防腐電源智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

摘　要：介紹了一種防腐電源智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法及相關(guān)的硬件電路,用以實(shí)現(xiàn)野外防腐電源的無人化監(jiān)控與檢測(cè)。研究了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、信號(hào)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(jì)思路。試驗(yàn)表明,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能可靠,能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(guó)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(hù)技術(shù)的發(fā)展又是與防腐技術(shù)的進(jìn)步分不開的。
　　防腐電源是陰極保護(hù)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(tái)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(yuǎn)程采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),進(jìn)行計(jì)算分析,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,從而提高現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的可靠性,實(shí)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(hù)技術(shù)簡(jiǎn)單地說就是測(cè)量被保護(hù)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(bǔ)償保護(hù)電流大小,起到對(duì)金屬構(gòu)件的保護(hù)作用。圖1是遠(yuǎn)程監(jiān)控防腐電源系統(tǒng)示意圖。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控防腐電源示意圖

　　很顯然,防腐電源是陰極保護(hù)系統(tǒng)中最核心的設(shè)備,其監(jiān)控系統(tǒng)要能對(duì)其電位、電流、電壓等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)與控制,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控,滿足實(shí)時(shí)、快速響應(yīng)的要求。
2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)硬件由兩塊電路板組成。一塊為模擬板,主要對(duì)來自防腐電源的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、采樣保持,以及自動(dòng)選擇放大倍數(shù)等;一塊為數(shù)字板,主要完成采樣信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換、計(jì)算(消除噪聲并還原信號(hào))、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(diǎn)總體框圖

　　監(jiān)控系統(tǒng)直接測(cè)量的是防腐電源現(xiàn)場(chǎng)的電信號(hào),包括電壓信號(hào)和電流信號(hào)。防腐電源的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣,待測(cè)信號(hào)中夾雜著諸多干擾信號(hào)。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(chǎng)信號(hào)中的共模干擾信號(hào)和高頻干擾信號(hào)。系統(tǒng)通過485總線與上位機(jī)進(jìn)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(jì)
　　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(chǎng)采集的信號(hào)。由于待測(cè)信號(hào)比較微弱,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境又比較惡劣,待測(cè)信號(hào)中疊加了很多干擾信號(hào),為了從噪聲中提取出有用的信號(hào),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(duì)輸入信號(hào)去干擾,然后通過電壓分檔電路估算信號(hào)的范圍,提供給單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)給定的信號(hào)計(jì)算出合適的放大倍數(shù),進(jìn)而控制可編程放大器AD526的放大倍數(shù),將已調(diào)理的信號(hào)放大到有效范圍,輸入到數(shù)字板上的AD574進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換^[2]。

圖3 模擬電路框圖

2.1.1 信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)
　　通過試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)干擾信號(hào)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(gè):一是根據(jù)干擾信號(hào)的頻率特點(diǎn)設(shè)計(jì)濾波電路,有效地濾除干擾信號(hào);二是對(duì)輸入信號(hào)適當(dāng)放大,完成阻抗轉(zhuǎn)換。
2.1.2 自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)
　　調(diào)理好的信號(hào)通過多路模擬開關(guān)進(jìn)行逐一選定和處理。信號(hào)通過模擬開關(guān)后,一路進(jìn)入分檔電路測(cè)定范圍,另一路進(jìn)入放大單元放大到合適的工作范圍。
　　AD526是專用五級(jí)變?cè)鲆孢\(yùn)放,增益級(jí)數(shù)為G＝1、2、4、8、16,增益控制輸入腳有三個(gè)。設(shè)計(jì)中將兩個(gè)AD526串聯(lián),這樣就構(gòu)成了1～256增益的放大單元,變?cè)鲆娣糯箅娐啡鐖D4所示。

圖4 自動(dòng)增益電路

　　該電路由8個(gè)電壓比較器構(gòu)成分檔電路,單片機(jī)讀取其輸出信號(hào),根據(jù)得到的分檔信號(hào)設(shè)定合適的放大倍數(shù),控制放大單元的工作,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整增益,保證每路信號(hào)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(jì)要求。
2.2 數(shù)字電路設(shè)計(jì)
　　數(shù)字電路框圖如圖5所示。單片機(jī)80C51是本系統(tǒng)的核心,通過擴(kuò)展ROM增加系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hào)輸出模塊,MAX485是與上位機(jī)進(jìn)行通訊的模塊,Vin為模擬部分的輸出信號(hào)^[3]。

圖5 數(shù)字電路框圖

2.2.1 通訊接口設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)通過485通訊接口與上位機(jī)通訊,交換數(shù)據(jù)。RS-485采用的是一對(duì)平衡差分信號(hào)線,為半雙工通訊方式。RS-485對(duì)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(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器,這足以滿足一個(gè)中型構(gòu)件的多點(diǎn)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(zhǎng)度為1200m?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的惡劣性,使用TVS管實(shí)現(xiàn)了防雷功能,保護(hù)系統(tǒng)不受瞬間高壓破壞,提高了運(yùn)行的可靠性。
2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)控制電流輸出設(shè)計(jì)
　　上位機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,運(yùn)用一定的控制算法得出所需要的反饋控制信號(hào)。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(hào),因此必須通過單片機(jī)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),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(hào)以串行方式輸入,5～20mA電流輸出,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能工業(yè)控制。其數(shù)字輸入信號(hào)通過光電隔離保證信號(hào)的準(zhǔn)確有效,輸出為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào),具有較強(qiáng)的抗干擾能力,可以直接驅(qū)動(dòng)相關(guān)的模擬器件。
3 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)
　　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(jī)高級(jí)語言C51作為軟件開發(fā)工具^[4]。
　　監(jiān)控系統(tǒng)的整個(gè)程序主要由主程序、三個(gè)中斷處理程序、兩個(gè)計(jì)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、根據(jù)采樣值進(jìn)行信號(hào)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(jì)采用通用元件、模塊化設(shè)計(jì)方法和可變?cè)鲆骐娐?在滿足高精度寬量程要求的同時(shí),簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),大大提高了系統(tǒng)的可靠性,同時(shí)節(jié)約了成本。該設(shè)計(jì)對(duì)于防腐工業(yè)中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集約化管理具有現(xiàn)實(shí)意義。