一種基于實時以太網(wǎng)的電除塵器控制系統(tǒng)

章 涵，王奇峰，陳 佳，趙碧海，姚凌飛，遇 彬，張嚴之

（浙江菲達環(huán)保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800）

1 引言

火電、鋼鐵等工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)的同時會產(chǎn)生大量工業(yè)廢氣，為了防止環(huán)境污染，必須采取有效的煙氣凈化措施。因此工業(yè)廢氣和粉塵的處理對環(huán)境保護有著重要作用。在除塵系統(tǒng)中，靜電除塵系統(tǒng)是一種成熟、廣泛使用的除塵系統(tǒng)。其具有除塵效率高，運行和維修費用相對較低的特點。

傳統(tǒng)的電除塵控制系統(tǒng)是一種集散控制系統(tǒng)，能夠?qū)Ψ稚⒃诠S內(nèi)的所有設備進行有效的控制和操作。但是集散式系統(tǒng)同時在布線、安裝、管理、故障檢測上存在一定的困難。尤其是設備節(jié)點分散分布的特點，使得安裝和維護需要大量人力和物力，增加了運行成本。為了解決以上問題，可采用現(xiàn)場總線式控制系統(tǒng)，其分布式總線式結(jié)構(gòu)可以大大簡化布線難度、增加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性并提高通信性能。阮太元、王洋等人[1、2]提出了基于LonWorks總線的電除塵控制系統(tǒng)，而謝聯(lián)文[3]則提出了一種主要應用在鋼鐵廠基于Profibus的電除塵控制系統(tǒng)。

這些成果提出了現(xiàn)場總線在電除塵系統(tǒng)中應用和實現(xiàn)的技術(shù)方案，但是仍存在接口不統(tǒng)一、可抑制性差等一些問題，同上層企業(yè)服務器通信也必須依靠定制的網(wǎng)關(guān)。而以太網(wǎng)技術(shù)作為一種成熟且廣泛應用于工廠管理層的通信技術(shù)，具有接口廣泛、結(jié)構(gòu)靈活、成本較低、高帶寬等優(yōu)點。例如著名的ALSTOM公司的EPIC電除塵控制設備就采用了以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)。

由于以太網(wǎng)采用CSMA/CD（載波偵聽多路訪問/沖突檢測）介質(zhì)訪問控制機制，通信有著延時和抖動不確定的問題。必須在ISO七層模型中應用層以下的部分增加確定性通信模塊以確保數(shù)據(jù)正確、有效地實時傳輸。針對以上問題，本文提出了一種具有確定性通信機制的用于電除塵控制系統(tǒng)的實時以太網(wǎng)解決方案。通過對數(shù)據(jù)鏈路層進行一系列的修改和增強，滿足了電除塵通信系統(tǒng)的實時性需求，并保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。使得電除塵控制系統(tǒng)更容易與上層管理系統(tǒng)連接，簡化了布線，并有著較好的可移植性。同時，本文針對ALSTOM的EPIC-III控制節(jié)點提出了一個基于FPGA的硬件實現(xiàn)方案并搭建了實驗平臺。測試結(jié)果證明了該方案的有效性。

2 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電除塵器是由多個除塵單元組成，每個電場采用一臺高壓硅整流設備（T/R）進行供電。T/R設備主要起升壓、整流和控制作用，其工作原理是把380V電源通過反并聯(lián)可控硅，經(jīng)移相調(diào)壓后來控制電場負載的直流負高壓。一個典型的電除塵控制系統(tǒng)包括了電源、振打、加熱等終端控制節(jié)點和上位機監(jiān)控組態(tài)系統(tǒng)。作為一個分布式系統(tǒng)，電除塵控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)電場模式控制、電機控制、加熱控制、報警、顯示以及設置功能。

基于現(xiàn)場總線電除塵控制系統(tǒng)的工作流程如下：控制中心計算機通過網(wǎng)絡總線依次讀取各個高壓靜電除塵控制節(jié)點設備的實時數(shù)據(jù)和工作參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場控制算法和工作模式，計算出控制數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡總線將控制字分別發(fā)到高壓靜電除塵控制裝置節(jié)點。高壓靜電除塵控制裝置主要完成節(jié)點輸出/輸入模塊、人機界面管理、高壓電場強度控制、AD信號采樣和模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理等工作，并按一定工作周期更新通信所需的數(shù)據(jù)信息。

圖1所示的是一個典型的EPIC-Ⅲ（靜電除塵器集成控制器）電除塵控制整體構(gòu)架。EPIC-Ⅲ系統(tǒng)是 ALSTOM 電力公司第三代以微處理器為基礎的電除塵器控制系統(tǒng)，其以太網(wǎng)版本包含了一個以太網(wǎng)連接，同時還包含一個帶Web瀏覽器的Web服務器，可以隨意選取一臺PC 機作為Web服務器。新型的EPIC-Ⅲ控制器可以作為一個獨立單元進行操作，一個EPIC-Ⅲ控制 器可以控制一臺電除塵器的一個供電分區(qū)，因此通過以太網(wǎng)交換機連接在一起的多個EPIC-Ⅲ控制器則可以控制多個電除塵供電分區(qū)。每個EPIC-Ⅲ 內(nèi)部的主控功能可以簡化系統(tǒng)操作，另外還可在PC 機上安裝一個PC-MTU軟件，用來監(jiān)控整套設備（MTU=終端監(jiān)控單元）。

EPIC-Ⅲ是一個以微處理器為基礎的控制單元，它可以調(diào)節(jié)和控制電除塵器的輸入電源、氣體溫度、粉塵成分、氣體流向等工作參數(shù)。當工作環(huán)境發(fā)生較大變動時，其可以使火花率維持在一個合適的值；同時可以調(diào)節(jié)整流器，當火花改變時調(diào)整輸入電除塵的電流。整個操作過程可以由Web瀏覽器、PC-MTU或主機監(jiān)控實現(xiàn)。

EPIC-Ⅲ包含一塊封裝在盒子里的電路板，該電路板具有控制器所需的所有功能。其中：1）報警，當運行的工況超出了設定范圍，EPIC-Ⅲ會產(chǎn)生警告報警或跳閘報警，報警信息會顯示在Web服務器上，并由Web瀏覽器監(jiān)控和復位。如果使用PC-MTU軟件，報警狀態(tài)也會在其上顯示，另外FD_Ctrl也可以顯示報警信息。2）模式，可以預設六種運行模式，每個EPIC-Ⅲ的運行模式可以從中選定。3）主控，也就是說一個被設定為ESP主控單元的EPIC-Ⅲ可以控制以太網(wǎng)系統(tǒng)中所有的EPIC-Ⅲ（可設定范圍），從而使ESP的總體性能更佳；帶EPOQ 算法運行時，可對電除塵器加以優(yōu)化，使其在不同的負荷條件下達到最佳的收塵效率。

圖1 EPIC-Ⅲ電除塵控制整體構(gòu)架

ALSTOM公司提供了采用以太網(wǎng)和Fl?ktBus相結(jié)合的通信方案。兩種總線之間通過一個專門的網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換，如圖2所示。但是此方案使用兩種不同的協(xié)議，使得布線安裝難度增大。而為了進一步降低網(wǎng)絡復雜程度，統(tǒng)一網(wǎng)絡接口，使用統(tǒng)一的實時以太網(wǎng)通信方式可以更好地提高系統(tǒng)通信性能。

圖2 EPIC-Ⅲ電除塵通信方案

3 實時以太網(wǎng)系統(tǒng)

3.1 網(wǎng)絡構(gòu)架

實時以太網(wǎng)通信模型是參考的ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型，其中低四層采用IT領(lǐng)域的通用技術(shù)，其中物理層與數(shù)據(jù)鏈路層兼容IEEE802.3、IEEE802.11，網(wǎng)絡層以及傳輸層采用TCP（UDP）/IP協(xié)議，并在網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)鏈路層之間定義了一個專用調(diào)度接口，完成實時信息和非實時信息的傳輸調(diào)度。再往上的會話層和表示層未使用，同時還支持IT領(lǐng)域現(xiàn)有的協(xié)議，包括：HTTP、FTP、DHCP、SNTP、SNMP等。另外增加了用戶層，采用基于IEC61499和IEC61804定義的功能塊及其應用進程。

3.2 通信時序（見圖3）

圖3 實時以太網(wǎng)調(diào)度窗口

該實時以太網(wǎng)方案采用分通信時間窗口的TDMA調(diào)度方案。整個系統(tǒng)的通信過程被分為等長的通信周期窗口。而通信周期窗口又分為兩部分：第一部分定義為周期性數(shù)據(jù)窗口；而第二部分定義為報警、組態(tài)、監(jiān)控數(shù)據(jù)窗口。

電除塵控制節(jié)點發(fā)送給中央控制器的傳感數(shù)據(jù)和中央控制發(fā)送給電除塵控制節(jié)點的控制數(shù)據(jù)被劃分在周期性數(shù)據(jù)窗口傳輸。不同的節(jié)點按照IP地址的大小，從小到大依次分配一個時間窗口。所有的節(jié)點都被分配一個不同位置的時間窗口，這樣不同的數(shù)據(jù)報文在網(wǎng)絡總線上不會出現(xiàn)發(fā)送碰撞。

為了使得每個電除塵控制節(jié)點能夠獨立找到自身的時間窗口，所有的節(jié)點直接必須進行時鐘同步。當所有節(jié)點同步后，每個節(jié)點將設置一個偏移時間。所有的時間根據(jù)偏移時間來找到屬于自身的時間窗口。

而在報警、組態(tài)、監(jiān)控數(shù)據(jù)窗口中，所有的報文按照802.1D規(guī)定的優(yōu)先級機制發(fā)送。報警報文擁有最高的優(yōu)先級，這樣系統(tǒng)中發(fā)生故障時能夠得到及時響應。而組態(tài)、監(jiān)控報文擁有較低的優(yōu)先級，它們在報警報文之后發(fā)送（如果有警報的情況下），而如果一個報警、組態(tài)、監(jiān)控數(shù)據(jù)窗口的長度不足以發(fā)送所有的組態(tài)、監(jiān)控報文，這些報文將留在下一個組態(tài)、監(jiān)控數(shù)據(jù)窗口中發(fā)送，且優(yōu)先級可以根據(jù)實際情況的需要向上調(diào)整。

3.3 基于FPGA的實現(xiàn)方法

為了使得現(xiàn)有的EPIC-Ⅲ設備支持新的實時以太網(wǎng)方案，需要在原有接口上加裝一個轉(zhuǎn)換裝置。本文采用了基于FPGA的硬件方案以保證系統(tǒng)的性能。如圖4所示，EPIC-Ⅲ設備通過原有的I/O接口連接至基于Cyclone Ⅱ型號為EP2C20Q240C8的FGPA芯片。原有的EPIC-Ⅲ設備數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA轉(zhuǎn)換處理過后再發(fā)送到實時以太網(wǎng)上，以滿足數(shù)據(jù)報文的實時特性。

圖4 FPGA轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)

FPGA轉(zhuǎn)換設備采用了至上而下的模塊化設計思想，每個模塊間通過預先定義的通信接口交互，通信接口間按照統(tǒng)一的時序設計。接收部分主要由報文接收緩沖和解析協(xié)議構(gòu)成。功能是從以太網(wǎng)接收的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過緩存，再轉(zhuǎn)交給相關(guān)模塊進行字段的翻譯。然后根據(jù)翻譯的結(jié)果判斷接收到的數(shù)據(jù)是由自身處理還是轉(zhuǎn)交給EPIC-Ⅲ設備處理。發(fā)送部分主要由報文發(fā)送、內(nèi)部總線、報文調(diào)度等模塊構(gòu)成。功能是產(chǎn)生相關(guān)數(shù)據(jù)（自身產(chǎn)生的信息或EPIC-Ⅲ設備轉(zhuǎn)交的信息）并打包成以太網(wǎng)相關(guān)標準格式發(fā)送。轉(zhuǎn)換設備的整體構(gòu)架如圖5所示。

圖5 FPGA內(nèi)部設計構(gòu)架

4 測試結(jié)果

4.1 同步精度測試

實際測試中，功能仿真使用了Mentor公司的Model-Sim。采用ModelSim對3個實例化的虛擬設備進行了2天的測試。對所有的子模塊均進行了覆蓋，達到100%功能覆蓋率以及95%的代碼覆蓋率。并完成了所有的調(diào)度功能測試。實際沒有發(fā)生錯誤，達到了預期的效果。

時鐘同步測試采用以示波器同時輸出主時鐘設備和從時鐘設備產(chǎn)生方波信號的方法。將示波器觸發(fā)信號設置為主時鐘輸出信號的下降沿，此時可看到主時鐘輸出的下降沿信號被鎖定在示波器顯示的中央位置。區(qū)域通道輸入的信號左右抖動的幅值就是同步精度。如圖6所示，同步精度在1毫秒以內(nèi)，可完全滿足使用需求。

圖6 時鐘同步精度測試

4.2 時間窗口精度測試

將5塊加裝FPGA的EPIC-Ⅲ設備接入到網(wǎng)絡中。1塊設備作為主時鐘，4塊設備作為從時鐘，其他設備中選一個作為主時鐘測試一個月。周期窗口長度為250ms，周期性數(shù)據(jù)窗口150ms，按IP由小到大分配偏移時間，每個設備偏移時間為50ms，在每個周期窗口中EPIC-Ⅲ設備分別發(fā)送和接收一個報文。以此驗證轉(zhuǎn)換設備程序的穩(wěn)定性。

測試結(jié)果表明窗口錯誤一共出現(xiàn)9次，原因是FPGA轉(zhuǎn)換設備之間同步精度不夠，導致在某些特殊情況下FPGA轉(zhuǎn)換設備無法接收該聲明報文，從而出現(xiàn)個別報文無法發(fā)送的現(xiàn)象。重新修改相關(guān)代碼后錯誤消失。之后經(jīng)過長期無錯測試，證明了該實時以太網(wǎng)方案和硬件轉(zhuǎn)換平臺的有效性。

5 結(jié)論

近年來，工業(yè)實時以太網(wǎng)已經(jīng)成為一種主流工業(yè)通信技術(shù)，具有成本低、性能高等諸多優(yōu)點。針對目前電除塵控制系統(tǒng)中接口復雜，安裝成本高、運行不穩(wěn)定等一些問題，提出了一種基于確定性通信的實時以太網(wǎng)通信方案 ，使得電除塵控制節(jié)點能夠和上位機直接連接，同時還提出了一個基于FPGA的實現(xiàn)方案并在EPIC-Ⅲ系統(tǒng)中成功應用， 實際運行表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

[1] 阮太元，劉智勇，李燁，李水友. 基于LonWorks現(xiàn)場總線的電除塵控制系統(tǒng)[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36（10）: 14-16.

[2] 王洋，王寧會. LonWorks在電除塵器實驗系統(tǒng)中的應用[J]. 儀器儀表學報，2001，23（3）: 280-281.

[3] 謝聯(lián)文. 基于Profibus現(xiàn)場總線的電除塵控制系統(tǒng)[J]. 機械與電子，2011，02: 62-64.