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)?？萍脊煞萦邢薰?，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(shí)會(huì)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(duì)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(duì)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(shí)在布線、安裝、管理、故障檢測(cè)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(wèn)題，可采用現(xiàn)場(chǎng)總線式控制系統(tǒng)，其分布式總線式結(jié)構(gòu)可以大大簡(jiǎn)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(chǎng)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(wèn)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(wèn)/沖突檢測(cè)）介質(zhì)訪問(wèn)控制機(jī)制，通信有著延時(shí)和抖動(dòng)不確定的問(wèn)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(shí)傳輸。針對(duì)以上問(wèn)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(shí)以太網(wǎng)解決方案。通過(guò)對(duì)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(shí)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(jiǎn)化了布線，并有著較好的可移植性。同時(shí)，本文針對(duì)ALSTOM的EPIC-III控制節(jié)點(diǎn)提出了一個(gè)基于FPGA的硬件實(shí)現(xiàn)方案并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。測(cè)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(gè)除塵單元組成，每個(gè)電場(chǎng)采用一臺(tái)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(guò)反并聯(lián)可控硅，經(jīng)移相調(diào)壓后來(lái)控制電場(chǎng)負(fù)載的直流負(fù)高壓。一個(gè)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(gè)分布式系統(tǒng)，電除塵控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)模式控制、電機(jī)控制、加熱控制、報(bào)警、顯示以及設(shè)置功能。

基于現(xiàn)場(chǎng)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(guò)網(wǎng)絡(luò)總線依次讀取各個(gè)高壓靜電除塵控制節(jié)點(diǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和工作參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制算法和工作模式，計(jì)算出控制數(shù)據(jù)，并通過(guò)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(chǎng)強(qiáng)度控制、AD信號(hào)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(gè)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(gè)以太網(wǎng)連接，同時(shí)還包含一個(gè)帶Web瀏覽器的Web服務(wù)器，可以隨意選取一臺(tái)PC 機(jī)作為Web服務(wù)器。新型的EPIC-Ⅲ控制器可以作為一個(gè)獨(dú)立單元進(jìn)行操作，一個(gè)EPIC-Ⅲ控制 器可以控制一臺(tái)電除塵器的一個(gè)供電分區(qū)，因此通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)連接在一起的多個(gè)EPIC-Ⅲ控制器則可以控制多個(gè)電除塵供電分區(qū)。每個(gè)EPIC-Ⅲ 內(nèi)部的主控功能可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)操作，另外還可在PC 機(jī)上安裝一個(gè)PC-MTU軟件，用來(lái)監(jiān)控整套設(shè)備（MTU=終端監(jiān)控單元）。

EPIC-Ⅲ是一個(gè)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(dòng)時(shí)，其可以使火花率維持在一個(gè)合適的值；同時(shí)可以調(diào)節(jié)整流器，當(dāng)火花改變時(shí)調(diào)整輸入電除塵的電流。整個(gè)操作過(guò)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(bào)警，當(dāng)運(yùn)行的工況超出了設(shè)定范圍，EPIC-Ⅲ會(huì)產(chǎn)生警告報(bào)警或跳閘報(bào)警，報(bào)警信息會(huì)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(bào)警狀態(tài)也會(huì)在其上顯示，另外FD_Ctrl也可以顯示報(bào)警信息。2）模式，可以預(yù)設(shè)六種運(yùn)行模式，每個(gè)EPIC-Ⅲ的運(yùn)行模式可以從中選定。3）主控，也就是說(shuō)一個(gè)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(shí)，可對(duì)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(guò)一個(gè)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(shí)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(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)

3.1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

實(shí)時(shí)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(gè)專用調(diào)度接口，完成實(shí)時(shí)信息和非實(shí)時(shí)信息的傳輸調(diào)度。再往上的會(huì)話層和表示層未使用，同時(shí)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(shí)序（見圖3）

圖3 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)調(diào)度窗口

該實(shí)時(shí)以太網(wǎng)方案采用分通信時(shí)間窗口的TDMA調(diào)度方案。整個(gè)系統(tǒng)的通信過(guò)程被分為等長(zhǎng)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(bào)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(gè)時(shí)間窗口。所有的節(jié)點(diǎn)都被分配一個(gè)不同位置的時(shí)間窗口，這樣不同的數(shù)據(jù)報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)總線上不會(huì)出現(xiàn)發(fā)送碰撞。

為了使得每個(gè)電除塵控制節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)立找到自身的時(shí)間窗口，所有的節(jié)點(diǎn)直接必須進(jìn)行時(shí)鐘同步。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)同步后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將設(shè)置一個(gè)偏移時(shí)間。所有的時(shí)間根據(jù)偏移時(shí)間來(lái)找到屬于自身的時(shí)間窗口。

而在報(bào)警、組態(tài)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)窗口中，所有的報(bào)文按照802.1D規(guī)定的優(yōu)先級(jí)機(jī)制發(fā)送。報(bào)警報(bào)文擁有最高的優(yōu)先級(jí)，這樣系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)能夠得到及時(shí)響應(yīng)。而組態(tài)、監(jiān)控報(bào)文擁有較低的優(yōu)先級(jí)，它們?cè)趫?bào)警報(bào)文之后發(fā)送（如果有警報(bào)的情況下），而如果一個(gè)報(bào)警、組態(tài)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)窗口的長(zhǎng)度不足以發(fā)送所有的組態(tài)、監(jiān)控報(bào)文，這些報(bào)文將留在下一個(gè)組態(tài)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)窗口中發(fā)送，且優(yōu)先級(jí)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(shí)以太網(wǎng)方案，需要在原有接口上加裝一個(gè)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(guò)原有的I/O接口連接至基于Cyclone Ⅱ型號(hào)為EP2C20Q240C8的FGPA芯片。原有的EPIC-Ⅲ設(shè)備數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FPGA轉(zhuǎn)換處理過(guò)后再發(fā)送到實(shí)時(shí)以太網(wǎng)上，以滿足數(shù)據(jù)報(bào)文的實(shí)時(shí)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(gè)模塊間通過(guò)預(yù)先定義的通信接口交互，通信接口間按照統(tǒng)一的時(shí)序設(shè)計(jì)。接收部分主要由報(bào)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(guò)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(bào)文發(fā)送、內(nèi)部總線、報(bào)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(cè)試結(jié)果

4.1 同步精度測(cè)試

實(shí)際測(cè)試中，功能仿真使用了Mentor公司的Model-Sim。采用ModelSim對(duì)3個(gè)實(shí)例化的虛擬設(shè)備進(jìn)行了2天的測(cè)試。對(duì)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(cè)試。實(shí)際沒有發(fā)生錯(cuò)誤，達(dá)到了預(yù)期的效果。

時(shí)鐘同步測(cè)試采用以示波器同時(shí)輸出主時(shí)鐘設(shè)備和從時(shí)鐘設(shè)備產(chǎn)生方波信號(hào)的方法。將示波器觸發(fā)信號(hào)設(shè)置為主時(shí)鐘輸出信號(hào)的下降沿，此時(shí)可看到主時(shí)鐘輸出的下降沿信號(hào)被鎖定在示波器顯示的中央位置。區(qū)域通道輸入的信號(hào)左右抖動(dòng)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(shí)鐘同步精度測(cè)試

4.2 時(shí)間窗口精度測(cè)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(shí)鐘，4塊設(shè)備作為從時(shí)鐘，其他設(shè)備中選一個(gè)作為主時(shí)鐘測(cè)試一個(gè)月。周期窗口長(zhǎng)度為250ms，周期性數(shù)據(jù)窗口150ms，按IP由小到大分配偏移時(shí)間，每個(gè)設(shè)備偏移時(shí)間為50ms，在每個(gè)周期窗口中EPIC-Ⅲ設(shè)備分別發(fā)送和接收一個(gè)報(bào)文。以此驗(yàn)證轉(zhuǎn)換設(shè)備程序的穩(wěn)定性。

測(cè)試結(jié)果表明窗口錯(cuò)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(wú)法接收該聲明報(bào)文，從而出現(xiàn)個(gè)別報(bào)文無(wú)法發(fā)送的現(xiàn)象。重新修改相關(guān)代碼后錯(cuò)誤消失。之后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期無(wú)錯(cuò)測(cè)試，證明了該實(shí)時(shí)以太網(wǎng)方案和硬件轉(zhuǎn)換平臺(tái)的有效性。

5 結(jié)論

近年來(lái)，工業(yè)實(shí)時(shí)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(duì)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(wèn)題，提出了一種基于確定性通信的實(shí)時(shí)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(shí)還提出了一個(gè)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(chǎng)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(huì). 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(bào)，2001，23（3）: 280-281.

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