电除尘器智能热备冗余通讯系统的应用

蒋文

摘 要：本文介绍了IHCS电除尘器智能热备冗余通讯系统的基本原理，阐述了采用基于ARM微处理器的嵌入式设备开发智能热备冗余通讯系统的实现方法，以及该系统在国能谏壁电厂的工程应用，有效提升了电除尘通讯系统的稳定性及可靠性。

关键词： 电除尘器（ESP）;ARM微处理器;智能热备冗余通讯系统（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

电除尘器作为燃煤电厂烟气治理过程中最重要的粉尘环保装置，其运行的稳定性直接影响粉尘排放浓度。在机组运行时，电除尘器相关配套设备需要实时操作调节以适应运行工况的变化。此外，环保部门对除尘设备的实时在线监测，更是对电除尘器尤其是其通讯系统的稳定性提出了更高要求。

国能谏壁电厂目前有#11、#12、#13、#14共四台在役机组。四台机组原有的电除尘高低压设备及通讯配件全部采用单机、单网的通讯架构，很容易因单个设备或线路异常导致整套系统通讯故障，系统稳定性弱、可靠性低，存在安全生产隐患。针对这种情况，我厂配合电除尘设备厂家设计开发了一套电除尘智能热备冗余通讯系统。该系统具备网络中任何一处或多处通讯链路或通讯设备故障的冗余容错能力，有效提升电除尘器运行的稳定性，为烟尘达标排放及环保监测数据稳定上传保驾护航。

1  系统概述

电除尘器智能热备冗余通讯系统，简称IHCS系统（Intelligent hot-standby communication system）。该系统设计将现场每台高压设备采用两路独立总线分别接入两台智能冗余服务器，两台服务器间通过“热备BUS总线”互连，并利用热备交互机制实现通讯数据的实时共享、状态在线跟踪及自动诊断运算。

每台智能冗余服务器均内嵌了总线级冗余算法和网络级冗余算法，总线级冗余算法用于实现高压设备两路总线数据的筛选上传，网络级冗余算法用于实现冗余服务器的主、从机切换。智能冗余服务器采用“主机令牌竞争机制”向后台系统传送底层设备数据，另一台服务器时刻保持热备监护状态。当出现某种异常，如主机失电、主机故障、网络断开等情况，备用服务器会即刻接管主机令牌，主动连接并恢复后台系统通讯功能。IHCS系统框架如图1所示。

从图1可以看出，该系统主要分成四个部分：设备总线的冗余、智能冗余服务器、网络链路的冗余和后台系统。

（1）设备总线的冗余：将位于电除尘器顶部每台高频电源设备的第2路通讯串口（原调试口，用于就地检修联机）串联形成设备总线B，通过RS485双绞线或光纤转换后接入智能冗余服务器B。与原有的设备总线A相互独立，实现服务器与就地设备侧的总线级通讯链路冗余。

（2）智能冗余服务器：采用基于ARM微处理器的嵌入式设备开发实现。两台服务器分别接入不同的设备总线并完成对底层设备的通讯采集，两台服务器之间采用热备BUS总线互连，并通过自定义HotStb热备机制完成服务器间的数据快速交换共享以及主从机的令牌竞争，完成与后台系统间的网络通讯数据交互。

（3）网络链路的冗余：两台智能冗余服务器各自有LAN1、LAN2两个网口，采用相互交错方式接入A、B两路交换机，形成网络A和网络B，最终接入后台系统，实现服务器与后台系统间的网络级通讯链路冗余。

（4）后台系统：后台系统包括DCS、SIS、MIS及各类组态监控软件等。可根据不同工程项目实际需要将智能冗余服务器中的通讯数据采集接入不同的后台系统。

2  智能冗余服务器的设计

2. 1 硬件系统结构

智能冗余服务器的硬件结构由以下部分组成：ARM系列微处理器、存储器单元、串行通讯单元、以太网通讯单元、Console接口、USB、时钟单元及看门狗等，其结构框图如图2所示。

2. 2 操作系统的选择

智能冗余服务器采用Linux嵌入式操作系统，该系统可灵活裁剪及移植，兼容性强，应用范围广，因此一直引领着嵌入式的发展[1-2]。

2.3 热备总线及协议

智能冗余服务器设有专用的热备通讯端口。两台服务器的热备端口利用专用的BUS总线连接，并采用自定义的HotStb协议完成所有数据交换共享及热备状态判定等。如图3所示为智能冗余服务器A获得主机令牌时的热备冗余机制数据交互流程示意图。

2.4 程序开发

智能冗余服务器采用模块化编程方法，按照不同的事务功能进行划分，每个事务功能对应创建一个线程，以确保事务响应的实时性。我们共建立了串口通讯处理、以太网通讯处理、热备冗余处理、网络侦测处理、LED指示燈处理及WatchDog看门狗处理共6个线程，并统一由事务调度模块协调控制。