隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源消費帶來的環(huán)境污染也越來越嚴(yán)重。燃煤煙氣中排放的二氧化硫和氮氧化物占全國總排放量的90％^[1]，是造成大氣污染、酸雨和溫室效應(yīng)的主要根源。目前世界上比較先進(jìn)的煙氣脫硫(Flue Gas Desulphurization，F(xiàn)GD)技術(shù)中比較典型的方法有濕式石灰－石膏/氨催化還原法、電子束/氨法、電暈放電/氨法，而流光放電等離子體煙氣脫硫技術(shù)是電暈放電法中具有強(qiáng)大市場潛力和應(yīng)用前景的煙氣脫硫新工藝。本文針對這種技術(shù)，應(yīng)用CAN總線設(shè)計了一套微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，使整個煙氣脫硫過程經(jīng)濟(jì)、高效、安全可靠。
1 流光放電等離子體煙氣脫硫監(jiān)控系統(tǒng)介紹
　　流光放電等離子體煙氣脫硫的原理是利用高頻高壓交直流" title="交直流">交直流疊加電源使反應(yīng)器發(fā)生電暈放電，放電產(chǎn)生的高能激發(fā)電子電離煙氣中的氣體分子(O₂、H₂O、N₂等)，產(chǎn)生極富氧化性的離子和自由基，這些活性粒子在有添加劑NH₃存在的條件下通過一系列的鏈反應(yīng)將污染物成分(如SO₂、NOX等)氧化生成穩(wěn)定的銨鹽，從而達(dá)到煙氣脫硫的目的。系統(tǒng)工藝流程圖見圖1。

　　鍋爐煙氣經(jīng)除塵后，溫度約為150℃，然后經(jīng)熱交換器將其送入濕式反應(yīng)器系統(tǒng)，氣相的SO₂在有NH₃存在的條件下，在濕式反應(yīng)器中氧化生成硫酸銨溶液而被脫除，反應(yīng)后溫度約為60℃。尾氣經(jīng)換熱器與入口煙氣換熱后溫度提高到90℃以上而被排放，反應(yīng)器生成的硫酸氨溶液經(jīng)熱煙氣干燥脫水濃縮成為固體硫酸氨化肥。
　　反應(yīng)器中的煙氣流量、SO₂濃度、煙氣溫度、氨注入量、蒸汽注入量、交直流疊加電源電壓、生成液PH值和生成液摩爾濃度等都直接影響系統(tǒng)的運行狀況，利用相應(yīng)的檢測儀可對各參數(shù)的狀態(tài)進(jìn)行采集，而主要的監(jiān)控回路包括氨注入監(jiān)控、交直流疊加電源電壓監(jiān)控、煙氣溫度監(jiān)控、蒸汽注入監(jiān)控和生成液PH值監(jiān)控等。CAN總線憑借其突出的數(shù)據(jù)通信可靠性、實時性、靈活性和抗干擾性^[2]而在本系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
　　整個監(jiān)控系統(tǒng)由上位管理機(jī)、CAN接口適配" title="適配">適配卡和多個現(xiàn)場測控" title="現(xiàn)場測控">現(xiàn)場測控節(jié)點三部分組成。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其它數(shù)據(jù)采集節(jié)點沒有在圖上示出。上位管理機(jī)選用普通PC機(jī)，負(fù)責(zé)與下位機(jī)的通信、動態(tài)顯示各節(jié)點的工作狀態(tài)或報警信息以及按照一定的數(shù)學(xué)模型對現(xiàn)場測控節(jié)點的各控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。CAN總線通信接口適配卡負(fù)責(zé)PC機(jī)與現(xiàn)場測控節(jié)點之間數(shù)據(jù)和控制參數(shù)的傳遞。現(xiàn)場測控節(jié)點負(fù)責(zé)從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)并以CAN協(xié)議發(fā)送到總線上，傳給上位機(jī)或其它節(jié)點，并根據(jù)需要對現(xiàn)場設(shè)備就地進(jìn)行實時控制和監(jiān)視。利用CAN總線方便的可擴(kuò)展性，可以在總線上增加更多的測控節(jié)點而無需改變系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。CAN總線上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達(dá)112個(R_T=120Ω，R_L=45Ω)^[3]，這為日后系統(tǒng)的改進(jìn)帶來了極大的方便。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　系統(tǒng)硬件設(shè)計包括現(xiàn)場測控節(jié)點的設(shè)計和CAN接口適配卡的設(shè)計。
　　現(xiàn)場測控節(jié)點作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制層完成的功能包括：對各狀態(tài)量的檢測；對交直流疊加電源電壓的控制，達(dá)到直流基壓0～60kV，交流峰峰值電壓40kV，交流頻率16～50kHz；對進(jìn)入反應(yīng)器的煙氣溫度進(jìn)行控制(60～80℃)；對氨注入的控制，準(zhǔn)確地控制氨硫摩爾比(不大于2:1)。各個現(xiàn)場測控節(jié)點具體的功能可能不一樣，但硬件結(jié)構(gòu)大同小異，下面以交直流疊加電源電壓測控節(jié)點為例進(jìn)行介紹，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該電路主要包括輸入信號調(diào)理電路、單片機(jī)外圍電路、模擬控制信號輸出電路、液晶顯示電路和CAN通信電路等。CPU采用Intel公司的16位單片機(jī)80C196KC作為微處理器，其內(nèi)部設(shè)有256字節(jié)的RAM，帶有28個中斷源，運算速度快，它本身還帶有三路PWM輸出和高速輸入輸出HSI和HSO，尤其適用于快速控制系統(tǒng)。CAN總線通信電路采用Philips公司的SJA1000獨立控制器和82C250驅(qū)動器。SJA1000有基本的Basic CAN和增強(qiáng)的Peli CAN兩種模式，全面支持具有新功能的CAN2.0B協(xié)議^[4]。82C250可以提供總線的差動發(fā)送和接收功能，提高系統(tǒng)總線的節(jié)點驅(qū)動能力，增大通信距離、降低干擾。控制單元采用高速光耦6N137隔離各個前后通道，被隔離部分分別使用不同的電源和地線，以提高抗干擾性能。

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　　CAN接口適配卡的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，專門負(fù)責(zé)在上位微機(jī)與CAN總線之間傳遞消息，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。從圖中可以看出適配卡由微控制器電路、雙口RAM電路和CAN通信控制電路三部分組成。有了前面測控節(jié)點的設(shè)計經(jīng)驗，這里依然選擇80C196KC作為微控制器，比較常用的是采用功能相對簡單的89C51(ATMEL公司的產(chǎn)品)^[5]。選擇雙口RAM IDT7132作為PC機(jī)與80C196KC交換數(shù)據(jù)的通道，并采用內(nèi)存映像法^[6]，把IDT7132數(shù)據(jù)存儲器地址直接映射到PC機(jī)內(nèi)存空間的高端。CAN通信部分與測控節(jié)點相同，這里不再詳述。設(shè)計中若采用中斷接收數(shù)據(jù)方式，應(yīng)注意在SJA1000的INT引腳和VCC引腳間接一上拉電阻(約5kΩ)，否則會一直處于中斷狀態(tài)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　系統(tǒng)軟件設(shè)計包括現(xiàn)場測控節(jié)點的數(shù)據(jù)采集與處理軟件設(shè)計、CAN接口適配卡通信軟件設(shè)計和上位機(jī)管理軟件設(shè)計。上位機(jī)管理軟件采用Visual C++編寫，主要完成設(shè)備狀態(tài)和工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集；向測控節(jié)點發(fā)送請求修改控制參數(shù)；顯示動態(tài)實時數(shù)據(jù)和歷史曲線圖；對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和打印報表。現(xiàn)場測控節(jié)點軟件采用80C196匯編語言編程，主要完成三項任務(wù)：一是檢測系統(tǒng)各項物理參數(shù)以及設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)并傳到CAN總線上，以監(jiān)視系統(tǒng)運行狀況和趨勢；二是根據(jù)控制算法對相應(yīng)的量進(jìn)行實時控制；三是對異常狀況的報警處理。CAN接口適配卡通信軟件跟測控節(jié)點CAN通信軟件基本相同。下面著重介紹CAN通信軟件的設(shè)計。程序首先對SJA1000進(jìn)行初始化，設(shè)置好工作模式、濾波功能、通信波特率和輸出特性后，就處于接收中斷中。在接收完畢后，對接收的信息進(jìn)行處理，或響應(yīng)遠(yuǎn)程幀，或調(diào)用發(fā)送子程序發(fā)送數(shù)據(jù)，或向上位機(jī)報警。在此期間若有錯誤發(fā)生，可以利用SJA1000方便的錯誤代碼捕捉功能了解詳細(xì)信息并啟動錯誤處理機(jī)制。主程序流程圖如圖5所示。在整個通信軟件設(shè)計中，SJA1000的初始化至關(guān)重要，直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運行。其流程圖如圖6所示。注意，SJA1000有個測試寄存器(地址為0x09)，可以通過寫入并讀它的數(shù)值來判斷CPU與SJA1000的硬件連接是否正確。

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　　本系統(tǒng)以國家863科技攻關(guān)項目為依托，在廣東杰特科技發(fā)展有限公司和北京交通大學(xué)等單位開發(fā)的流光放電等離子體煙氣脫硫?qū)嶒炂脚_上進(jìn)行了試驗和調(diào)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、高效。交直流疊加電源可以在工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器中產(chǎn)生分布良好的流光放電等離子體，通過12000Nm³/h煙氣量試驗，在SO₂初始濃度約1000ppm條件下，脫硫率>95%，滿足工業(yè)實用的要求。