摘? 要: 針對(duì)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(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)過程。?

　　關(guān)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(dāng)今世界控制SO2排放的主要途徑。工業(yè)發(fā)達(dá)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(jì)而有效的途徑，因?yàn)檫@些方法皆受造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)、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(jìn)行脫硫的研究取得了很大進(jìn)展，低能耗是這項(xiàng)技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)。但是目前的研究都還未觸及電源的實(shí)用化和反應(yīng)條件優(yōu)化等關(guān)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(jìn)和創(chuàng)新。因此，在流光放電半濕法煙氣脫硫這個(gè)863計(jì)劃項(xiàng)目中，我們承接了電源實(shí)用化這個(gè)課題。?

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案?

　　該專用電源是一個(gè)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(guān)元件，通過電容儲(chǔ)能放電，在升壓變壓器副級(jí)得到一個(gè)陡峭的高壓脈沖。由于現(xiàn)有反應(yīng)器即電源負(fù)載具有較大的電容量，這就給我們帶來了兩個(gè)問題:第一，即使功率很大的放電脈沖也難以在反應(yīng)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(fù)載和高壓納秒脈沖的這一矛盾，將反應(yīng)器的大電容量劃分為若干個(gè)小電容量區(qū)。煙氣在順序通過各個(gè)小電容量區(qū)域時(shí)將受到不同需要量的脈沖電壓作用，每個(gè)小區(qū)域的小電容量由一個(gè)容量相對(duì)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(shí)電暈線上的電壓上升率，從而實(shí)現(xiàn)脈沖電源的高可靠性及電場(chǎng)分布的合理性。當(dāng)然，這將產(chǎn)生一個(gè)對(duì)這些電源組的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制問題。對(duì)于這一點(diǎn)，采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的集散控制技術(shù)來解決。這樣，就解決了電源設(shè)計(jì)和開關(guān)元件選用中難以解決的大容性負(fù)載與高壓納秒脈沖的矛盾。通過計(jì)算機(jī)的集散控制技術(shù)來控制這些脈沖電源模塊，當(dāng)有模塊發(fā)生故障并退出工作時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)其它模塊的運(yùn)行參數(shù)，保障整個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。?

　　CAN(Controller Area Network)總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，是由德國BOSCH公司為分布式系統(tǒng)在強(qiáng)電磁干擾等環(huán)境下能可靠工作而設(shè)計(jì)的一種串行通信網(wǎng)絡(luò)，它具有如下顯著特點(diǎn):(1)多主方式工作，各節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，且無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。利用這一特點(diǎn)可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng);(2)采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù)。優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，能滿足不同的實(shí)時(shí)性要求;(3)廣播式數(shù)據(jù)通信，采用CSMA/CD協(xié)議進(jìn)行總線控制及數(shù)據(jù)通信。當(dāng)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其它節(jié)點(diǎn)都同時(shí)收到數(shù)據(jù)，具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(gè)，并有CRC及其它校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。并且萬一某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，可自動(dòng)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(luò)化智能設(shè)備，傳輸速率可達(dá)1Mb/s，傳輸距離可達(dá)1000m，傳輸方式和介質(zhì)為差動(dòng)電壓和雙絞線。CAN總線只有兩根導(dǎo)線。系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí)，直接將新節(jié)點(diǎn)掛接在總線上即可，系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)。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(gòu)成系統(tǒng)的底層通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。?

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　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由上位機(jī)(通用PC機(jī)，含CAN接口適配卡)、智能數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)、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(yīng)器等構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，通信介質(zhì)為屏蔽雙絞線。為了實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)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(jì)算機(jī)優(yōu)化控制，分兩級(jí)進(jìn)行。上位PC機(jī)負(fù)責(zé)與下位機(jī)的通信、動(dòng)態(tài)顯示各節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)或報(bào)警信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)傳來的溫度、濕度、SO₂濃度、各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)等數(shù)據(jù)，按照一定的數(shù)學(xué)模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)的各控制參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)(如直流基壓大小、交流峰值電壓及頻率大小等)進(jìn)行整定和修改，然后由各現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)來完成執(zhí)行過程的動(dòng)態(tài)控制。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，控制功能并沒有完全下放到現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)。因此，為了使系統(tǒng)能持續(xù)可靠地工作，需對(duì)上位PC機(jī)進(jìn)行熱備份冗余設(shè)計(jì)。由于CAN總線幀接收濾波等特點(diǎn)使得這一設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)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(dāng)將會(huì)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(shí)現(xiàn)PC機(jī)和CAN控制器之間的數(shù)據(jù)傳送，首先必須在PC機(jī)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(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。適配卡采用雙口RAM IDT7132作為PC機(jī)與單片機(jī)80C51交換數(shù)據(jù)的通道。IDT7132具有兩個(gè)獨(dú)立端口，每個(gè)端口都有自己的控制線、地址線及數(shù)據(jù)線引腳。對(duì)片內(nèi)存儲(chǔ)器的任何一個(gè)單元均可獨(dú)立地、異步地進(jìn)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(dāng)兩口同時(shí)選通且要訪問的單元地址相同時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)問題。PC機(jī)對(duì)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(jìn)行傳送，且有較大的地址空間，可實(shí)現(xiàn)快速傳送。因此在本適配卡設(shè)計(jì)中采用內(nèi)存映像法，把IDT7132數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址直接映射到PC機(jī)內(nèi)存空間的高端:C0000H～DFFFFH(PC機(jī)一般未使用該部分)，實(shí)現(xiàn)CAN總線與PC機(jī)的高速數(shù)據(jù)交換。單片機(jī)80C51的地址線最高位P2.7作為雙口RAM IDT7132另一側(cè)的片選信號(hào)，因此IDT7132在單片機(jī)中的地址范圍是:8000H～87FFH。為保證PC機(jī)和節(jié)點(diǎn)之間能實(shí)時(shí)響應(yīng)對(duì)方要求，PC機(jī)與微控制器之間采用中斷控制方式。中斷申請(qǐng)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(dú)立控制器兼容的，被設(shè)計(jì)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(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力，有效地提高了總線的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)總線、降低射頻干擾、實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)等功能。為進(jìn)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(fù)位電路設(shè)計(jì)中，考慮到便于電路調(diào)試和處理整體運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的問題的需要，采用三種復(fù)位方式，即上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位(調(diào)試中使用)和軟件復(fù)位(由PC機(jī)管理程序中的初始化功能模塊進(jìn)行復(fù)位)。其它節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)?

　　該軟件包括上位機(jī)的PC系統(tǒng)軟件、適配卡軟件以及下位機(jī)各節(jié)點(diǎn)軟件。PC機(jī)操作界面圖形化，使操作直觀、方便。PC機(jī)系統(tǒng)軟件完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理、監(jiān)控和完成對(duì)各控制節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，采用VC++編程;下位機(jī)各節(jié)點(diǎn)分別完成數(shù)據(jù)的檢測(cè)或?qū)﹄娫吹闹苯涌刂乒δ?，用Frankin C51來實(shí)現(xiàn)。在煙氣脫硫時(shí)，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(jí)。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?cè)跀?shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)中，給這些過程變量設(shè)置了一個(gè)死區(qū)。當(dāng)過程變量的變化量未超過此死區(qū)時(shí)，該數(shù)據(jù)不進(jìn)行傳送，而把上次傳送的數(shù)據(jù)作為本次傳送的結(jié)果，這樣為其它通信任務(wù)提供了更多占用通信介質(zhì)的時(shí)間，從而提高了實(shí)時(shí)性。?

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用基于CAN總線的集散控制技術(shù)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(diǎn)。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(shí)用化的問題，而且解決了煙氣脫硫時(shí)所需的電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度也不同，即有一個(gè)電場(chǎng)優(yōu)化分布的要求。而這一點(diǎn)在單電源傳統(tǒng)控制方式下是難以實(shí)現(xiàn)的。?

參考文獻(xiàn)?

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

2 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1996?