（控制理论与控制工程专业论文）基于gsm的防腐电源监控系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本论文任务是研究出基于g s m 无线通信技术的无线防腐电源监控系统，设计 基于g s m 技术的防腐电源智能监控节点与c s 结构的上位机处理软件是该项目的 关键。 传统防腐电源智能监控系统要求监测地域集中，并且施工布线困难，无法大 规模工程应用，论文在分析传统防腐电源监控系统的不足之后，提出了基于g s m 远程数据传输技术的防腐电源智能监控节点设计方案，并以g s m 通信协议设计防 腐电源监控系统上位机软件，上位机软件采用c s 结构，实现了采集数据的保存、 共享及其数据的分柝与发布。 论文首先运用单片机技术实现了的防腐电源智能监测节点的硬件电路整体设 计，并重点介绍了g s m 智能监控节点与g s m 传输模块的通信接口电路设计、并 且围绕该接口电路，制定了上位机与下位机的通信协议，然后依照该协议设计了 基于c s 结构的防腐电源监控中心管理软件，并且根据g s m 模块通信协议设计了 g s m 传输模块设置软件，最后详细介绍了上位机软件中数据采集模块和数据库模 块的实现思想和源程序，给出了硬件系统和软件系统的联调试验效果，并对防腐 电源监控系统的发展前景做出了展望。 本论文是围绕管线防腐电源的运行与监控系统进行设计的，针对野外管线安 装范围广的特点，设计时采用了新型电子技术与无线技术的有机结合，同时利用 上位机强大的数据处理能力，实行数据分析和实时监控。该系统的运用实现了防 腐工程的无人化管理，并具有低成本、容易扩展、可靠性强等特点，为防腐工程 的远程管理提供了较好的解决方案。 关键字：防腐电源，g s m 智能监控节点，g s m 协议，c s i i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ri sd e v e l o p e db a s e do nt h em i s s i o no ft h eg s mt e c h n o l o g yc o r r o s i o np o w e r m e a s u r i n g c o n t r o l l i n gs y s t e m ，d e s i g nh a r d w a r ec i r c u i tb a s e do ng s mt e c h n o l o g yc o r r o s i o np o w e r m e a s u r i n g c o n t r o l l i n gn o d e sa n dm a n a g e m e n ts o f t w a r eb a s e do i lc ss t r u c t u r e a r et h ek e yp r o j e c t s t r a d i t i o n a lw i s d o mc o r r o s i o nm o n i t o r i n gs y s t e mf o rm o n i t o r i n gp o w e rg e o g r a p h i c a l c o n c e n t r a t i o n ，a n dt h ec o n s t r u c t i o nw i r i n ga r ed i f f i c u l tt ou s el a r g e s c a l ep r o j g e t s ，e s s a y si nt h e a n a l y s i so ft h es h o r t c o m i n g so ft t a d i t i o n a lc o r r o s i o np o w e r c o n t r o ls y s t e m ，m a d el o n g - d i s t a n c ed a t a t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yb a s e do ng s ms m a r tc o r r o s i o np o w e rc o n t r o ln o d e ，g s mc o m m u n i c a t i o n s a n da g r e e m e n t sd e s i g n e dt oc o r r o s i o np o w e rc o n t r o ls y s t e mm o n i t o r i n gs o f t w a r e ，t h es o f t w a r eu s e d c ss t r u c t u r e ，r e a l i z e dc o l l e c t i o no fd a t ap r e s e r v a t i o n ，d a t as h a r i n ga n da n a l y s i sa n dd i s s e m i n a t i o n t h ef i r s tr i s em c u t e c h n o l o g yt oa c h i e v eo v e r a l lh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no fc o r r o s i o np o w e r s m a r tm o n i t o r i n gn o d e s ，a n dh i g h l i g h t st h eg s ms m a r tm o n i t o r i n gn o d e sa n dg s m t r a n s m i s s i o n m o d u l ec o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c ec i r c u i t sd e s i g n ，a n df o c u so nt h ei n t e r f a c ec i r c u i t s ，d e s i g n e da c o m m u n i c a t i o n sa g r e e m e n tb e t w e e np ca n d n a nm o n i t o r i n gn o d e t h es e c o n d ，d e s i g n e dt h e m a n a g es o f t w a r eb a s e do nc $ s t r u c t u r ea n dg s m m o d u l es e t t i n gs o f t w a r e ，t h ef i n a ld e t a i l so f d a t a b a s em o d u l ei nt h em a n a g es o f t w a r ei si n t r o d u c e d ，a n dt h eo v e r a l lt e s to fh a r d w a r es y s t e m sa n d s o f t w a r es y s t e m sa f eg i v e n i ti se f f e c t i v ei nt h em o n i t o r i n gs y s t e m a f t e ru s i n gt h em e a s u r i n g c o n t r o l l i n gs y s t e m ，t h ea n t i c o r r o s i v ep r o j e c ta p p l i c a t i o nc a r l r e a l i z en o b o d y - d u t ym a n a g e m e n ta n dl o w c o s t s ot h i sr e s e a r c ha n dd e s i g nh a sh i g hp r a c t i c a lv a l u e a n dr e f e r e n t i a ls i g n i f i c a n c ei nt h ea r e ao fa n t i c o r r o s i v ep r o j e c t k e yw o r d s ：a n t i c o r r o s i v ep o w e r ，g s mm e a s u r i n g c o n t r o l l i n gn o d e ，g s mp r o t o c o l c l i e n t s c r v e r 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 课题名称：基于无线技术的防腐电源智能监控系统研究。 课题来源：在新型防腐电源的基础上，根据具体的现场环境特点与技术要 求，运用无线技术，研制出无线智能监控节点，解决远程通讯的问题，达到远 程监测与控制的目的。论文的主要工作为：监控系统的整体方案设计，研制无 线智能监控节点和监控管理软件，解决智能监控节点硬件设计、无线通信接口 设计和上位机软件设计方面的技术问题。 1 2 防腐工程的发展现状 金属发生腐蚀是一种自然的趋势，且到处可见。因此，研究腐蚀的重要意 义是多方面的“。其一是经济方面，腐蚀给金属材料造成的直接和间接损失是巨 大的。估计全世界每年因腐蚀报废的钢铁设备约相当于年产量的3 0 ，若其中2 3 可回炉再生，仍有1 0 的钢铁由干腐蚀一去不复返了。其中金属构件的毁 坏造成的间接损失远比金属材料的价值大得多，如飞机、轮船、桥梁、锅炉等， 其造价远超过原材料价格。据美国国家标准局( n b s ) 调查，1 9 7 5 年美国因腐蚀 造成的损失高达7 0 0 亿美元，或者说占国民经济总产值( g n p ) 的4 2 。光 明日报1 9 9 9 年1 月2 0 日报道，1 9 9 7 年因腐蚀给我国国民经济带来的损失高 达2 8 0 0 亿人民币。澳大利亚、英国、日本和其他国家腐蚀损失的研究结果也己 经发表，这些国家的腐蚀损失一般占国民经济总产值( g n p ) 的3 4 。其中 这类损失约有1 5 应用目前己有的防腐技术就可避免。其二是安全性方面，因 为腐蚀可能造成设备灾难性的破坏事故。这类设备如：压力容器、锅炉、储存 有毒物质的金属容器、汽轮机叶片和螺旋桨、桥梁、飞机零件和汽车驾驶机构。 其三是环境和资源方面。腐蚀不仅持续不断地消耗和浪费地球上宝贵的金属资 源，而且腐蚀破坏会造成工程中物质的跑、冒、漏，都会引起环境污染。如会 属供水管道的腐蚀产物，某些防腐蚀防污损生物附着的添加剂等进入水和土壤 中也会影响生物链，从而直接或间接进入人体。建筑材料和车辆的腐蚀产物在 雨水冲刷下进入土壤和地表水同样影响人类的生态环境。 武汉理工大学硕士学位论文 余属腐蚀不仅给国民经济造成了巨大的经济损失，而且严重影响我们的生 存环境。若采用适当的防腐措施是可以将腐蚀控制住，以致避免腐蚀事故的发 生。人类在和腐蚀作斗争的过程中，不断探索和总结腐蚀科学，阴极保护技术 的发展就是与腐蚀科学的进步分不开的。 阴极保护技术是根据电化学技术发展而来的，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。例如，海船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 l o o m y ，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l o 2 0 m m 的蚀坑。为了消 除金属表面不同部位在电解质溶液中的电位差，可通过牺牲阳极或外加电源对 金属构筑物施加一阴极电流，使其发生阴极极化。极化结果使金属的电位向负 方向移动，直到原有的电位差消失，腐蚀自然停止。以海船为例，从腐蚀电位 开始向负方向极化2 2 5 0 m v ，就能达到保护度9 0 以上。 由于易腐蚀的金属构件大部分分布在野外或者是地下，并且分布范围广， 如石油管道，城市供水、供气等埋地管线。随着社会经济的迅速发展，埋地管 线已经成为现代工业和国民经济的命脉，加上其恶劣的现场环境和特殊的运输 物质( 如石油、天然气和生活用水) ，必然对防腐技术提出了更高的要求。防 腐电源是阴极保护技术中最为关键的设备，传统的防腐电源已不能适应现代工 业防腐发展的需要，因此，必须研究新一代的防腐电源来满足现代工业发展的 需求，运用无线技术、半导体变流技术和软件面向对象程序设计技术等来设计 的无线防腐电源系统将有很广阔的运用前景。 1 3 防腐电源监控系统中的数据通信 通信是一种特殊类型信息的共享，是指在两个或者更多实体之间共享信息 或消息。正如任何类型的共享或交换样，通信至少需要两个实体，一方必须 发送信息，而另一方接收信息。这里的实体可以是人，也可以是物。 防腐电源监控系统由于其监控对象的特殊性，必须使用远程通信方式。远 程通信根据所传输的对象不同可分为三类：语音远程通信、视频远程通信、数据 远程通信。本项目所涉及的是数据远程通信，数据远程通信是指使用电信号在 数据采集对象和数据接收对象之间在一定距离上交换经过编码的数据信息1 ， 目前，在工程测量、控制领域常用的数据远程通信方式有以下几种： 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 用交换电话网络 p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) ，即公用交换电话网络。利 用现有的电话网进行数据通信是个经济有效的方案。利用电话线通信，只需在 监测终端和管理中心主机各加装调制解调器即可。使用这种方式传输距离远， 精度高，且传输误码率低，主机对监测终端的呼叫可以通过拨号由交换机自动 完成，也可租用专线，但费用高。电话线通信方式进行数据通信时，线路连接( 包 括呼叫应答等) 时间较长，通常需几秒到几十秒，这使得管理中心无法对用户实 时监控，而且当监测终端数目较多时，租用电话线路多，其运行费用高，因此 不适应大容量系统。而且这种方式依赖现有的公用电话网络，对于尚未铺设电 话线路或无法铺设电话线路的监控地区则不适用。 2 ) 利用无线电台通信网路 对于地理位置偏僻、布局分散、难以进行有线通信的监测终端，利用无线 电波进行数据通信是一种较好的选择。其特点是传输频带较宽，通信容量较大 ( 可达几千台) ，通信距离一般为几十公里，还可通过中继站延伸到更远。但是 利用无线电台进行数据通信仍然存在着一些固有的缺陷，如产品硬件成本高， 使用时需申请频点使用权，传输可靠性低，数传距离短等，一般商用电台的传 输距离都在1 0 0 公里的数量级，不利于长距离数据传输；传输设备维护困难， 商用电台工作功率大，货源复杂等都导致商用电台故障频率较高，其维修费用 比较高，不利用野外防腐电源的监控。 3 ) 利用g s m 网络 g s m ( g t o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 为全球移动通信系统， 是目前发展较成熟的一种数字移动通信系统。 g s m 系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统，具有抗干扰能力强， 覆盖区域内的通信质量商的特点；其加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络 安全：g s m 系统具有灵活和方便的组网结构，在数据通信方面能满足用户对大容 量、高密度业务的要求”。 g s m 网络的移动数据业务包括：g s m 网络的电路交换移动数据业务、提供手 机上网的w a p 功能、短消息业务( s m s ) 、通用分组无线业务( g p r s ) 等。其中，短 消息业务是g s m 网络利用控制信道传送短消息数据，每条短消息长度不超过1 4 0 字节，可以利用短消息数据通道传送少量数据，被控终端可将监控对象中的温 度、电压等采集数据或检测模块所产生的报警信息以数据方式送到中心站。而 且g s m 网络的移动数据业务是双向的，可由中心站向被控终端发送控制信号。 武汉理工人学硕士学位论文 1 3 1g s m 短消惠( s 髂) 的网络体系结构 g s m 数字移动通信系统史源于欧洲。它的出现标志着第二代移动通信系统 ( 2 g ) 的诞生。所谓移动通信，一般是指移动体与固定地点、或者移动体相互间 的通过有线和无线信道进行的通信“，g s m 网络主要由交换网路子系统( n s s ) 、 无线基站子系统( b s s ) 和移动台( m s ) 三大部分组成曲。它们之间的基本网络结构 如图卜1 所示： 图1 一ls m s 网络结构图 其中： s m e ( s h o r tm e s s a g ee n t i t y ) 短消息实体：负责接收和发送短消息。可以位 于固定电话系统、移动基站或其他服务中心内。 m s c ( m o b i l es w i t c h i n g c e n t e r ) 移动业务交换中心：是整个g s m 系统的核心， 它提供交换功能及面向系统其它功能实体的接口功能，并把移动用户与移动用 户移动用户与固定网用户相互连接起来，就短消息业务而言，它提供必要的路 由选择和临时缓冲功能。 s m s c ( s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t e r ) 短消息服务中心：在s m e 和移动台之 间传输短消息的过程中，负责中继存储和转发短消息的功能实体，s m s c 不属于 g s m 系统任何组成部分，但是在实际运营中s m s c 和m s c 往往是合而为一。 s m s g g 讯t s ( s h o r tm e s s a gs e r v i c eg a t w a ym s c ) 短消息服务网关移动服务交 换中心：一种能够从s m s c 接收短消息的m s c ，接收由s m s c 发送的短消息，向h l r 查询路由信息和短消息信息然后转发短消息到接收者所在的m s c 。 v l r ( v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ) 访问位置寄存器：存储着进入其控制区域 内的临时用户的相关信息，为这些临时用户提供建立呼叫链接的必要条件。 4 武汉理工大学硕士学位论文 h l r ( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ) 归属位置寄存器：是g s m 系统的中央数据库， 存储着该h l r 控制的所有存在的移动用户的相关静态数据，并且存储着移动用 户实际漫游所在的) a s c 的有关动态信息数据。就短消息业务而言，当s m s g m s c 从s m s c 接收到一个正确的短消息t p d u 时就向h l r 查询路由信息，然后使用这 些路由信息转发短消息到m s c 。 b b s ( b a s es t a r i o ns y s t e m ) 移动基站系统：负责与手机进行无线通信。 1 3 2g s _ 短消息的数据接口及控制协议 在g s m 系统中短消息的收发是通过数据终端设备d t e 与数据电路端接设备 o c e 之间的终端接口来实现的。该接口是一个符合c c i t tv 2 4 与e i ar s 一2 3 2 一兼容的异步串行接口。g s m 规范对通过该接口进行短消息传输定义了三种控制 协议，即二进制协议( 通常称“块模式”) 、基于字符的使用a t 指令接口协议 ( “文本模式”) 、基于字符的使用十六进制编码的二进制传输消息块接口协议 ( “p d u 模式”) 。块模式( b l o c k m o d e ) 是一种使用二进制编码来传输用户数据的 接口协议。为了提高可靠性，它还带有差错保护，因而适合于链接不完全可靠 地区，尤其是那些要求控制远程设备情况，它属于g s m 第一阶段的短消息传输 接口协议，当时的g s m 系统还不太成熟，可靠性不高，因而使用块模式符合当 时的实际情况。现在的g s m 系统已进入第二阶段，技术非常成熟，可靠性很高。 可是为了保持与第一阶段兼容，g s m 规范仍然保留了块模式，但是建议使用p d u 模式或者文本模式。 文本模式( t e x tm o d e ) 是一种使用a t 指令传输文本数据的接口协议。该 模式适合于非智能终端、终端仿真器和一些基于v 2 5 t e r 自动呼n 自动应答的 应用软件。在文本模式发送短消息只需输入目的地址( 对方的手机号) 和消息内 容用一条a t 指令即可完成( 详见6 s m 通信协议部分) 。p d u 模式( p r o t o c o ld a t a u n i tm o d e ) 是一种使用a t 指令传送十六进制编码的二进制用户数据的接口协 议，这种传送方式类似于计算机网络中的分组交换，每一条短消息的全部用户 数据作为一个数据块附加上目的地址和控制信息一次性发送出去。有些a t 指令 结构无需理解消息块的内容，仅在移动终端和终端设备的上层驻留程序之间传 输数据块，基于这种a t 指令的应用程序非常适合这种模式。 武汉理j 二人学硕士学位论文 1 3 3s m s 在防腐电源监测领域的应用 实现对野外防腐电源大面积自动监测需解决三个问题”。：一是如何在环境 恶劣的条件下对防腐电源电源值进行准确测量；二是找到一种适合在无人的偏 僻地区进行远程、实时通信的方式；最后要解决工程实用化的要求，要求系统 投资少，安装维护简单，便于大规模普及并且便于进行监控数据的集中管理和 信息共享。针对防腐电源自动监测系统中的数据远程通信问题，我们利用g s 精 网络的短消息业务( s m s ) 加以解决。利用s m s 实现数据的远程传输是目前解决小 量数据远程传输问题的理想技术，这一技术具有以下优点： 1 ) g s m 网络是目前发展最快、覆盖面最广的移动通信网络。 目前我国已基本上建成了可以覆盖全国9 0 以上面积的移动通讯网络。 由于s m s 依附在g s m 网络之上，因此，在g s m 网络覆盖的范围内都可以传送短 消息。 2 ) s 瞒最适合应用到数据采集点分散、数据量较小的系统中。 s m s 采用无线方式传送数据信息，短消息的发送与接收可以在移动中完 成。每条短消息长度不超过1 4 0 字节，如果对采集数据进行压缩编码处理后， 这一容量对于实时性要求不高，且传输数据量不大的防腐电源系统来说是完全 足够的。由于g s m 网络在全球范围内实现了联网和漫游，短消息传输可以不受 地域环境、时间、信息源数量等条件的限制，可以实现大面积、多测点的同步 监测，g s m 网络络本身具有抗干扰能力强、数据传输可靠、保密性强的特点，能 够在一定程度上保证数据的可靠传输。现场设备接线少，非常适合于在6 s m 网 络可以覆盖到的地下埋管、野外金属腐蚀严重的区域进行监测。 3 ) s m s 具有运行价格低廉，设备通用性强，系统建设初期投入费用低等优 点。 建立基于s m s 的监控系统时不需再重复投资建设新的传输基础设施与通 信平台。只需为各种具有标准通信接口的防腐电源监测模块增加专用无线g s m 传输模块，并修改原有监控设备通信接口扔议，就可以方便快捷地完成防腐电 源监测信号和控制命令的远程无线通信，实现真正意义上的无人值守远程设备 监控，这为防腐电源的大规模工程应用打下了基础。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 课题研究的目的及意义 具有远程监控功能的防腐电源系统能广泛应用于石油，天然气，城市供水， 电缆等埋地管线的防腐工程，其可靠性，高性价比，易维护性对于上述管道金 属构件的防腐工程具有极其重要的经济意义和环保意义。 特别近几年来，随着我国经济的不断发展，对能源的巨大需求和对城市环境 的改善，大量使用埋地管线来承担运输燃料和水电的运输功能，越来越突出了 金属防腐的重要性。虽然在以前防腐电源的开发上取得了一定的成绩，但由于 其起点低，发展空间小，已经不能满足现在的安全和环保要求，具体表现在： 1 ) 现场布线困难，由于埋地管线等监控对象，大都分布在野外，分布范围 广，施工布线及其困难，这给防腐电源监控系统的工程应用带来了很大 的障碍，难以大面积的推广防腐电源的工程应用。 2 ) 可靠性差，由予全部采用分立器件设计，各个模块之间的信号传输具有 较大的不准确性，缺乏自检测和自诊断功能，容易出现故障，导致系统 的整体失效，甚至产生破坏性事故。 3 ) 精确性差，采用模拟器件设计，无法实现复杂的控制算法来提高精度。 参数一旦设置无法随时进行修改，导致设备无法对控制对象的改变选择 适合的控制参数。 4 ) 抗干扰性差，防腐对象多为埋地管线，位于潮湿，多尘的地下管道。仅 使用模拟滤波和金属屏蔽等抗干扰方法无法适应如此恶劣的现场环境。 5 ) 可维护性差，埋地管线分布广，特别是石油管道等野外器件，不可能进 行定期频繁的人工检修，一旦莱个点出现故障，查找故障点成为一件极 其困难的工作。目前的防腐电源在硬件结构上多由分离式模拟器件构 成，未采用新型集成芯片，使电源的结构、功能扩充和使用维护都较困 难。 6 ) 管理成本高，各个防腐点都彼此独立，无法进行统一管理。由于缺乏上 位机监控功能，无法进行远程监控，极大地提高了管理和维护人力成本 的投入。因此难以满足用户集约化管理和开放性监控的要求，不适应大 规模工程应用，客观上阻碍了防腐电源监控技术的推广。 如采用新型微处理器、计算机软硬件及无线通信技术，研究开发新型无线 智能防腐电源及远程监控管理软件恰好能弥补以上不足。智能化防腐电源监控 节点以单片微处理器和各种新型集成电路芯片为核心进行设计，利用成熟的无 武汉理r t 大学硕十学位论文 线技术和无线传输网络系统达到增强仪表功能、提高测量准确性、可靠性及提 供工程应用化的目的。因此，本项目的开展不仅能有力地增强我国防腐电源的 性能质量、推进防腐电源工程化应用，而且对促进防腐工程的发展，具有极大 的经济意义和工程意义。 1 5 主要研究内容 本论文研究的主要内容如下： 1 ) 计出g s m 智能监控节点的通信接口电路。 2 ) 计出6 s m 传输模块的设置软件。 3 ) 设计出防腐电源监控中心管理软件。 4 ) 系统的联调测试。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章防腐电源监控系统的整体设计 2 1 防腐电源的基本原理 2 1 。1 阴极保护技术原理 金属腐蚀主要是由于金属表面与电解溶液不同的电位差引起的。阴极保护 技术使利用外加电源对金属构件旌加一阴极电流，使其发生阴极极化，极化结 果使金属的电位向负方向移动，直到原有的电位差消失，腐蚀便自然停止。 从阴极保护原理中得知，由外部直流电源向被保护的金属构筑物施加阴极 电流，可使其发生阴极极化，达到降低甚至完全抑制金属腐蚀的目的。由此决 定了外加电流阴极保护系统的3 个组成部分：直流电源，辅助阳极和被保护的 阴极。图2 0 l 是埋地金属管道外加电流阴极保护系统结构示意图。 图2 1 埋地管道外加电流阴极保护系统结构示意图 2 1 2 防腐电源基本原理 防腐电源是阴极保护技术中关键的技术，外加电流阴极保护系统示意图如 图2 - 2 所示，其等效原理图如图2 - 3 所示。防腐电源的f 输出端与阳极相连，负 输出端与管道相连，下面放一标准的参比电极。保护电流i 由防腐电源的正端一 9 武汉理工大学硕士学位论文 阳极一参比电极一管道一防腐电源的负端形成闭合电路。在图2 3 中，r t 为阳 极至参比极间的土壤电阻；r g 为管道缘层电阻和参比极与阴极嵋j 的土壤电阻； r i 为管道表面的极化电阻：q 为管道金属表面与周围介质间电容。若把参比电 极的电位视为“地”，由原理可知防腐电源的任务就是使管道紧靠参比电极的电 位u r 保持在0 8 5 v 1 5 v 之间。如果u f 高于0 8 5 v 时保护效果下降，低于1 5 v 时易引起管道防腐涂层脱落。当u r 保持在0 8 5 v 1 5 v 之间某个值时便可起到 良好的阴极保护作用。 图2 - 2 阴极保护系统示意图 图2 - 3 阴极保护系统等效原理图 2 1 3 防腐电源的系统设计原理 防腐电源本身就是高频开关电源，传统的防腐电源设备普遍采用的是传统 的电力电子技术，也就是以可控硅作为功率元件的相控整流技术。本设计中采 用新型大功率器件v m o s f e t 管和p w m 技术并采用半桥结构研制新型的防腐 电源，具有体积小，效率高，噪音低，精度高，成本低等优点n 。 防腐电源系统主要包括功率单元和控制单元两部分，功率单元由输入回路、 功率转换电路和输出回路三部分构成，设计中采用开关器件较少的半桥结构， 功率单元的电路结构图如图2 4 所示。 功率转换电路由高频变压器、整流滤波电路、主开关器件及其驱动电路等 组成。主开关器件选用驱动功耗小、开关速度快而且不会二次击穿的v m o s f e t 管，并采用抗干扰能力强的变压器耦合的方式进行驱动。输出滤波电路中由电 感、电阻和电容组成，使输出的直流电压更平滑，同时减小了纹波系数。而且 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 系统还采用合闸控制电路控制系统合闸瞬间产生的浪涌冲击电流对系统的影 响。 黧爿恭e 辜： 1 合i t 一拄韶i 电踏 。i 一宙厂 、宝莲西 l 3 驱 广 1 毒宝瓜磊磊砰 l1 i 动 一吲 i 串：睦塑苎苎皇些卜 哔阡 电 if 臣垂磊磊砰 图2 4 功率单元结构图 控制单元电路原理图如图2 5 所示。控制电路的主要作用是给主电路中 v m o s f e t 管的栅极提供可靠的电压驱动信号，并且脉宽可调。本设计中采用 电压模式的p w m 控制器s g 3 5 2 5 a 来实现这个功能的。p w m 控制器为 s g 3 5 2 5 a ，双通道输出，每一通道的驱动电流最大值达5 0 0 m a ，能够直接驱动 功率m o s 管，其工作频率高达4 0 0 k h z ，还具有欠压切断、可编程软启动等特 点。 蛤 图2 - 5 控制电路原理图 控制电路中采用了反馈网络，当实际电位绝对值比给定值高时，控制电路 武汉理工大学硕士学位论文 便会自动降低脉宽输出：反之亦然，最终使给定的电位保持恒定。另外，以 s g 3 5 2 5 a 为核心的控制电路还具有过流、过压及过热保护、软启动等功能以保 证仪器长时间安全可靠地运行。 2 2 防腐电源监控系统的整体设计 本项目是针对薪型智能防腐电源的监控系统，其研发背景是在分布较广的 埋地管线中，采用阴极保护技术，使用多个防腐电源，对金属构件进行电位补 偿。以及实现对电源模块工作状态的远程控制和实时监测，满足用户对整条管 线防腐电源的集中管理的需求。本项目达到的目标不但要实现远程监控的功能， 还要充分考虑到实际的现场环境，提高整个系统的稳定性、可靠性、集成化和 开放性，以及在防腐电源工程应用化上获得较大的提高。 本项目所设计的无线g s m 防腐电源监控系统分为现场g s m 防腐电源智能 监测模块( 以下简称g s m 智能监测模块) 和防腐电源监测中心( 以下简称监铡 中心) 两部分，示意图如图2 6 所示。现场g s m 智能监测模块是指分布于 各处的防腐电源被测站点。对于不同的被测站点，g s m 智能监测模块所用的 s i m 卡是不同的，以此来区分各个不同的被测站点。g s m 智能监测模块能够实 现防腐电源监测数据的采集、计算、存储与现场显示，并可通过公用g s m 网 络向监测中心或手机发送监测信息，也可接收来自监测中心或手机的控制指令 信息。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 6 防腐电源监控系统示意图 监测中心包括装有防腐电源数据管理软件、数据库系统、上位p c 机和g s m 传输模块，其功能是接收来自各个被测站点的监测信息，将接收到的监测信息 加以分析、实时显示和存储，并且该系统可以对历史数据进行套询、分析和生 成用户所需的报表。如果需要进行远程控制可以加装控制模块。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 系统工作原理 阴极保护技术简单地说就是测量被保护电位( 即管地电位) 根据其大小变 化，调节补偿保护电流大小，起到对金属构件的防腐作用。而防腐电源是阴极 保护系统中最核心的设备。防腐电源本身就是高频开关电源，本项目针对的是 新型防腐电源，其采用新型大功率器件v m o s f e t 、p m w 技术，能进行恒电位、 恒电流输出控制，并对过电流、过电压、雷击等破坏状态采取保护。 g s m 智能监测模块对管地电位信号，输出电流信号等进行数据采集，掌握现 场运行数据，并对输入电压和电流进行实时监测，掌握工作状态数据，并对所 有数据进行比较、分析和计算，输出相应的控制信号。具体如图2 7 所示。 给定电压 防腐电源 帚+ 崮鞫一哥 图2 7 现场信号示意图 由此可见，管地电位、输出电流、控制电压和电流作为整个系统的现场参 数，能如实有效地反映现场防腐电源的工作情况，系统在此基础上能得到准确 信息，产生迅速有效的控制效果。 系统图中防腐电源提供金属阴极保护所需的参比电极，g s m 智能监测模块 对该参比电极进行监测：当需要该监测点数据时，将参比电压信号进行a d 转 换、计算，并通过g s m 通信模块以短消息的发送给上位机防腐电源监测中心。 当监测中心的g s m 模块收到短消息后，会自动将收到的短消息送至与之相连的 上位p c 机，由上位p c 机对收到的信息进行判断、处理。监测中心需要向g s m 智能监测模块发送指令信息时，监测中心首先将待发指令按g s m 通信协议通过 p c 机串1 3 发送给g s m 模块，g s m 智能监测模块收到短消息后会将收到的短消 息指令信息进行判断，然后完成相应的操作。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 系统主要功能 本系统中监控中心需实现的功能如下： 1 1 监测中心定时自动采集防腐电源参比电压，保存采集时间和原始数据信 息，并且采集频率通过监测软件按用户需要进行设置。 监测中心显示实时防腐电源参比电压数据。 监测中心与数据服务器连接，保存实时采集数据和读取历史数据。 4 1 监测中心可根据用户需要指定报表，对采集信息进行分析。 5 1 监测中心可设置当系统故障或防腐电源异常时报警方式和报警通知对 象。 6 1 软件设置g s m 智能监测模块参数。 7 1 软件设置g s m 通信模块参数。 g s m 智能监测模块需实现的功能如下： 1 ) 能完成双极性电压，电流信号的输入： 2 ) 能进行短路空载的监测； 3 ) 能存储一定时问的现场数据； 4 1 能实现现场信号的显示； 5 ) 根据现场信号特点选择合适的滤波方式； 6 1 可以由用户设最不同的工作方式； 7 ) 能进行零点白校准； 8 ) 能高效准确传输数据； 9 1 能自动进行量程切换； 2 3 本章小结 本章首先介绍了防腐电源监控系统的两个理论基础一阴极保护技术原理和 智能防腐电源原理，智能防腐电源处于整个系统的最前端，在g s m 智能监测模 块控制下，通过功率部分和控制部分控制电压输出，产生良好的阴极保护效果， 然后给出了给了智能防腐电源的设计原理和参考电路，最后给出了防腐电源监 控系统的整体设计框架，并介绍了系统实现的功能和框架中各个部分的功能。 1 5 武汉理工人学硕士学位论文 第3 章g s m 智能监控节点的接口电路设计 3 1g s m 智能监控节点的整体设计 在研制高精度、高性能、多功能的智能监控节点时，几乎没有不考虑采用 微处理器使之成为智能系统的，而在监控节点中使用最多的微处理器就是单片 机。单片机自7 0 年代以来，以其高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应 用很广，发展也很快。单片机具有体积小，功能强，抗干扰能力强，环境要求 不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，功耗低，开发较为容易的优点。考虑 到设计要求和工业成本，该系统使用单片机为核心，围绕其i o 口，利用外部功 能芯片实现所要求的数据采集，信号调理，数据通讯的功能。 g s m 智能监控节点硬件由两块电路板组成。两块电路板一块为模拟板，主 要完成来自防腐电源的待铡信号的滤波、放大、采样以及放大倍数的自动选择： 一块为数字板，主要完成采样信号的模数转换、计算( 消除噪声并还原信号) ， 参数设置和通讯。监控节点的总体框图如下图3 1 ： u + + u u 卧嘲旧明豫 tiii l 于 控制命令 圈3 1 g 铷智能监爱i 模块总体框图 监控模块直接测量的是防腐电源的电信号，系统采集的信号为现场信号， 包括电压信号和电流信号。防腐电源的工作现场环境恶劣，夹杂了大量干扰信 号，模拟量调节电路电路包括差模放大部分和滤波部分，作用是抑制被测信号 中的共模信号和高频干扰。经过前置处理，被测信号中基本上只剩下所需的真 实信号部分，同时将电流信号转换成相应的电压信号。放大器使用低噪声、低 漂移的精密仪表放大器，将被测信号进一步放大，使之进入a d 转换正常工作 范围。为拓宽测量范围，系统还包括电压分挡的功能，该功能与可编程放大器 武汉理丁大学硕士学位论文 配合，由单片机根据电压分档电路的信号，控制可编程放大器的放大倍数，从 而实现可变增益放大。放大器的输出信号经采样保持，a d 转换变换为数字信号， 出单片机进行处理。在模拟量电路和放大电路之间设置了一个多路开关，控制 四路采样信号逐个选通，这样只用一个放大电路和a d 电路就能完成四路信号 的采集，在速度要求不是很高的情况下，大大的降低了成本1 7 1 1 1 5 j 。系统由程序控 制，完成对数字信号的各种处理运算，将处理结果存储在外部存储器等待上位 机读取。g s m 智能监控节点通过中断程序接收上位机指令，并对指令进行判断 后做出相应响应。另外系统还扩展了两个输出通道，用来输出控制信号到防腐 电源，来控制防腐电源的工作。 系统考虑到扩展性，设置了控制开关，通过开关设置命令参数，选择系统 的工作方式。系统增加了扩展槽，当有升级必要时，可以使用其应用新的技术。 由于系统中大部分硬件电路由实验室其他同学完成，作者只参与了g s m 智 能监控节点的通信接口电路设计和相关软件开发。故下面重点介绍通信接口电 路的设计。 3 2g s m 智能监控节点通信接口电路 由于g s m 功能突出、应用广泛，目前国内外许多无线通信公司均推出了自 己的工业级g s m 协议的产品，如f a l c o m a z d 、w a v c c o m w m 0 2 、s i m e n s e t c 3 5 以及m o t o r o l ad 1 5 等，这些产品都以a t 指令集为用户接口，并且都与g s m 标 准兼容，对应用系统开发人员来说，只需知道g s m 模块的型号以及搞清g s m 模块与微控制器的接口关系，而g s m 协议可由g s m 模块自动实现。在开发本 系统的通信接口时，采用了北京经纬星航科技发展有限公司的w a v e c o mg s m d t u 智能透传模块，该模块具有以下显著特点1 1 4 】： 1 ) g s md t u 智能透传模块内置标准字库，实现g s m 短信透明传输无需 p d u 编码，无需a t 指令，这样使用户可以更加专注系统功能的开发，而 不是繁琐的a t 指令。 2 ) g s md t u r t u ( 透传模块) 系统为用户提供高速、永远在线、透明数据传 输的虚拟专用数据通信网络，利用g s m 网络平台数据信息的透明传输， 特别适合电力系统自动化、工业监控、交通管理、会融、证券等部门工 业级的应用。 3 ) g s md t u 为前端数据采集设备提供标准的数据接口j 如 1 7 武汉理j _ = 人学硕士学位论文 r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 4 2 2 等，这样用户很容易借助于g s m 网络平台，实现与监 控中心端的数据通信。 4 ) 已通过g s mp h a s e 2 + 技术标准的所有认证话音，短信息，传真及数据 传输。 5 ) g s md t u 模块提供了一个r s 2 3 2 通信接口，数据通过该接口透明传输。 防腐电源数据采集模块输出接口为r s 4 8 5 ，r s 4 8 5 接口为半双工通信方式， 本系统采用m a x i m 公司的m a x 4 8 5 芯片实现r s 4 8 5 接口电路。因为m c u 复 位时i o 口都输出高电平。如果把y o 口直接与r s 4 8 5 接口芯片的使能端d e 端相连，会在c p u 复位其间d e 为高，从而使本节点处于发送状态。如果此时 总线上其它节点在发送数据，则此次数据传输将被打断而失败，甚至引起整个 总线因某个节点的故障而通信阻塞，继而影响整个系统的正常运行。为了做到 通信避障，考虑系统工作稳定性，在每个节点的设计中应将控制r s 4 8 5 总线接 口芯片的发送引脚设计成d e 端的反逻辑，即控制引脚为逻辑“1 ”时，d e 端 为“0 ”；控制引脚为逻辑“o ”时，d e 端为“1 ”。应用中，将m c u 的y o 引 脚c o n t r o l d e ( 控制r s 4 8 5 总线接口芯片的发送引脚) 反相和c p u 复位引脚 r e s e t 反相相与驱动d e 端，这样就可以使控制引脚为高或者异常复位时使 r s 一4 8 5 接口始终处于接收状态，从而从硬件上有效避免节点因异常情况而对整 个系统造成的影响。其接口电路如图3 2 所示： 图3 - - 2r s 4 8 5 通信接i ：3 电路 由前述可知g s md t u 使用的是r s 2 3 2 口，因此在实际使用时一个g s m 模 块可以连接多个智能监控节点，中间使用r s 4 8 5 r s 2 3 2 器件进行信号转换。 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 通信协议 g s m 防腐电源智能监控节点( 以下简称下位机) 和计算机( 以下简称上位 机) 的通信过程必须指定一个统一的技术协议，通过此协议完成上微机与下微 机的动态数据交换【4 1 i 。 3 3 1 上位机通信协议 上位机通信协议是指上位机向下位机发送控制指令时的数据格式，一般是 将控制指令按照一定的规则封装，本系统中上位机的控制指令格式是控制码+ g s m 智能节点地址，其中上位机常用的控制指令如下表3 1 所示： 表3 1 常用控制指令 控制码节点地址协议说明 ( 1 6 进制)( 1 6 进制) 4 cn n 指定地址的节点开始数据采集 f 0n n 指定地址的节点停止数据采集 0 0n n 指定地址的节点复位 3 3 2 下位