埋地金屬管道恒電位參數遠程監控系統設計

熊川雲，劉明哲，，庹先國，譚承君，羅　群

（1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），四川成都610059；2.地學核技術四川省重點實驗室（成都理工大學），四川成都610059）

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埋地金屬管道恒電位參數遠程監控系統設計

熊川雲1，劉明哲1，2，庹先國1，譚承君2，羅群2

（1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），四川成都610059；2.地學核技術四川省重點實驗室（成都理工大學），四川成都610059）

摘要：為實現恒電位儀的自動化控制，使金屬管道始終處于受保護狀態，設計對陰極保護設備恒電位儀的輸出保護參數（通電電位、斷電電位、交流電位、自腐蝕電位）進行監控的電路。該監控系統以Cortex-M3內核的微控制器STM32為核心，以多通道信號調理電路為數據采集單元，通過RS485總線實現與恒電位儀的通信，采用GPRS作為數據傳輸網絡，將恒電位儀的各項參數采集后發送回服務器，服務器對數據進行分析處理，得出恒電位儀的工作狀態以及被監測管道的受保護狀態。系統需要調節恒電位儀輸出功率時，服務器通過GPRS網絡將參數傳輸到監控系統，監控系統通過RS485總線實現對恒電位儀的控制。實測結果表明：恒電位儀輸出電流的測量范圍為0～80A，準確度在±0.48%以內；管道通電電位測量范圍為-3～3V，準確度在±7mV以內，能夠實現對埋地金屬管道恒電位參數的遠程監控。

關鍵詞：金屬管道；腐蝕；陰極保護；恒電位儀；遠程監控系統

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的各行各業中，既帶來了巨大的經濟損失，也給人們的生產和生活造成極大的不便[1-3]。據統計，我國每年因腐蝕而損耗的鋼鐵達6千多萬噸，造成經濟損失高達2800億元。腐蝕不僅造成鋼鐵資源的浪費，而且使管道、設備使用壽命縮短，生產成本增大，經濟效益降低，生產停頓，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外還造成嚴重的環境污染甚至引起火災、爆炸、塌毀等災難性事故[5]。因此，對管道的保護顯得尤為重要。

埋地管道保護有兩種方法，即犧牲陽極保護和外加電流保護[6]。為了提供保護電流，在外加電流保護系統中，需要有一個穩定的直流電源，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電源，其中恒電位儀使用量超過90%。國外如美國、英國、德國、獨聯體等國家則多采用整流器作為電源設備[9-10]。發達國家將陰極保護電源的研究主要投入到測量技術、測量方法、替代能源的開發與應用、區域化無線遠程控制技術和保護評價的研究等方面[11]，而我國針對遠程控制技術方面的研究甚少。針對該現象，本文設計了遠程監測系統實現對恒電位儀的自動化控制。

1　恒電位保護的基本原理

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方式，其保護結構示意圖如圖1所示。該保護系統主要由恒電位儀、陽極床、參比電極和被保護金屬管道等構成。本文使用的是福建暢聯的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。保護電流由恒電位儀的陽極輸出，流經陽極床、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、電化學以及微生物等影響，深埋于地下的金屬管道會丟失電子，從而發生不同程度的腐蝕。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，最終使管道電位較參比電位低0.85～1.2 V，從而實現對管道的保護。

圖1　恒電位保護系統示意圖

天然氣輸送管道全長達350km，根據理論計算，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行可靠的保護。傳統對恒電位儀的監控均是通過人為方式實現：通過讀取被保護管道的斷電電位判斷管道的受保護狀態；如果管道欠（過）保護，那么需要現場手動提高（降低）恒電位的輸出功率，使管道恢復為受保護狀態；恒電位儀的工作狀態也需要現場讀取，實時性差，為系統的運行帶來了極大的不便。

針對上述問題，本文設計了恒電位參數自動監測控制系統，該系統能夠直接讀取恒電位儀的工作參數（輸出電壓、輸出電流、通電電位），并將該參數實時地傳輸回服務器；同時，服務器對野外監測數據進行分析、顯示。如果數據異常，管理決策人員可立即通過服務器發送相關命令到監控系統，該監控系統即可實現對恒電位儀的控制，以使被保護管道處于受保護狀態。

2　監控系統通信組網方式

恒電位儀監控系統的主要功能之一是將恒電位儀的各項參數（輸出電壓、輸出電流、通電電位）測量后發送回服務器。數據傳輸方式有很多種，采用有線方式顯然不能滿足系統的要求，無線傳輸有GPRS和北斗兩種。由于GPRS具有成本低、使用方便、實時性強、誤碼率低、傳輸速率高等特點，因此系統采用GPRS作為無線通信方式，本系統選取的GPRS模塊為SIM900A，設計的數據通信鏈路如圖2所示。系統將數據采集后發回服務器以確定恒電位儀的工作狀態以及管道的受保護狀態。

圖中恒電位儀輸出電子給管道，使管道處于被保護狀態。室外監控系統采集恒電位儀的工作參數并通過GPRS網絡將數據傳回服務器，服務器有專用的數據接收、解析軟件對數據進行處理、存儲和顯示。決策者通過數據訪問平臺可以實時查看各恒電位儀的工作狀態以及管道的受保護狀態。如果管道保護異常，那么決策者可通過服務器的控制中心實現對恒電位儀的控制，調節恒電位儀的輸出功率，從而使管道處于正常受保護狀態。

圖2　系統通信組網方式

圖3　系統總體設計框圖

3　野外監控系統的設計

恒電位儀采用220V市電供電，監控系統的供電充裕。系統直接采用12 V的適配器給系統供電，但電源紋波較大，因此在監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。為了降低系統功耗，設計了專用的電源管理模塊，在系統需要采集數據時才打開電源，其他時間均處于斷電狀態；另外，微處理器MCU通常處于休眠狀態，只有在需要工作時才通過鬧鐘芯片DS1682S喚醒，以實現低功耗。

恒電位儀的數據接口有3通道的4～20mA接口和1個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接口可通過命令實現對恒電位儀輸出功率的控制。

監控系統的主要功能是將恒電位儀的各個參數采集后傳輸回服務器，因此監控系統主要包括各參數信號調理電路和通信電路，其總體設計框圖如圖3所示。

為了簡化電路，系統將4～20mA信號調理電路設計為多路復用電路，以降低硬件開發成本。

圖4　多通道4～20信號調理電路

圖5　RS485通信電路的設計

3.1多通道4～20mA信號調理電路

圖4給出了一種多通道4～20mA信號調理電路的原理圖。由于恒電位儀在野外工作，同時與被保護管道相連接。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接口上感生出較強的交流信號，實際施工經驗發現，該感生交流信號峰值可達上百伏；另外，在雷雨天氣下也會在被保護管道和恒電位儀上感生出感應雷信號。因此，在4～20mA接口不能直接接入測量系統，需要做端口保護。系統采用光MOS器件AQV257C（圖中的U1、U3、U4、U5）對輸入端口進行隔離，在監測系統需要采集數據的時候才打開光MOS器件進行測量，其他時間光MOS器件均處于關斷狀態，以免監控系統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接口處添加瞬態抑制二極管（圖中未給出）進一步做端口防護。

圖4所示的電路可同時對恒電位儀的輸出電壓、輸出電流和通電電位進行測量。如果系統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信號就會通過UOUT端口進入測量系統，該電流信號先通過精密電阻R2轉換為電壓信號，再通過運放U2隔離放大后得到輸出信號VO。該信號經ADC即可得到恒電位儀的輸出電壓。假設4～20mA信號的輸出電流為I，那么運放的輸出電壓VO可表示為

對于光MOS器件的選取，除了要考慮隔離電壓、負載電流、驅動電流等參數以外，其導通電阻Ron也是一個非常重要的指標，如果光MOS在開啟時的導通電阻Ron較大，那么電流信號流過光MOS器件后必定會引起一定的壓降，使得最終測量得到的信號幅度降低。本系統選取的光MOS器件為AQV257C，其隔離電壓為200 V，最大導通電阻Ron＜1 Ω（典型值為0.7 Ω），最大負載電流500mA，最小驅動電流＜1mA，滿足系統設計要求。

3.2RS485通信電路的設計

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

圖6　系統流程圖

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

3.3系統控制器的工作流程圖

系統選取的控制器是基于Cortex-M3內核的微控制器STM32F103C8T6，其工作流程如圖6所示。聯網模塊和修改恒電位儀功率值模塊設置了3次超時模式，限于篇幅，圖中未給出。系統在設計時加入了數據存儲模塊，在服務器突然掉電或者工作異常的情況下，監控系統發送數據失敗后會將發送失敗的數據存起來，在下次發送數據的時候再次發送。

4　系統測試

系統主要測試系統的數據準確度。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，因此本文測試數據的參考值（參考電壓、參考電流）均來自于恒電位儀的顯示值。將該監控系統與恒電位儀相連，手動調節恒電位儀的輸出電壓，讓系統采集恒電位儀的輸出電壓，并與參考電壓進行對比得到表1的結果。

表1　數據測試結果

可以看出，系統的測量電壓范圍為0～80 V，相對誤差在±0.42%以內，達到了較高的指標。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電路，因此這里只列出了測量恒電位儀輸出電壓的數據。實際測試表明，恒電位儀輸出電流的測量范圍為0～80 A，準確度在±0.48%以內，管道通電電位測量范圍為-3～3 V，準確度在±7mV以內。

5　結束語

本文以多通道4～20mA信號調理電路為數據采集單元、GPRS（SIM900A模塊）作為無線傳輸單元，設計了高效、穩定的恒電位儀監控系統，該系統將恒電位儀的各項參數（通電電位、斷電點位、交流電位、自腐蝕電位）采集后發送回服務器。服務器對數據接收、解析、存儲并顯示，為恒電位儀的工作狀態提供參考依據。如果需要調節恒電位儀的輸出功率，決策人員可在服務器端直接發送命令到監控系統實現遠程調節，為恒電位儀的自動控制提供了研究基礎。在浙江省嘉興市運行的5套設備表明：恒電位儀監控系統具有功耗低、穩定性好、無人值守等特點，滿足監測需要。

參考文獻

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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（1991-），女，江西九江市人，碩士研究生，專業方向為測量技術與儀器。

基金項目：國家自然科學基金（41025015，41274109）2014年全國大學生創新創業訓練計劃項目（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

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）01-0069-05