防腐工程中陰極保護電流檢測系統的設計

　　介紹了一種水下鋼樁防腐陰極保護電流檢測系統及相關(guān)的硬件電路的設計，用以實(shí)現遠距離無(wú)人化檢測與監控。介紹了系統硬件結構、通信網(wǎng)絡(luò )配置以及有關(guān)的芯片與微處理器，闡述了軟件的設計思路。試驗表明，該系統結構簡(jiǎn)單、成本低廉、性能可靠，能滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的需要。

　 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(yáng)極的方法。無(wú)任哪一種方法，都會(huì )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(diǎn)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(guò)檢測陰極保護電流，就可以評估各點(diǎn)的防腐效果。但是裝置是在地下或水中，這給檢測帶來(lái)很大困難。在此為某鋼廠(chǎng)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(shí)、準確地了解保護系統的當前狀態(tài)，并由上位機軟件分析異常數據，發(fā)出警報，以便及時(shí)維修，讓所有保護點(diǎn)始終都處于良好的保護工作狀態(tài)。

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

　 1 通信網(wǎng)絡(luò )拓撲結構和通信機制

　原料碼頭分為引橋(長(cháng)l700米)、主碼頭(長(cháng)640米)和副碼頭(長(cháng)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。陰極保護電流總數可達2565路。為實(shí)時(shí)監測陰極保護電流的變化，在碼頭各點(diǎn)安裝電流檢測裝置57臺、參比電壓檢測裝置l臺(以下稱(chēng)從節點(diǎn))，每臺最多可檢測48路電流或64路電壓，通過(guò)RS-485網(wǎng)絡(luò )向電氣控制室的PC機(以下稱(chēng)主節點(diǎn))傳送數據，或由主節點(diǎn)設置各個(gè)從節點(diǎn)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(xiàn)型結構。不支持環(huán)形或星型結構。根據本系統的反F形狀的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構采用了三條總線(xiàn)分別將各個(gè)從節點(diǎn)串接起來(lái)，再用兩個(gè)集線(xiàn)器整合為一條總線(xiàn)與主節點(diǎn)相連，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的合理布局。集線(xiàn)器同時(shí)又有中繼器的作用，延長(cháng)了通信距離。

　由于現場(chǎng)大型裝卸機和皮帶傳輸機會(huì )產(chǎn)生高能的電磁干擾，除了采用噪聲抑制能力強、多點(diǎn)、差分數據傳輸的標準RS-485通信接口外，還在各節點(diǎn)和終端采用可以承受高達31000伏、持續時(shí)間較長(cháng)的瞬態(tài)干擾的光電隔離接口，此舉同時(shí)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(wèn)題。

　 在一個(gè)主節點(diǎn)和多個(gè)從節點(diǎn)構成的總線(xiàn)式網(wǎng)絡(luò )中，采取主從應答方式由主節點(diǎn)發(fā)起并控制網(wǎng)上的每一次通信。每個(gè)從節點(diǎn)有一個(gè)識別地址，只有收到與自己地址匹配的數據幀時(shí)，才進(jìn)行相應的處理，并向主節點(diǎn)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(diǎn)的本地事務(wù)順利執行，設計了限時(shí)退出的通信方法，即在收到與自己地址不匹配的數據幀時(shí)，臨時(shí)關(guān)閉通信口。這樣既保證了本地事務(wù)的執行時(shí)間，又可避免從節點(diǎn)常在網(wǎng)上可能引起的雙向干擾。因此在上、下位機的軟件設計中采用二次檢錯、重發(fā)和限時(shí)退出并重新握手建立連接等通信機制?，F場(chǎng)調試中發(fā)現，在某些節點(diǎn)工作異常、甚至通信網(wǎng)絡(luò )完全癱瘓的情況下，其他各節點(diǎn)也能獨立完成數據采集、異常報警和實(shí)時(shí)數據存儲等本地事務(wù)。一旦故障節點(diǎn)排除，即可恢復通信。圖l為實(shí)際應用中的網(wǎng)絡(luò )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(jià)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(xiàn)與單片機連接，存儲容量為256KB。外接大屏幕128×64點(diǎn)陣液晶顯示器，有背光，便于夜間操作。時(shí)鐘選用有SPI三線(xiàn)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(chǎn)的PICl6F877單片機是一種低功耗、高性能、價(jià)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字節的數據存儲器和8KB的程序存儲器，32個(gè)輸出輸入口，三個(gè)定時(shí)/計數器，三個(gè)捕捉，比較／PWM模數和兩個(gè)串行口，同步串行口可配置成三線(xiàn)SPI或二線(xiàn)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(cháng)14位的單字節指令，大多數指令都是一個(gè)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(lèi)8位單片機的其他產(chǎn)品相比，執行速度要快10倍左右。具有8級堆棧、多個(gè)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(lái)自鋼樁的陰極保護電流的測量信號進(jìn)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(gè)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(shí)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。