防腐電源智能監(jiān)控節(jié)點的設(shè)計

1、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。 關(guān)鍵詞：防腐電源 監(jiān)控節(jié)點 單片機金屬發(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，引起嚴重的環(huán)境污染。研究表明，

2、因腐蝕造成的損失一般占國民生產(chǎn)總值的34，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

3、源系統(tǒng)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?shù)?。監(jiān)控系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。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

4、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)。21 模擬電路設(shè)計模擬電路框圖如圖3所示，其中Vinl、Vin2、Iinl、I-in2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。211 信號調(diào)理設(shè)計

5、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放大，完成阻抗轉(zhuǎn)換。212 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G1、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1256增益的放大單元，變增益放大電路如圖4所示。該電路由8個電壓比較器構(gòu)成

6、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AD的最佳工作范圍，滿足高精度、寬范圍的設(shè)計要求。22 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。AD為數(shù)據(jù)采集模塊，DA為標準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。221 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，其標準允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動

7、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10Mbits，最大電纜長度為1200m。考慮到現(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。            222 標準控制電流輸出設(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，520mA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確有效，輸出為標準的電流信號，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。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AD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