應用CAN總線為煙氣脫硫工藝設(shè)計微機監(jiān)控系統(tǒng)

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，能源消費帶來的環(huán)境污染也越來越嚴重。燃煤煙氣中排放的二氧化硫和氮氧化物占全國總排放量的90%，是造成大氣污染、酸雨和溫室效應的主要根源。目前世界上比較先進的煙氣脫硫（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大市場潛力和應用前景的煙氣脫硫新工藝。本文針對這種技術(shù)，應用CAN總線設(shè)計了一套微機監(jiān)控系統(tǒng)，使整個煙氣脫硫過程經(jīng)濟、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存在的條件下通過一系列的鏈反應將污染物成分（如SO2、NOX等）氧化生成穩(wěn)定的銨鹽，從而達到煙氣脫硫的目的。系統(tǒng)工藝流程圖見圖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器系統(tǒng)，氣相的SO2在有NH3存在的條件下，在濕式反應器中氧化生成硫酸銨溶液而被脫除，反應后溫度約為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)的運行狀況，利用相應的檢測儀可對各參數(shù)的狀態(tài)進行采集，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、實時性、靈活性和抗干擾性而在本系統(tǒng)中得到應用。

整個監(jiān)控系統(tǒng)由上位管理機、CAN接口適配卡和多個現(xiàn)場測控節(jié)點三部分組成。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其它數(shù)據(jù)采集節(jié)點沒有在圖上示出。上位管理機選用普通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)或報警信息以及按照一定的數(shù)學模型對現(xiàn)場測控節(jié)點的各控制參數(shù)進行調(diào)整。CAN總線通信接口適配卡負責PC機與現(xiàn)場測控節(jié)點之間數(shù)據(jù)和控制參數(shù)的傳遞?，F(xiàn)場測控節(jié)點負責從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)并以CAN協(xié)議發(fā)送到總線上，傳給上位機或其它節(jié)點，并根據(jù)需要對現(xiàn)場設(shè)備就地進行實時控制和監(jiān)視。利用CAN總線方便的可擴展性，可以在總線上增加更多的測控節(jié)點而無需改變系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。CAN總線上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達112個（RT=120Ω，RL=45Ω），這為日后系統(tǒng)的改進帶來了極大的方便。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計包括現(xiàn)場測控節(jié)點的設(shè)計和CAN接口適配卡的設(shè)計?，F(xiàn)場測控節(jié)點作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制層完成的功能包括：對各狀態(tài)量的檢測;對交直流疊加電源電壓的控制，達到直流基壓0～60kV，交流峰峰值電壓40kV，交流頻率16～50kHz;對進入反應器的煙氣溫度進行控制（60～80℃）;對氨注入的控制，準確地控制氨硫摩爾比（不大于2:1）。各個現(xiàn)場測控節(jié)點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控節(jié)點為例進行介紹，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該電路主要包括輸入信號調(diào)理電路、單片機外圍電路、模擬控制信號輸出電路、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80C196KC作為微處理器，其內(nèi)部設(shè)有256字節(jié)的RAM，帶有28個中斷源，運算速度快，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獨立控制器和82C250驅(qū)動器。SJA1000有基本的Basic CAN和增強的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發(fā)送和接收功能，提高系統(tǒng)總線的節(jié)點驅(qū)動能力，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)相對比較簡單，專門負責在上位微機與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。有了前面測控節(jié)點的設(shè)計經(jīng)驗，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簡單的89C51（ATMEL公司的產(chǎn)品）。選擇雙口RAM IDT7132作為PC機與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)存儲器地址直接映射到PC機內(nèi)存空間的高端。CAN通信部分與測控節(jié)點相同，這里不再詳述。設(shè)計中若采用中斷接收數(shù)據(jù)方式，應注意在SJA1000的INT引腳和VCC引腳間接一上拉電阻（約5kΩ），否則會一直處于中斷狀態(tài)。

圖3 交直流電源電壓測控節(jié)點硬件圖

圖4 CAN接口適配卡結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括現(xiàn)場測控節(jié)點的數(shù)據(jù)采集與處理軟件設(shè)計、CAN接口適配卡通信軟件設(shè)計和上位機管理軟件設(shè)計。上位機管理軟件采用Visual C++編寫，主要完成設(shè)備狀態(tài)和工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集;向測控節(jié)點發(fā)送請求修改控制參數(shù);顯示動態(tài)實時數(shù)據(jù)和歷史曲線圖;對歷史數(shù)據(jù)進行保存和打印報表?，F(xiàn)場測控節(jié)點軟件采用80C196匯編語言編程，主要完成三項任務(wù)：一是檢測系統(tǒng)各項物理參數(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)運行狀況和趨勢;二是根據(jù)控制算法對相應的量進行實時控制;三是對異常狀況的報警處理。CAN接口適配卡通信軟件跟測控節(jié)點CAN通信軟件基本相同。下面著重介紹CAN通信軟件的設(shè)計。

程序首先對SJA1000進行初始化，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，對接收的信息進行處理，或響應遠程幀，或調(diào)用發(fā)送子程序發(fā)送數(shù)據(jù)，或向上位機報警。在此期間若有錯誤發(fā)生，可以利用SJA1000方便的錯誤代碼捕捉功能了解詳細信息并啟動錯誤處理機制。主程序流程圖如圖5所示。

在整個通信軟件設(shè)計中，SJA1000的初始化至關(guān)重要，直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運行。其流程圖如圖6所示。注意，SJA1000有個測試寄存器（地址為0x09），可以通過寫入并讀它的數(shù)值來判斷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)以國家863科技攻關(guān)項目為依托，在廣東杰特科技發(fā)展有限公司和北京交通大學等單位開發(fā)的流光放電等離子體煙氣脫硫?qū)嶒炂脚_上進行了試驗和調(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)模的反應器中產(chǎn)生分布良好的流光放電等離子體，通過12000Nm3/h煙氣量試驗，在SO2初始濃度約1000ppm條件下，脫硫率》95%，滿足工業(yè)實用的要求。