摘? 要: 針對流光放電煙氣脫硫電源難以產(chǎn)業(yè)化的問題，提出了基于CAN總線的集散控制的解決方法，并介紹了該系統(tǒng)的設計思路和實現(xiàn)過程。?

　　關鍵詞: 流光放電? 煙氣脫硫? CAN總線? 集散控制系統(tǒng)?

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　　煙氣脫硫是當今世界控制SO2排放的主要途徑。工業(yè)發(fā)達國家大多數(shù)采用石灰石濕法。我國曾采用氨酸法、尾部增濕法等多種方法脫硫，目前也嘗試采用石灰石濕法，但至今沒有找到適合我國國情的經(jīng)濟而有效的途徑，因為這些方法皆受造價、運行費、吸收劑來源和終產(chǎn)物出路等問題的困擾。近來年利用流光放電進行脫硫的研究取得了很大進展，低能耗是這項技術的最大優(yōu)點。但是目前的研究都還未觸及電源的實用化和反應條件優(yōu)化等關鍵問題，離產(chǎn)業(yè)化還有很大的距離，很多工藝還有待改進和創(chuàng)新。因此，在流光放電半濕法煙氣脫硫這個863計劃項目中，我們承接了電源實用化這個課題。?

1 系統(tǒng)的總體設計方案?

　　該專用電源是一個由直流偏壓和高頻交流電壓疊加而成的脈沖電源。該脈沖電源目前普遍采用閘流管作開關元件，通過電容儲能放電，在升壓變壓器副級得到一個陡峭的高壓脈沖。由于現(xiàn)有反應器即電源負載具有較大的電容量，這就給我們帶來了兩個問題:第一，即使功率很大的放電脈沖也難以在反應器極間形成需要的陡峭的電壓脈沖;第二，功率偏大的脈沖充放電電流使閘流管的壽命減少，可靠性大大降低，使得閘流管的脈沖電源沒有產(chǎn)業(yè)化的前景。為了解決大電容性負載和高壓納秒脈沖的這一矛盾，將反應器的大電容量劃分為若干個小電容量區(qū)。煙氣在順序通過各個小電容量區(qū)域時將受到不同需要量的脈沖電壓作用，每個小區(qū)域的小電容量由一個容量相對大的脈沖電源供電，只需不大的充放電電流即可增加放電時電暈線上的電壓上升率，從而實現(xiàn)脈沖電源的高可靠性及電場分布的合理性。當然，這將產(chǎn)生一個對這些電源組的協(xié)調優(yōu)化控制問題。對于這一點，采用基于現(xiàn)場總線的集散控制技術來解決。這樣，就解決了電源設計和開關元件選用中難以解決的大容性負載與高壓納秒脈沖的矛盾。通過計算機的集散控制技術來控制這些脈沖電源模塊，當有模塊發(fā)生故障并退出工作時，系統(tǒng)可自動調節(jié)其它模塊的運行參數(shù)，保障整個系統(tǒng)的連續(xù)運行。?

　　CAN(Controller Area Network)總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，是由德國BOSCH公司為分布式系統(tǒng)在強電磁干擾等環(huán)境下能可靠工作而設計的一種串行通信網(wǎng)絡，它具有如下顯著特點:(1)多主方式工作，各節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡上的其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，且無需站地址等節(jié)點信息。利用這一特點可方便地構成多機備份系統(tǒng);(2)采用獨特的非破壞性總線仲裁技術。優(yōu)先級高的節(jié)點優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，能滿足不同的實時性要求;(3)廣播式數(shù)據(jù)通信，采用CSMA/CD協(xié)議進行總線控制及數(shù)據(jù)通信。當節(jié)點向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時，其它節(jié)點都同時收到數(shù)據(jù)，具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能;(4)高傳輸可靠性，CAN總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個，并有CRC及其它校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率極低。并且萬一某一節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤，可自動脫離總線，而總線上的其它操作不受影響;(5)特別適合于網(wǎng)絡化智能設備，傳輸速率可達1Mb/s，傳輸距離可達1000m，傳輸方式和介質為差動電壓和雙絞線。CAN總線只有兩根導線。系統(tǒng)擴充時，直接將新節(jié)點掛接在總線上即可，系統(tǒng)容易實現(xiàn)冗余設計。所以從適用性、可靠性和低成本的角度考慮，我們選擇了CAN總線來構成系統(tǒng)的底層通信網(wǎng)絡，系統(tǒng)總體結構如圖1所示。?

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　　系統(tǒng)結構由上位機(通用PC機，含CAN接口適配卡)、智能數(shù)據(jù)采集節(jié)點、現(xiàn)場控制節(jié)點、DC/AC疊加脈沖電源(直流功率80kW，直流基壓0～60kV，交流功率120kW，峰值電壓20～120kV，頻率>10kHz)以及反應器等構成。網(wǎng)絡拓撲結構為總線型，通信介質為屏蔽雙絞線。為了實現(xiàn)電源與負載的優(yōu)化匹配和流光放電的優(yōu)化空間分布，該系統(tǒng)采用計算機優(yōu)化控制，分兩級進行。上位PC機負責與下位機的通信、動態(tài)顯示各節(jié)點的工作狀態(tài)或報警信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)采集節(jié)點和現(xiàn)場控制節(jié)點傳來的溫度、濕度、SO₂濃度、各節(jié)點的狀態(tài)等數(shù)據(jù)，按照一定的數(shù)學模型對現(xiàn)場控制節(jié)點的各控制參數(shù)、運行參數(shù)(如直流基壓大小、交流峰值電壓及頻率大小等)進行整定和修改，然后由各現(xiàn)場控制系統(tǒng)節(jié)點來完成執(zhí)行過程的動態(tài)控制。為了實現(xiàn)優(yōu)化控制，控制功能并沒有完全下放到現(xiàn)場控制節(jié)點。因此，為了使系統(tǒng)能持續(xù)可靠地工作，需對上位PC機進行熱備份冗余設計。由于CAN總線幀接收濾波等特點使得這一設計相對簡單。圖1中雙絞線兩端并聯(lián)有總線的匹配電阻R(約為130Ω)，其取值不當將會使數(shù)據(jù)通信的可靠性和抗干擾性大大降低，甚至無法通信。?

2 系統(tǒng)硬件介紹?

　　要實現(xiàn)PC機和CAN控制器之間的數(shù)據(jù)傳送，首先必須在PC機和適配卡的微控制器之間建立雙向的數(shù)據(jù)交換通道。CAN接口適配卡硬件結構框圖如圖2所示。適配卡采用雙口RAM IDT7132作為PC機與單片機80C51交換數(shù)據(jù)的通道。IDT7132具有兩個獨立端口，每個端口都有自己的控制線、地址線及數(shù)據(jù)線引腳。對片內(nèi)存儲器的任何一個單元均可獨立地、異步地進行訪問。IDT7132具有片內(nèi)仲裁邏輯，兩邊都有BUSY引腳，用以解決當兩口同時選通且要訪問的單元地址相同時的競爭問題。PC機對接口的尋址方式有I/O端口法和內(nèi)存映像法兩種。I/O端口法每次傳送的單位為字節(jié)或字，傳送速度慢;而內(nèi)存映像法可以以字符塊為單位進行傳送，且有較大的地址空間，可實現(xiàn)快速傳送。因此在本適配卡設計中采用內(nèi)存映像法，把IDT7132數(shù)據(jù)存儲器地址直接映射到PC機內(nèi)存空間的高端:C0000H～DFFFFH(PC機一般未使用該部分)，實現(xiàn)CAN總線與PC機的高速數(shù)據(jù)交換。單片機80C51的地址線最高位P2.7作為雙口RAM IDT7132另一側的片選信號，因此IDT7132在單片機中的地址范圍是:8000H～87FFH。為保證PC機和節(jié)點之間能實時響應對方要求，PC機與微控制器之間采用中斷控制方式。中斷申請電路由D觸發(fā)器和用來完成譯碼的GAL16V8芯片組成。選用CAN控制器芯片SJA1000來完成CAN協(xié)議所規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。SJA1000在軟件和引腳上都是與它的前一款——PCA82C200獨立控制器兼容的，被設計為全面支持CAN2.0B協(xié)議。SJA1000通過CAN控制器接口——82C250芯片接到CAN總線上。82C250芯片可以提供對總線的差動發(fā)送能力，對CAN控制器的差動接收能力，有效地提高了總線的抗干擾能力，實現(xiàn)了保護總線、降低射頻干擾、實現(xiàn)熱保護等功能。為進一步提高抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN控制器接口82C250之間加接光電隔離，電源采用DC-DC變換器。在復位電路設計中，考慮到便于電路調試和處理整體運行時出現(xiàn)的問題的需要，采用三種復位方式，即上電復位、手動復位(調試中使用)和軟件復位(由PC機管理程序中的初始化功能模塊進行復位)。其它節(jié)點的設計也都是基于微控制器和CAN控制器(SJA1000)以及總線控制器接口(82C250)，在此不另作介紹。?

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3 系統(tǒng)軟件設計?

　　該軟件包括上位機的PC系統(tǒng)軟件、適配卡軟件以及下位機各節(jié)點軟件。PC機操作界面圖形化，使操作直觀、方便。PC機系統(tǒng)軟件完成對整個系統(tǒng)的管理、監(jiān)控和完成對各控制節(jié)點的協(xié)調優(yōu)化控制，采用VC++編程;下位機各節(jié)點分別完成數(shù)據(jù)的檢測或對電源的直接控制功能，用Frankin C51來實現(xiàn)。在煙氣脫硫時，許多過程變量的變化通常較慢，而系統(tǒng)中通信周期在毫秒級。因而，在兩次通信間隔內(nèi)，過程變量幾乎未發(fā)生變化。因此，我們在數(shù)據(jù)采集節(jié)點的程序設計中，給這些過程變量設置了一個死區(qū)。當過程變量的變化量未超過此死區(qū)時，該數(shù)據(jù)不進行傳送，而把上次傳送的數(shù)據(jù)作為本次傳送的結果，這樣為其它通信任務提供了更多占用通信介質的時間，從而提高了實時性。?

　　本系統(tǒng)設計采用基于CAN總線的集散控制技術來替代電源傳統(tǒng)的集中控制方式，“集中管理、分散控制”是它的特點。采用這種控制方式不僅解決了傳統(tǒng)控制方式下電源因不可靠而難以實用化的問題，而且解決了煙氣脫硫時所需的電場分布的優(yōu)化問題:在煙氣脫硫過程中，不同區(qū)域的煙氣濕度、溫度、SO₂濃度不同，因而所需的電場強度也不同，即有一個電場優(yōu)化分布的要求。而這一點在單電源傳統(tǒng)控制方式下是難以實現(xiàn)的。?

參考文獻?

1 SJA1000 Stand-alone CAN Controller.Philips Data Sheet，1999?

2 鄔寬明.CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計.北京:北京航空航天大學出版社，1996?