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防腐工程中阴极保护电流检测系统的设计

作者:时间:2013-12-30来源:网络收藏

  介绍了一种水下钢桩防腐及相关的硬件电路的设计,用以实现远距离无人化检测与监控。介绍了系统硬件结构、通信网络配置以及有关的芯片与微处理器,阐述了软件的设计思路。试验表明,该系统结构简单、成本低廉、性能可靠,能满足工业现场的需要。

  为防止码头钢结构和管道在海水或土壤中被腐蚀,目前国内大多采用外加电流阴极保护和牺牲阳极的方法。无任哪一种方法,都会使被保护金属处于极化的负电位(保护电位),从而消除金属表面的腐蚀微电池作用,达到了保护的目的。

  中的每一点保护失效都可能是酿成重大事故的隐患,因此日常的检测和维护工作十分重要。由于电流密度是由接触介质和保护面积决定的,因此通过检测,就可以评估各点的防腐效果。但是装置是在地下或水中,这给检测带来很大困难。在此为某钢厂的原料码头水下钢桩设计了电流巡回监测系统,将每一段采集后送至中央控制室,以便及时、准确地了解保护系统的当前状态,并由上位机软件分析异常数据,发出警报,以便及时维修,让所有保护点始终都处于良好的保护工作状态。

 该系统分为三大部分:通信网络、电极电流检测装置和数据记录分析软件。

  1 通信网络拓扑结构和通信机制

 原料码头分为引桥(长l700米)、主码头(长640米)和副码头(长430米),呈反F形态,由855根钢桩支撑。每根钢桩分二或三段加以阴极保护电流以防腐蚀。阴极保护电流总数可达2565路。为实时监测阴极保护电流的变化,在码头各点安装电流检测装置57台、参比电压检测装置l台(以下称从节点),每台最多可检测48路电流或64路电压,通过RS-485网络向电气控制室的PC机(以下称主节点)传送数据,或由主节点设置各个从节点的工作状态。

 RS-485网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。不支持环形或星型结构。根据本系统的反F形状的特点,网络拓扑结构采用了三条总线分别将各个从节点串接起来,再用两个集线器整合为一条总线与主节点相连,实现网络的合理布局。集线器同时又有中继器的作用,延长了通信距离。

 由于现场大型装卸机和皮带传输机会产生高能的电磁干扰,除了采用噪声抑制能力强、多点、差分数据传输的标准RS-485通信接口外,还在各节点和终端采用可以承受高达31000伏、持续时间较长的瞬态干扰的光电隔离接口,此举同时又为通信网络提供一条低阻抗的信号地,以有效地解决共模和电磁辐射的干扰问题。

  在一个主节点和多个从节点构成的总线式网络中,采取主从应答方式由主节点发起并控制网上的每一次通信。每个从节点有一个识别地址,只有收到与自己地址匹配的数据帧时,才进行相应的处理,并向主节点应答结果。通信代码都采用ASIIC码的编码形式。由于本系统中数据代码只有数值数据,因此0~9、A~F除外的字符都可以用作命令代码。

  为保证通信畅通和从节点的本地事务顺利执行,设计了限时退出的通信方法,即在收到与自己地址不匹配的数据帧时,临时关闭通信口。这样既保证了本地事务的执行时间,又可避免从节点常在网上可能引起的双向干扰。因此在上、下位机的软件设计中采用二次检错、重发和限时退出并重新握手建立连接等通信机制。现场调试中发现,在某些节点工作异常、甚至通信网络完全瘫痪的情况下,其他各节点也能独立完成数据采集、异常报警和实时数据存储等本地事务。一旦故障节点排除,即可恢复通信。图l为实际应用中的网络连接图。

防腐工程中阴极保护电流检测系统的设计

  2 电极电流检测装置硬件结构和软件设计

  系统硬件结构框图如图2所示。芯片选用价格低廉、性能优良的单片机,充分利用其提供的软硬件资源,并配以相应的外围电路。外存储器采用型号为24LC256的EEPROM存储器(8片)以I2C总线与单片机连接,存储容量为256KB。外接大屏幕128×64点阵液晶显示器,有背光,便于夜间操作。时钟选用有SPI三线接口的DSl302芯片,还有数据采集通道控制电路以及数据通讯接口等部分。

防腐工程中阴极保护电流检测系统的设计

  美国Microchip公司生产的单片机是一种低功耗、高性能、价格适中的CMOS全静态八位FLASH单片机,为40DIP封装。芯片包含192字节的数据存储器和8KB的程序存储器,32个输出输入口,三个定时/计数器,三个捕捉,比较/PWM模数和两个串行口,同步串行口可配置成三线SPI或二线I2C工作方式,串行口可设置成同步或异步。另有八通道高速10位A/D转换器。软件在结构上采用RISC指令结构。每条指令均为字长14位的单字节指令,大多数指令都是一个周期。因而编程代码的相对效率大为提高,执行速度大大加快。与同类8位单片机的其他产品相比,执行速度要快10倍左右。具有8级堆栈、多个内部和外部中断位。

  系统硬件由两块电路板组成。一块为模拟板,主要对来自钢桩的阴极保护电流的测量信号进行转换、滤波、放大等;一块为数字板,主要完成采样信号通道的切换和模,数转换、计算(消除噪声并还原信号)、参数设置、异常报警和数据存储及传输等。

  整个程序主要由主程序、通信中断处理程序、A/D转换中断处理程序、定时中断处理程序和数值计算程序组成。主程序及通信中断处理程序流程图如图3所示。 电流传感器相关文章:电流传感器原理

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