（控制科学与工程专业论文）阴极保护电源远程监控系统的研究与设计.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ， ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 吏) 婷导师( 签名呖中日期 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 摘要 l ilrl li iii i iiu li i iiii y 18 7 9 7 8 9 随着经济的发展，金属结构设施建设愈来愈多，例如，能源需求的日益增 加，需要长线输油以及输气金属管道和储油和储气罐群设施；交通运输的发展， 需建设大型桥梁和跨海大桥等。这些金属结构设施的运行与维护中的一个重要 问题就是对金属材料的有效防腐。近年来，为了延长金属结构设施的使用寿命， 同时避免环境污染和发生社会公共安全问题，金属结构的防腐更为受到重视。 生产实践表明，为使金属结构设施安全可靠运行，并延长其使用寿命，防腐工 程至关重要。 本文针对用于石油管线和储罐防腐的阴极保护电源装置，设计了一套阴极 保护电源远程监控系统。在设计优化阴极保护电源模块装置的基础上，采用 g p r s 无线技术通过i n t e r n e t 公网传输，对阴极保护电源装置的运行状态和阴极 保护系统进行实时有效的检测、故障诊断和远端控制，对于保证整个金属结构 群强制电流阴极保护系统运行的稳定性和可靠性具有重要意义。 论文首先分析并确定了系统的总体设计方案，根据系统所需要实现的功能， 将系统分为采集电路单元模块、数字控制电路模块、g p r s 通信电路模块、监控 中心四大部分，并从硬件和软件两方面对系统的各个部分的设计进行了介绍。 采集单元模块采用m s p 4 3 0 f 1 6 9 作为核心处理器构建阴极保护电位工作参 数硬件采集平台数字控制电路模块采用d s p i c 3 3 f j l 6 g s 5 0 4 高性能1 6 位数字 信号控制器微处理器作为其核心芯片g p r s 无线通信单元模块采用l p c 2 1 3 4 ( 删7 ) 处理器和s i m 3 0 0 作为构建硬件平台的核心部件监控中心软件采用 j a v a 编程语言，m v c 设计模式，b s 结构，服务器w i n d o w ss e r v e r2 0 0 0 ，应用 服务器a p a c h e t o m c a t6 0 ，开发框架s s h ( s p i n 9 1 2 + s t r u t s1 2 + h i b e r n a t e 3 o ) 结 合技术；数据库m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 。实现i n t e m e t 在线客户通过浏览器 对阴极保护电源装置进行远程检测、故障诊断和控制的目的。 本文最后搭建了系统测试实验平台，对整体系统的功能及性能进行了测试。 测试结果表明采集单元模块能很好进行阴极保护金属群结构工作参数的采集； g p r s 通信单元模块能稳定快速与监控中心建立通信；监控中心能稳定实现实时 历史数据、曲线、e x c e l 报表导出、报警、设备信息及权限功能。 关键词：阴极保护；g p r s 通信；电源监控；j a v a a b s t r a c t w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，m o r ca n dm o m e t a l l i cs 仇l c t i l r cf a c i l i t i e sa r e u s e di nv a r i o u se n v i r o n m e n t s f o ri n s t a n c e ，t h ec o n t i n u i n gg r o w t ho fe n e r g yd e m a n d r e q u i r e sm o r es t e e lo i l g a ss t o r a g et a n k sa n dt r a n s m i s s i o np i p e l i n e sa n df a s t e r t r a n s p o r t a t i o nd e v e l o p m e n tn e e d sl a r g es p a nb r i d g e s m e a n w h i l e ，c o r r o s i o np r o b l e m b e c o m e si m p o r t a n tt oo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ei nt h e s em e t a l l i cb u i l d i n g sa n d s 仃u c t u r e s i nr e c e n ty e a r s ，i no r d e rt op r o l o n gs e r v i c el i f eo ft h em e t a l l i cs t r u c t u r e s a n dp r e v e n te n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n sa n ds a f e t yp r o b l e m s ，c a t h o d i cp r o t e c t i o nh a s b e e nw i d e l yu s e df o rp r o t e c t i n gt h es t r u c t u r e sf r o mc o r r o s i o n s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t oi m p r o v er e l i a b i l i t yo ft h ec a t h o d i cp r o t e c t i o ns y s t e m s ，a r e m o t em o n i t o r i n go fp o w e rs u p p l ys y s t e mi sd e v e l o p e d o nt h eb a s i so fo p t i m i z e d c a t h o d i cp r o t e c t i o np o w e rm o d u l e s ，t h ec a t h o d i cp r o t e c t i o nd a t ai st r a n s m i t t e df r o m t h ef i e l dm o d u l e st os e l v e rc e n t r eb yg p r sc o m m u n i c a t i o nt h r o u g ht h ei n t e r n e ta n d p u b l i cn e t w o r k s 1 1 1 er e a l - t i m ed e t e c t i o n ，f a u l td i a g n o s i sa n dr e m o t ec o n t r o lc a nb e c a r r i e do u tb yi d e n t i f y i n ga n dr e p o r t i n gp r o b l e m s 笛n l e yo c c u r 啊坞r e m o t e m o n i t o r i n gg t l s u r 锱c o n t i n u o u sa n de f f e c t i v ec a t h o d i cp r o t e c t i o n , a n d8 0m a i n t a i n s r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fe n t i r em e t a l l i cs t r u c t u r e s t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e da n dd e t e r m i n e dt h e o v e r a l ls y s t e md e s i g ns c h e m e , u n d e rt h eg u i d i n gi d e o l o g yo fs c h e m e , t h es y s t e mi sd i v i d e di n t of o u r p a r t s ： a c q u i s i t i o nu n i t , d i 西t a lc o n t r o lu n i t , g p r sc o m m u n i c a t i o nu n i t ，a n dm o n i t o r i n g c e n t e r , c l a s s i f i e da c c o r d i n gt of u n c t i o n t h ed e s i g no fe a c hp a r ti sw e l li n t r o d u c e d b r o t hf r o m h a r d w a r ea n ds o f t - w a r e a c q u i s i t i o nu n i tu s e sm s p 4 3 0 f 16 9 弱c o r ep r o c e s s o rt ob u i l du pt h ea c q u i s i t i o n h a r d w a r e p l a t f o r m d i g i t a l c o n t r o lu n i tc o n t r o l a d o p t sd s p i c 3 3 f j 16 g s 5 0 4a s c o n t r o l l e r , g p r sc o m m u n i c a t i o nu n i tu s e sp r o c e s s o rl p c 213 4 ( a r m 7 ) a n ds i m 3 0 0 a st h ec o r ep a r tt ob u i l du pt h eh a r d w a r ep l a t f o r m m o n i t o r i n gc e n t e ra d o p t sj a v aa s p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，a d o p t sa p a c h et o m c a tb a s e o nw i n d o w ss e r v e r2 0 0 0 o p e r a t i n gs y s t e ma si t sb a c k g r o u n ds e r v e r , u s e ss q l s e r v e r 2 0 0 0a si t sd a t a b a s e ，u s e s s s h ( s p i n 9 1 2 + s t r u t s l 2 + h i b e r n a t e 3 0 ) a s i t s d e v e l o p m e n tf r a m e w o r k , a j a x ， j f r e e c h a r ta n dj x lt e c h n o l o g ya r ei n t e g r a t e di n t o a p p l i c a t i o n 1 1 1 i ss y s t e mm a i n m o d u l ei n c l u d e s ：s y s t e ml o g i nm o d u l e ，d e v i c em a n a g e m e n tm o d u l e ；g p r sr e a l t i m e c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，d a t aa n a l y s i sm o d u l e ， g r a p ha n a l y s i sm o d u l e ， u s e r i n f o r m a t i o nm o d u l ea n ds y s t e ma d m i n i s t r a t i o nm o d u l e f i n a l l y , t h es y s t e mt e s t i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r mw a sc o n s t r u c t e dt o t e s tt h e p e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n a l i t yo ft h eo v e r a l ls y s t e m n et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h e a c q u i s i t i o nu n i tc a r lg a t h e rt h ep a r a m e t e r so fp o t e n t i a lc h a n g ed a t aw e l l ；t h eg p r s c o m m u n i c a t i o nu n i tl i n k sb e t w e e nm o n i t o r i n gc e n t e rw a sb u i l tu pf a s ta n ds t a b l e ； m o n i t o r i n g c e n t e rr u n si n s t a b l e ，w i t ht h eb a s i cf u n c t i o n si nt e r m so f r e a l t i m e h i s t o r i c a ld a t a d i s p l a y , c u r v e , r e p o r t , a l a r m , d e v i c ei n f o r m a t i o na n d a u t h o r i z e df u n c t i o n k e y w o r d s ：c a t h o d i cp r o t e c t i o n ；g p r sc o m m u n i c a t i o n ；r e m o t em o n i t o r ；j a v a i i i 目录 摘要一i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 阴极保护研究的国内外现状及存在的问题一2 1 3 课题的主要研究工作一3 第2 章阴极保护电源远程监控系统总体方案设计5 2 1 系统总体方案设计：。5 2 1 1 阴极保护电源远程监控系统技术需求5 2 1 2 总体设计方案比较与选择5 2 1 3g p r s 系统构架设计8 2 2 远程监控系统系统工作流程8 2 3 阴极保护电源远程监控系统相关技术9 2 3 1 阴极保护技术9 2 3 2g p r s 技术1 1 2 3 3w e b 技术1 2 2 3 4j a v a 技术1 4 2 4 本章小结14 第3 章监控系统数据采集和通信相关硬件设计1 5 3 1 电位采集单元的硬件设计1 6 3 1 1 辅助电源电路l6 3 1 2 电位采集电路。l8 3 1 3 微处理器电路。1 9 3 1 4r s 4 8 5 r $ 4 2 2 电路2 0 3 2 电源模块电压、电流、温度采集电路的硬件设计2 1 3 2 1 电源模块电压采集硬件电路2 2 3 2 2 电源模块电流采集硬件电路一2 3 3 2 3 电源模块温度采集硬件电路。2 3 3 3g p r s 通信电路与c a n 通信接口的硬件设计2 4 3 3 1g p r s 无线模块设计2 5 3 3 2c a n 通信接口电路2 6 3 4 本章小结2 8 第4 章阴极保护电源远程监控系统的软件设计2 9 4 1 采集单元模块的软件设计2 9 4 2 电源模块电压、电流、温度采集的软件设计3 2 4 3g p r s 通信电路模块的软件设计3 2 4 4 监控中心的软件设计3 3 4 4 1 系统u m l 建模3 4 4 4 2 服务器设计3 4 4 4 2 数据库设计3 5 4 4 3 登录模块设计3 7 4 4 4 设备管理模块设计一3 8 4 4 5g p r s 实时通信模块设计3 8 4 4 6 数据图形模块设计4 0 4 5 7 用户及系统管理模块设计4 l 4 6 本章小结。4 l 第5 章阴极保护电源远程监控系统测试4 2 5 1 系统测试目的：4 2 5 2 系统测试平台的搭建及步骤4 2 5 3 系统测试结果4 4 5 4 系统测试分析4 7 第6 章总结与展望4 8 6 1 全文总结4 8 6 2 系统展望4 8 致 谢5 0 参考文献5 1 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文5 3 v 武汉理工人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着经济的发展，金属结构设施建设愈来愈多，例如，能源需求的日益增 加，需要长线输油以及输气金属管道和储油和储气罐群设施；交通运输的发展， 需建设大型桥梁和跨海大桥等。这些金属结构设施的运行与维护中的一个重要 问题就是对金属材料的有效防腐。近年来，为了延长金属结构设施的使用寿命， 同时避免环境污染和发生社会公共安全问题，金属结构的防腐更为受到重视。 生产实践表明，为使金属结构设施安全可靠运行，并延长其使用寿命，防腐工 程至关重要。 对金属结构防腐的强制电流阴极保护方法，是通过对金属结构施加直流电 压，改变金属结构体的相对电位，抑制金属表明电化学反应，使金属结构免除 腐蚀。强制电流阴极保护方法具有输出电流连续可调、保护范围大、不受环境 电阻率限制、经济性好和保护装置寿命长等优点。强制电流阴极保护方式在防 腐工程中愈来愈受到重视。强制电流阴极保护方法需要配置直流电源系统，对 长线管路或储罐群进行的强制流阴极保护，通常阴极保护电源系统是分散安装 的，为了保证阴极保护系统始终工作在保护状态，必须定期对电源系统进行监 测和维护，维护管理工作量大 本文的研究目的是为长线输油以及输气金属管道和储油和储气罐群设施阴 极防腐系统设计一个阴极保护电源的远程监控系统，本对工程中的强制电流阴 极保护电源的远程监控系统的设计和方法的实现。 采用现代高频开关变换技术构成可控直流电源，通过计算机检测与远程通 信技术，实现对强制电流阴极保护电源的远程监控。强制电流阴极保护电源的 远程监控系统可实现如下主要功能： ( 1 ) 实时检测阴极保护电源的电压、电流和功率单元温度数据； ( 2 ) 连续记录长线管路段或储罐区域的电位变化； ( 3 ) 快速识别被保护对象的电位故障； ( 4 ) 快速识别被保护对象的涂层损坏情况； ( 5 ) 判断杂散电流影响； 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 6 ) 对电源系统远程控制和维护。 强制电流阴极保护电源的远程监控系统中，由于有线通信所带来的局限性， 因此采用了无线通信技术，以下是无线通信与有线通信比较： ( 1 ) 无线通信无需架设电缆，开通速度快。考虑到整体的成本和工程周期 是相当节省的； ( 2 ) 无线通信比有线通信的通信质量高，不随线路的扩展而下降； ( 3 ) 无线通信不受地势、覆盖范围、地理环境的限制； ( 4 ) 无线通信没有通信容量的限制，随时增加链路，可根据客户需求定制。 综上所述无线通信在可靠性、可用性和抗毁性等很多方面超出了传统的有 线通信方式。 此外在设计优化阴极保护龟源模块装置的基础上，采用g p r s 无线技术通 过i n t e r n e t 公网传输，对阴极保护电源装置运行状态和阴极保护系统进行实时有 效的检测、故障诊断和远端控制，对于保证整个金属结构群强制电流阴极保护 系统运行的稳定性和可靠性具有重要意义。 1 2 阴极保护研究的国内外现状及存在的问题 阴极保护技术的研究及应用到目前已有一百多年的时间，阴极保护的目的 就是防止或延缓电化学腐蚀并延长设施设备的使用寿命阴极保护在国内外数 万千米管道上的应用已经取得了很好的效果，是埋地金属结构体防腐蚀技术之 一在国内，金属结构体的腐蚀控制通常采用阴极保护技术的措施，大多数的 长输管道包括油田的集输管道基本上都采用了阴极保护措施，相对于七十年代的 金属结构体方法简单的阴极保护技术而言，其金属结构体表面腐蚀问题严重为 使金属结构体的安全工作得到保证，阴极保护技术的两种方法：牺牲阳极法和 强制电流法已使用十分成熟，但区域中在强电干扰导致有些地区或区域可能没 法采用强制电流保护法。我国从1 9 5 8 年开始在石油管道上使用阴极保护电源， 并逐步将强制电流法阴极保护技术应用到其它领域，如城市地下金属管网，港口 设施，钢质码头、船舶，海底、过江、大型机场的管道【1 1 。在国外阴极保护的现 状表现在六个方面：第一，阴极保护技术在设计上，特别在是设计理念具有先 进性；第二，是国外的阴极保护遥测技术和遥控技术比国内先进；第三，在强 电干扰方面，关于交流电腐蚀已有百年历史；第四，表现在阴极保护电位的测 量以及防腐层面电阻的测量技术，国外已有商品化的多样性产品；第五，国外 2 武汉理工大学硕士学位论文 的软件开发和应用已占有一席之地；第六，国外较完善的标准体系和技术准则。 阴极保护是金属结构体防腐中不可或缺的技术，我国在阴极保护技术发展 的道路上发展的还存在着各种问题有待解决。目前，国内只在长输管道都很重 视，在设计初期时通常可做到同步性，因此，长输管道设施设备在阴极保护下均 超过3 0 年寿命。随着近年来我国技术水平的逐步发展和提高，在某些领域内 也取得了突破性的进步，也可独立完成阴极保护重大工程的建设施工，所设计 的阴极保护产品还远销国外，但我们还是和国外的先进水平有着一定的差距， 例如在软件开发和应用上，遥测技术和遥控技术上以及电器材料设备的应用上 如何将现有的控制策略与网络技术结合起来实现远程监控，使控制系统具有更 好的分布性及可操作性，将是否能很好实现管理与控制一体化的关键【2 _ 3 1 1 3 课题的主要研究工作 针对用于石油管线和储罐防腐的阴极保护电源装置，设计的一套阴极保护 电源远程监控系统。该系统通过现场采集阴极保护电源系统的运行数据，将采 集的数据通过g p r s 无线通信方式，经i n t e r n e t 公网远程传输到监控中心的数据 库中，并对数据进行处理，以实现对远端阴极保护系统运行状态进行监测和控 制的目的对于授权的浏览用户，可以在远端对指定的电源模块控制调节。以 下为本文的主要工作 ( 1 ) 分析阴极保护电源远程监控方案的实现，选择g p r s 技术作为无线通 信方式。 ( 2 ) 根据阴极保护的要求完成现场电位采集、d c d c 模块电源电压电流温 度采集、g p r s 无线通信单元、c a n 通信接口的硬件和软件设计 ( 3 ) 对系统通信协议进行研究，实现阴极保护运行状态数据参数的采集， 监控中心数据的接收与发送。 ( 4 ) 分析监控中心的通信模式、编程语言、操作系统、数据库、发布平台， 完成阴极保护电源远程监控系统监控中心的软件系统平台设计开发。 根据的主要研究工作安排论文结构如下： 第l 章简述了研究的背景及意义，介绍了阴极保护电源远程监控系统的发 展现状。 第2 章对系统的总体设计方案进行了介绍，并阐述了系统的工作流程，且 对从阴极保护技术、g p r s 技术、j a v a 技术、w e b 技术及对系统的相关技术背 3 武汉理下大学硕士学位论文 景进行了简要介绍。 第3 章对系统的硬件进行了设计，主要有：( 1 ) 采集单元模块的硬件设计， ( 2 ) 电源模块电压、电流、温度采集电路的硬件设计，( 3 ) g p r s 通信电路与 c a n 通信接口的硬件设计。 第4 章对系统软件的电位采集单元、电源模块电压、电流、温度采集、无 线通信模块和监控中心开发平台进行了设计，其中对监控中心开发平台的设计 主要有：( 1 ) 服务器设计，( 2 ) 数据库设计，( 3 ) 登录模块设计，( 4 ) 设备管 理模块设计，( 5 ) g p r s 实时通信模块设计，( 5 ) 数据图形模块设计，( 5 ) 用 户及系统管理模块设计 第5 章搭建远程监控系统测试实验平台，通过测试验证系统的设计 第6 章对全文进行了总结并给出了的进一步研究展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章阴极保护电源远程监控系统总体方案设计 2 1 系统总体方案设计 2 1 1 阴极保护电源远程监控系统技术需求 阴极保护电源的远程监控系统相关技术指标需求如下： ( 1 ) 实时检测阴极保护电源的电压、电流和功率单元温度数据； ( 2 ) 连续记录长线管路段或储罐区域的电位变化； ( 3 ) 快速识别被保护对象的电位故障； ( 4 ) 快速识别被保护对象的涂层损坏情况； ( 5 ) 判断杂散电流影响； ( 6 ) 对电源系统远程控制和维护。 2 1 2 总体设计方案比较与选择 ( 1 ) 数据传输方案 针对于油管，储油罐或是埋地钢结构群体的复杂性，对于周期性检测或是 检修都存在相当大的难度和困难，在选择数据传输方案时选用无线通信方式和 有线通信方式，g p r s 通信方式和g s m 短消息通信方式做了如下比较： 无线通信方式与有线通信方式比较：无线通信无需架设电缆，开通速度快 考虑到整体的成本和工程周期是相当节省的；无线通信比有线通信的通信质量 高，不随线路的扩展而下降；无线通信不受地势、覆盖范围、地理环境的限制； 无线通信没有通信容量的限制，随时增加链路，可根据客户需求定制。有线通 讯方式只适应于小范围小区域的监控系统，对分布方位广、系统分散、地理位 置偏僻的全局监控管理采用有线通讯方式几乎是不可能的【4 1 。无线通信在可靠 性、可用性和抗毁性等很多方面超出了传统的有线通信方式。 g p r s 通信方式和g s m 短消息通信方式比较：g s m 短消息通讯方式维护 成本较低，但也有自身的不足：g s m 短消息通讯方式为半双工通信，因此不能同 时双向收发数据；在通信高峰时期，信道容易发生堵塞，影响通信质量。g p r s 通讯 方式是在g s m 的基础上发展出来的为g s m 用户提供无线分组交换技术的数据 5 武汉理工大学硕+ 学位论文 业务。g p r s 提供了高速数据处理技术的无线分组数据业务理论上价格较为便 宜并适用间断、突发、频繁、少量的数据传输。 目前g p r s 网络遍及全球，技术比较成熟，使用成本相对较低，就其优良 的传输性能是选择使用阴极保护电源远程监控实现远程数据传输的最佳方案。 ( 2 ) 监控中心模式选用方案 在分析阴极保护电源远程监控系统的特点可以出，需要使用多台计算机作 为操作终端对系统进行操作，而将系统的数据信息集中存储在w e b 数据库服务 上所以在开发设计时要对系统的架构模式进行选择，也就是c s 架构模式和b s 架构模式。随着计算机网络的迅速发展，监控中心的平台体系结构，运行环境 也在不断的发展。目前应用体系结构主要有终端主机( t e r m i n a l m a i n f r a m e ) 结 构、文件j l 艮务器结构( f i l e s e r v e r ) 、客户机, i l l 务器结构( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 及浏览器j l 艮务器结构( b r o w s e r s e r v e r ，b s ) 【5 】。终端主机结构现已被逐步淘 汰。文件服务器模式只适用小规模的局域网要求。因此本监控中心的平台体系 结构主要分析c s 模式和b s 模式。结合本系统软件设计开发需求对c s 架构 模式和b s 架构模式的分析比较如下： 1 ) c s 系统架构：即客户机( c l i c n t ) j 艮务器( s e r v e r ) 的缩写，是早期出现 的一种分布式架构模式。最简单的c s 架构模式只采用了一层是客户端程序和 二层是服务端数据库的两层软件组件，也就是只是把逻辑结构划分为了两层。 对于本系统结构来说，阴极保护区客户端范围数量庞大，地域广泛，这时如果 每个客户端都和数据库保持持久连接时，由于数据库系统所支持的并发连接数 量有限，就使得同时操作客户端程序数受到了限制，如果客户端程序不需要和 服务端数据库操持持久连接，只是传输数据时才建立，传输数据结束后就立即 断开，这样确实可以增加同时操作客户端程序的数目，但这种方法会给程序的 事务处理带来极大的困难，且第每次连接所需的时间相对较长，所以不太适合 频繁与数据库交互的客户端程序，只适合于通信量不多的应用。再就是c s 系 统架构没有对业务逻辑处理和界面显示进行分离，使得业务逻辑处理和界面显 示全部都由客户端来完成，这样会导致一个什么样的结果? 那就是无论是在软 件的安装上还是在软件修改、维护以及软件功能扩展方面，所谓牵一发就会动 全身，这种工作量和工作效率之低是完全可以想象的。其实简单来讲，c s 架构 模式在客户端就相当于和其它应用程序一样的一个桌面程序，功能方面也是很 强大的，所以在选择不同架构模式的时候要依据自身系统所要设计的软件结构 和需求分析来确定方案。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) b s 系统架构：即浏览器( b r o w s 砷服务器( s e r v e r ) 是c s 架构模式 的一种改进变化架构模式，采用了逻辑上的三层结构，而在物理上的网络结构仍 然是原来的以太网或环形网，这样，第一层与第二层结构之间的通信、第二层与 第三层结构之间的通信都需占用同一条网络线路【6 】，b s 模式是靠应用层的h t t p 协议进行通信的( 当然也要靠底层的好多协议支持) ，一般不需要特定的客户端， 而是需要有统一规范的客户端。可以实现客户端程序的“零”安装，便于维护 和管理，这时所有的数据交互，传递功能均在服务器完成【瑚】。 相对于传统的c s 模式，远程监控系统基于b s 模式方法，克服了c s 模 式的缺点，使用户可在任何台式机和笔记本电脑随时随地在浏览器上直观方便 快捷监控到远程设备的运行情况，所以最终选用b s 架构模式作为监控中心的 开发的架构模式 ( 3 ) 阴极保护电源远程监控系统总体结构图 阴极保护电源远程监控系统的结构如图2 1 所示。阴极保护电源远程监控系 统由阴极保护电源、g p r s 通信电路模块、服务器、数据库和浏览器组成。将采 集的数据通过g p r s 无线通信方式，经i n t e r n e t 公网远程传输到监控中心的数据 库中，并对数据进行处理，以实现对远端阴极保护系统运行状态进行监测和控 制的目的。对于授权的浏览用户，可以在远端对指定的电源模块控制调节。 一面1i 一画1 笛：i 露i 褥1 凰 图2 1 阴极保护电源远程监控系统总体结构图 7 武汉理工大学硕+ 学位论文 2 1 3g p r s 系统构架设计 g p r s 无线网络数据传输的组网方案很多，实际应用中组网方案可以包括公 网静态口、动态域名解析、a p n 专线接入、s m s 通讯等【9 】基于本系统所研究 的应用背景阴极保护电源的远程程监控系统的工作状态，需要监控的对象是如 长输油管道，储油罐等埋地金属结构群，对通信网络的容量有一定要求，兼顾 到考虑成本因素， 本文中选择g p r s 网络接入i n t e m e t 公网，使用公网静态m 或公网动态 i p + d n s 解析服务。 2 2 远程监控系统系统工作流程 由于通信控制抗干扰能力强，控制成本低，传输距离远，控制数量多，在 实际应用中得到了越来越广泛的运用 阴极保护电源远程监控系统为四个层次架构：第一层为m s p 4 3 0 f 1 6 9 作为 控制芯片的采集单元要与被采集对象尽可能靠近，再通过a d 转换将数字信号 通过r s 4 8 5 r $ 4 2 2 总线传给第二层，而第二层则是为以d s p i c 3 3 f j l 6 g s 5 0 4 芯片 为核心芯片的数字控制单元，第三层为采用微处理器l p c 2 1 3 4 ( 删7 ) 和无线 控制模块s i m 3 0 0 控制方案的g p r s 通信单元，第四层为采用j a v a 编程语言设 计方案的监控中心，以及b s 模式的运用，如图2 2 所示。 在传统设计结构中通常以三层架构作为设计方案的很多，由于传统三层架 构中采集单元与控制单元没有区分开来，当采集的模拟信号不同长度的传输影 响，而线上产生的压降导致模拟量采集到m c u 中的数据有不同程度的偏差，从 而产生误差，本文所提出了四个层次架构远程监控系统系统：第一层现场数据 采样层、第二层数据控制层和第三层g p r s 无线通信层以及第四层监控中心层。 而相对于传统的c s 模式来说，远程监控系统基于b s 模式方法则克服了 c s 模式的缺点，使用户可在任何台式机和笔记本电脑随时随地在浏览器上直 观方便快捷监控到远程设备的运行情况，并根据不同的授权，用户所管理的权 限范围不同而进行控制。监控中心层采用b s 设计模式。 8 武汉理上人学硕士学位论文 图2 - 2 系统的四层架构及b s 模式 2 3 阴极保护电源远程监控系统相关技术 2 3 1 阴极保护技术 阴极保护的定义是：通过施加外加的电动势把电极的腐蚀电位移向氧化性较 低的电位而使腐蚀速率降低，保护电位是指阴极保护时使金属腐蚀停止( 或可忽 略) 时所需的电位，即最低抑制腐蚀所需的电位f l o 】，实践中，钢铁的保护电位常 取一0 8 5 v ( c s e ) ，也就是说，当金属处于比一o 8 5 v ( c s e ) 更负的电位时，该金 属就受到了保护，腐蚀可以忽略，电化学腐蚀是由于金属与电解质溶液接触时， 金属表面各个部分存在一定的电位差( 即存在阴极区和阳极区) 所引起的【1 1 1 。 例如，海船体水下表面由于镀层缺陷或其他原因引起不同区域的电位差可达 5 0 1 0 0 m v ，这样的电位差足以引起溃疡腐蚀，有的海船航行两年后船体钢板 上腐蚀深度达到2 5 m m ，并出现直径为1 0 - 2 0 m m 的蚀坑【1 2 】。电极反应的方程 式如下【1 3 】： 凡专凡2 + + 2 e 一 ( 1 ) d 2 + 2 4 d + 能一专4 鲫一 ( 2 ) 9 武汉理工大学硕士学位论文 为了消除金属表面不同不为在电解质溶液中的电位差，可通过牺牲阳极或 外加电源对金属构筑物施加阴极电流，使其发生阴极极化极化结果使金属的 电位向负方向移动，直到原来的电位差消失，腐蚀自然停止。 阴极保护主要有两种方法n 耵：牺牲阳极阴极保护，外加电流阴极保护。图 2 3 为阴极保护原理图。 厂 h 直流电源卜! _ 外部阳极 一妒金属管道 扩一 图2 3 阴极保护基本原理 ( 1 ) 牺牲阳极阴极保护 牺牲阳极阴极保护是由一种比被保护金属电位更负的金属或合金与被保护 的金属电连接所构成，在电解液中，牺牲阳极因较活泼而优先溶解，释放出电 流供被保护金属阴极极化，实现保护n 副 ( 2 ) 外加电流阴极保护 外加电流法( 又称强制电流法) 阴极保护的原理是由恒电位仪为主的直流 电源与辅助阳极、参比电流对被保护金属体构成阴极防腐保护系统【l 们外加电 流阴极保护系统就是利用腐蚀电池的原理，将需要被保护的金属结构( 罐体、管 道) 作为阴极，通过阳极( 高硅铸铁) 向阴极不问断地提供电子，首先使结构极 化，进而在结构表面富集电子，使其不易产生离子，因而大大地减缓了结构的腐 蚀速度【1 7 】。由d c 电源、参比电极、辅助阳极所构成，也就是直流电源向金属 结构体加阴极电流，使其阴极极化达到保护目的。 ( 3 ) 阴极保护电源运行参数的监测意义 阴极保护的运行参数包含电位、电流、温度，运行参数反应当前阴极保护 的运行状态。阴极保护电位的监测参数中尤为重要，阴极保护电位值最能反应 当前阴极保护对金属结构群是否正常运行状态的重要判定依据，当阴极保护电 位的值在0 5 v 3 v 范围之内时，该金属结构设施就实现了阴极保护目的；否则 没受到保护，这时监控中心需提供给阴极保护电源一给定值，使d c d c 电源模 块调整其输出电压，实现保护作用。 1 0 武汉理工人学硕士学位论文 2 3 2g p r s 技术 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 即通用分组无线业务，是在g s m 的 基础上构建而成的的无线数据传输系统，使用了分组交换技术，在无线接口上 动态分配信道，既可在线保持，又不独占信道，可使频率资源的利用率大幅度 提高，理论上数据传输速率可提供9 0 5 - - 一1 7 1 2 k b s 特别适合突发性数据传输。 g p r s 核心网采用基于分组交换模式的m 技术来传送不同速率的数据及信令【l 引。 g p r s 的系统结构可分为4 个部分：m s ( 移动台，由m t 和t e 组成) ，b s s ( 基站子系统) ，c s s ( 电路交换子系统) ，p s s ( 分组交换子系统，包括s g s n 和g g s n ) 。g p r s 网络可以分为无线接入和核心网络两个部分【1 9 1 。 g p r s 系统发展到现在，在一定程度上很大的解决了g s m 系统所存在的问 题，其性能特点包括：高效地利用网络资源，提高频率利用率；支持中，高速 率的数据传输；g p r s 网络支持t c p i p 等协议，不需要转接，接入速度快，直 接与p 网互通，实现无缝连接；g p r s 计费方式按不同的服务质量，如优先级 别、延时率、传输数据量；口技术是g p r s 的核心网络层，底层可采用多种传 输技术方式，可以与i n t e r n e t 网络i n t r a n e t 网完全无缝连接。g p r s 系统可提供2 类业务：一是点到点业务( p o i n tt op o i n t ) ；二是点到多点业务( p o i n tt om u l t i p o i n t ) 例。 g p r s 系统的主要网元包括：逻辑网络节点g s n ( s g s n 与g g s n 的总称) 、 协议数据单元p c u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) 、计费网关c g 、边缘网关b g 等。 g g s n 负责外部分组网络的逻辑接口与p 网连接，s g s n 将分组数据传送 到服务区内的m s ( 移动终端m o b i l et e r m i n a l 和终端设备t e r m i n a le q u i p m e n t 组 成) ，源g s n 将p d u 打包，使用t c p i p 协议传送，由目的g s n