面向DCS基于Profibus的三相异步电机监控与保护装置研究

摘要

随着控制系统的全面发展，经过了基地式仪表、单元式组合仪表、数字式单回路调节器、模拟式计算机控制系统，直到目前的数字计算机控制系统。分布式控制系统DCS经过几十年的发展已经广泛的用于各行业的自动化控制，成为工业现场的一种重要设备。
　　目前，我国的DCS系统大多处于第四代，即现场变送器、执行机构采用4-20mA的电流信号，远距离传输至中央控制室内的主机柜，由机柜内的分布式控制单元进行集中控制。而目前国际上普遍认为，DCS系统正朝新一代即采用了现场总线技术方向发展，也就是控制室通过现场总线与现场执行机构进行通讯，借助于现场总线实现对远程设备进行监控。这种结构丰富了现场仪表的功能、减少了系统的导线、增加了设备间的信息传输能力，提高了信号的抗干扰能力。本文正是基于Profibus-DP的现场总线技术，研究和设计了三相异步电机的监控和保护的装置，该三相异步电机保护装置利用Profibus-DP技术，和新华DCS系统无缝集成。
　　Profibus-DP技术是一项先进的现场总线技术，近年来发展十分迅速，市场占有率大增，它能有效的应用于现场的智能仪表和设备中，实现现场智能仪表和上层控制设备之间的通讯。
　　另一方面由于控制对象三相异步电机的监控和保护对精度，稳定性和实时性有一定的要求，因此本文采用了TMS320LF2407芯片作为数据采集处理的核心芯片，对输入的电流信号进行64点的快速傅里叶变换，并使用实序列快速傅里叶变换优化，从而节省了计算时间，最终计算出三相电流的有效值，正序、负序、零序电流以及漏电流，从而实现对三相异步电机的监控和保护。
　　为了实现以上这些功能，本论文主要完成了以下几方面的工作:
　　(1)剖析了Profibus-DP技术的原理和各层的结构，比较各种实现方式的优缺点，选择适合本设计的实现方案。
　　(2)剖析了三相异步电机保护的原理，分析了多种电流采样的方法，讨论快速傅里叶变换的原理和实序列傅里叶变换的优化。
　　(3)依据Profibus-DP技术的原理和三相异步电机保护的原理，研究并设计本装置的硬件构架和软件程序。
　　(4)完成了该装置和新华DCS的通讯，和HMI程序实现数据交换。
　　(5)根据实验和应用情况，寻找不足并提出一些改善方向。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 DCS系统的历史与简介

1．2 DCS系统的组成与特点

1．3 DCS系统的瓶颈与发展方向

1．4 现场总线技术的发展

1．5 三相异步电机的监控与保护

1．6 本论文的主要研究内容

第二章 Profibus—DP现场总线

2．1 Profibus现场总线概述

2．2 Profibus-DP协议结构

2．2．1 结构框架

2．2．2 物理层

2．2．3 数据链路层

2．3 Profibus-DP从站实现方法

2．4 本章小结

第三章 三相异步电机的保护方法分析

3．1 三相异步电机故障分析

3．1．1 三相异步电机故障的分类

3．1．2 三相异步电机故障的特征

3．2 电流采样算法

3．2．1 常见的电流采样算法

3．2．2 快速傅里叶变换

3．2．3 实序列快速傅里叶变换优化

3．2．4 Matlab仿真验证

3．3 监控和保护的流程

3．3．1 三相异步电机的启动过程

3．3．2 三相异步电机的运行及制动过程

3．3．3 三相异步电机保护的参数和功能

3．4 本章小结

第四章 保护装置的硬件架构

4．1 整体结构

4．2 DSP处理器核心模块

4．3 交流采样模块

4．4 通讯接口模块

4．4．1 ASIC芯片SPC3

4．4．2 总线收发驱动器

4．5 开关量输入和输出模块

4．6 其他模块

4．7 本章小结

第五章 保护装置的软件设计

5．1 软件开发平台简介

5．2 软件流程图

5．3 Profibus通讯程序

5．3．1 SPC3初始化

5．3．2 通讯程序

5．4 A／D采样程序

5．5 FFT程序

5．5．1 蝶形算子WN

5．5．2 码位倒序

5．5．3 FFT运算程序

5．5．4 FFT算法优化

5．6 电机监控保护程序

5．5 其他程序

5．6 本章小结

第六章 测试及试验

6．1 功能性测试

6．1．1 功能性测试平台

6．1．2 电流读数精度测试

6．1．3 保护动作情况测试

6．2 系统集成测试

6．2．1 通讯测试

6．2．2 电机平台试验

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 展望

参考文献

致谢

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