章 涵，王奇峰，陳 佳，趙碧海，姚凌飛，遇 彬，張嚴(yán)之

（浙江菲達(dá)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(hù)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(yùn)行和維修費(fèi)用相對較低的特點(diǎn)。

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(shè)備進(jìn)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(shè)備節(jié)點(diǎn)分散分布的特點(diǎn)，使得安裝和維護(hù)需要大量人力和物力，增加了運(yùn)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(yīng)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(yīng)用和實(shí)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(wù)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(yīng)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(diǎn)。例如著名的ALSTOM公司的EPIC電除塵控制設(shè)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(jī)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(yīng)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(shí)時傳輸。針對以上問題，本文提出了一種具有確定性通信機(jī)制的用于電除塵控制系統(tǒng)的實(shí)時以太網(wǎng)解決方案。通過對數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行一系列的修改和增強(qiáng)，滿足了電除塵通信系統(tǒng)的實(shí)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(diǎn)提出了一個基于FPGA的硬件實(shí)現(xiàn)方案并搭建了實(shí)驗(yàn)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(shè)備（T/R）進(jìn)行供電。T/R設(shè)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(fù)載的直流負(fù)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(diǎn)和上位機(jī)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(shí)現(xiàn)電場模式控制、電機(jī)控制、加熱控制、報警、顯示以及設(shè)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(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)總線依次讀取各個高壓靜電除塵控制節(jié)點(diǎn)設(shè)備的實(shí)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(jì)算出控制數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)總線將控制字分別發(fā)到高壓靜電除塵控制裝置節(jié)點(diǎn)。高壓靜電除塵控制裝置主要完成節(jié)點(diǎn)輸出/輸入模塊、人機(jī)界面管理、高壓電場強(qiáng)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(chǔ)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(wù)器，可以隨意選取一臺PC 機(jī)作為Web服務(wù)器。新型的EPIC-Ⅲ控制器可以作為一個獨(dú)立單元進(jìn)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(jī)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(jī)上安裝一個PC-MTU軟件，用來監(jiān)控整套設(shè)備（MTU=終端監(jiān)控單元）。

EPIC-Ⅲ是一個以微處理器為基礎(chǔ)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(dāng)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(dāng)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(jī)監(jiān)控實(shí)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(dāng)運(yùn)行的工況超出了設(shè)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(wù)器上，并由Web瀏覽器監(jiān)控和復(fù)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(yù)設(shè)六種運(yùn)行模式，每個EPIC-Ⅲ的運(yùn)行模式可以從中選定。3）主控，也就是說一個被設(shè)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(shè)定范圍），從而使ESP的總體性能更佳；帶EPOQ 算法運(yùn)行時，可對電除塵器加以優(yōu)化，使其在不同的負(fù)荷條件下達(dá)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(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度，統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)接口，使用統(tǒng)一的實(shí)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(shí)時以太網(wǎng)系統(tǒng)

3.1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

實(shí)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(luò)層以及傳輸層采用TCP（UDP）/IP協(xié)議，并在網(wǎng)絡(luò)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(shí)時信息和非實(shí)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(yīng)用進(jìn)程。

3.2 通信時序（見圖3）

圖3 實(shí)時以太網(wǎng)調(diào)度窗口

該實(shí)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?cái)?shù)據(jù)窗口。

電除塵控制節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(luò)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(diǎn)能夠獨(dú)立找到自身的時間窗口，所有的節(jié)點(diǎn)直接必須進(jìn)行時鐘同步。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)同步后，每個節(jié)點(diǎn)將設(shè)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?cái)?shù)據(jù)窗口中，所有的報文按照802.1D規(guī)定的優(yōu)先級機(jī)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(yīng)。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?cái)?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?cái)?shù)據(jù)窗口中發(fā)送，且優(yōu)先級可以根據(jù)實(shí)際情況的需要向上調(diào)整。

3.3 基于FPGA的實(shí)現(xiàn)方法

為了使得現(xiàn)有的EPIC-Ⅲ設(shè)備支持新的實(shí)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(shè)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(shè)備數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA轉(zhuǎn)換處理過后再發(fā)送到實(shí)時以太網(wǎng)上，以滿足數(shù)據(jù)報文的實(shí)時特性。

圖4 FPGA轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)

FPGA轉(zhuǎn)換設(shè)備采用了至上而下的模塊化設(shè)計(jì)思想，每個模塊間通過預(yù)先定義的通信接口交互，通信接口間按照統(tǒng)一的時序設(shè)計(jì)。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(jìn)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(shè)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(shè)備轉(zhuǎn)交的信息）并打包成以太網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)格式發(fā)送。轉(zhuǎn)換設(shè)備的整體構(gòu)架如圖5所示。

圖5 FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)構(gòu)架

4 測試結(jié)果

4.1 同步精度測試

實(shí)際測試中，功能仿真使用了Mentor公司的Model-Sim。采用ModelSim對3個實(shí)例化的虛擬設(shè)備進(jìn)行了2天的測試。對所有的子模塊均進(jìn)行了覆蓋，達(dá)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(shí)際沒有發(fā)生錯誤，達(dá)到了預(yù)期的效果。

時鐘同步測試采用以示波器同時輸出主時鐘設(shè)備和從時鐘設(shè)備產(chǎn)生方波信號的方法。將示波器觸發(fā)信號設(shè)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(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)中。1塊設(shè)備作為主時鐘，4塊設(shè)備作為從時鐘，其他設(shè)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(shè)備偏移時間為50ms，在每個周期窗口中EPIC-Ⅲ設(shè)備分別發(fā)送和接收一個報文。以此驗(yàn)證轉(zhuǎn)換設(shè)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(shè)備之間同步精度不夠，導(dǎo)致在某些特殊情況下FPGA轉(zhuǎn)換設(shè)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(shí)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(shí)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(diǎn)。針對目前電除塵控制系統(tǒng)中接口復(fù)雜，安裝成本高、運(yùn)行不穩(wěn)定等一些問題，提出了一種基于確定性通信的實(shí)時以太網(wǎng)通信方案 ，使得電除塵控制節(jié)點(diǎn)能夠和上位機(jī)直接連接，同時還提出了一個基于FPGA的實(shí)現(xiàn)方案并在EPIC-Ⅲ系統(tǒng)中成功應(yīng)用， 實(shí)際運(yùn)行表明該系統(tǒng)運(yùn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 儀器儀表學(xué)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(jī)械與電子，2011，02: 62-64.