埋地金屬管道恒電位參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊川雲(yún)，劉明哲，，庹先國，譚承君，羅　群

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），四川成都610059；2.地學(xué)核技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），四川成都610059）

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埋地金屬管道恒電位參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊川雲(yún)1，劉明哲1，2，庹先國1，譚承君2，羅群2

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），四川成都610059；2.地學(xué)核技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），四川成都610059）

摘要：為實(shí)現(xiàn)恒電位儀的自動(dòng)化控制，使金屬管道始終處于受保護(hù)狀態(tài)，設(shè)計(jì)對陰極保護(hù)設(shè)備恒電位儀的輸出保護(hù)參數(shù)（通電電位、斷電電位、交流電位、自腐蝕電位）進(jìn)行監(jiān)控的電路。該監(jiān)控系統(tǒng)以Cortex-M3內(nèi)核的微控制器STM32為核心，以多通道信號調(diào)理電路為數(shù)據(jù)采集單元，通過RS485總線實(shí)現(xiàn)與恒電位儀的通信，采用GPRS作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將恒電位儀的各項(xiàng)參數(shù)采集后發(fā)送回服務(wù)器，服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出恒電位儀的工作狀態(tài)以及被監(jiān)測管道的受保護(hù)狀態(tài)。系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)恒電位儀輸出功率時(shí)，服務(wù)器通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將參數(shù)傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線實(shí)現(xiàn)對恒電位儀的控制。實(shí)測結(jié)果表明：恒電位儀輸出電流的測量范圍為0～80A，準(zhǔn)確度在±0.48%以內(nèi)；管道通電電位測量范圍為-3～3V，準(zhǔn)確度在±7mV以內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)對埋地金屬管道恒電位參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：金屬管道；腐蝕；陰極保護(hù)；恒電位儀；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

0　引言

埋地金屬管道腐蝕的問題普遍存在于與生活息息相關(guān)的各行各業(yè)中，既帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也給人們的生產(chǎn)和生活造成極大的不便[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年因腐蝕而損耗的鋼鐵達(dá)6千多萬噸，造成經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2800億元。腐蝕不僅造成鋼鐵資源的浪費(fèi)，而且使管道、設(shè)備使用壽命縮短，生產(chǎn)成本增大，經(jīng)濟(jì)效益降低，生產(chǎn)停頓，給居民生活造成不便[4]。天然氣、石油、化工、化纖、化肥、制藥等埋地金屬管道的破損除損失大量有用的物質(zhì)外還造成嚴(yán)重的環(huán)境污染甚至引起火災(zāi)、爆炸、塌毀等災(zāi)難性事故[5]。因此，對管道的保護(hù)顯得尤為重要。

埋地管道保護(hù)有兩種方法，即犧牲陽極保護(hù)和外加電流保護(hù)[6]。為了提供保護(hù)電流，在外加電流保護(hù)系統(tǒng)中，需要有一個(gè)穩(wěn)定的直流電源，使用最為普遍的直流電源有恒電位儀和整流器兩種。在工程中廣泛使用的恒電位儀主要有3類：晶體管恒電位儀、可控硅恒電位儀和磁飽和恒電位儀[7-8]。

我國從1958年開始在石油管道上使用陰極保護(hù)電源，其中恒電位儀使用量超過90%。國外如美國、英國、德國、獨(dú)聯(lián)體等國家則多采用整流器作為電源設(shè)備[9-10]。發(fā)達(dá)國家將陰極保護(hù)電源的研究主要投入到測量技術(shù)、測量方法、替代能源的開發(fā)與應(yīng)用、區(qū)域化無線遠(yuǎn)程控制技術(shù)和保護(hù)評價(jià)的研究等方面[11]，而我國針對遠(yuǎn)程控制技術(shù)方面的研究甚少。針對該現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對恒電位儀的自動(dòng)化控制。

1　恒電位保護(hù)的基本原理

浙江嘉興某天然氣輸送管道的口徑為720mm，管道全長約350km。該管道采用的是恒電位保護(hù)方式，其保護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該保護(hù)系統(tǒng)主要由恒電位儀、陽極床、參比電極和被保護(hù)金屬管道等構(gòu)成。本文使用的是福建暢聯(lián)的PS-1可控硅型恒電位儀，恒電位儀的陽極與陽極床相連，陰極與金屬管道相連，參比電極與恒電位儀的參比接口相連接。保護(hù)電流由恒電位儀的陽極輸出，流經(jīng)陽極床、參比電極和金屬管道后，流回恒電位儀的陰極。由于受到土壤化學(xué)、電化學(xué)以及微生物等影響，深埋于地下的金屬管道會(huì)丟失電子，從而發(fā)生不同程度的腐蝕。恒電位儀通過陰極向管道輸送電子，使管道一直處于得電子而非失電子狀態(tài)，最終使管道電位較參比電位低0.85～1.2 V，從而實(shí)現(xiàn)對管道的保護(hù)。

圖1　恒電位保護(hù)系統(tǒng)示意圖

天然氣輸送管道全長達(dá)350km，根據(jù)理論計(jì)算，在保留一定余量的情況下，需要5臺恒電位儀均勻地分布在管道上才能對其進(jìn)行可靠的保護(hù)。傳統(tǒng)對恒電位儀的監(jiān)控均是通過人為方式實(shí)現(xiàn)：通過讀取被保護(hù)管道的斷電電位判斷管道的受保護(hù)狀態(tài)；如果管道欠（過）保護(hù)，那么需要現(xiàn)場手動(dòng)提高（降低）恒電位的輸出功率，使管道恢復(fù)為受保護(hù)狀態(tài)；恒電位儀的工作狀態(tài)也需要現(xiàn)場讀取，實(shí)時(shí)性差，為系統(tǒng)的運(yùn)行帶來了極大的不便。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了恒電位參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠直接讀取恒電位儀的工作參數(shù)（輸出電壓、輸出電流、通電電位），并將該參數(shù)實(shí)時(shí)地傳輸回服務(wù)器；同時(shí)，服務(wù)器對野外監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示。如果數(shù)據(jù)異常，管理決策人員可立即通過服務(wù)器發(fā)送相關(guān)命令到監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對恒電位儀的控制，以使被保護(hù)管道處于受保護(hù)狀態(tài)。

2　監(jiān)控系統(tǒng)通信組網(wǎng)方式

恒電位儀監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能之一是將恒電位儀的各項(xiàng)參數(shù)（輸出電壓、輸出電流、通電電位）測量后發(fā)送回服務(wù)器。數(shù)據(jù)傳輸方式有很多種，采用有線方式顯然不能滿足系統(tǒng)的要求，無線傳輸有GPRS和北斗兩種。由于GPRS具有成本低、使用方便、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、誤碼率低、傳輸速率高等特點(diǎn)，因此系統(tǒng)采用GPRS作為無線通信方式，本系統(tǒng)選取的GPRS模塊為SIM900A，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)通信鏈路如圖2所示。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集后發(fā)回服務(wù)器以確定恒電位儀的工作狀態(tài)以及管道的受保護(hù)狀態(tài)。

圖中恒電位儀輸出電子給管道，使管道處于被保護(hù)狀態(tài)。室外監(jiān)控系統(tǒng)采集恒電位儀的工作參數(shù)并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器，服務(wù)器有專用的數(shù)據(jù)接收、解析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲和顯示。決策者通過數(shù)據(jù)訪問平臺可以實(shí)時(shí)查看各恒電位儀的工作狀態(tài)以及管道的受保護(hù)狀態(tài)。如果管道保護(hù)異常，那么決策者可通過服務(wù)器的控制中心實(shí)現(xiàn)對恒電位儀的控制，調(diào)節(jié)恒電位儀的輸出功率，從而使管道處于正常受保護(hù)狀態(tài)。

圖2　系統(tǒng)通信組網(wǎng)方式

圖3　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3　野外監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

恒電位儀采用220V市電供電，監(jiān)控系統(tǒng)的供電充裕。系統(tǒng)直接采用12 V的適配器給系統(tǒng)供電，但電源紋波較大，因此在監(jiān)控主板的電源輸入級采用共模電感先濾去電源中的工頻噪聲，然后加入兩級LC進(jìn)行濾波，并采用大容量的鋁電解電容，以盡可能地降低電源中的噪聲。為了降低系統(tǒng)功耗，設(shè)計(jì)了專用的電源管理模塊，在系統(tǒng)需要采集數(shù)據(jù)時(shí)才打開電源，其他時(shí)間均處于斷電狀態(tài)；另外，微處理器MCU通常處于休眠狀態(tài)，只有在需要工作時(shí)才通過鬧鐘芯片DS1682S喚醒，以實(shí)現(xiàn)低功耗。

恒電位儀的數(shù)據(jù)接口有3通道的4～20mA接口和1個(gè)RS485接口。通常來講，3通道的4～20mA接口可直接讀取恒電位儀的輸出電壓、輸出電流以及管道的通電電位，RS485接口可通過命令實(shí)現(xiàn)對恒電位儀輸出功率的控制。

監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是將恒電位儀的各個(gè)參數(shù)采集后傳輸回服務(wù)器，因此監(jiān)控系統(tǒng)主要包括各參數(shù)信號調(diào)理電路和通信電路，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

為了簡化電路，系統(tǒng)將4～20mA信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)為多路復(fù)用電路，以降低硬件開發(fā)成本。

圖4　多通道4～20信號調(diào)理電路

圖5　RS485通信電路的設(shè)計(jì)

3.1多通道4～20mA信號調(diào)理電路

圖4給出了一種多通道4～20mA信號調(diào)理電路的原理圖。由于恒電位儀在野外工作，同時(shí)與被保護(hù)管道相連接。如果恒電位儀或管道處于高壓輸電線或變電站附近，那么就有可能在管道和恒電位儀的4～20 mA接口上感生出較強(qiáng)的交流信號，實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該感生交流信號峰值可達(dá)上百伏；另外，在雷雨天氣下也會(huì)在被保護(hù)管道和恒電位儀上感生出感應(yīng)雷信號。因此，在4～20mA接口不能直接接入測量系統(tǒng)，需要做端口保護(hù)。系統(tǒng)采用光MOS器件AQV257C（圖中的U1、U3、U4、U5）對輸入端口進(jìn)行隔離，在監(jiān)測系統(tǒng)需要采集數(shù)據(jù)的時(shí)候才打開光MOS器件進(jìn)行測量，其他時(shí)間光MOS器件均處于關(guān)斷狀態(tài)，以免監(jiān)控系統(tǒng)受接口上感生信號的影響。另外，為了使接口電路更可靠，在4～20mA接口的輸入端，即圖中UOUT、IOUT、ON_PT、PGND接口處添加瞬態(tài)抑制二極管（圖中未給出）進(jìn)一步做端口防護(hù)。

圖4所示的電路可同時(shí)對恒電位儀的輸出電壓、輸出電流和通電電位進(jìn)行測量。如果系統(tǒng)要測量恒電位儀的輸出電壓，那么控制器MCU給CON0、CON3高電平，CON1、CON2低電平，打開光MOS器件U1、U5。恒電位儀輸出電壓的4～20mA信號就會(huì)通過UOUT端口進(jìn)入測量系統(tǒng)，該電流信號先通過精密電阻R2轉(zhuǎn)換為電壓信號，再通過運(yùn)放U2隔離放大后得到輸出信號VO。該信號經(jīng)ADC即可得到恒電位儀的輸出電壓。假設(shè)4～20mA信號的輸出電流為I，那么運(yùn)放的輸出電壓VO可表示為

對于光MOS器件的選取，除了要考慮隔離電壓、負(fù)載電流、驅(qū)動(dòng)電流等參數(shù)以外，其導(dǎo)通電阻Ron也是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，如果光MOS在開啟時(shí)的導(dǎo)通電阻Ron較大，那么電流信號流過光MOS器件后必定會(huì)引起一定的壓降，使得最終測量得到的信號幅度降低。本系統(tǒng)選取的光MOS器件為AQV257C，其隔離電壓為200 V，最大導(dǎo)通電阻Ron＜1 Ω（典型值為0.7 Ω），最大負(fù)載電流500mA，最小驅(qū)動(dòng)電流＜1mA，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3.2RS485通信電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選取的控制器為STM32F103C8T6，該控制器只有一個(gè)串口，而系統(tǒng)中除了控制恒電位儀需要用到串口（串口轉(zhuǎn)RS485），GPRS通信也需要使用串口，因此需要將控制器的串口進(jìn)行復(fù)用。圖5給出了串口轉(zhuǎn)RS485的電路原理圖。

圖6　系統(tǒng)流程圖

圖中485A、485B連接恒電位儀的RS485接口，考慮到RS485傳輸距離較遠(yuǎn)，需要做接口防護(hù)，系統(tǒng)采用U2做端口保護(hù)，并采用電阻R3、R5隔離，以達(dá)到較好的保護(hù)效果。CON連接控制器的控制端口，RXD、TXD連接控制器的串口（接收、發(fā)送端口）。當(dāng)CON端口為高電平時(shí)，控制器通過串口向恒電位儀發(fā)送命令，當(dāng)命令發(fā)送完以后，將CON端口拉低，開始接收恒電位儀發(fā)送回來的數(shù)據(jù)。

3.3系統(tǒng)控制器的工作流程圖

系統(tǒng)選取的控制器是基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器STM32F103C8T6，其工作流程如圖6所示。聯(lián)網(wǎng)模塊和修改恒電位儀功率值模塊設(shè)置了3次超時(shí)模式，限于篇幅，圖中未給出。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)加入了數(shù)據(jù)存儲模塊，在服務(wù)器突然掉電或者工作異常的情況下，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)失敗后會(huì)將發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)存起來，在下次發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候再次發(fā)送。

4　系統(tǒng)測試

系統(tǒng)主要測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。由于恒電位儀有顯示裝置，可以直接將恒電位儀的輸出電壓、輸出電流以及通電電位顯示出來，因此本文測試數(shù)據(jù)的參考值（參考電壓、參考電流）均來自于恒電位儀的顯示值。將該監(jiān)控系統(tǒng)與恒電位儀相連，手動(dòng)調(diào)節(jié)恒電位儀的輸出電壓，讓系統(tǒng)采集恒電位儀的輸出電壓，并與參考電壓進(jìn)行對比得到表1的結(jié)果。

表1　數(shù)據(jù)測試結(jié)果

可以看出，系統(tǒng)的測量電壓范圍為0～80 V，相對誤差在±0.42%以內(nèi)，達(dá)到了較高的指標(biāo)。由于測量恒電位儀的輸出電流、輸出電壓和管道通電電位均是同一個(gè)電路，因此這里只列出了測量恒電位儀輸出電壓的數(shù)據(jù)。實(shí)際測試表明，恒電位儀輸出電流的測量范圍為0～80 A，準(zhǔn)確度在±0.48%以內(nèi)，管道通電電位測量范圍為-3～3 V，準(zhǔn)確度在±7mV以內(nèi)。

5　結(jié)束語

本文以多通道4～20mA信號調(diào)理電路為數(shù)據(jù)采集單元、GPRS（SIM900A模塊）作為無線傳輸單元，設(shè)計(jì)了高效、穩(wěn)定的恒電位儀監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將恒電位儀的各項(xiàng)參數(shù)（通電電位、斷電點(diǎn)位、交流電位、自腐蝕電位）采集后發(fā)送回服務(wù)器。服務(wù)器對數(shù)據(jù)接收、解析、存儲并顯示，為恒電位儀的工作狀態(tài)提供參考依據(jù)。如果需要調(diào)節(jié)恒電位儀的輸出功率，決策人員可在服務(wù)器端直接發(fā)送命令到監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，為恒電位儀的自動(dòng)控制提供了研究基礎(chǔ)。在浙江省嘉興市運(yùn)行的5套設(shè)備表明：恒電位儀監(jiān)控系統(tǒng)具有功耗低、穩(wěn)定性好、無人值守等特點(diǎn)，滿足監(jiān)測需要。

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（編輯：徐柳）

Design of field monitoring system with constant potential parameters of buried metal pipes

XIONG Chuanyun1，LIU Mingzhe1，2，TUO Xianguo1，TAN Chengjun2，LUO Qun2
（1. State Key Laboratory of Geoharzard Prevention and Geoenvironment Protection（Chengdu University of Technology），Chengdu 610059，China；2. Provincial Key Laboratory of Applied Nuclear Techniques in Geosciences（Chengdu University of Technology），Chengdu 610059，China）

Abstract:To realize automatic control of potentiostats and put metal pipes in protection，a circuit has been designed that can monitor and control the protection parameters (on/off potential，AC potential，self-corrosion potential) which are sent out from the potentiostat for cathodic protection equipment. In the monitoring system is composed of a microcontroller STM32 as its core part in kernel Cortex-M3 and a multi-channel signal conditioning circuit as its data acquisition unit. The system is communicated with the potentiostat via bus RS485；the GPRS network is used to collect all the parameters of the potentiostat and send them back to the server; the data is further treated by the server to get the working state of the potentiostat and the protection state of the pipeline monitored. If the output power of the potentiostat needs adjusting，the parameters will be transferred from the server to the monitoring system through the GPRS network and the potentiostat will be controlled by the RS485 bus of the monitoring system. Experimental results have shown that the output current of the potentiostat is measured from 0 - 80 A，with the accuracy inside±0.48%；the electric potential of the pipeline is measured from -3-3 V，with the accuracy inside±7 mV. The system can be used to monitor remotely the constant potential parameters of buried metal pipelines.

Keywords:metal pipeline；corrosion；cathodic protection；potentiostat；remote monitoring system

作者簡介：熊川雲(yún)（1991-），女，江西九江市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)闇y量技術(shù)與儀器。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（41025015，41274109）2014年全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410616054）

收稿日期：2015-04-20；收到修改稿日期：2015-06-18

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.016

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）01-0069-05