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防腐工程中陰極保護電流檢測系統的設計

人氣:發表時間:2008-3-13
為防止碼頭鋼結構和管道在海水或土壤中被腐蝕,目前國內大多采用外加電流陰極保護和犧牲陽極的方法。無任哪一種方法,都會使被保護金屬處于極化的負電位(保護電位),從而消除金屬表面的腐蝕微電池作用,達到了保護的目的。 防腐工程中的每一點保護失效都可能是釀成重大事故的隱患,因此日常的檢測和維護工作十分重要。由于電流密度是由接觸介質和保護面積決定的,因此通過檢測陰極保護電流,就可以評估各點的防腐效果。但是裝置是在地下或水中,這給檢測帶來很大困難。在此為某鋼廠的原料碼頭水下鋼樁防腐工程設計了電流巡回監測系統,將每一段陰極保護電流采集后送至中央控制室,以便及時、準確地了解保護系統的當前狀態,并由上位機軟件分析異常數據,發出警報,以便及時維修,讓所有保護點始終都處于良好的保護工作狀態。 該系統分為三大部分:通信網絡、電極電流檢測裝置和數據記錄分析軟件。 1 通信網絡拓撲結構和通信機制 原料碼頭分為引橋(長l700米)、主碼頭(長640米)和副碼頭(長430米),呈反F形態,由855根鋼樁支撐。每根鋼樁分二或三段加以陰極保護電流以防腐蝕。陰極保護電流總數可達2565路。為實時監測陰極保護電流的變化,在碼頭各點安裝電流檢測裝置57臺、參比電壓檢測裝置l臺(以下稱從節點),每臺最多可檢測48路電流或64路電壓,通過RS-485網絡向電氣控制室的PC機(以下稱主節點)傳送數據,或由主節點設置各個從節點的工作狀態。 RS-485網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構。不支持環形或星型結構。根據本系統的反F形狀的特點,網絡拓撲結構采用了三條總線分別將各個從節點串接起來,再用兩個集線器整合為一條總線與主節點相連,實現網絡的合理布局。集線器同時又有中繼器的作用,延長了通信距離。 由于現場大型裝卸機和皮帶傳輸機會產生高能的電磁干擾,除了采用噪聲抑制能力強、多點、差分數據傳輸的標準RS-485通信接口外,還在各節點和終端采用可以承受高達31000伏、持續時間較長的瞬態干擾的光電隔離接口,此舉同時又為通信網絡提供一條低阻抗的信號地,以有效地解決共模和電磁輻射的干擾問題。 在一個主節點和多個從節點構成的總線式網絡中,采取主從應答方式由主節點發起并控制網上的每一次通信。每個從節點有一個識別地址,只有收到與自己地址匹配的數據幀時,才進行相應的處理,并向主節點應答結果。通信代碼都采用ASIIC碼的編碼形式。由于本系統中數據代碼只有數值數據,因此0~9、A~F除外的字符都可以用作命令代碼。 為保證通信暢通和從節點的本地事務順利執行,設計了限時退出的通信方法,即在收到與自己地址不匹配的數據幀時,臨時關閉通信口。這樣既保證了本地事務的執行時間,又可避免從節點常在網上可能引起的雙向干擾。因此在上、下位機的軟件設計中采用二次檢錯、重發和限時退出并重新握手建立連接等通信機制。現場調試中發現,在某些節點工作異常、甚至通信網絡完全癱瘓的情況下,其他各節點也能獨立完成數據采集、異常報警和實時數據存儲等本地事務。一旦故障節點排除,即可恢復通信。圖l為實際應用中的網絡連接圖。 2 電極電流檢測裝置硬件結構和軟件設計 系統硬件結構框圖如圖2所示。芯片選用價格低廉、性能優良的PICl6F877單片機,充分利用其提供的軟硬件資源,并配以相應的外圍電路。外存儲器采用型號為24LC256的EEPROM存儲器(8片)以I2C總線與單片機連接,存儲容量為256KB。外接大屏幕128×64點陣液晶顯示器,有背光,便于夜間操作。時鐘選用有SPI三線接口的DSl302芯片,還有數據采集通道控制電路以及數據通訊接口等部分。 美國MICROCHIP公司生產的PICl6F877單片機是一種低功耗、高性能、價格適中的CMOS全靜態八位FLASH單片機,為40DIP封裝。PICl6F877芯片包含192字節的數據存儲器和8KB的程序存儲器,32個輸出輸入口,三個定時/計數器,三個捕捉,比較/PWM模數和兩個串行口,同步串行口可配置成三線SPI或二線I2C工作方式,串行口可設置成同步或異步。另有八通道高速10位A/D轉換器。軟件在結構上采用RISC指令結構。每條指令均為字長14位的單字節指令,大多數指令都是一個周期。因而編程代碼的相對效率大為提高,執行速度大大加快。與同類8位單片機的其他產品相比,執行速度要快10倍左右。具有8級堆棧、多個內部和外部中斷位。 系統硬件由兩塊電路板組成。一塊為模擬板,主要對來自鋼樁的陰極保護電流的測量信號進行轉換、濾波、放大等;一塊為數字板,主要完成采樣信號通道的切換和模,數轉換、計算(消除噪聲并還原信號)、參數設置、異常報警和數據存儲及傳輸等。 整個程序主要由主程序、通信中斷處理程序、A/D轉換中斷處理程序、定時中斷處理程序和數值計算程序組成。主程序及通信中斷處理程序流程圖如圖3所示。 3 主節點軟件功能 主節點軟件用Visual Basic 6.0開發環境編制。主要有以下功能: (1)實時數據采集 根據設置的數據采集密度和時刻自動接收各個節點的數據并存盤,也可以采用手動方式對某些電極進行數據采集。各電極的采集時間、箱號、電極號、數值、上下限值同時顯示,并以不同的顏色顯示異常數據。同時,在主節點通信模塊設計中增加了傳輸過程的顯示,如發送次數、元應答次數、壞包個數以及當前通信狀態和已經完成的通信任務,以便及時進行故障處理。 (2)系統設置 可任意設置數據采集密度和時刻。可設置電流、電壓上下限值并發送到各個節點,同時發送主節點的時鐘數據,保證各節點參數一致。 可啟用或禁用某一節點或某一電極。當某一節點設備進行維修或出現故障時不影響整個系統的正常工作。 (3)查詢和曲線顯示 設計了電極參數的縱向比較圖表,即同一根電極電流在不同時問變化的曲線,還有多根電極電流的縱向比較曲線和橫向的電流、電位比較曲線。即不同的電極電流、電位在某一個時間段內的變化曲線比較圖表。 數據備份可避免采集并保存的大量數據因不可預知的原因而丟失。本系統增加了數據備份功能。 (4)異常電極位置顯示 制作碼頭鋼管樁平面位置圖,將每根電極的三維位置(X,Y,Z)在工控機顯示器上顯示出來,就可以非常直觀地顯示正常工作電極和不正常工作電極在碼頭的實際位置,便于管理人員發現和分析問題,以利于對鋼管樁的及時維護。 主節點相關操作界面如圖4和圖5所示。 在兩年多全天不間斷運行中,本系統完全滿足了用戶的要求和設計指標。 該系統的使用提高了巡檢人員的工作效率和工作條件,對于及時、準確地了解整個防腐工程的現狀,早期隱患(如有異物纏繞、參比電極的早期失效等)的發現都起到了非常重要的作用。同時把該領域內的監測水平迅速提高到和國際接軌、國內領先的位置。