應(yīng)用CAN總線為煙氣脫硫工藝設(shè)計(jì)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源消費(fèi)帶來(lái)的環(huán)境污染也越來(lái)越嚴(yán)重。燃煤煙氣中排放的二氧化硫和氮氧化物占全國(guó)總排放量的90%，是造成大氣污染、酸雨和溫室效應(yīng)的主要根源。目前世界上比較先進(jìn)的煙氣脫硫（Flue Gas Desulphurization，F(xiàn)GD）技術(shù)中比較典型的方法有濕式石灰-石膏/氨催化還原法、電子束/氨法、電暈放電/氨法，而流光放電等離子體煙氣脫硫技術(shù)是電暈放電法中具有強(qiáng)大市場(chǎng)潛力和應(yīng)用前景的煙氣脫硫新工藝。本文針對(duì)這種技術(shù)，應(yīng)用CAN總線設(shè)計(jì)了一套微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，使整個(gè)煙氣脫硫過(guò)程經(jīng)濟(jì)、高效、安全可靠。

流光放電等離子體煙氣脫硫的原理是利用高頻高壓交直流疊加電源使反應(yīng)器發(fā)生電暈放電，放電產(chǎn)生的高能激發(fā)電子電離煙氣中的氣體分子（O2、H2O、N2等），產(chǎn)生極富氧化性的離子和自由基，這些活性粒子在有添加劑NH3存在的條件下通過(guò)一系列的鏈反應(yīng)將污染物成分（如SO2、NOX等）氧化生成穩(wěn)定的銨鹽，從而達(dá)到煙氣脫硫的目的。系統(tǒng)工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 煙氣脫硫系統(tǒng)工藝流程圖

鍋爐煙氣經(jīng)除塵后，溫度約為150℃，然后經(jīng)熱交換器將其送入濕式反應(yīng)器系統(tǒng)，氣相的SO2在有NH3存在的條件下，在濕式反應(yīng)器中氧化生成硫酸銨溶液而被脫除，反應(yīng)后溫度約為60℃。尾氣經(jīng)換熱器與入口煙氣換熱后溫度提高到90℃以上而被排放，反應(yīng)器生成的硫酸氨溶液經(jīng)熱煙氣干燥脫水濃縮成為固體硫酸氨化肥。

反應(yīng)器中的煙氣流量、SO2濃度、煙氣溫度、氨注入量、蒸汽注入量、交直流疊加電源電壓、生成液PH值和生成液摩爾濃度等都直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，利用相應(yīng)的檢測(cè)儀可對(duì)各參數(shù)的狀態(tài)進(jìn)行采集，而主要的監(jiān)控回路包括氨注入監(jiān)控、交直流疊加電源電壓監(jiān)控、煙氣溫度監(jiān)控、蒸汽注入監(jiān)控和生成液PH值監(jiān)控等。CAN總線憑借其突出的數(shù)據(jù)通信可靠性、實(shí)時(shí)性、靈活性和抗干擾性而在本系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由上位管理機(jī)、CAN接口適配卡和多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)三部分組成。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其它數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)沒(méi)有在圖上示出。上位管理機(jī)選用普通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)警信息以及按照一定的數(shù)學(xué)模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)的各控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。CAN總線通信接口適配卡負(fù)責(zé)PC機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)和控制參數(shù)的傳遞?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)從現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)并以CAN協(xié)議發(fā)送到總線上，傳給上位機(jī)或其它節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就地進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視。利用CAN總線方便的可擴(kuò)展性，可以在總線上增加更多的測(cè)控節(jié)點(diǎn)而無(wú)需改變系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)112個(gè)（RT=120Ω，RL=45Ω），這為日后系統(tǒng)的改進(jìn)帶來(lái)了極大的方便。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和CAN接口適配卡的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)作為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與控制層完成的功能包括：對(duì)各狀態(tài)量的檢測(cè);對(duì)交直流疊加電源電壓的控制，達(dá)到直流基壓0～60kV，交流峰峰值電壓40kV，交流頻率16～50kHz;對(duì)進(jìn)入反應(yīng)器的煙氣溫度進(jìn)行控制（60～80℃）;對(duì)氨注入的控制，準(zhǔn)確地控制氨硫摩爾比（不大于2:1）。各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)具體的功能可能不一樣，但硬件結(jié)構(gòu)大同小異，下面以交直流疊加電源電壓測(cè)控節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行介紹，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該電路主要包括輸入信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)外圍電路、模擬控制信號(hào)輸出電路、液晶顯示電路和CAN通信電路等。CPU采用Intel公司的16位單片機(jī)80C196KC作為微處理器，其內(nèi)部設(shè)有256字節(jié)的RAM，帶有28個(gè)中斷源，運(yùn)算速度快，它本身還帶有三路PWM輸出和高速輸入輸出HSI和HSO，尤其適用于快速控制系統(tǒng)。CAN總線通信電路采用Philips公司的SJA1000獨(dú)立控制器和82C250驅(qū)動(dòng)器。SJA1000有基本的Basic CAN和增強(qiáng)的Peli CAN兩種模式，全面支持具有新功能的CAN2.0B協(xié)議。82C250可以提供總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能，提高系統(tǒng)總線的節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)能力，增大通信距離、降低干擾?？刂茊卧捎酶咚?u>光耦6N137隔離各個(gè)前后通道，被隔離部分分別使用不同的電源和地線，以提高抗干擾性能。

CAN接口適配卡的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，專門負(fù)責(zé)在上位微機(jī)與CAN總線之間傳遞消息，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。從圖中可以看出適配卡由微控制器電路、雙口RAM電路和CAN通信控制電路三部分組成。有了前面測(cè)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這里依然選擇80C196KC作為微控制器，比較常用的是采用功能相對(duì)簡(jiǎn)單的89C51（ATMEL公司的產(chǎn)品）。選擇雙口RAM IDT7132作為PC機(jī)與80C196KC交換數(shù)據(jù)的通道，并采用內(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。CAN通信部分與測(cè)控節(jié)點(diǎn)相同，這里不再詳述。設(shè)計(jì)中若采用中斷接收數(shù)據(jù)方式，應(yīng)注意在SJA1000的INT引腳和VCC引腳間接一上拉電阻（約5kΩ），否則會(huì)一直處于中斷狀態(tài)。

圖3 交直流電源電壓測(cè)控節(jié)點(diǎn)硬件圖

圖4 CAN接口適配卡結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與處理軟件設(shè)計(jì)、CAN接口適配卡通信軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)管理軟件采用Visual C++編寫(xiě)，主要完成設(shè)備狀態(tài)和工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集;向測(cè)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求修改控制參數(shù);顯示動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史曲線圖;對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和打印報(bào)表?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)軟件采用80C196匯編語(yǔ)言編程，主要完成三項(xiàng)任務(wù)：一是檢測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)物理參數(shù)以及設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)并傳到CAN總線上，以監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀況和趨勢(shì);二是根據(jù)控制算法對(duì)相應(yīng)的量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制;三是對(duì)異常狀況的報(bào)警處理。CAN接口適配卡通信軟件跟測(cè)控節(jié)點(diǎn)CAN通信軟件基本相同。下面著重介紹CAN通信軟件的設(shè)計(jì)。

程序首先對(duì)SJA1000進(jìn)行初始化，設(shè)置好工作模式、濾波功能、通信波特率和輸出特性后，就處于接收中斷中。在接收完畢后，對(duì)接收的信息進(jìn)行處理，或響應(yīng)遠(yuǎn)程幀，或調(diào)用發(fā)送子程序發(fā)送數(shù)據(jù)，或向上位機(jī)報(bào)警。在此期間若有錯(cuò)誤發(fā)生，可以利用SJA1000方便的錯(cuò)誤代碼捕捉功能了解詳細(xì)信息并啟動(dòng)錯(cuò)誤處理機(jī)制。主程序流程圖如圖5所示。

在整個(gè)通信軟件設(shè)計(jì)中，SJA1000的初始化至關(guān)重要，直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。其流程圖如圖6所示。注意，SJA1000有個(gè)測(cè)試寄存器（地址為0x09），可以通過(guò)寫(xiě)入并讀它的數(shù)值來(lái)判斷CPU與SJA1000的硬件連接是否正確。

圖5 CAN通信主程序流程圖

圖6 SJA1000初始化流程圖

本系統(tǒng)以國(guó)家863科技攻關(guān)項(xiàng)目為依托，在廣東杰特科技發(fā)展有限公司和北京交通大學(xué)等單位開(kāi)發(fā)的流光放電等離子體煙氣脫硫?qū)嶒?yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)和調(diào)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、高效。交直流疊加電源可以在工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器中產(chǎn)生分布良好的流光放電等離子體，通過(guò)12000Nm3/h煙氣量試驗(yàn)，在SO2初始濃度約1000ppm條件下，脫硫率》95%，滿足工業(yè)實(shí)用的要求。