CAN总线在流光放电等离子体烟气脱硫监控系统的应用

随着我国经济的发展，能源消费带来的环境污染也越来越严重。燃煤烟气中排放的二氧化硫和氮氧化物占全国总排放量的90%[1]，是造成大气污染、酸雨和温室效应的主要根源。目前世界上比较先进的烟气脱硫（FlueGasDesulphurization，FGD）技术中比较典型的方法有湿式石灰-石膏/氨催化还原法、电子束/氨法、电晕放电/氨法，而流光放电等离子体烟气脱硫技术是电晕放电法中具有强大市场潜力和应用前景的烟气脱硫新工艺。本文针对这种技术，应用CAN总线设计了一套微机监控系统，使整个烟气脱硫过程经济、高效、安全可靠。

1、流光放电等离子体烟气脱硫监控系统介绍

流光放电等离子体烟气脱硫的原理是利用高频高压交直流叠加电源使反应器发生电晕放电，放电产生的高能激发电子电离烟气中的气体分子（O2、H2O、N2等），产生极富氧化性的离子和自由基，这些活性粒子在有添加剂NH3存在的条件下通过一系列的链反应将污染物成分（如SO2、NOX等）氧化生成稳定的铵盐，从而达到烟气脱硫的目的。系统工艺流程图见图1。

锅炉烟气经除尘后，温度约为150℃，然后经热交换器将其送入湿式反应器系统，气相的SO2在有NH3存在的条件下，在湿式反应器中氧化生成硫酸铵溶液而被脱除，反应后温度约为60℃。尾气经换热器与入口烟气换热后温度提高到90℃以上而被排放，反应器生成的硫酸氨溶液经热烟气干燥脱水浓缩成为固体硫酸氨化肥。

反应器中的烟气流量、SO2浓度、烟气温度、氨注入量、蒸汽注入量、交直流叠加电源电压、生成液PH值和生成液摩尔浓度等都直接影响系统的运行状况，利用相应的检测仪可对各参数的状态进行采集，而主要的监控回路包括氨注入监控、交直流叠加电源电压监控、烟气温度监控、蒸汽注入监控和生成液PH值监控等。CAN总线凭借其突出的数据通信可靠性、实时性、灵活性和抗干扰性[2]而在本系统中得到应用。

整个监控系统由上位管理机、CAN接口适配卡和多个现场测控节点三部分组成。具体结构如图2所示，其它数据采集节点没有在图上示出。上位管理机选用普通PC机，负责与下位机的通信、动态显示各节点的工作状态或报警信息以及按照一定的数学模型对现场测控节点的各控制参数进行调整。CAN总线通信接口适配卡负责PC机与现场测控节点之间数据和控制参数的传递。现场测控节点负责从现场采集数据并以CAN协议发送到总线上，传给上位机或其它节点，并根据需要对现场设备就地进行实时控制和监视。利用CAN总线方便的可扩展性，可以在总线上增加更多的测控节点而无需改变系统的总体结构。CAN总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达112个（RT=120Ω，RL=45Ω）[3]，这为日后系统的改进带来了极大的方便。

2、系统硬件设计

系统硬件设计包括现场测控节点的设计和CAN接口适配卡的设计。现场测控节点作为现场数据采集与控制层完成的功能包括:对各状态量的检测;对交直流叠加电源电压的控制，达到直流基压0～60kV，交流峰峰值电压40kV，交流频率16～50kHz;对进入反应器的烟气温度进行控制（60～80℃）;对氨注入的控制，准确地控制氨硫摩尔比（不大于2:1）。各个现场测控节点具体的功能可能不一样，但硬件结构大同小异，下面以交直流叠加电源电压测控节点为例进行介绍，其硬件结构图如图3所示。该电路主要包括输入信号调理电路、单片机外围电路、模拟控制信号输出电路、液晶显示电路和CAN通信电路等。CPU采用Intel公司的16位单片机80C196KC作为微处理器，其内部设有256字节的RAM，带有28个中断源，运算速度快，它本身还带有三路PWM输出和高速输入输出HSI和HSO，尤其适用于快速控制系统。CAN总线通信电路采用Philips公司的SJA1000独立控制器和82C250驱动器。SJA1000有基本的BasicCAN和增强的PeliCAN两种模式，全面支持具有新功能的CAN2.0B协议[4]。82C250可以提供总线的差动发送和接收功能，提高系统总线的节点驱动能力，增大通信距离、降低干扰。控制单元采用高速光耦6N137隔离各个前后通道，被隔离部分分别使用不同的电源和地线，以提高抗干扰性能。

CAN接口适配卡的结构相对比较简单，专门负责在上位微机与CAN总线之间传递消息，其结构如图4所示。从图中可以看出适配卡由微控制器电路、双口RAM电路和CAN通信控制电路三部分组成。有了前面测控节点的设计经验，这里依然选择80C196KC作为微控制器，比较常用的是采用功能相对简单的89C51（ATMEL公司的产品）[5]。选择双口RAMIDT7132作为PC机与80C196KC交换数据的通道，并采用内存映像法[6]，把IDT7132数据存储器地址直接映射到PC机内存空间的高