸幅变化量不大。总之，应对速度不稳问题，一定要以记录数据为依据，然后再根据工艺过程分析问题的根源所在。电气工程师不但应当能够发现自身系统的问题，更要能够分析和判断出其他方面的问题，才能是合格的工程师。

3.2负荷分配控制方案及存在问题对策在网部和压榨部以及施胶部等，都存在负荷分配的控制问题。早期直流系统中负荷分配控制是由模拟的转矩电流分配器来完成的，现代纸机由于采用了通讯控制方式，这种分配关系由模拟变为数字，但基本的控制原理是相同的。本文所要阐述的是在负荷分配控制中针对不同情况的控制策略选择问题，这也是本人及其团队多年来研究和实践的总结，现分几个问题介绍如下：(1）刚性负荷分配控制的稳定性问题通常情况下压榨部、网部、施胶部等各部分的负荷分配问题，都可以定义为刚性连接的负荷分配控制问题。所谓刚性连接就是指两个连接的电动机之间没有速度误差，例如压榨部，上下辊之间在正常时是不可能有速度偏差的，否则纸页就会产生质量问题，网部和施胶部都可以做类似的解释。在这种负荷分配控制中，普遍采用的方案是用转矩或电流叠加进行分配，其中一台作为主传动，另一台作为辅传动。通过转矩电流的比例分配，满足协调所需的工艺控制要求。但是，这种方案是否存在稳定性问题呢？长期以来一直没有理论的证明和分析，陕西科技大学2013届研究生张洪涛在参考相关资料的基础上，将速度反馈微差注入的方法引入到负荷分配控制的稳定性仿真分析中，在理论上证明了刚性连接情况下采用转矩或电流进行负荷分配控制是稳定的。现将这一原理仿真模型进行说明。图6中编号1代表的是速度给定，编号2和3是负载和负载扰动的加载点。模型中刚性耦合的模拟是通过求取两者的速差，然后再乘以刚性系数去叠加到各电流调节器的输出上，从而代表由于速差而引起的转矩传递。主传动点的速度给定直接乘以一个补偿系数作为从传动点的速度给定，此补偿系数一般大于1，目的是为了使从传动点的速度调节器饱和。将主传动点的电流反馈和主传动点的转速调节取最小运算，目的是为了使主传动点的电流反馈值对从传动点的电流给定值起到一个限幅的作用，也即从传动点跟随主传动点的电流反馈，从而模拟转矩控制的效果。仿真波形如图7所示。由仿真波形可以看出，速度的稳定性较高而且从点电流在整个过程当中都仅仅跟随主点电流，保证主从出力相同。在25s时在标号2处添加一个负载扰动信号，此时转速变化很小，而电流的波动相对转速要大，但在不到2s时间内又稳定下来，且主从电流一致。从仿真波形来看，用转矩控制的负荷分配方式对刚性耦合的负载进行控制，系统始终是稳定的。(2）柔性耦合的负荷分配控制的稳定性问题图8是柔性耦合负荷分配控制系统中基于速度控制的仿真模型，其中主从传动点都处于速度控制模式，通过比较主从点的电流反馈值，然后求差，再乘以柔性补偿系数叠加到从点的速度给定上，从而微调从点电流，使得从点的电流值跟随主点电流的目的。在柔性耦合的负荷分配控制中，同样先采用主从传动点都处于速度控制模式进行仿真分析。在速度控制模式下通过比较主从点的电流反馈值，然后求差，再乘以柔性补偿系数叠加到从点的速度给定上，从而微调从点电流，使得从点的电流值跟随主点电流。模拟柔性耦合机械上的连接还是通过求速差，再乘刚性系数去叠加到各电流调节器的输出上。和刚性耦合中不同的是，当在主点加负载扰动时，其对从点转矩的影响需要经过一定的延时，所以在此还是通过求速差，再乘刚性系数去叠加到各电流调节器的输出上。在此模型中，添加了一个延时模块，其延时取决于实际转矩的传递时间。仿真时，在编号2处加负载扰动，而延时环节则加在去主点电流环的一侧，此时代表当从点负载发生波动时，其到主点转矩的传递需要经过一定的延时。仿真波形如图9所示。从仿真波形可以看出，当从点加负载扰动时，主从点转速的波动仍然很小，电流波动相对较大，但在短暂调整后又趋于平稳，从点的电流跟随性良好，说明主从点负载均衡，达到了负荷分配的目的。从上面仿真结果来看，对柔性耦合的负载采用速度控制的负荷分配方式是稳定的。图10是柔性连接的转矩控制方式仿真模型，模型中柔性耦合的模拟与刚性连接相同，均采用求取速度反馈差值的办法，用差值乘以刚性系数后叠加到各电流调节器的输出上，代表由于速差而引起的转矩传递。主传动点的速度给定直接乘以一个补偿系数作为从传动点的速度给定，此补偿系数一般大于1，目的是为了使从传动点的速度调节器饱和，从而形成转矩控制的方式。将主传动点的电流反馈和主传动点的转速调节取最小运算，目的是为了使主传动点的电流反馈值对从传动点的电流给定值起到一个限幅的作用，也即从传动点跟随主传动点的电流反馈，从而模拟转矩负荷分配控制的效果。与刚性连接不同的是增加一个延时环节，图10是将主扰动的影响经过延时后叠加到从点上。由图11仿真波形我们发现，当柔性耦合的负载采用总线通讯转矩控制的负荷分配方式时，主从点的转速与转矩都发生了振荡的现象。而前面采用总线通讯速度控制方式时，主从点的速度与转矩都能经过短暂的调节趋于稳定，且从点的电流和主点的电流基本相等。这也说明了柔性耦合的负载当采用转矩控制的负荷分配方式时是不稳定的，此跟实际调试当中遇到的现象完全吻合。总之，对于负荷分配控制系统而言，正常情况下我们都可以看作是刚性连接的系统。因此，无论是速度控制方式还是转矩控制方式，系统本身都是稳定的。但是如果具有延迟特性的负荷分配控制系统，由于转矩和速度之间增加了反馈延迟，就会造成不稳定现象。典型的例子如高速卫生纸机的负荷分配控制系统，在网部和大缸之间由10m以上的毛布进行连接，毛布的弹性作用会导致转矩和速度的延迟。这时如果采用转速控制的负荷分配方案则是稳定的，反之如果采用通常的转矩负荷分配控制方案则极有可能会造成系统不稳定，理论研究和实践都证明了这一点。