一種基于實時以太網的電除塵器控制系統

章 涵，王奇峰，陳 佳，趙碧海，姚凌飛，遇 彬，張嚴之

（浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800）

1 引言

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

傳統的電除塵控制系統是一種集散控制系統，能夠對分散在工廠內的所有設備進行有效的控制和操作。但是集散式系統同時在布線、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，可采用現場總線式控制系統，其分布式總線式結構可以大大簡化布線難度、增加系統結構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，而謝聯文[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。

這些成果提出了現場總線在電除塵系統中應用和實現的技術方案，但是仍存在接口不統一、可抑制性差等一些問題，同上層企業服務器通信也必須依靠定制的網關。而以太網技術作為一種成熟且廣泛應用于工廠管理層的通信技術，具有接口廣泛、結構靈活、成本較低、高帶寬等優點。例如著名的ALSTOM公司的EPIC電除塵控制設備就采用了以太網通信結構。

由于以太網采用CSMA/CD（載波偵聽多路訪問/沖突檢測）介質訪問控制機制，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據正確、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的實時以太網解決方案。通過對數據鏈路層進行一系列的修改和增強，滿足了電除塵通信系統的實時性需求，并保證了數據傳輸的可靠性。使得電除塵控制系統更容易與上層管理系統連接，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控制節點提出了一個基于FPGA的硬件實現方案并搭建了實驗平臺。測試結果證明了該方案的有效性。

2 整體系統結構

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電源通過反并聯可控硅，經移相調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包括了電源、振打、加熱等終端控制節點和上位機監控組態系統。作為一個分布式系統，電除塵控制系統需要實現電場模式控制、電機控制、加熱控制、報警、顯示以及設置功能。

基于現場總線電除塵控制系統的工作流程如下：控制中心計算機通過網絡總線依次讀取各個高壓靜電除塵控制節點設備的實時數據和工作參數，根據現場控制算法和工作模式，計算出控制數據，并通過網絡總線將控制字分別發到高壓靜電除塵控制裝置節點。高壓靜電除塵控制裝置主要完成節點輸出/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據轉換處理等工作，并按一定工作周期更新通信所需的數據信息。

圖1所示的是一個典型的EPIC-Ⅲ（靜電除塵器集成控制器）電除塵控制整體構架。EPIC-Ⅲ系統是 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，其以太網版本包含了一個以太網連接，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，因此通過以太網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。每個EPIC-Ⅲ 內部的主控功能可以簡化系統操作，另外還可在PC 機上安裝一個PC-MTU軟件，用來監控整套設備（MTU=終端監控單元）。

EPIC-Ⅲ是一個以微處理器為基礎的控制單元，它可以調節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。當工作環境發生較大變動時，其可以使火花率維持在一個合適的值；同時可以調節整流器，當火花改變時調整輸入電除塵的電流。整個操作過程可以由Web瀏覽器、PC-MTU或主機監控實現。

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瀏覽器監控和復位。如果使用PC-MTU軟件，報警狀態也會在其上顯示，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可以控制以太網系統中所有的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電除塵控制整體構架

ALSTOM公司提供了采用以太網和Fl?ktBus相結合的通信方案。兩種總線之間通過一個專門的網關轉換，如圖2所示。但是此方案使用兩種不同的協議，使得布線安裝難度增大。而為了進一步降低網絡復雜程度，統一網絡接口，使用統一的實時以太網通信方式可以更好地提高系統通信性能。

圖2 EPIC-Ⅲ電除塵通信方案

3 實時以太網系統

3.1 網絡構架

實時以太網通信模型是參考的ISO/OSI開放系統互連模型，其中低四層采用IT領域的通用技術，其中物理層與數據鏈路層兼容IEEE802.3、IEEE802.11，網絡層以及傳輸層采用TCP（UDP）/IP協議，并在網絡層和數據鏈路層之間定義了一個專用調度接口，完成實時信息和非實時信息的傳輸調度。再往上的會話層和表示層未使用，同時還支持IT領域現有的協議，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 實時以太網調度窗口

該實時以太網方案采用分通信時間窗口的TDMA調度方案。整個系統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據窗口；而第二部分定義為報警、組態、監控數據窗口。

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

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

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

3.3 基于FPGA的實現方法

為了使得現有的EPIC-Ⅲ設備支持新的實時以太網方案，需要在原有接口上加裝一個轉換裝置。本文采用了基于FPGA的硬件方案以保證系統的性能。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設備數據經過FPGA轉換處理過后再發送到實時以太網上，以滿足數據報文的實時特性。

圖4 FPGA轉換裝置結構

FPGA轉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，通信接口間按照統一的時序設計。接收部分主要由報文接收緩沖和解析協議構成。功能是從以太網接收的數據首先經過緩存，再轉交給相關模塊進行字段的翻譯。然后根據翻譯的結果判斷接收到的數據是由自身處理還是轉交給EPIC-Ⅲ設備處理。發送部分主要由報文發送、內部總線、報文調度等模塊構成。功能是產生相關數據（自身產生的信息或EPIC-Ⅲ設備轉交的信息）并打包成以太網相關標準格式發送。轉換設備的整體構架如圖5所示。

圖5 FPGA內部設計構架

4 測試結果

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。并完成了所有的調度功能測試。實際沒有發生錯誤，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生方波信號的方法。將示波器觸發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，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，周期性數據窗口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設備分別發送和接收一個報文。以此驗證轉換設備程序的穩定性。

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

5 結論

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

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

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

[3] 謝聯文. 基于Profibus現場總線的電除塵控制系統[J]. 機械與電子，2011，02: 62-64.