蔣文

摘 要：本文介紹了IHCS電除塵器智能熱備冗余通訊系統(tǒng)的基本原理，闡述了采用基于ARM微處理器的嵌入式設(shè)備開發(fā)智能熱備冗余通訊系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，以及該系統(tǒng)在國能諫壁電廠的工程應(yīng)用，有效提升了電除塵通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。

關(guān)鍵詞： 電除塵器（ESP）;ARM微處理器;智能熱備冗余通訊系統(tǒng)（IHCS）

Abstract： This paper introduces the principle and progress of intelligent hot-standby redundant communication system of ESP， and the method of exploiting intelligent hot-standby redundant communication system based on embedded device of ARM microprocessor， and the engineering application of the system in Guoneng Jianbi Power Plant， which effectively improves the stability of electrostatic precipitator communication system.

Key words： ESP， ARM Microprocessor， Intelligent Hot-Standy redundant System communication system（IHCS）

引言

電除塵器作為燃煤電廠煙氣治理過程中最重要的粉塵環(huán)保裝置，其運行的穩(wěn)定性直接影響粉塵排放濃度。在機組運行時，電除塵器相關(guān)配套設(shè)備需要實時操作調(diào)節(jié)以適應(yīng)運行工況的變化。此外，環(huán)保部門對除塵設(shè)備的實時在線監(jiān)測，更是對電除塵器尤其是其通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高要求。

國能諫壁電廠目前有#11、#12、#13、#14共四臺在役機組。四臺機組原有的電除塵高低壓設(shè)備及通訊配件全部采用單機、單網(wǎng)的通訊架構(gòu)，很容易因單個設(shè)備或線路異常導(dǎo)致整套系統(tǒng)通訊故障，系統(tǒng)穩(wěn)定性弱、可靠性低，存在安全生產(chǎn)隱患。針對這種情況，我廠配合電除塵設(shè)備廠家設(shè)計開發(fā)了一套電除塵智能熱備冗余通訊系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)中任何一處或多處通訊鏈路或通訊設(shè)備故障的冗余容錯能力，有效提升電除塵器運行的穩(wěn)定性，為煙塵達標排放及環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定上傳保駕護航。

1 ?系統(tǒng)概述

電除塵器智能熱備冗余通訊系統(tǒng)，簡稱IHCS系統(tǒng)（Intelligent hot-standby communication system）。該系統(tǒng)設(shè)計將現(xiàn)場每臺高壓設(shè)備采用兩路獨立總線分別接入兩臺智能冗余服務(wù)器，兩臺服務(wù)器間通過“熱備BUS總線”互連，并利用熱備交互機制實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)的實時共享、狀態(tài)在線跟蹤及自動診斷運算。

每臺智能冗余服務(wù)器均內(nèi)嵌了總線級冗余算法和網(wǎng)絡(luò)級冗余算法，總線級冗余算法用于實現(xiàn)高壓設(shè)備兩路總線數(shù)據(jù)的篩選上傳，網(wǎng)絡(luò)級冗余算法用于實現(xiàn)冗余服務(wù)器的主、從機切換。智能冗余服務(wù)器采用“主機令牌競爭機制”向后臺系統(tǒng)傳送底層設(shè)備數(shù)據(jù)，另一臺服務(wù)器時刻保持熱備監(jiān)護狀態(tài)。當出現(xiàn)某種異常，如主機失電、主機故障、網(wǎng)絡(luò)斷開等情況，備用服務(wù)器會即刻接管主機令牌，主動連接并恢復(fù)后臺系統(tǒng)通訊功能。IHCS系統(tǒng)框架如圖1所示。

從圖1可以看出，該系統(tǒng)主要分成四個部分：設(shè)備總線的冗余、智能冗余服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)鏈路的冗余和后臺系統(tǒng)。

（1）設(shè)備總線的冗余：將位于電除塵器頂部每臺高頻電源設(shè)備的第2路通訊串口（原調(diào)試口，用于就地檢修聯(lián)機）串聯(lián)形成設(shè)備總線B，通過RS485雙絞線或光纖轉(zhuǎn)換后接入智能冗余服務(wù)器B。與原有的設(shè)備總線A相互獨立，實現(xiàn)服務(wù)器與就地設(shè)備側(cè)的總線級通訊鏈路冗余。

（2）智能冗余服務(wù)器：采用基于ARM微處理器的嵌入式設(shè)備開發(fā)實現(xiàn)。兩臺服務(wù)器分別接入不同的設(shè)備總線并完成對底層設(shè)備的通訊采集，兩臺服務(wù)器之間采用熱備BUS總線互連，并通過自定義HotStb熱備機制完成服務(wù)器間的數(shù)據(jù)快速交換共享以及主從機的令牌競爭，完成與后臺系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)交互。

（3）網(wǎng)絡(luò)鏈路的冗余：兩臺智能冗余服務(wù)器各自有LAN1、LAN2兩個網(wǎng)口，采用相互交錯方式接入A、B兩路交換機，形成網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B，最終接入后臺系統(tǒng)，實現(xiàn)服務(wù)器與后臺系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)級通訊鏈路冗余。

（4）后臺系統(tǒng)：后臺系統(tǒng)包括DCS、SIS、MIS及各類組態(tài)監(jiān)控軟件等?？筛鶕?jù)不同工程項目實際需要將智能冗余服務(wù)器中的通訊數(shù)據(jù)采集接入不同的后臺系統(tǒng)。

2 ?智能冗余服務(wù)器的設(shè)計

2. 1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能冗余服務(wù)器的硬件結(jié)構(gòu)由以下部分組成：ARM系列微處理器、存儲器單元、串行通訊單元、以太網(wǎng)通訊單元、Console接口、USB、時鐘單元及看門狗等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2. 2 操作系統(tǒng)的選擇

智能冗余服務(wù)器采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)可靈活裁剪及移植，兼容性強，應(yīng)用范圍廣，因此一直引領(lǐng)著嵌入式的發(fā)展[1-2]。

2.3 熱備總線及協(xié)議

智能冗余服務(wù)器設(shè)有專用的熱備通訊端口。兩臺服務(wù)器的熱備端口利用專用的BUS總線連接，并采用自定義的HotStb協(xié)議完成所有數(shù)據(jù)交換共享及熱備狀態(tài)判定等。如圖3所示為智能冗余服務(wù)器A獲得主機令牌時的熱備冗余機制數(shù)據(jù)交互流程示意圖。

2.4 程序開發(fā)

智能冗余服務(wù)器采用模塊化編程方法，按照不同的事務(wù)功能進行劃分，每個事務(wù)功能對應(yīng)創(chuàng)建一個線程，以確保事務(wù)響應(yīng)的實時性。我們共建立了串口通訊處理、以太網(wǎng)通訊處理、熱備冗余處理、網(wǎng)絡(luò)偵測處理、LED指示燈處理及WatchDog看門狗處理共6個線程，并統(tǒng)一由事務(wù)調(diào)度模塊協(xié)調(diào)控制。