基于CAN总线的流光放电烟气脱硫电源集散控制系统的设计

    摘要：针对流光放电烟气脱硫电源难以产业化的问题，提出了基于CAN总线的集散控制的解决方法，并介绍了该系统的设计思路和实现过程。

    关键词：流光放电 烟气脱硫 CAN总线 集散控制系统

烟气脱硫是当今世界控制SO2排放的主要途径。工业发达国家大多数采用石灰石湿法。我国曾采用氨酸法、尾部增湿法等多种方法脱硫，目前也尝试要用石灰石湿法，但至今没有找到适合我国国情的经济而有效的途径，因为这些方法皆受造价、运行费、吸收剂来源和终产物出路等问题的困扰。近来年利用流光放电进行脱硫的研究取得了很大进展，低能耗是这项技术的最大优点。但是目前的研究都还触及电源的实用化和反应条件优化等关键问题，离产业化还有很大的距离，很多工艺还有待改进和创新。因此，在流光放电半湿法烟气脱硫这个863计划项目中，我们承接了电源实用化这个课题。

1 系统的总体设计方案

该专用电源是一个由直流偏压和高频交流电压叠加而成的脉冲电源。该脉冲电源目前普遍采用闸流管作开关元件，通过电容储能放电，在升压变压器副级得到一个陡峭的高压脉冲。由于现有反应器即电源负载具有较大的电容量，这就给我们带来了两个问题：第一，即使功率很大的放电脉冲也难以在反应器极间形成需要的陡峭的电压脉冲；第二，功率偏大的脉冲充放电电流使闸流管的寿命减少，可靠性大大降低，使得闸流管的脉冲电源没有产业化的前景。为了解决大电容性负载和高压纳秒脉冲的这一矛盾。将反应器的大电容量划分为若干个小电容量区。烟气在顺序通过各个小电容量区域时将受到不同需要量的脉冲电压作用，每个小区域的小电容量由一个容量相对大的脉冲电源供电，只需不大的充放电电流即可增加放电时电晕线上的电压上升率，从而实现脉冲电源的高可靠性及电场分布的合理性。当然，这将产生 一个对些电源组的协调优化控制问题。对于这一点，采用基于现场总线的集散控制技术来解决。这样，就解决了电源设计和开关元件选用中难以解决的大容性负载与高压纳秒脉冲的矛盾。通过计算机的集散控制技术来控制这些脉冲电源模块，当有模块发生故障并退出工作时，系统可自动调节其它模块的运行参数，保障整个系统的连续运行。

系统结构由上位机（通用PC机，含CAN接口适配卡）、智能数据采集节点、现场控制节点、DC/AC叠加脉冲电源（直流功率80kW，直流基压0～60kV，交流功率120kW，峰值电压20～120kV，频率>10kHz）以及反应器等构成。网络拓扑结构为总线型，通信介质为屏蔽双绞线。为了实现电源与负载的优化匹配和流光放电的优化空间分布，该系统采用计算机优化控制，分两级进行。上位PC机负责与下位机的通信、动态显示各节点的工作状态或报警信息，并根据数据采集节点和现场控制节点传来的温度、湿度、SO2浓度、各节点的状态等数据，按照一定的数学模型对现场控制节点的各控制参数、运行参数（如直流基压大小、交流峰值电压及频率大小等）进行整定和修改，然后由各现场控制系统节点来完成执行过程的动态控制。为了实现优化控制，控制功能并没有完全下放到现场控制节点。因此，为了使系统能持续可靠地工作，需对上位PC机进行势备份冗余设计。由于CAN总线帧接收滤波等特点使得这一设计相对简单。图1中双绞线两端并联有总线的匹配电阻R（约为130Ω），其取值不当将会使数据通信的可靠性和抗干扰性大大降低，甚至无法通信。

2 系统硬件介绍

要实现PC机和CAN控制器之间的数据传送，首先必须在PC机和适配卡的微控制器之间建立双向的数据交换通道。CAN接口适配卡硬件结构框图如图2所示。适配卡采用双口RAM IDT7132作为PC机与单片机80C51交换数据的通道。IDT7132具有两个独立端口，每个端口都有自己的控制线、地址线及数据线引脚。对片内存储器的任何一个单元均可独立地、异步地进行访问。IDT7132具有片内仲裁逻辑，两边都有BUSY引脚，用以解决当两口同时选能且要访问的单元地址相同时的竞争问题。PC机对接口的寻址方式有I/O端口法和内存映像法两种。I/O端口法每次传送的单位为字节或字，传送速度慢；而内存映像法可以以字符块为单位进行传送，且有较大的地址空间，可实现快速传送。因此在本适配卡设计中采用内存映像法，把IDT7132为数据存储器地址直接映射到PCF机内存空间的高端：C0000HΩDFFFFH（PC机一般未使用该部分），实现CAN总线与PC机的高速数据交换。单片机80C51的地址线最高位P2.7作为双口RAM IDT7132另一侧的片选信号，因此IDT7132在单片机中的地址范围是：8000H～87FFH.为保证PC机和节点之间能实时响应对方要求，PC机与微控制器之间采用中断控制方式。中断申请电路由D触发器和用来完成译码的CAL16V8芯片组成。选用CAN控制器芯片SJA1000来完成CAN协议所规定的物理层和数据链路层的所有功能。SJA1000在软件和引脚上都是与它的前一款——PCA82C200独立控制器兼容的，被设计为全面支持CAN2.0B协议。SJA1000通过CAN控制器接口——82C250芯片接到CAN总线上。82C250芯片可以提供对总线的差动发送能力，对CAN控制器的差动接收能力，有效地提高了总线的抗干扰能力，实现保护总线、降低射频干扰、实现热保护等功能。为进一步提高抗干扰能力，在CAN控制器SJA1000和CAN控制器接口82C250之间加接光电隔离，电源采用DC-DC变换器。在复位电路设计中，考虑到便于电路测试和处理整体运行时出现的问题的需要，采用三种复位方式，即上电复位、手动复位（调试中使用）和软件复位（由PC机管理程序中的初始化功能模块进行复位）。其它节点的设计也都是基于微控制器和CAN控制器（SJA1000）以及总线控制器接口（82C250），在此不另作介绍。

3 系统软件设计

该软件包括上位机的PC系统软件、适配卡软件以及下位机各节点软件。PC机操作界面图形化，使操作直观、方便。PC机系统软件完成对整个系统的管理、监控和完成对各控制节点的协调优化控制，采用VC++编程；下位机各节点分别完成数据的检测或对电源垢直接控制功能，用Frankin C51来实现。在烟气脱硫 时，许多过程变量的变化通常较慢，而系统中通信周期在毫秒级。因而，在两次通信间隔内，过程变量几乎未发生变化。因此，我们在数据采集节点的程序设计中，给这些过程变化设置了一个死区。当过程变量的变化量未超过此死区时，该数据不进行传送，而把上次传送的数据作为本次传送的结果，这样为其它通信任务提供了更多占用通信介质的时间，从而提高了实时性。

本系统设计采用基于CAN总线的集散控制技术来替代电源传统的集中控制方式，“集中管理、分散控制”是它的特点。采用这种控制方式不仅解决了传统控制方式下电源因不可靠而难以实用化的问题，而且解决了烟气脱硫时所需的电场分布的优化问题：在烟气脱硫过程中，不同区域的烟气温度、温度、SO2浓度不同，因而所需的电场强度也不同，即有一个电场优化分布的要求。而这一点在单电源传统控制方式下是难以实现的。