基于CAN總線的流光放電煙氣脫硫電源集散控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、歡迎訪問Freekaoyan論文站基于CAN總線的流光放電煙氣脫硫電源集散控制系統(tǒng)的設(shè)計歡迎訪問Freekaoyan論文站    歡迎訪問Freekaoyan論文站    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(shè)計思路和實現(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)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，目前也嘗試要用石灰石

2、濕法，但至今沒有找到適合我國國情的>' target='_blank' class='infotextkey'>經(jīng)濟(jì)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(jìn)行脫硫的研究取得了很大進(jìn)展，低能耗是這項技術(shù)的最大優(yōu)點。但是目前的研究都還觸及電源的實用化和反應(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(shè)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

3、脈沖電源目前普遍采用閘流管作開關(guān)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(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，

4、從而實現(xiàn)脈沖電源的高可靠性及電場分布的合理性。當(dāng)然，這將產(chǎn)生 一個對些電源組的協(xié)調(diào)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(shù)來解決。這樣，就解決了電源設(shè)計和開關(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，系統(tǒng)可自動調(diào)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(qiáng)電磁干擾等環(huán)境下能可靠工作而設(shè)計的一種串行通信網(wǎng)絡(luò)，它具有如下顯著特點：（1）多

5、主方式工作，各節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)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(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)；（2）利用獨特的非破壞性總線仲裁技術(shù)。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(jìn)行總線控制及數(shù)據(jù)通信。當(dāng)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位，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(yán)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(luò)化智能設(shè)備，傳

6、輸速率可達(dá)1Mb/s，傳輸距離可達(dá)1000ms，傳輸方式介質(zhì)為差動電壓和雙絞線。CAN總線只有兩根導(dǎo)線。系統(tǒng)擴(kuò)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(shè)計。所以從適用性、可靠性和低成本的角度考慮，我們CAN總線來構(gòu)成系統(tǒng)的底層通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)如圖1所示。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、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060kV，交流功率120kW，峰值電壓20120kV，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

7、，該系統(tǒng)采用計算機(jī)優(yōu)化控制，分兩級進(jìn)行。上位PC機(jī)負(fù)責(zé)與下位機(jī)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(xué)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(jìn)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(jī)進(jìn)行勢備份冗余設(shè)計。由于CAN總線幀接收濾波等特點使得這一設(shè)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130），其取值不當(dāng)將會使數(shù)

8、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(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(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)兩口同時選能且要訪問的單元地址相同時的競爭問題。PC機(jī)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

9、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，可實現(xiàn)快速傳送。因此在本適配卡設(shè)計中采用內(nèi)存映像法，把IDT7132為數(shù)據(jù)存儲器地址直接映射到PCF機(jī)內(nèi)存空間的高端：C0000HDFFFFH（PC機(jī)一般未使用該部分），實現(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，因此IDT7132在單片機(jī)中的地址范圍是：8000H87FFH.為保證PC機(jī)和節(jié)點之間能實時響應(yīng)對方要求，PC機(jī)與微控制器之間采用中斷控制方式。中斷申請電路由D觸發(fā)器和用來完成譯碼的CAL16V8芯片組成。選用

10、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(shè)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)保護(hù)總線、降低射頻干擾、實現(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)計中，考慮到便于電路測試和處理整體運行時出

11、現(xiàn)的問題的需要，采用三種復(fù)位方式，即上電復(fù)位、手動復(fù)位（調(diào)試中使用）和軟件復(fù)位（由PC機(jī)>' target='_blank' class='infotextkey'>管理程序中的初始化功能模塊進(jìn)行復(fù)位）。其它節(jié)點的設(shè)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。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計該軟件包括上位機(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)軟件完成對整個系統(tǒng)的>' target='_blank' clas

12、s='infotextkey'>管理、監(jiān)控和完成對各控制節(jié)點的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，采用VC+編程；下位機(jī)各節(jié)點分別完成數(shù)據(jù)的檢測或?qū)﹄娫垂钢苯涌刂乒δ?，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(shè)計中，給這些過程變化設(shè)置了一個死區(qū)。當(dāng)過程變量的變化量未超過此死區(qū)時，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)的時間，從而提高了實時性。本系統(tǒng)設(shè)計采用基于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>' target='_blank' class='infotextkey