電除塵器智能熱備冗余通訊系統的應用

蔣文

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

關鍵詞： 電除塵器（ESP）;ARM微處理器;智能熱備冗余通訊系統（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保裝置，其運行的穩定性直接影響粉塵排放濃度。在機組運行時，電除塵器相關配套設備需要實時操作調節以適應運行工況的變化。此外，環保部門對除塵設備的實時在線監測，更是對電除塵器尤其是其通訊系統的穩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備及通訊配件全部采用單機、單網的通訊架構，很容易因單個設備或線路異常導致整套系統通訊故障，系統穩定性弱、可靠性低，存在安全生產隱患。針對這種情況，我廠配合電除塵設備廠家設計開發了一套電除塵智能熱備冗余通訊系統。該系統具備網絡中任何一處或多處通訊鏈路或通訊設備故障的冗余容錯能力，有效提升電除塵器運行的穩定性，為煙塵達標排放及環保監測數據穩定上傳保駕護航。

1 ?系統概述

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

每臺智能冗余服務器均內嵌了總線級冗余算法和網絡級冗余算法，總線級冗余算法用于實現高壓設備兩路總線數據的篩選上傳，網絡級冗余算法用于實現冗余服務器的主、從機切換。智能冗余服務器采用“主機令牌競爭機制”向后臺系統傳送底層設備數據，另一臺服務器時刻保持熱備監護狀態。當出現某種異常，如主機失電、主機故障、網絡斷開等情況，備用服務器會即刻接管主機令牌，主動連接并恢復后臺系統通訊功能。IHCS系統框架如圖1所示。

從圖1可以看出，該系統主要分成四個部分：設備總線的冗余、智能冗余服務器、網絡鏈路的冗余和后臺系統。

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

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

（3）網絡鏈路的冗余：兩臺智能冗余服務器各自有LAN1、LAN2兩個網口，采用相互交錯方式接入A、B兩路交換機，形成網絡A和網絡B，最終接入后臺系統，實現服務器與后臺系統間的網絡級通訊鏈路冗余。

（4）后臺系統：后臺系統包括DCS、SIS、MIS及各類組態監控軟件等。可根據不同工程項目實際需要將智能冗余服務器中的通訊數據采集接入不同的后臺系統。

2 ?智能冗余服務器的設計

2. 1 硬件系統結構

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

2. 2 操作系統的選擇

智能冗余服務器采用Linux嵌入式操作系統，該系統可靈活裁剪及移植，兼容性強，應用范圍廣，因此一直引領著嵌入式的發展[1-2]。

2.3 熱備總線及協議

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

2.4 程序開發

智能冗余服務器采用模塊化編程方法，按照不同的事務功能進行劃分，每個事務功能對應創建一個線程，以確保事務響應的實時性。我們共建立了串口通訊處理、以太網通訊處理、熱備冗余處理、網絡偵測處理、LED指示燈處理及WatchDog看門狗處理共6個線程，并統一由事務調度模塊協調控制。