防腐電源智能監(jiān)控節(jié)點的設(shè)計

摘　要：介紹了一種防腐電源智能監(jiān)控節(jié)點的設(shè)計方法及相關(guān)的硬件電路,用以實現(xiàn)野外防腐電源的無人化監(jiān)控與檢測。研究了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、信號調(diào)理電路以及有關(guān)芯片與微處理器的接口電路,闡述了監(jiān)控軟件的設(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。

　金屬發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象隨處可見。腐蝕給金屬材料造成的直接和間接損失是巨大的,以至造成災(zāi)難性的破壞事故,引起嚴(yán)重的環(huán)境污染。研究表明,因腐蝕造成的損失一般占國民生產(chǎn)總值的3％～4％,其中約有15%是可以通過現(xiàn)有的防腐技術(shù)避免的,而陰極保護技術(shù)的發(fā)展又是與防腐技術(shù)的進步分不開的。
　　防腐電源是陰極保護技術(shù)中最為關(guān)鍵的設(shè)備。由于易腐蝕的金屬構(gòu)件大部分分布在野外或者地下,并且分布范圍廣,如石油管道、輸電線路、海上平臺等,所以必然要求發(fā)展可靠性高、智能化的新型防腐電源,并且要求通過工業(yè)網(wǎng)遠程采集現(xiàn)場數(shù)據(jù),進行計算分析,實現(xiàn)遠程控制,從而提高現(xiàn)場設(shè)備的可靠性,實現(xiàn)無人管理。
1 防腐電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
　　陰極保護技術(shù)簡單地說就是測量被保護金屬構(gòu)件的電位(即管地電位),并根據(jù)其大小變化,調(diào)節(jié)補償保護電流大小,起到對金屬構(gòu)件的保護作用。圖1是遠程監(jiān)控防腐電源系統(tǒng)示意圖。

圖1 遠程監(jiān)控防腐電源示意圖

　　很顯然,防腐電源是陰極保護系統(tǒng)中最核心的設(shè)備,其監(jiān)控系統(tǒng)要能對其電位、電流、電壓等運行參數(shù)進行檢測與控制,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控,滿足實時、快速響應(yīng)的要求。
2 監(jiān)控節(jié)點的硬件設(shè)計
　　系統(tǒng)硬件由兩塊電路板組成。一塊為模擬板,主要對來自防腐電源的測量信號進行濾波、放大、采樣保持,以及自動選擇放大倍數(shù)等;一塊為數(shù)字板,主要完成采樣信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換、計算(消除噪聲并還原信號)、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸^[1]等。監(jiān)控系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控節(jié)點總體框圖

　　監(jiān)控系統(tǒng)直接測量的是防腐電源現(xiàn)場的電信號,包括電壓信號和電流信號。防腐電源的現(xiàn)場環(huán)境惡劣,待測信號中夾雜著諸多干擾信號。前置調(diào)理電路包括差模放大電路和有源濾波電路,用來抑制現(xiàn)場信號中的共模干擾信號和高頻干擾信號。系統(tǒng)通過485總線與上位機進行通訊,使用約定的協(xié)議交換數(shù)據(jù)。
2.1 模擬電路設(shè)計
　　模擬電路框圖如圖3所示,其中Vin1、Vin2、Iin1、Iin2為從防腐電源現(xiàn)場采集的信號。由于待測信號比較微弱,現(xiàn)場環(huán)境又比較惡劣,待測信號中疊加了很多干擾信號,為了從噪聲中提取出有用的信號,采用差模調(diào)理電路和有源濾波電路相結(jié)合的調(diào)理電路對輸入信號去干擾,然后通過電壓分檔電路估算信號的范圍,提供給單片機。單片機根據(jù)給定的信號計算出合適的放大倍數(shù),進而控制可編程放大器AD526的放大倍數(shù),將已調(diào)理的信號放大到有效范圍,輸入到數(shù)字板上的AD574進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換^[2]。

圖3 模擬電路框圖

2.1.1 信號調(diào)理設(shè)計
　　通過試驗對現(xiàn)場信號進行分析,發(fā)現(xiàn)干擾信號主要來自電源線的耦合干擾、電源的瞬態(tài)電壓干擾和外部電磁輻射干擾。因此,這部分電路的作用有兩個:一是根據(jù)干擾信號的頻率特點設(shè)計濾波電路,有效地濾除干擾信號;二是對輸入信號適當(dāng)放大,完成阻抗轉(zhuǎn)換。
2.1.2 自動增益調(diào)節(jié)電路的設(shè)計
　　調(diào)理好的信號通過多路模擬開關(guān)進行逐一選定和處理。信號通過模擬開關(guān)后,一路進入分檔電路測定范圍,另一路進入放大單元放大到合適的工作范圍。
　　AD526是專用五級變增益運放,增益級數(shù)為G＝1、2、4、8、16,增益控制輸入腳有三個。設(shè)計中將兩個AD526串聯(lián),這樣就構(gòu)成了1～256增益的放大單元,變增益放大電路如圖4所示。

圖4 自動增益電路

　　該電路由8個電壓比較器構(gòu)成分檔電路,單片機讀取其輸出信號,根據(jù)得到的分檔信號設(shè)定合適的放大倍數(shù),控制放大單元的工作,實現(xiàn)自動調(diào)整增益,保證每路信號都能放大到A/D的最佳工作范圍,滿足高精度、寬范圍的設(shè)計要求。
2.2 數(shù)字電路設(shè)計
　　數(shù)字電路框圖如圖5所示。單片機80C51是本系統(tǒng)的核心,通過擴展ROM增加系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲容量。A/D為數(shù)據(jù)采集模塊,D/A為標(biāo)準(zhǔn)電流控制信號輸出模塊,MAX485是與上位機進行通訊的模塊,Vin為模擬部分的輸出信號^[3]。

圖5 數(shù)字電路框圖

2.2.1 通訊接口設(shè)計
　　系統(tǒng)通過485通訊接口與上位機通訊,交換數(shù)據(jù)。RS-485采用的是一對平衡差分信號線,為半雙工通訊方式。RS-485對于多站連接是十分方便的,其標(biāo)準(zhǔn)允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器,這足以滿足一個中型構(gòu)件的多點防腐系統(tǒng)的要求?？偩€兩端接匹配電阻,提高了抗干擾能力。RS-485傳輸速率最高為10Mbit/s,最大電纜長度為1200m?？紤]到現(xiàn)場工作環(huán)境的惡劣性,使用TVS管實現(xiàn)了防雷功能,保護系統(tǒng)不受瞬間高壓破壞,提高了運行的可靠性。
2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)控制電流輸出設(shè)計
　　上位機將接收到的數(shù)據(jù)進行處理,運用一定的控制算法得出所需要的反饋控制信號。由于防腐電源為模擬器件電路,無法直接接收數(shù)字控制信號,因此必須通過單片機轉(zhuǎn)換成模擬信號,才能控制電源工作。
　　系統(tǒng)中采用的AD421是一種單片高性能數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。它由電流環(huán)路供電,16位數(shù)字信號以串行方式輸入,5～20mA電流輸出,可實現(xiàn)遠程智能工業(yè)控制。其數(shù)字輸入信號通過光電隔離保證信號的準(zhǔn)確有效,輸出為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號,具有較強的抗干擾能力,可以直接驅(qū)動相關(guān)的模擬器件。
3 監(jiān)控節(jié)點的軟件設(shè)計
　　為了提高程序編寫效率,采用了目前廣泛使用的MCS-51單片機高級語言C51作為軟件開發(fā)工具^[4]。
　　監(jiān)控系統(tǒng)的整個程序主要由主程序、三個中斷處理程序、兩個計算程序組成。完成的主要功能是:系統(tǒng)復(fù)位后的初始化、控制采樣、進行A/D轉(zhuǎn)換、根據(jù)采樣值進行信號處理、選擇放大倍數(shù)(量程)、控制通訊接口傳送數(shù)據(jù)等。主程序流程圖如圖6所示^[5]。

圖6 主程序流程圖

　　本設(shè)計采用通用元件、模塊化設(shè)計方法和可變增益電路,在滿足高精度寬量程要求的同時,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),大大提高了系統(tǒng)的可靠性,同時節(jié)約了成本。該設(shè)計對于防腐工業(yè)中實現(xiàn)遠程集約化管理具有現(xiàn)實意義。