防腐工程中陰極保護電流檢測系統(tǒng)的設(shè)計

　　介紹了一種水下鋼樁防腐陰極保護電流檢測系統(tǒng)及相關(guān)的硬件電路的設(shè)計，用以實現(xiàn)遠距離無人化檢測與監(jiān)控。介紹了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、通信網(wǎng)絡(luò)配置以及有關(guān)的芯片與微處理器，闡述了軟件的設(shè)計思路。試驗表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能可靠，能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。

　 為防止碼頭鋼結(jié)構(gòu)和管道在海水或土壤中被腐蝕，目前國內(nèi)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(zhì)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(shè)計了電流巡回監(jiān)測系統(tǒng)，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(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，并由上位機軟件分析異常數(shù)據(jù)，發(fā)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(tài)。

　該系統(tǒng)分為三大部分：通信網(wǎng)絡(luò)、電極電流檢測裝置和數(shù)據(jù)記錄分析軟件。

　 1 通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)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(tài)，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(shù)可達2565路。為實時監(jiān)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(jié)點)，每臺最多可檢測48路電流或64路電壓，通過RS-485網(wǎng)絡(luò)向電氣控制室的PC機(以下稱主節(jié)點)傳送數(shù)據(jù)，或由主節(jié)點設(shè)置各個從節(jié)點的工作狀態(tài)。

　RS-485網(wǎng)絡(luò)拓撲一般采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)。不支持環(huán)形或星型結(jié)構(gòu)。根據(jù)本系統(tǒng)的反F形狀的特點，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)采用了三條總線分別將各個從節(jié)點串接起來，再用兩個集線器整合為一條總線與主節(jié)點相連，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)場大型裝卸機和皮帶傳輸機會產(chǎn)生高能的電磁干擾，除了采用噪聲抑制能力強、多點、差分數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴蔙S-485通信接口外，還在各節(jié)點和終端采用可以承受高達31000伏、持續(xù)時間較長的瞬態(tài)干擾的光電隔離接口，此舉同時又為通信網(wǎng)絡(luò)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(jié)點和多個從節(jié)點構(gòu)成的總線式網(wǎng)絡(luò)中，采取主從應(yīng)答方式由主節(jié)點發(fā)起并控制網(wǎng)上的每一次通信。每個從節(jié)點有一個識別地址，只有收到與自己地址匹配的數(shù)據(jù)幀時，才進行相應(yīng)的處理，并向主節(jié)點應(yīng)答結(jié)果。通信代碼都采用ASIIC碼的編碼形式。由于本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)代碼只有數(shù)值數(shù)據(jù)，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(jié)點的本地事務(wù)順利執(zhí)行，設(shè)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(shù)據(jù)幀時，臨時關(guān)閉通信口。這樣既保證了本地事務(wù)的執(zhí)行時間，又可避免從節(jié)點常在網(wǎng)上可能引起的雙向干擾。因此在上、下位機的軟件設(shè)計中采用二次檢錯、重發(fā)和限時退出并重新握手建立連接等通信機制?，F(xiàn)場調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在某些節(jié)點工作異常、甚至通信網(wǎng)絡(luò)完全癱瘓的情況下，其他各節(jié)點也能獨立完成數(shù)據(jù)采集、異常報警和實時數(shù)據(jù)存儲等本地事務(wù)。一旦故障節(jié)點排除，即可恢復(fù)通信。圖l為實際應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)連接圖。

　 2 電極電流檢測裝置硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計

　 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。芯片選用價格低廉、性能優(yōu)良的PICl6F877單片機，充分利用其提供的軟硬件資源，并配以相應(yīng)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(shù)據(jù)采集通道控制電路以及數(shù)據(jù)通訊接口等部分。

　 美國Microchip公司生產(chǎn)的PICl6F877單片機是一種低功耗、高性能、價格適中的CMOS全靜態(tài)八位FLASH單片機，為40DIP封裝。PICl6F877芯片包含192字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器和8KB的程序存儲器，32個輸出輸入口，三個定時/計數(shù)器，三個捕捉，比較／PWM模數(shù)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(shè)置成同步或異步。另有八通道高速10位A/D轉(zhuǎn)換器。軟件在結(jié)構(gòu)上采用RISC指令結(jié)構(gòu)。每條指令均為字長14位的單字節(jié)指令，大多數(shù)指令都是一個周期。因而編程代碼的相對效率大為提高，執(zhí)行速度大大加快。與同類8位單片機的其他產(chǎn)品相比，執(zhí)行速度要快10倍左右。具有8級堆棧、多個內(nèi)部和外部中斷位。

　 系統(tǒng)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(zhuǎn)換、濾波、放大等；一塊為數(shù)字板，主要完成采樣信號通道的切換和模，數(shù)轉(zhuǎn)換、計算(消除噪聲并還原信號)、參數(shù)設(shè)置、異常報警和數(shù)據(jù)存儲及傳輸?shù)取?BR>
　 整個程序主要由主程序、通信中斷處理程序、A/D轉(zhuǎn)換中斷處理程序、定時中斷處理程序和數(shù)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。