（信息与通信工程专业论文）管道防腐恒电位仪的控制系统研究.pdf

摘要 油气管道防腐对于延长管道使用寿命及保障能源运输至关重要，阴极保护法是公认 的防止金属电化学腐蚀最有效的方法。恒电位仪作为阴极保护电源，被广泛应用于埋地 金属管道的防腐蚀工程中。恒电位仪控制系统是恒电位仪的控制中枢和整个阴极保护系 统的核心，近年来得到了快速发展，然而仍存在着控制手段和控制方法落后、难以组网 和集中管理、操作流程繁琐、人机界面简陋等缺点。本论文针对以上问题，研究和设计 了一种新型的恒电位仪控制系统，可以有效的避免以上控制系统功能上的缺陷，且具备 控制对象范围广泛的特点。本文完成的主要工作如下： 1 、结合阴极保护技术，进行了恒电位仪在金属管道防腐中的作用分析。根据阴极 保护工程对恒电位仪及其控制系统的要求，提出了恒电位仪控制系统模块化的设计方 案，并完成了基于电气隔离的硬件电路设计和程序设计，实现了对恒电位仪输出电压和 输出电流、参比电压的采集、存储、显示及上传功能。 2 、为消除来自现场和高频开关电源本身的电磁干扰对于数据采集的影响，设计了 一种基于加权递推平滑滤波的复合数字滤波算法，消除了数据采集过程中的干扰误差， 提高了数据采集精度。 3 、为实现系统对参比电压的精确和稳定控制，设计了一种电压动态跟踪控制算法， 实现了管道通电点电位对于给定电压的快速稳定跟踪。 4 、针对不同环境下监控上位机的数据传输及远程控制的功能需要，设计了基于 r s - 2 3 2 、r s - 4 8 5 和无线通信三种通信方式可切换选择的多模式数据传输电路及其通信协 议，可选择性地进行数据传输，提高了通信的灵活性。 本系统在实验室进行了调试，并对测试结果与理论结果进行了比较和误差分析。试 验表明，该套系统可实现给定电位从一2 o v 至o v 连续可调，参比电位控制精度达到 + 2 m y ；给定电位改变后，参比电压重新建立稳定时间不超过7 秒；数据通信准确无误。 可以满足阴极保护工程设计要求。 关键词：阴极保护；恒电位仪控制系统；参比电压；数字滤波算法；多模式数据传输 r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mo fp o t e n t i o s t a tf o rp i p e l i n e s a n t i c o r r o s i o n y ux i n k a i ( i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y uy u n h u a l e c t u r es h ih a i t a o a b s t r a c t c o r r o s i o np r o t e c t i o no fo i lo rg a sp i p e l i n ei se s s e n t i a lf o re x t e n s i o no fs e r v i c el i f ea n d e n e r g yt r a n s p o r t c a t h o d i cp r o t e c t i o nm e t h o di sb e i n gr e c o g n i z e da st h em o s te f f e c t i v ew a yt o p r e v e mt h ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o no fm e t a l p o t e n t i o s t a t ，a st h ei m p r e s s e dc u r r e n tc a t h o d i c p r o t e c t i o np o w e r ，h a sb e e nw i d e l yu s e di nu n d e r g r o u n dm e t a l l i cp i p e l i n ea n t i c o r r o s i o n t h e c o n t r o ls y s t e mo fp o t e n t i o s t a t ，w h i c hi st h ek e yt e c h n i q u eo ft h ec a t h o d i cp r o t e c t i o ns y s t e m ， h a sd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s h o w e v t h e r ea r es t i l ls o m es h o r t c o m i n g s ，s u c ha s d i f f i c u l t yo fn e t w o r k i n ga n dc e n t r a l i z e dm a n a g i n g ，t e d i o u so p e r a t i n gp r o c e d u r e sa n ds i m p l e m a n m a c h i n ei n t e r f a c e an e wt y p eo fp o t e n t i o s t a tc o n t r o ls y s t e mh a sb e e np r o p s e di nt h i s t h e s i s ，w h i c hc a l le f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ea b o v ed e f e c t sa n dc a nb eu s e df o rav a r i e t yo f c o n t r o l l i n gp u r p o s e s t h em a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ea u t h o rh a sa n a l y z e dt h er o l eo fp o t e n t i o s t a ti nt h ep i p e l i n ec o r r o s i o n p r o t e c t i o n a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fc a t h o d i cp r o t e c t i o n ，ac o n t r o ls y s t e ms c h e m eo f m o d u l a rc i r c u i td e s i g nh a sb e e np r o p o s e d b a s e do ne l e c t r i c a li s o l a t i o n ，t h eh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g na n dp r o g r a m m i n gh a sb e e na c c o m p l i s h e d ，w h i c hc a nr e a l i z et h ef u n c t i o no fd a t a a c q u i s i t i o n ，d a t as t o r a g e ，d a t as h o w , d a t at r a n s m i s s i o n s e c o n d l y , ac o m p l e xf i l t e r i n ga l g o r i t h mb a s e do nw e i g h t e dr e c u r s i v ef i l t e r i n gm e t h o d h a sb e e np r e s e n t e di no r d e rt oe l i m i n a t et h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ef r o mh i g h - f r e q u e n c y s w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya n do t h e ri n t e r f e r e n c ef r o mt h ef i e l d ，w h i c hh a si m p r o v e dd a t a a c q u i s i t i o na c c u r a c y t h i r d l y , ad y n a m i ct r a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h mh a sb e e np r o p o s e dt oa c h i e v ep r e c i s ea n d s t a b l ec o n t r o lf o rr e f e r e n c ev o l t a g e f i n a l l y , b a s e do nr s - 2 3 2b u s ，r s 一4 8 5b u so rw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ，t h et h e s i sh a s a d o p t e dm u l t i m o d e c o m m u n i c a t i o nm e t h o d sa n dd e v e l o p e das e to fc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s n o to n l yc a nt h i sm e e tv a r i o u sn e e d so fd a t at r a n s m i s s i o na n dr e m o t ec o n t r 0 1 b u t a l s oc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n df l e x i b i l i t yo fd a t a c o m m u n i c a t i o n t h es y s t e mh a sb e e nt e s t e di nl a b o r a t o r y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v es h o w nt h a t ：( 1 ) t h eg i v e np o t e n t i a lc a nb ea d j u s t e dc o n t i n u o u s l yf r o m 一2 0 vt o0 v , a n dt h ec o n t r o lp r e c i s i o n o fr e f e r e n c ev o l t a g ei s 士2 m v ；( 2 ) t h es t a b l et i m eo fr e f e r e n c ev o l t a g ei sl e s st h a n7s e c o n d s ； a n d ( 3 ) d a t ac o m m u n i c a t i o n i sa c c u r a t e t h ec o n t r o ls y s t e mc a nm e e tt h ed e m a n do fc a t h o d i c p r o t e c t i o ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：c a t h o d i cp r o t e c t i o n ；p o t e n t i o s t a tc o n t r o ls y s t e m ；r e f e r e n c ev o l t a g e ；d i g i t a l f i l t e r i n ga l g o r i t h m ；m u l t i m o d ed a t at r a n s m i s s i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：2 由d 年二月6 e l 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 日期：沙，。年6 月b e 1 日期：j - 。i 。年多月e l 中困石油火学( 华东) 硕士学位论文 1 i 本课题研究背景及意义 第1 章绪论 以西气东输管道工程为标志，二十一世纪的最初l o 年是我国的一个油气管道建设 的高峰期。油气管道防腐对于延长金属管道使用寿命，保障能源运输，乃至维持石油工 业的长期稳定和正常生产至关重要。 土壤环境中存在着水、氧气、各种盐类等腐蚀介质，虽然大部分埋地输油、气金属 管道在使用前都进行了外防腐层的保护，但难以保证1 0 0 无破损，破损一旦发生，破损 点将会成为腐蚀电池中的阳极，防腐层完好的部分成为阴极，引发严重的电化学腐蚀现 象。另外，随着管道运行时间增加，防腐层本身也存在着不可避免的老化问题，在役管 线使用五年以上，防腐层的老化将会日益加剧，管道依然会面临着很大的腐蚀威胁【。 据国外相关文献统计，在管道损坏事故中，4 5 是由管道腐蚀引起的，更有国外统计资 料表明，全世界每年由于腐蚀而损失的金属材料约占当年金属产量的2 5 - 3 5 ，超过1 亿 吨，它不仅浪费了金属资源，增加了投资，更重要的是，会造成生产停顿、物料流失和 环境污染，甚至引起火灾、爆炸、人身伤亡等灾难性事故。因此，重视管道防腐蚀问题 不仅有明显的经济效益，还有着巨大的社会效益1 2 】。 金属材料腐蚀是由于金属与环境中的氧气和水发生化学反应而导致电子的流失。金 属腐蚀根据环境介质可分为大气腐蚀、土壤腐蚀和海水腐蚀，按其性质分类又可分为化 学腐蚀和电化学腐蚀。大气腐蚀、土壤腐蚀和海水腐蚀均为电化学腐蚀，其共同特点是 腐蚀介质是导电的电解质，能够构成电流回路而形成腐蚀原电池。埋地金属管道的腐蚀 主要来自土壤对其外壁的电化学腐蚀，因此最基本的防腐措施是在金属管道表面涂敷电 绝缘性良好的外防腐层，以避免金属管道与土壤直接接触，从而切断腐蚀电池的电流回 路，达到防腐蚀目的。然而外防腐层在施工现场中无法保证完全不受破坏，因此只采用 涂敷外防腐层的方法是不能完全满足金属管道防腐蚀要求的。为使埋地金属管道的电化 学腐蚀得到有效控制，目前国际上公认的做法是采用阴极保护和外防腐层联合防护的措 施f 3 1 0 阴极保护技术是一种基于电化学腐蚀原理而发展起来的电化学保护技术。美国腐蚀 工程师协会是这样定义的：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。它的意思是通过外加电能给金属管道补充大量电子，使被保护 第2 章外加 也流阴极保护工程设计 会属体处于电子过剩状念，并消除金属表面不同部位在电解质溶液中的电位差，使不能 在金属管道表面形成原电池，从而消除金属的电化学腐蚀现象【4 】。阴极保护主要有两种 方法，牺牲阳极法和外加电流法。牺牲阳极法是利用电位更负的金属构成腐蚀电池体系 中的新阳极，依靠阳极不断溶解产生阴极电流来实现阴极保护，一般用于小工程范围， 需要电流比较小的场合。外加电流法是利用外部直流电源取得阴极极化电流来控制金属 腐蚀的方法，其具备管道保护电压和管道保护电流可调、不受土壤电阻率限制、保护半 径较大、系统运行寿命长等优势，被广泛应用于长距离输油气金属管道防腐蚀工程中【5 1 。 在应用外加电流法进行金属管道的阴极保护过程中，外部直流电源的选择是整个阴 极保护系统能否顺利运行并达到理想保护效果的关键，目前由于管道防腐恒电位仪可实 现管道保护电位控制的自动化，运行可靠稳定，具有其他阴极保护电源所不可比拟的优 势，在阴极保护工程中广泛应用。 管道防腐恒电位仪是能够根据现场参比电极电压( 简称参比电压) 的微小变化自动 调整其输出电压与输出电流的大小，使金属通电点电位稳定在给定电位上的直流电源。 目前工程上最广泛应用的阴极保护电源是可控硅恒电位仪。可控硅恒电位仪的控制核心 是晶闸管，其控制原理是通过调整触发脉冲改变晶闸管的导通角而达到控制输出电压的 目的，但可控硅恒电位仪对电网供电质量要求严格，不适宜电网稳定性较差的环境使用。 高频开关恒电位仪是一种全新的阴极保护电源，其通过脉宽调制或移相控制等方式来调 整大功率开关管开通和关断的时间比，以达到调整输出电压的目的，具有体积小、输出 电压稳定、精度高等一系列优点，成为一种适用于管道防腐的新型阴极保护器【6 j 。 管道防腐恒电位仪控制系统是恒电位仪的控制中枢，用于完成阴极保护系统运行过 程中相关数据的采集转换、处理、存储和上传，对电源输出电压、输出电流及参比电压 进行控制，配合监控站对于恒电位仪进行远程监控等功能，可以说管道防腐恒电位仪控 制系统是整个阴极保护系统的心脏，其研发技术上的不断探索追求突破是恒电位仪日益 成熟、性能不断升级并实现数字化和智能化的关键，是提高阴极保护系统可靠性和稳定 性的有效手段。 1 2 管道防腐恒电位仪及其控制系统的发展及研究现状 恒电位仪是一种能够根据给定和反馈信号自动控制并调整输出的大功率工业电源， 是埋地或水下金属构件实施外加电流阴极保护、防止或延缓电化学腐蚀、提高金属构件 运行寿命、减少各种危险事故的主要设备。恒电位仪是外加电流阴极保护的核心，是实 2 中国油人学( 华东) 硕l 学位论文 现阴极防腐保护措施的关键，是阴极保护系统设计、测试、施工、管理和评价的基础【7 1 。 管道防腐恒电位仪是在近些年来各类油气管道和站场建设步伐加快、外加电流阴极 保护技术取得长足进步的背景下发展起来的。相控式恒电位仪首先在外加电流阴极保护 工程上得到广泛应用【8 j 。相控式恒电位仪包括二极管整流器恒电位仪、晶体管恒电位仪、 磁饱和放大式恒电位仪和可控硅式恒电位仪，其共同特点都是在工频5 0 h z 下运行的。 其中磁饱和放大式恒电位仪采用磁放大器作为功率放大器，通过调整直流绕组中的电流 来控制电抗器铁心的饱和度，从而控制输出电流和输出电压，具备过载能力强、转换效 率高、结构简单、抗震性能好等优点，但磁饱和放大式恒电位仪由于采用大功率工频变 压器和滤波电感，因此体积庞大，给运输、安装、维护带来诸多不便，还存在空载电流 大、控制精度低、大功率输出时有振动噪声、纹波系数大、铁损铜损严重等缺点。可控 硅式恒电位仪体积重量比晶体管和磁饱和放大式恒电位仪小，自动调节性能也优于前 者，可基本满足阴极保护的供电要求，但可控硅恒电位仪随着高纹波和严重的杂音干扰 的影响，其保护效果大打折扣，对电网和通信以及自动控制系统都有不良影响【9 1 。 开关稳压电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。基 于开关稳压电源技术的高频开关式恒电位仪也进入了高速发展的阶段。高频开关式恒电 位仪采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关以控制开关元件占空比来 调整输出电压。其主要由输入电网滤波电路、输入整流滤波电路、高频开关变换器、高 频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路、辅助电源等几部份组成。基本原理 是三相或单相交流输入经整流滤波电路，得到直流电压，加在逆变电路的两端，根据电 流反馈和阴极电位反馈信号，自动调整开关管导通脉宽，得到受控的直流输出，使阴极 电位保持稳定。高频开关式恒电位仪由于采用逆变技术，在输出功率不变的情况下，主 变压器、滤波电感铁芯的横截面积与其工作频率成反比，因此体积减小，整机重量能够 降低到2 5 k g 至7 0 k g ，在运输、安装、维修等方面显出优势。另外，体积减小，铁损、 铜损也随之减小，节能效果明显。正常工作频率一般高于2 0 k h z ，超出音频范围，因此 大电流运行时没有噪音。 相比于许多成熟的电源技术的在恒电位仪设计中的大量应用，恒电位仪控制系统的 发展相对滞后，集中表现在，首先，控制手段和控制方法落后，随着时间的迁移，管道 外防腐层和土壤环境的改变导致系统不能对于外界环境的改变做出有效地调整，使参比 电压脱离保护点，导致管道经常处于欠保护和过保护的异常状态，其次，不能对恒电位 仪进行有效地远程监控和集中管理，由于输油气管道往往覆盖面积很大，恒电位仪被分 第2 章外加电流阴极保护t 程设计 散的安置于各计量站、接转站、联合站及其他各阴极保护站，恒电位仪经常处于无人值 守的状态，对恒电位的控制、管理和维护都极不方便，经常出现恒电位仪出现故障很久 而维护人员并不知情的情况，就更谈不上对其进行参数调整和优化了，另外，控制系统 操作比较繁琐且难以做到人性化，一些控制命令和系统运行参数都是用事先约定的字母 去代替，非常不直观，使用起来必须参照使用手册，增加了技术人员的工作量且容易出 错j 。 因此，由以上的分析我们知道融合了先进的控制方法和数据测量技术，便于远程监 控，易于组网，具有人性化的人机操作界面且可以长期稳定可靠运行的恒电位仪将是未 来恒电位仪的发展方向，同时也是本设计的研究方向。 1 3 本论文主要研究内容及结构安排 第一章介绍了课题的研究背景和研究意义，总结了当前恒电位仪及其控制系统的发 展及研究现状，并对文章的主要研究内容及结构安排进行了说明。 第二章总结了金属管道防电化学腐蚀的理论基础阴极保护技术，并介绍了外加电流 阴极保护工程设计。 第三章根据阴极保护工程的要求对恒电位仪控制系统进行了功能分析，并提出了模 块化的功能设计方案。 第四章提出了基于电气隔离的硬件电路的结构设计方案，并对每部分电路设计做了 详细的介绍，包括主控制器电路、供电电路、数据采集电路、电源模块控制电路、多模 式通信电路、人机交互电路、数据存储电路和时钟电路。另外，为了配合试验，还设计 了一款输出连续可调的高频开关电源。 第五章对控制系统的程序设计进行了详细的介绍，提出了程序整体设计思想，阐述 了数据采集、电源模块控制、多模式通信、人机交互电路、数据存储电路和时钟电路的 程序设计流程，并提出了一套基于加权递推平滑滤波的复合滤波算法，提出了一套参比 电压动态跟踪控制算法，自定义了一套上位机与下位机的进行数据交互的通信协议。 第六章对数据采集电路、电源模块控制电路及多模式通信电路进行了功能测试，并 结合自行设计的高频开关电源进行了控制系统的整体联调，证实了设计的可行性。 4 中固石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章外加电流阴极保护工程设计 2 1 外加电流阴极保护技术 外加电流阴极保护法也称强制电流法，顾名思义就是由外部直流电源直接向被保护 金属构筑物通以阴极电流，使之阴极极化，达到阴极保护的目的【1 2 】f 1 3 】。外加电流阴极保 护由辅助阳极、参比电极、直流电源以及相关的连接电缆所组成。 辅助阳极的作用是将保护电流经电解质输送到保护体上，其应具有良好的导电性及 较低的电阻，耐腐蚀、消耗量小、寿命长，选材容易、价格便宜、便于安装。辅助阳极 性能的优劣及其设计寿命的长短都能够直接影响到阴极保护的效果1 3 1 【1 4 1 。 参比电极的用途一是测量被保护构筑物的电位，监测保护效果，要求参比电极受电 流极化影响小、性能稳定，才能作为保护电位的测量点，二是为恒电位仪提供控制信号 以调节输出电压，使金属构筑物总处于良好的保护状态。目前世界上最广泛应用的参比 电极( 适用于土壤) 是饱和硫酸铜参比电极f 1 3 】 1 4 1 。 外加电流阴极保护对电源设备的基本要求为：输出电流和输出电压可调；可靠性高； 对环境适应性强；维护保养简便；寿命长；应具有抗过载、防雷、抗干扰、故障保护等 功能【1 3 】【巧l 。 应用恒电位仪进行外加电流阴极保护的接线方法如图2 1 所示l l 引。 图2 - 1 恒电位仪阴极保护接线图 f i 9 2 1p o t e n t i o s t a tc a t h o d i cp r o t e c t i o nw i r i n gd i a g r a m 将恒电位仪的正极通过电缆与辅助阳极相连接，此时辅助阳极对于整个大地相当于 一个点电源，通电后在地下形成一个半球面电场，负极接在被保护管道的中央，这一点 称为汇流点或通电点，参比电极接线柱与参比电极相连接，参比电极埋设在管道附近， 用于测量被保护结构物的电位，监测保护效果。恒电位保护开启后，保护电流从恒电位 第2 章外加i 乜流阴极保护。e 程设计 仪正极流出，经过辅助阳极进入土壤，再流到管道上，电流方向为从管道两头沿金属管 壁向中央汇集，最后在汇流点处汇合在一起，又沿阴极导线回到电源负极，因此汇流点 的电流值最大，电位值也最负，形成回路的等效原理图如图2 2 所示f i 。 图2 2 恒电位仪阴极保护等效原理图 f i 9 2 - 2c a t h o d i cp r o t e c t i o ne q u i v a l e n ts c h e m a t i c 其中，r a 为阳极至参比电极问的土壤电阻；r b 为管道绝缘层电阻和参比电极与阴 极间的土壤电阻；r c 为管道表面的极化电阻；c 为管道金属表面与周围介质间电容；u r 为参比电极电位，即管道通电点电位( 相对于参比电极) 相反数。 由上图可见，随着恒电位仪输出电压的增大，参比电极的电位u r 将相应增大，反 之，将相应减小。本设计中的恒电位仪控制系统正是通过改变恒电位仪的输出电压以达 到调整管道通电点电位的目的。 那么，接下来的问题是如何判断金属管道处于怎样的电位下才能受到良好的阴极保 护。现国际上已给出保护准则| 1 8 】1 1 9 】，如下： 1 、阴极保护投用使用后，被保护的钢铁结构物相对于标准c u c u s 0 4 参比电极的直 流电位值为- 0 8 5 v 或更小些。 2 、极化电位= l 断开电位i i 自然电位l l o o m v 。 由第一条保护标准可知，钢铁结构物理想的阴极保护电位最大为一0 8 5 v ，当阴极保 护电位高于一0 8 5 v 时，钢铁结构物得不到有效保护，另由工程经验知，当阴极保护电位 低于一1 5 0 v 时，钢铁结构物易产生过极化现象，容易使金属管道外防腐层脱落，且造成 了能源浪费，因此对于钢铁结构管道的给定保护电位一般设置在- 1 5 0 v 至- 0 8 5 v 之间。 若因现场环境特殊，第一条保护准则不易实现时，由第二条准则对金属管道进行阴 极保护。 6 中国石油大学( 华东) 硕：l ：学位论文 第二条准则中，断开电位的测试通过令供电设备循环工作于供电1 2 秒，停电3 秒 的工作状态，停电3 秒期间测量管道电位即为断开电位，在阴极保护投入前或断电后2 4 小时，测得的金属管道对标准c u c u s 0 4 参比电极的电位就是该管道的自然电位。 2 2 外加电流阴极保护工程设计 管道防腐恒电位仪及其控制系统设计之前必须对外加电流阴极保护工程设计有所 了解，因为任何产品的设计从方案的提出、论证、系统设计到后期的产品升级和更新换 代都离不开对其使用环境的了解和应用平台的掌握，否则很有可能因为不符合现场使用 要求而得不到性能优良的产品。下面本文将对涉及到恒电位仪设计部分的阴极保护工程 设计做一个简单而系统的介绍。 ( 1 ) 进行管道及地形环境基础资料的收集1 1 9 1 1 2 0 。 确定以下基本技术资料：管道参数，如管道长度、直径、壁厚、材料的类型、保护 电流密度、设计压力、输送介质、防腐层种类及电阻率、管道走向图纸、管道电缆等； 电源的可利用性；阴极保护系统设计寿命；金属管网所在地的土壤电阻率等。 ( 2 ) 确定每台恒电位仪的保护范围 1 9 1 2 0 1 。 阴极保护装置的保护范围主要和保护电流密度及管线纵向电阻所引起的电压降有 关，如下式所示。 ”：量肛：z d d s r l 2( 2 1 ) 22 整理得 式中 2 l = 圪通电点与保护区域端点之间电位差，v ； 厶管道单侧保护电流，a ； r 单位长度管道纵向电阻，q m ； i 一单侧保护距离，m ； 卜管道外径，m ； 以管道保护电流密度，a m 2 ； 7 ( 2 - 2 ) 第2 章外加 乜流阴极保护工程设计 由式2 2 可见，在该式中巧是决定保护距离l 的唯一变量，是通电点与保护区域 端点之间电位差，而恒电位仪是以将管道通电点电位稳定在给定电位上为目的的，因此 恒电位仪正常工作时，通电点电位实际上就是给定保护电位值。又由上文提到，国际标 准对保护电位的规定最大为一0 8 5 v ，即若管道上一点大于- 0 8 5 v ，就认为此处管道并未 受到保护，即不在保护区域，所以保护区域端点即管道电位为- 0 8 5 v 的点，通电点与保 护区域端点之间电位差也就是保护电位的给定值与一0 8 5 v 之间的差值，也就是说可以通 过改变给定电位来改变恒电位仪的保护距离。 然而，随着时间的推移，外防腐层在地下水和阴极保护电流的作用下，将逐步老化 变质，使绝缘电阻降低，管道所需的保护电流密度增加，实际保护距离将缩短。因此要 维持原设计的保护长度，就必须提高通电点的电位值，增大电流强度，相应带来的问题 则是由于通电点电位过高而造成的“过保护 危害，否则就要增设新的恒电位仪。因此， 要根据管道的使用寿命和维修周期，对恒电位仪保护范围的计算留有余地，同时还要充 分考虑到阴极保护设计的经济性，使设计科学可靠。 ( 3 ) 计算恒电位仪额定输出电流【1 9 】【2 0 】。 2 1 0 = 2 7 r d j ，l ( 2 - 3 ) 式中 厶管道单侧保护电流，a ； 卜管道外径，m ； 。管道保护电流密度，a m 2 ； 1 每台恒电位仪的保护范围，m 这里所求得的保护电流是为了暂定恒电位仪的额定输出电流，主要具有理论意义。 由于管道的外防腐层在使用过程中，会产生各种损坏，致使所需的阴极保护电流不断增 加才能达到原设计选定的阴极保护要求，因此在设计阴极保护电源的容量时，应留有充 分的裕量，按过去的使用经验，可按最初所需的保护电流的两倍来选用。 ( 4 ) 计算恒电位仪额定输出电压和额定输出功率1 1 9 。 恒电位仪要能够至少提供步骤( 3 ) 中所计算出的管道保护总电流和根据管道保护总 电流计算出的阴极保护回路总电压。回路总电压计算如下式 v = i ( r g + r f + r 。) + ( 2 4 ) 8 中国石油人学( 华东) 硕：上学位论文 ，= 2 1 0 ( 2 - 5 ) 式中 卜总输出电压，v ； 卜一总保护电流，a ； ，o 单侧保护电流，a ； 尺。辅助阳极组接地电阻，q ； 局导线电阻，q ； 也阴极过渡电阻，即保护电流从土壤流入管道的过渡电阻，q ： 圯辅助阳极地床的反电动势，v ，当采用焦炭填充时，取v ，= 2 v 恒电位仪的输出功率计算如下式 尸：一i v ( 2 6 ) r 式中 卜电源功率，w ； 卜总输出电压，v ； 总保护电流，a ； 刀电源设备效率 通过以上计算明确了多大的输出电压、输出电流和输出功率的高频开关电源才适合 用作阴极保护电源。另外，由于恒电位仪控制系统需要对恒电位仪的输出电流和输出电 压进行采样，因此选择不同的高频开关电源对于恒电位仪控制系统的器件选型也是有影 响的，比如恒电位仪输出电流的采样需要采用电流传感器来实现，不同大小的输出电流 将会决定电流传感器的量程选择。 2 3 本章小结 本章介绍了外加电流阴极保护技术和外加电流阴极保护工程设计，可以看到恒电位 仪及其控制系统的设计必须充分考虑到现场阴极保护工程的需要，否则难以设计出满足 现场要求的产品。 9 笫3 章管道防腐恒i 乜位仪控制系统功能设计方案 第3 章管道防腐。匣电位仪控制系统功能设计方案 3 1 恒电位仪控制系统功能分析 根据阴极保护工程的要求，设计防腐恒电位仪控制系统功能如下： 1 、采集恒电位仪输出电压、恒电位仪输出电流和参比电极电压，共两路电压信号 和一路电流信号，并在液晶显示屏上实时显示。 2 、可以通过键盘设置给定电压，主控制器根据给定电压的绝对值和参比电压的偏 移量，通过控制算法的运算输出相应控制信号改变高频开关电源输出电压，以达到调节 管道通电点电压并使其稳定在给定电压上的目的。 3 、设置自动和手动两种工作方式。正常情况下默认为自动工作方式，当外界条件 改变引起参比电位偏移时，控制系统可自动调节参比电位稳定在给定电位上；当自动控 制系统出现故障时，切换至手动工作方式，参看实时显示的参比电压值，手动进行调节。 4 、当恒电位仪输出电流或输出电压超过额定输出值时，系统发出声光报警信号， 记录报警特征值，并通过数据上传向监控中心的上位机报警。 5 、当恒电位仪输出电流或输出电压超过额定值的l1 0 时，恒电位仪输出电压和输 出电流自动降至最小值，记录输出电压和输出电流的过载特征值，并通过数据上传向监 控中心的上位机报警。 6 、系统每隔一小时记录一次当前设备系统时间、给定电压、恒电位仪输出电压、 恒电位仪输出电流、参比电极电位、恒电位仪输出电压报警特征值、恒电位仪输出电流 报警特征值、恒电位仪输出电压过载特征值和恒电位仪输出电流过载特征值，并可以查 看历史数据和存储器利用率，清理存储空间。 7 、配置r s - 2 3 2 、r s - 4 8 5 和无线短消息三种通信方式与上位机进行数据交互，实现 下位机的历史记录上传和上位机远程控制功能。 8 、可进行当前时间查询和时间设置。 3 2 恒电位仪控制系统功能设计方案 管道防腐恒电位仪控制系统的研发离不开其控制对象电源模块的设计和选型，因为 有什么样的控制对象就会有什么样的控制方式来适应它，没有控制对象而空谈控制是没 有意义的，因此控制系统设计方案的选择将结合其控制对象一起来讨论。鉴于高频开关 1 0 中国缸油人学( 华东) 硕 ：学位论文 恒电位仪在性能上的优势，本设计选用高频开关电源作为控制系统的控制对象。但这里 需要说明的是，本设计的恒电位仪控制系统并不是只能用作高频开关恒电位仪的控制， 也同时具备控制多种电源的兼容性，改变了以往恒电位仪控制系统控制对象单一的弊 端。 结合上小节提出的控制系统功能要求，列出两种实现方案。 方案一： 电网2 2 0 v 交流电压通过输入回路中的整流滤波电路转换为峰值为3 0 0 v 的直流电压， 然后经过逆变器将直流电压转换为峰值3 0 0 v 的高频方波脉冲，该方波脉冲通过高频变压 器降压，经过输出回路中的高频整流器和滤波稳压电路变成稳定的直流电压加载到金属 管道上。 控制器通过模数转换模块不断检测恒电位仪的参比电位，根据参比电位与给定电压 绝对值的偏移量，调节控制器输出的p w m 波的占空比，作用于d c d c 变换电路，改变功 率开关管导通和截至的时间比，调节输出电压，从而达到控制参比电位的目的。方案框 图如下： a c 输入 一整流滤波卜+ | d c d c 变换_ r 叫稳压电路 人机交互电路 存储电路 时钟电路 通信电路 p w m 波 主 控 制 器 图3 一l 功能设计方案一 f i 9 3 - 1f u n c t i o n a ld e s i g np r o g r a m1 这种方案的优点是实现了全数字控制，避免了电源芯片模拟控制带来的控制精度低 的问题；p w m 占空比的调节通过程序在单片机内部实现，响应速度更快。 其局限性表现在： 1 、主控制器直接对电源部分进行控制，容易导致强电系统对控制电路的干扰，且 将控制部分和电源部分集成在。起，不利于系统的检测和维修。 2 、本方案控制器参与的工作很多，对控制器的要求也很高，要求控制器运算速度 足够快，且能输出足够高频率的p w m 波。一般时钟速度较低的控制器在保证产生高频p w m 第3 章管道防腐恒电位仪控制系统功能设计方案 波的情况下，会出现p w m 波调节精度不理想的情况，d s p 类单片机速度足够快，但价格也 很高，占设计总成本比例太大。 方案二： 本方案将恒电位仪的设计模块化，划分为电源与功率变换模块和控制模块，两个模 块之问预留出接口进行连接。 电源及功率变换模块包括电源输入、功率变换和p m 控制器部分。其中电源输入和 功率变换部分的工作原理与方案一相同。p w m 控制器的内部结构一般由基准电压产生电 路、震荡电路、间接调整电路、误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等部分组成， 可根据两个输入电压的差值自动调节输出p w m 波的占空比，以调节输出电压。 控制模块功能如下：给定电位通过键盘输入并传送到控制器，主控制器通过数模转 换模块将给定电位的绝对值转化为模拟输出电压，作为一路p w m 控制器的输入，即提供 一个基准电压，控制器采集的参比电位作为另一路的反馈信号输入到p w m 控制器，p w m 控制器可根据这两路输入信号的差值自动调节p w m 波的占空比，改变恒电位仪输出电压， 调节管道通电点电位，直到其稳定在给定电位上。同时控制器对设备各运行参数进行采 样、显示及存储，并与上位机进行通信，发送设备运行结果或接收上位机控制指令。 整体方案框图如下： 人机交互电路 存储电路 时钟电路 通信电路 控制模块 主 控 制 器 信号调理电路 d 7 a 控制 a c 输入 p w m 控制器 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 叫整流滤波 l 电源及功率变换模块 ： ! 一 d c d c 变换 稳压电路 工 输出电压 二 图3 2 功能设计方案二 f i 9 3 - 2f u n c t i o n a ld e s i g np r o g r a m2 本方案的优点如下： 1 、模块化的特点使恒电位仪设计结构更加清晰，便于设备的安装、调试和后期的 1 2 中国“油人学( 华东) 硕j ：学位论文 功能升级。另外，若设备出现故障，便于故障分析和排除，对于不可恢复性故障只需对 故障模块进行更换，不必更换整个系统，节约了成本。 2 、设计的灵活性和通用性强。目前市场上绝大部分可调直流电源的手动调节端实 际上是可调电阻，通过阻值的调节改变加载到可调电阻上的电压，作为电源输出电压的 参考值。本方案通过数模转换模块的模拟输出电压完全可取代绝大部分可调直流电源的 手动调节端，以实现对电源输出电压的自动控制，且因为控制原理相同，并不需要修改 控制算法，所以本方案控制模块的控制对象并不只局限于高频开关电源，也同样适用于 其他可调直流电源，扩大了控制对象的范围，具备很强的通用性。 3 、本方案中电源模块的控制是由p w m 控制器直接完成的，主控制器只为其提供一 个电压基准，起到间接控制的作用，这就降低了系统对主控制器性能的要求，p w m 控制 器市场上种类繁多、价格低廉，并且p w m 控制器这种专用电源控制芯片控制技术非常成 熟，比起通过主控制器发生p w m 波进行电源控制的方式其稳定性更好，所以总体来说降 低了设计成本又增加了控制的可靠性。 鉴于以上两种方案的比较，这里采用第二种设计方案。 3 3本章小结 本章根据阴极保护工程的要求，提出了防腐恒电位仪控制系统的功能设计，并根据 功能要求提出了两种实现方案，经过方案对比，选择了通用性更强的模块化设计方案。 第4 章管道防腐恒电位仪控制系统壬业件电路设计 第4 章管道防腐匾电位仪控制系统硬件电路设计 4 1恒电位仪控制系统硬件电路结构设计方案 根据恒电位仪控制系统的功能设计方案我们可以看到，整个控制系统的电路设计比 较复杂，包括多个子功能模块，所涉及到的器件及其外围电路也比较繁杂，若将所有电 路设计到一个电路板上，将会出现很多弊端，比如各信号走线繁杂易产生寄生耦合；电 路板太大，能够承受的机械负荷降低；不能有效利用空间以减小整机体积；不便于器件 更换和维修等。这里本设计考虑将所有电路安排在两块大小完全相同的电路板上，通过 上下对接的插针行进信号线的连接。下面将通过两种方案的比较进行本设计对两板资源 分配的说明。 方案一： 按照恒电位仪控制系统的功能布局，将整个控制系统分为主控板和人机交互板，见 下图。 图4 1 结构设计方案一 f i 9 4 - 1s t r u c t u r a ld e s i g np r o g r a m1 主控板负责完成恒电位仪控制系统的核心功能，即运行参数采集与参比电压的控 制，人机交互板负责运行结果的存储、上传及人机交互功能。其中主控板中采集的三路 信号和主控制器输出的控制信号必须要经过电气隔离电路，再进入主控制器采样和输出 进行电源控制，因为通过恒电位仪控制系统的功能介绍我们可以看到，恒电位仪的设计 采用的是弱电系统控制强电系统的结构，即用低电压电源下工作的主控制器来控制高频 开关电源。高频开关电源是严重的电磁干扰源，它通过内部的高频变压器、储能电感等 通过各种耦合、传导的方式对电子设备造成干扰，而a d 转换器、d a 转换器、单片机 及数字芯片等又是极易受干扰的对象，因此若不采取有效地抗干扰措施，将会对控制系 中困石油大学( 华东) 硕一f ：学位论文 统的运行产生严重的影响1 2 。我们知道干扰的形成有三个要素：干扰源、敏感器件和传 播路径，在干扰源和敏感器件同时存在又不能更换的情况下，消除干扰最行之有效的方 法即切断干扰的传播路径，因此要进行强弱电系统的电气隔离。 然而，由上述方案可以看到，虽然根据各电路模块功能进行资源分配，结构上比较 清晰，但在主控板中虽然进行